CN111396098A - 一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构及其施工方法，支护结构包括初期支护结构和补强结构；初期支护结构中的预制波纹板四面带有法兰盘，加强肋板在法兰盘与预制波纹板间，充填层填充于隧道围岩与波纹板间；补强结构根据受力特点不同分为适用于对隧道某个横断面补强的钢管核心混凝土结构、适用于对隧道一定长度范围补强的叠扣波纹板内衬结构，以及适用于当叠扣波纹板内衬结构不足以满足支护强度需求时的叠扣波纹板核心混凝土结构；初期支护结构与补强结构形成了复合受力结构。该结构及其施工方法能够满足不同围岩应力水平下的支护需求，可实现支护结构动态补强，同时具有安全性高、施工快速、绿色环保和工程造价低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及隧道支护领域，具体为一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构及其施工方法。
背景技术
山岭隧道或城市地铁隧道仍多采用矿山法进行施工，该方法采用钢格栅和喷射混凝土作为隧道初期支护结构，喷射混凝土施工具有环境污染重、工序复杂和施工效率低等问题。为解决上述问题，现有技术也有采用装配式波纹板作为隧道初期支护结构的施工方法(CN 108397215 A，CN 209586398 U，CN 107780949 A)。但这些现有施工方法在高应力围岩或膨胀性围岩地区会由于围岩荷载过大而将初期支护结构压垮失效。此外，由于围岩分布具有不均匀性，导致在整条线路的不同位置的围岩压力不同，如果按照最大荷载采用统一的高强度初支结构会造成材料的浪费，但如果采用较低强度的初支结构又会造成结构压垮失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，支护结构包括初期支护结构和补强结构；
所述初期支护结构由预制钢结构和充填层构成；
所述预制钢结构包括预制波纹板、法兰盘和加强肋板；
所述预制波纹板四面带有法兰盘，且法兰盘上带有螺栓孔，用于波纹板结构相互之间连接固定；
加强肋板设置在法兰盘与预制波纹板间；
波纹板结构上预留有可连接补强结构的预留孔；
所述充填层填充于隧道围岩与波纹板结构之间；
所述补强结构用于提高波纹板结构的承载能力，根据不同的补强受力特点可分为钢管核心混凝土结构、叠扣波纹板内衬结构、叠扣波纹板核心混凝土结构；
所述钢管核心混凝土结构包括钢管、混凝土和抱箍，将钢管与预制波纹板结构件通过抱箍进行固定，通过钢管上预留孔再注入混凝土的方式形成钢管核心混凝土结构，适用于对隧道某个横断面的补强，称为断面补强法；
叠扣波纹板内衬结构包括内衬波纹板，且内衬波纹板上设有与预制波纹板对称的预留孔，通过螺栓将内衬波纹板和预制波纹板连接固定的方式形成区域补强，适用于对一定长度范围的隧道支护结构进行补强，称为区域补强法，叠扣波纹板内衬结构可以补强的范围更大；
叠扣波纹板核心混凝土结构是在叠扣波纹板内衬结构中内衬波纹板与预制波纹板的空间内根据设计强度需求选择性充填混凝土而形成的，所述选择性充填指可以连续充填或者间隔充填内衬波纹板与预制波纹板的空间，适用于当叠扣波纹板内衬结构不足以满足支护强度需求时，称为复合补强法；
所述初期支护结构与补强结构形成了复合受力结构；
所述的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，其优选方案为所述充填层采用水泥砂浆、混凝土或高分子聚合物材料。
所述的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，其优选方案为所述补强结构可拆卸，重复利用。
所述的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，其优选方案为所述预留孔也可用作注浆孔使用。
一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构的施工方法，步骤如下：1)按照隧道设计断面开挖隧道，隧道设计断面可以是圆形、马蹄形、直墙拱形，可以根据设计的不同断面形式预制不同的波纹板结构；
2)在已开挖的隧道空间内拼装与隧道设计断面相匹配的预制波纹板，使之形成闭环结构，该结构封闭速度快，能够保障施工安全；
3)在预制波纹板背后进行注浆充填施工，注浆管穿过预留注浆孔，采取后退式注浆的方法进行施工，保障充填层的密实度；
4)对于在隧道支护施工过程中遇到的附加荷载或特殊地质等情况，根据需求施工补强结构，补强结构与预制波纹板结构之间通过预留孔完成固定连接，使得波纹板结构与补强结构形成复合受力结构，实现共同承载的目的，从而提高隧道支护结构的总体承载能力，保障特殊线路段的隧道支护安全。
