CN111305875A - 挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构及施工方法，包括沿纵向构筑于基础拱部内侧的预衬砌，所述相邻预衬砌的端部交错搭接并通过拱架固定支撑；所述预衬砌内侧设置有拱墙二衬；围岩仰拱部内侧依次构筑有与预衬砌和拱墙二衬分别对应环拼接的仰拱初支和仰拱模筑层；所述预衬砌或/和仰拱初支采用填充有泡沫和钢纤维的混凝土浇筑成型；本发明适用于大变形量、围岩变形时间长等情况下的隧道施工，能够将地应力向围岩深部转移以释放地应力，使隧道处于一个相对较低的应力环境，利于解决现有隧道在挤压大变形下因围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能；且施工简便可行。

Description

挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构及施工方法
技术领域
本发明涉及一种隧道让压预衬砌结构及施工方法，尤其涉及一种挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构及施工方法。
背景技术
随着国家交通基础设施建设规模的不断扩大和各地高速公路建设的迅猛发展，特别是随着二十世纪末期和二十一世纪初期国家西部大开发政策的实施，基础建设向中西部山区延伸，为缩短里程以及提高行车速度，需要修建大量的隧道。
隧道朝向“长、大、深、难”的方向发展，使得隧道在修建和运营中往往需要面临大量而复杂的工程技术难题，其中，挤压大变形问题尤为突出。大量的工程实践表明，隧道发生大变形原因主要有膨胀性围岩的膨胀作用和软弱围岩在高地应力作用下发生的挤压性变形两个。大变形隧道由于应力大、内部有应力集中出现，若是直接开挖，围岩会因高地应力而发生塑形破坏，使得隧道发生大变形甚至失稳坍塌；变形收敛时间很长，易导致无法等到围岩稳定后施工二次衬砌及难以获取合理的二衬支护时间等问题。
而现有的一般刚性支护结构不能适应挤压大变形，即使是柔性支护，也极易因为围岩变形过大而不能适应变形的发展；随着围岩的不断变形，围岩侵入支护结构，易导致钢架严重扭曲甚至折断、喷层开裂剥离、现浇混凝土破裂和剥离、混凝土底板折断翘起甚至隧道坍塌；而采用增大支护强度的方法，并没有解决围岩大变形问题，没有释放围岩内部应力，使得隧道围岩始终在变形，挤压变形压力始终作用在隧道衬砌上，成为影响隧道安全的潜在因素。
基于以上问题，本发明提供一种挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构及施工方法。该挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构能够适用于大变形量、围岩变形时间长等情况下的隧道施工，能够将地应力向围岩深部转移以释放地应力，使隧道处于一个相对较低的应力环境，利于解决现有隧道在挤压大变形下因围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能；且施工简便可行。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构及施工方法，能够适用于大变形量、围岩变形时间长等情况下的隧道施工，能够将地应力向围岩深部转移以释放地应力，使隧道处于一个相对较低的应力环境，利于解决现有隧道在挤压大变形下因围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能；且施工简便可行。
