CN110486041B - 一种隧道高性能支护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道支护结构领域，具体来说是一种隧道高性能支护结构，包括混凝土支护结构，所述混凝土支护结构与隧道围岩之间通过多个注浆锚杆相连接；所述混凝土支护结构沿隧道轴向分布。本发明采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的形式作为永久隧道结构对围岩进行支护，以代替以往复合式衬砌中初支和二衬的联合支护，同时本发明公开的支护结构施工简单快捷，能对围岩进行及时支护，机械化程度高，施工人员安全风险低，造价大幅下降，经济效益显著；对锚杆杆体和配件、以及喷射混凝土中钢纤维进行纳米渗锌防腐处理，耐久性能优越，提高了隧道结构的整体寿命。
Description
技术领域
本发明涉及隧道支护结构领域，具体来说是一种隧道高性能支护结构。
背景技术
铁路隧道大都采用新奥法进行施工，隧道结构为初期支护和二次衬砌组成的二元支护体系。初期支护为主要的承载结构，紧跟掌子面进行施工，以对围岩进行及时有效的支护；二次衬砌主要作为隧道结构的承荷储备，根据隧道断面收敛等量测数据，在适当的时机进行施工。初期支护一般在喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护结构中进行选择，组成不同的支护形式；二次衬砌一般在绑扎钢筋网之后采用二衬模筑台车进行施工。
在实际施工中初期支护采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护结构结合的形式进行支护，施工工艺繁琐，需消耗大量的拱架架立、钢筋绑扎和挂网时间，难以真正实现对围岩的及时支护；挂钢筋网喷射混凝土施工很难保证与岩石密贴而形成良好的结合，往往需要增加喷射厚度并产生大量的回弹，否则就极易造成钢筋网没有完全被覆盖或背后凹陷的现象，使钢筋网发生腐蚀。二衬的施工进度难以跟上隧道开挖速度，难以实现对施工时机很好的选择；二衬模筑混凝土施工时钢筋网的存在严重影响混凝土的振捣，极易造成二衬钢筋混凝土结构表面出现蜂窝麻面，内部出现空洞等缺陷；二衬混凝土灌注时难以对拱顶部分有效填充，易造成拱顶二衬厚度不够，与初支分离等缺陷；混凝土干缩或温差引起的微裂缝存在不可避免，微裂缝在铁路运营过程中受外部因素影响，易使裂缝逐步展开、扩大、交错贯通，易引起混凝土大范围开裂和掉块事故；基于以上问题，一种结构简单，并且耐久性能优越的隧道支护结构是现在所需要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、性能优越的新型隧道支护结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种隧道高性能支护结构，所述隧道包括隧道正洞和辅助洞室，所述隧道正洞和辅助洞室内部使用支护结构进行支撑；所述支护结构包括混凝土支护结构，所述混凝土支护结构与隧道围岩之间通过多个注浆锚杆相连接；所述混凝土支护结构沿隧道轴向分布。
所述支护结构还包括钢筋混凝土支护结构，所述钢筋混凝土支护结构覆盖在混凝土支护结构外侧；所述钢筋混凝土支护结构包括支护钢筋和模筑混凝土。
所述钢筋混凝土支护结构设置在隧道正洞以及辅助洞室围岩强度较差区段。
所述混凝土支护结构竖直截面呈环形。
所述混凝土支护结构为喷射纤维混凝土。
所述喷射纤维混凝土中掺加有混杂纤维；所述混杂纤维上涂覆有纳米渗锌层。
所述注浆锚杆包括杆体，所述杆体上涂覆有用于防腐的防护层；所述防护层包括涂覆在杆体上的纳米渗锌层。
所述防护层还包括涂覆在杆体上的有机复合膜，所述有机复合膜涂覆在纳米渗锌层外侧。
所述支护钢筋为热处理高强钢筋，所述支护钢筋外表面涂覆有纳米渗锌层；所述模筑混凝土为免振捣混凝土。
所述纳米渗锌层的厚度为20-120μm。
本发明的优点在于：