本发明的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，包括沿纵向构筑于基础拱部内侧的多道预衬砌，所述相邻预衬砌的端部交错搭接并通过拱架固定支撑；此处的纵向是指沿隧道深度的方向；此处的基础是指围岩或周围环境承载物；所述预衬砌具有一定倾角设置，使得相邻的预衬砌的相邻的端部搭接，其中以形成掌子面方向为前方(即挖掘方向)，即构筑的预衬砌的首端(后端)位于前一预衬砌的尾端(前端)的下侧，并预衬砌下形成找平层；所述找平层的具体设置属于现有技术，在此不再赘述；所述拱架为钢拱架；所有预衬砌内侧设置有拱墙二衬；基础仰拱部内侧依次构筑有与预衬砌和拱墙二衬分别对应环拼接的仰拱初支和仰拱模筑层；所述预衬砌或/和仰拱初支采用填充有泡沫的混凝土浇筑成型；优选于初衬砌和仰拱初支均采用填充有泡沫的混凝土浇筑成型；所述仰拱初支位于仰拱模筑层下，而仰拱模筑层位于仰拱填充层下，其中仰拱模筑层采用仰拱模筑混凝土；泡沫的添加使得混凝土具有较大的压缩性及吸能减震的特性利于适应基础如围岩适当的变形以达到让压的效果，在仰拱中设置泡沫混凝土层，可满足仰拱底部基础如围岩的变形，降低基础如围岩对仰拱模筑混凝土的影响，从而利于将地应力向基础如围岩深部转移以释放地应力，使隧道处于一个相对较低的应力环境，利于解决现有隧道在挤压大变形下因基础如围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能；且施工简便可行。
进一步，所述填充有泡沫的混凝土中还添加有钢纤维；钢纤维的添加利于提供支撑性以增强混凝土强度的同时不会影响泡沫混凝土的压缩性以达到结构要求，利于使得钢纤维泡沫混凝土层在保证结构强度的基础上适应基础如围岩适当的变形以达到让压的效果。
进一步，所述填充有泡沫和钢纤维的混凝土中还添加有珍珠岩；优选采用珍珠岩细粉，不仅利于降低成本，且由于珍珠岩的轻质防冻、防震、防火、防辐射等特性，利于提高混凝土的防冻及吸能减震性能等，进一步利于适应基础如围岩适当的变形以达到让压的效果。
进一步，泡沫混凝土按重量份包括：水泥500-800份，水200-300份，珍珠岩90-120份，钢纤维0.5-5份，泡沫0.5-1份，防水剂3-10份，并混合搅拌进行浇铸后固化形成预衬砌或/和仰拱初支；优选水泥600份，水250份，珍珠岩105份，钢纤维1份，泡沫0.7份，防水剂5份；利于使得泡沫混凝土获得优良的力学参数，如弹性模量可达400-900MP，单轴抗压强度为2-4MP，屈服压应力系数k为0.4-0.6，静水拉应力系数kt为0.1-0.3等；该泡沫混凝土具有比未加入泡沫的普通混凝土具有更小的隧道围岩应力和更大的围岩位移值，利于满足基础如围岩适当的变形以达到让压的效果，利于解决现有隧道在挤压大变形下因基础如围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能。
进一步，所述泡沫为聚苯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫或橡胶基泡沫或聚乙烯类泡沫或聚丙烯类泡沫中的至少一种，优选为聚苯乙烯泡沫，材料来源更更广泛，且利于钢纤维泡沫混凝土的制备及使用，保证结构性能；所述泡沫的粒径为0.1-0.3mm,优选为0.16mm；泡沫尺寸均匀，利于混凝土稳定性，防止因应力集中造成泡沫混凝土强度和稳定性降低。
进一步，所述钢纤维的长度为25-60mm，直径为0.3-1.2mm，长径比为40-100，优选为80；钢纤维体积率为0.5-2.0％，优选为1.5％。
进一步，所述预衬砌的厚度为25-30cm，优选为30cm；沿纵向的长度为2-4m，优选为3m；相邻两预衬砌的搭接长度为0.5-2m，优选为1m；所述预衬砌与水平方向的夹角为4°-6°，优选为6°。
进一步，所述仰拱模筑层上设仰拱填充层；所述仰拱填充层采用仰拱混凝土即可；所述预衬砌上安装有伸入基础的锚杆，利于提高预衬砌结构的安装稳固性；所述基础同上，在此不再赘述。
进一步，钢纤维泡沫混凝土的制备方法包括以下步骤：
a)按照设定配比将水泥、珍珠岩、泡沫进行干混并混合均匀；
b)在以上干混料中加水、防水剂进行湿搅拌并混合均匀；
c)再按照设定比例添加钢纤维并混合均匀，即得钢纤维泡沫混凝土。
本发明还提供一种挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构的施工方法，包括如下步骤：
1)首先在加固掌子面后可采用中国铁建重工集团的YQC700预切槽机或日本道路公团的New PLS预切槽机沿隧道设计断面周向朝向隧道深度方向分区切拱状预切槽；
2)然后在拱状预切槽内灌注钢纤维泡沫混凝土形成拱状预衬砌；
3)将上述预衬砌的首端搭接至相邻预衬砌的尾端下侧并形成适宜搭接长度；
4)在搭接处架立钢拱架并在预衬砌上安装伸入基础如围岩的锚杆；
5)开挖掌子面全断面，挖除步骤2)中构筑的拱状预衬砌对应所围部分；
6)重复以上步骤在距离掌子面10m左右时，开挖仰拱并依次施做仰拱初支、仰拱模筑层和仰拱填充层；
7)在距离掌子面的距离≥1.5倍拱径处施做拱墙二衬混凝土。
本发明的有益效果是：
本发明的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构及施工方法，利于通过浇铸泡沫混凝土的预衬砌或/和仰拱初支使得整让压支护结构在保证结构强度的挤出上可满足基础如围岩适当的变形以达到让压的效果，满足仰拱底部围岩的变形，降低围岩对仰拱模筑混凝土的影响；利于将地应力向围岩深部转移以释放地应力，使隧道处于一个相对较低的应力环境，利于解决现有隧道在挤压大变形下因围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能；且施工简便可行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的横截面结构示意图；
图2为本发明的纵向局部结构示意图；
图3为本发明的分区切槽结构示意图；
图4为本发明的灌注预衬砌示意图；
图5为本发明的架设拱架示意图；
图6为本发明的开挖掌子面示意图；
图7为本发明的施作仰拱示意图；
图8为本发明的浇筑拱墙二衬示意图。
具体实施方式
图1为本发明的横截面(垂直于纵向的截面)结构示意图；图2为本发明的纵向局部结构示意图；图3为本发明的分区切槽结构示意图；图4为本发明的灌注初衬砌示意图；图5为本发明的架设拱架示意图；图6为本发明的开挖掌子面示意图；图7为本发明的施作仰拱示意图；图8为本发明的浇筑拱墙二衬示意图；如图所示，本实施例的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，包括沿纵向构筑于基础9拱部内侧的多道预衬砌1，所述相邻预衬砌1的端部交错搭接并通过拱架6固定支撑；此处的纵向是指沿隧道深度的方向；此处的基础9是指围岩或周围环境承载物；所述预衬砌1具有一定倾角设置，使得相邻的预衬砌1的相邻的端部搭接，其中以形成掌子面8方向为前方(即挖掘方向)，即构筑的预衬砌1的首端(后端)位于前一预衬砌1的尾端(前端)的下侧，并预衬砌1下形成找平层(图中未标出)；所述找平层的具体设置属于现有技术，在此不再赘述；所述拱架6为钢拱架6；所有预衬砌1内侧设置有拱墙二衬2；基础9仰拱部内侧依次构筑有并与预衬砌1和拱墙二衬2分别对应环拼接的仰拱初支3和仰拱模筑层4；所述预衬砌1或/和仰拱初支3采用填充有泡沫的混凝土浇筑成型；优选于初衬砌1和仰拱初支3均采用填充有泡沫的混凝土进行浇筑成型；所述仰拱初支3位于仰拱模筑层4下，而仰拱模筑层4位于仰拱填充层5下，其中仰拱模筑层4采用仰拱模筑混凝土；泡沫的添加使得泡沫混凝土具有较大的压缩性及吸能减震的特性，利于适应围岩适当的变形以达到让压的效果，在仰拱中设置泡沫混凝土层，可满足仰拱底部基础9如围岩的变形，降低基础9如围岩对仰拱模筑混凝土的影响，从而利于将地应力向基础9如围岩深部转移以释放地应力，使隧道处于一个相对较低的应力环境，利于解决现有隧道在挤压大变形下因基础9如围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能；且施工简便可行。