本发明针对隧道围岩较好区段辅助洞室采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的形式作为永久隧道结构对围岩进行支护，以代替以往复合式衬砌中初支和二衬的联合支护，针对隧道正洞或围岩较差区段辅助洞室采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的形式代替以往的“喷射混凝土+钢筋网+钢拱架”的初支结构，采用热处理高强钢筋和免振捣混凝土相结合的形式代替以往“普通热轧钢筋+普通混凝土”的二衬结构；同时本发明公开的支护结构施工简单快捷，能对围岩进行及时支护，施工人员安全风险低，综合造价大幅下降，经济效益显著；对锚杆杆体和配件、钢筋以及喷射混凝土中钢纤维进行纳米渗锌防腐处理，耐久性能优越，提高了隧道结构的整体寿命。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明的剖视图。
图2为本发明优化后的结构示意图。
图3为本发明中注浆锚杆的结构示意图。
图4为本发明注浆锚杆中杆体的剖视图。
图5为本发明中混泥土支护结构的局部剖视图。
图6为本发明中钢筋混凝土支护结构的局部剖视图。
图7为本发明带有防水涂层的结构示意图。
上述图中的标记均为：
1、杆体，2、连接套，3、垫板，4、螺母，5、锚头，6、纳米渗锌层，7、有机复合膜，8、注浆锚杆，9、混凝土支护结构，10、钢筋混凝土支护结构。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
一种隧道高性能支护结构，所述隧道包括隧道正洞和辅助洞室，所述隧道正洞和辅助洞室内部使用支护结构进行支撑；所述支护结构包括混凝土支护结构9，所述混凝土支护结构9与隧道围岩之间通过多个注浆锚杆8相连接；所述混凝土支护结构9沿隧道轴向分布；这里注浆锚杆8设置的数量、规格、位置均根据需要进行设置，注浆锚杆8设置的位置处于围岩内壁外侧，一端位于混凝土支护结构9内部，另一端插入隧道围岩内；所述混凝土支护结构9为喷射纤维混凝土；本发明对于隧道围岩较好区段辅助洞室采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的喷锚式支护结构作为永久隧道结构对围岩进行支护，对于隧道正洞或围岩较差区段辅助洞室在喷锚式支护结构的基础上，在混凝土支护结构9外侧覆盖有钢筋混凝土支护结构10以代替以往复合式衬砌中初支(锚杆、钢筋网、钢拱架、喷射混凝土)和二衬(钢筋+模筑混凝土)的联合支护，施工简单快捷，能对围岩进行及时支护，施工人员安全风险低，综合造价大幅下降，经济效益显著；
作为优选的，本发明中所述支护结构还包括钢筋混凝土支护结构10，所述钢筋混凝土支护结构10覆盖在混凝土支护结构9外侧；所述钢筋混凝土支护结构10包括支护钢筋和模筑混凝土；本发明采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的形式作为永久隧道结构对围岩进行支护，以代替以往复合式衬砌中初支(锚杆、钢筋网、钢拱架、喷射混凝土)，施工简单快捷，能对围岩进行及时支护，采用以上结构优化后，使得本发明具体使用时，针对围岩较好区段辅助洞室采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的形式作为永久隧道结构对围岩进行支护，以代替以往复合式衬砌中初支和二衬的联合支护；针对隧道正洞或围岩较差区段辅助洞室采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的形式代替以往的“喷射混凝土+钢筋网+钢拱架”的初支结构，采用热处理高强钢筋和免振捣(或少振捣)混凝土相结合的形式代替以往“普通热轧钢筋+普通混凝土”的二衬结构；使得本发明公开的支护结构施工简单快捷，能对围岩进行及时支护，施工人员安全风险低，综合造价大幅下降，经济效益显著；对锚杆杆体1和配件以及喷射混凝土中钢纤维进行纳米渗锌层6防腐处理，耐久性能优越，提高了隧道结构的整体寿命。
作为优选的，本发明中所述钢筋混凝土支护结构10只在隧道正洞室或围岩较差区段辅助洞室内侧的支护结构中设置；通过优化支护结构中各部件的布置位置，在使用成本最低的情况下保证隧道的支撑强度，本发明通过优化钢筋混凝土支护结构10的分布位置，可以实现对隧道更好的支撑。