本实施例中，所述填充有泡沫的混凝土中还添加有钢纤维；钢纤维的添加利于提供支撑性以增强混凝土强度的同时，不会影响泡沫混凝土的压缩性以达到结构要求，利于使得钢纤维泡沫混凝土层在保证结构强度的基础上适应基础如基础9围岩适当的变形以达到让压的效果。
本实施例中，所述填充有泡沫和钢纤维的混凝土中还添加有珍珠岩；优选采用珍珠岩细粉，不仅利于降低成本，且由于珍珠岩的轻质防冻、防震、防火、防辐射等特性，利于提高混凝土的防冻及吸能减震性能等，进一步利于适应基础9如围岩适当的变形以达到让压的效果。
本实施例中，泡沫混凝土按重量份包括：水泥500-800份，水200-300份，珍珠岩90-120份，钢纤维0.5-5份，泡沫0.5-1份，防水剂3-10份，并混合搅拌进行浇铸后固化形成预衬砌1或/和仰拱初支3；优选水泥600份，水250份，珍珠岩105份，钢纤维1份，泡沫0.7份，防水剂5份；利于使得钢纤维泡沫混凝土获得优良的力学参数，如弹性模量可达400-900MP，单轴抗压强度为2-4MP，屈服压应力系数k为0.4-0.6，静水拉应力系数kt为0.1-0.3等；通过有限元分析对比了加入优选配比的钢纤维泡沫混凝土和未加入泡沫时的普通混凝土的隧道围岩应力和围岩位移值，分别如表1和表2所示：
表1隧道围岩应力对比(单位：MPa)
拱顶围岩应力 仰拱围岩应力 拱身围岩应力
普通混凝土 11.87 13.06 13.79
钢纤维泡沫混凝土 6.12 6.77 7.01
表2围岩位移值对比(单位：MPa)
拱顶位移值 仰拱位移值 拱身位移值
普通混凝土 18.27 17.31 21.59
钢纤维泡沫混凝土 26.79 25.95 32.84
由上表1和表2可知：加入泡沫后的钢纤维泡沫混凝土明显具有比未加入泡沫的普通混凝土更小的隧道围岩应力和更大的围岩位移值，利于满足基础9如围岩适当的变形以达到让压的效果，利于解决现有隧道在挤压大变形下因基础9如围岩变形过大对衬砌结构造成破坏的问题，利于提高隧道安全性能。
本实施例中，所述泡沫为聚苯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫或橡胶基泡沫或聚乙烯类泡沫或聚丙烯类泡沫中的至少一种；优选为聚苯乙烯泡沫，材料来源更更广泛，且利于钢纤维泡沫混凝土的制备及使用，保证结构性能；所述泡沫的粒径为0.1-0.3mm,优选为0.16mm；且泡沫尺寸均匀，利于混凝土稳定性，防止因应力集中造成泡沫混凝土强度和稳定性降低。
本实施例中，所述钢纤维的长度为25-60mm，直径为0.3-1.2mm，长径比为40-100mm，优选为80mm；钢纤维体积率为0.5-2.0％，优选为1.5％。
本实施例中，所述预衬砌1的厚度为25-30cm，优选为30cm；沿纵向的长度为2-4m，优选为3m；相邻两预衬砌1的搭接长度为0.5-2m，优选为1m；所述预衬砌1与水平方向的夹角为4°-6°，优选为6°。
本实施例中，所述仰拱模筑层4上设仰拱填充层5；所述仰拱填充层5采用仰拱混凝土即可；所述预衬砌上安装有伸入基础9的锚杆7，利于提高预衬砌的安装稳固性；所述基础9同上，在此不再赘述。
本实施例中，钢纤维泡沫混凝土的制备方法包括以下步骤：
a)按照设定配比将水泥、珍珠岩、泡沫进行干混并混合均匀；
b)在以上干混料中加水、防水剂进行湿搅拌并混合均匀；
c)再按照设定比例添加钢纤维并混合均匀，即得钢纤维泡沫混凝土。
本实施例还提供一种挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构的施工方法，包括如下步骤：
1)首先在加固掌子面8后采用入中国铁建重工集团的YQC700预切槽机或日本道路公团的New PLS预切槽机沿隧道设计断面周向朝向隧道深度方向分区切拱状预切槽；
2)然后在拱状预切槽内灌注钢纤维泡沫混凝土形成拱状预衬砌1；
3)将上述预衬砌1的首端搭接至相邻预衬砌的尾端下侧并形成适宜搭接长度；
4)在搭接处架立钢拱架6并在预衬砌1上安装伸入基础9如围岩的锚杆7；
5)开挖掌子面8全断面，挖除步骤2)中构筑的拱状预衬砌1对应所围部分；
6)重复以上步骤至距离掌子面10m左右时，开挖仰拱并依次施做仰拱初支3、仰拱模筑层4和仰拱填充层5；
7)在距离掌子面8的距离≥1.5倍拱径处施做拱墙二衬2混凝土。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：包括沿纵向构筑于基础拱部内侧的预衬砌，所述相邻预衬砌的端部交错搭接并通过拱架固定支撑；所述预衬砌内侧设置有拱墙二衬；基础仰拱部内侧依次构筑有与预衬砌和拱墙二衬分别对应环拼接的仰拱初支和仰拱模筑层；所述预衬砌或/和仰拱初支采用填充有泡沫的混凝土浇筑成型。
2.根据权利要求1所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：所述填充有泡沫的混凝土中还添加有钢纤维。
3.根据权利要求2所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：所述填充有泡沫和钢纤维的混凝土中还添加有珍珠岩。
4.根据权利要求3所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：泡沫混凝土按重量份包括：水泥500-800份，水200-300份，珍珠岩90-120份，钢纤维0.5-5份，泡沫0.5-1份，防水剂3-10份，并混合搅拌浇铸后固化形成预衬砌或/和仰拱初支。
5.根据权利要求1所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：所述泡沫为聚苯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫或橡胶基泡沫或聚乙烯类泡沫或聚丙烯类泡沫中的至少一种；所述泡沫的粒径为0.1-0.3mm。
6.根据权利要求2所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：所述钢纤维的长度为25-60mm，直径为0.3-1.2mm，长径比为40-100mm；钢纤维体积率为0.5-2.0％。
7.根据权利要求1所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：所述预衬砌的厚度为25-30cm，沿纵向的长度为2-4m；相邻两预衬砌的搭接长度为0.5-2m；所述预衬砌与水平方向的夹角为4°-6°。
8.根据权利要求1所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：所述仰拱模筑层上设仰拱填充层；所述预衬砌上安装有伸入基础的锚杆。
9.根据权利要求4所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构，其特征在于：钢纤维泡沫混凝土的制备方法包括以下步骤：
a)按照设定配比将水泥、珍珠岩、泡沫进行干混并混合均匀；
b)在以上干混料中加水、防水剂进行湿搅拌并混合均匀；
c)再按照设定比例添加钢纤维并混合均匀，即得钢纤维泡沫混凝土。
10.一种权利要求1至权利要求9任一权利要求所述的挤压大变形隧道泡沫混凝土让压支护结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)首先在加固掌子面后沿隧道设计断面周向分区切拱状预切槽；
2)然后在拱状预切槽内灌注泡沫混凝土并固化形成拱状预衬砌；
3)将上述预衬砌的首端搭接至相邻预衬砌的尾端下侧；
4)在搭接处架立拱架；
5)开挖掌子面全断面，挖除步骤2)中构筑的拱状预衬砌对应所围部分；
6)在距离掌子面10m左右时，开挖仰拱并依次施做仰拱初支和仰拱模筑层；
7)在距离掌子面的距离≥1.5倍拱径处施做拱墙二衬混凝土。
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