作为优选的，本发明中所述混凝土支护结构9竖直截面呈环形；这样的设置方式是根据隧道实际挖掘方式来确定的，同时采用环形结构来做支撑结构，可以使得支护机构上受到的外力得到分散，而如果设计成半圆形时，支护机构受力主要集中在支护机构端部，容易引起应力集中的问题，所以作为更大的优化，本发明中所述混凝土支护结构9包括上半圆环91和弧形环92，所述上半圆环91与弧形环92相对设置；所述弧形环92处于上半圆环91下方；也就是本发明公开的混凝土支护结构9上部呈半圆形，下部呈弧形，也就是小于半圆形，两者组成的并不是一个整圆结构，因为下方的弧形结构主要是分布在隧道地基内的，起到分散外力，更好的对隧道进行支撑的作用，具有很好的使用效果。
作为优选的，本发明中所述混凝土支护结构9为喷射纤维混凝土11；所述喷射纤维混凝土11中掺加有混杂纤维12；本发明中的混杂纤维12主要可以是钢纤维、聚丙烯纤维以及玄武岩纤维等；具体混合种类和数量根据需要进行设置，目的是为了更好的保证支护结构的使用效果；所述混杂纤维中的各个单种类纤维上都涂覆有纳米渗锌层6；本发明主要是把喷射纤维混凝土11中的混杂纤维进行了优化；通过在钢纤维上涂覆纳米渗锌层6，使得钢纤维具有很好的防护作用，同时具有一定的刚度，有利于延长混凝土支护结构9的使用寿命。
作为优选的，本发明中所述注浆锚杆8包括杆体1，所述杆体1上涂覆有用于防腐的防护层；所述防护层包括涂覆在杆体1上的纳米渗锌层6；首先因为纳米渗锌层6具有很好的防护作用，同时又因为纳米渗锌层6自身强度较高，使得涂覆有纳米渗锌层6的杆体1保持显著防腐效果的同时涂层自身不易被划伤破坏，避免传统热镀锌或涂覆环氧树脂涂层强度不足，容易破损的问题；同时根据实际设计要求，所述纳米渗锌层6的厚度为20-80μm，具体厚度可以根据需要进行选择；并且在本发明中除了杆体1上设有防护层，在配件机构上也设有防护层，例如连接套2，垫板3、螺母4以及锚头5等，这里杆体1是主要部件，所以这里陈述的主要是杆体1，但是锚杆的其他部件上也相应的设有防护层，这样能够更好的保证锚杆整体都具有本发明公开的使用效果。
作为优选的，本发明中所述防护层还包括涂覆在杆体1上的有机复合膜7，所述有机复合膜7涂覆在纳米渗锌层6外侧；有机复合膜7的设置，可以用于增加防护层的厚度，同时对杆体1起到更好的防腐保护，同时可以使得锚杆应用在腐蚀严重岩层且施工环境恶劣区段，提高锚杆的适用范围，这里有机复合膜7为基于铬酸盐或硅酸盐等的有机复合膜7涂层，厚度为3-6μm；通过以上结构的公开，使得锚杆及其配件外在表面设置纳米渗锌涂层的同时，在锚杆杆体1纳米渗锌涂层外侧涂覆基于铬酸盐或硅酸盐等的有机复合膜7，限制渗锌层腐蚀的同时，对外部磕碰和划擦起缓冲作用，所述的“纳米渗锌层6+有机复合膜7”双层保护涂层对锚杆杆体1形成了双重保护，有效的提高了锚杆支护作用的耐久性，施工适应性强；通过以上结构的设置，使得本发明公开的支护结构耐久性能优越，提高了隧道结构的整体寿命。
作为优选的，本发明中所述支护钢筋13为热处理高强钢筋，所述支护钢筋13外表面涂覆有纳米渗锌层6；所述模筑混凝土14为免振捣混凝土；所述钢筋混凝土支护结构10中的钢筋采用热处理工艺进行处理，在保持延展性能和焊接性能的同时，大幅提高钢筋的屈服强度等力学性能，减少用钢量，降低工人劳动强度，降低环境污染；所述热处理高强钢筋外表面涂覆有纳米渗锌层6，保持显著防腐效果的同时涂层自身不易被划伤破坏使得本发明公开的钢筋混凝土支护结构10具有较长的使用寿命，在实际操作中具有很好的使用效果；作为更大的优化，本发明中所述钢筋混凝土支护结构10中的模筑混凝土14采用免振捣混凝土，保证钢筋混凝土结构性能的同时大幅简化模筑混凝土的施工，减少甚至消除施工中因振捣不充分导致混凝土蜂窝麻面、疏松开裂等问题。
本发明实施例1：
一种用于隧道围岩较好区段辅助洞室的高性能支护体系，包括锚杆和喷射纤维混凝土层。锚杆采用中空注浆锚杆8，围岩为硬岩时选用涨壳式预应力中空注浆锚杆8，围岩为松散软岩时选用自进式中空注浆锚杆8；杆体1配件包括垫板3、螺母4、垫圈、涨壳端头、连接套2等，所述杆体1和配件的外表面设有纳米渗锌层6；喷射纤维混凝土层掺加纳米渗锌钢纤维，喷射纤维混凝土采用湿喷工艺，强度视围岩条件选定；对于有防水要求的区段，混凝土支护结构9中设置丙烯酸盐有防水涂层；所述防水涂层15为丙烯酸盐防水涂料；
所述纳米渗锌层6的厚度为20-120μm。
所述钢纤维长度为20-50mm，等效直径为0.25-0.55mm，掺量为30-60kg/m3。
本发明实施例2：
一种用于隧道正洞或围岩较差区段辅助洞室的高性能支护体系，包括锚杆和喷射纤维混凝土层组成的初支结构、钢筋和模筑混凝土组成的二衬结构。初支结构中锚杆采用中空注浆锚杆8，围岩为硬岩时选用涨壳式预应力中空注浆锚杆8，围岩为松散软岩时选用自进式中空注浆锚杆8；杆体1配件包括垫板3、螺母4、垫圈、涨壳端头、连接套2等，所述杆体1和配件的外表面设有纳米渗锌层6。喷射纤维混凝土层掺加纳米渗锌钢纤维、或仿钢纤维、或混杂纤维，喷射纤维混凝土采用湿喷工艺，强度视围岩条件选定。二衬结构中钢筋采用热处理高强钢筋，模筑混凝土采用免振捣(少振捣)混凝土。
所述纳米渗锌层6的厚度为20-120μm。
所述钢纤维长度为20-50mm，等效直径为0.25-0.55mm，掺量为30-60kg/m3。
通过以上结构的公开，使得本发明可以对隧道围岩较差区段辅助洞室形成高效支护，采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的形式作为永久隧道结构对围岩进行支护，锚杆采用涨壳式预应力中空注浆锚杆8，锚杆和配件以及喷射混凝土中的钢纤维进行了纳米渗锌处理，保持显著防腐效果的同时涂层自身不易被划伤破坏；对于隧道正洞或围岩较差区段辅助洞室的支护，采用锚杆支护和喷射纤维混凝土相结合的支护结构的同时，在喷混凝土层外侧增加钢筋混凝土结构进行支护，锚杆采用自进式中空注浆锚杆8，锚杆和配件、喷射混凝土中的钢纤维进行了纳米渗锌处理，保持显著防腐效果的同时涂层自身不易被划伤破坏，钢筋采用热处理高强钢筋，模筑混凝土采用免振捣(少振捣)混凝土，大幅提高施工效率和质量。
当然在本发明中上述混凝土支护结构9外侧可以再铺覆有波纹板层；波纹板起到一个辅助支护的作用，使得本申请具有更好的支护效果，作为优选的，本发明中的波纹板采用拼接式波纹板，拼接式波纹板属于公知技术；作为更大的优化，所述波纹板层外侧涂覆有纳米渗锌层6，通过这样的结构设计，使得波纹板具有更大的强度，同时具有很好的防腐作用，可以更好地保证混凝土支护结构9，使得本发明公开的支护结构具有较长的使用寿命，在实际操作中具有很好的使用效果。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种隧道高性能支护结构，所述隧道包括隧道正洞和辅助洞室，所述隧道正洞和辅助洞室内部使用支护结构进行支撑；其特征在于，所述支护结构包括混凝土支护结构，所述混凝土支护结构与隧道围岩之间通过多个注浆锚杆相连接；所述混凝土支护结构沿隧道轴向分布；
所述支护结构还包括钢筋混凝土支护结构，所述钢筋混凝土支护结构覆盖在混凝土支护结构外侧；所述钢筋混凝土支护结构包括支护钢筋和模筑混凝土；
所述钢筋混凝土支护结构设置在隧道正洞以及辅助洞室围岩强度较差区段；
所述支护钢筋为热处理高强钢筋，所述支护钢筋外表面涂覆有纳米渗锌层；所述模筑混凝土为免振捣混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种隧道高性能支护结构，其特征在于，所述混凝土支护结构竖直截面呈环形。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种隧道高性能支护结构，其特征在于，所述混凝土支护结构为喷射纤维混凝土。
4.根据权利要求3所述的一种隧道高性能支护结构，其特征在于，所述喷射纤维混凝土中掺加有混杂纤维；所述混杂纤维上涂覆有纳米渗锌层。
5.根据权利要求1-2任一项所述的一种隧道高性能支护结构，其特征在于，所述注浆锚杆包括杆体，所述杆体上涂覆有用于防腐的防护层；所述防护层包括涂覆在杆体上的纳米渗锌层。
6.根据权利要求5所述的一种隧道高性能支护结构，其特征在于，所述防护层还包括涂覆在杆体上的有机复合膜，所述有机复合膜涂覆在纳米渗锌层外侧。
7.根据权利要求1所述的一种隧道高性能支护结构，其特征在于，所述纳米渗锌层的厚度为20-120μm。
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