一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构的工作原理：隧道工程周围介质为围岩，在采用装配式结构进行隧道工程支护时，需要在开挖形成的围岩表面和预制钢结构间充填一层具有一定力学特性的材料，使预制结构后壁紧贴充填层，充填层紧贴围岩，形成“预制钢结构-充填层”初期支护结构体系。预制钢结构安装在已开挖形成隧道内部，波纹板结构上预留有可连接补强结构的接口，预留连接接口可兼做注浆孔。预制波纹板结构四面带有法兰盘，法兰盘上带有螺栓孔，用于波纹板结构相互之间的连接固定，法兰盘与预制波纹板间设置有加强肋板，防止波纹板结构受力弯曲时法兰盘变形，避免在连接处形成张开裂缝。补强结构用于提高波纹板结构的承载能力，补强结构通过螺栓与预制波纹板结构固定连接。该结构既能够满足隧道快速施工和环保的技术要求，又能保证隧道支护安全，最大限度降低工程成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)针对隧道复杂地质条件导致的围岩高应力和大变形问题，提供了一种可实现支护结构动态补强的装配式隧道支护结构及其施工方法，可以满足隧道初期支护结构的动态化补强，保障隧道支护安全；
2)预制钢结构与背后充填层复合隧道初期支护结构，实现对隧道支护的装配化施工，有效提高施工效率，改善施工作业环境，降低施工成本；
3)提出了断面补强、区域补强、复合补强等多种补强形式，分别对应于钢管-核心混凝土结构、叠扣波纹板内衬结构、叠扣波纹板-核心混凝土结构的补强结构类型，适用于不同类型的隧道支护结构补强需求，实现隧道支护结构的针对性补强，确保隧道支护结构精准补强和有效补强；
4)当围岩变形稳定后，如经评估表明二次衬砌结构与预制波纹板结构即可满足隧道支护需求时，补强结构可以回收再利用，从而最大限度降低工程成本；
5)该结构具有动态补强、回收再利用、施工快捷、经济环保、缩短工期，降低工程成本等技术优势。
附图说明
图1为预制波纹板结构示意图；
图2为隧道开挖断面图；
图3为隧道波纹板支护断面图；
图4为隧道充填层施工断面图；
图5为断面补强结构示意图；
图6为区域补强结构示意图；
图7为复合补强结构示意图。
图中：1、预制钢结构，2、钢管核心混凝土结构，3、预制波纹板，4、法兰盘，5、加强肋板，6、螺栓孔，7、预留孔，8、充填层，9、叠扣波纹板内衬结构，10、抱箍，11、钢管,12、混凝土，13、围岩，14、螺栓，15、内衬波纹板，16、叠扣波纹板核心混凝土结构,17、隧道开挖边界。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1-7所示的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，支护结构包括初期支护结构和补强结构；
所述初期支护结构由预制钢结构1和充填层8构成；
所述预制钢结构1包括预制波纹板3、法兰盘4和加强肋板5；
所述预制波纹板3四面带有法兰盘4，且法兰盘4上带有螺栓孔6，用于波纹板结构之间通过螺栓14连接固定；
加强肋板5设置在法兰盘4与预制波纹板3间；
波纹板结构上预留有可连接补强结构的预留孔7；
所述充填层8填充于隧道围岩13与预制波纹板3之间；
所述补强结构用于提高波纹板结构的承载能力，根据不同的补强受力特点可分为钢管核心混凝土结构2、叠扣波纹板内衬结构9、叠扣波纹板核心混凝土结构16；
所述钢管核心混凝土结构2包括钢管11、混凝土12和抱箍10，将钢管11与预制波纹板3通过抱箍10进行固定，通过钢管11上预留孔再注入混凝土12的方式形成钢管核心混凝土结构2，适用于对隧道某个横断面的补强，称断面补强法；
叠扣波纹板内衬结构9包括内衬波纹板15，且内衬波纹板15上设有与预制波纹板3对称的预留孔，通过螺栓14将内衬波纹板15和预制波纹板3连接固定的方式形成区域补强，适用于对一定长度范围的隧道支护结构进行补强，称为区域补强法，叠扣波纹板内衬结构可以补强的范围更大；
叠扣波纹板核心混凝土结构16是在叠扣波纹板内衬结构9中内衬波纹板15与预制波纹板3的空间内根据设计强度需求选择性充填混凝土12而形成的，所述选择性充填指可以连续充填或者间隔充填内衬波纹板15与预制波纹板3的空间，适用于当叠扣波纹板内衬结构9不足以满足支护强度需求时，称为复合补强法；
所述初期支护结构与补强结构形成了复合受力结构。
所述充填层8采用水泥砂浆、混凝土或高分子聚合物材料。
所述补强结构可拆卸，重复利用。
所述预留孔7也可用作注浆孔使用。
一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构的施工方法，步骤如下：1)按照隧道设计断面开挖隧道，形成隧道开挖边界17，隧道设计断面可以是圆形、马蹄形、直墙拱形，可以根据设计的不同断面形式预制不同的波纹板结构；
2)在已开挖的隧道空间内拼装与隧道设计断面相匹配的预制波纹板3，使之形成闭环结构，该结构封闭速度快，能够保障施工安全；
3)在预制波纹板3背后进行注浆充填施工，注浆管穿过预留孔7，采取后退式注浆的方法进行施工，保障充填层8的密实度；
4)对于在隧道支护施工过程中遇到的附加荷载或特殊地质等情况，根据需求施工补强结构，补强结构与预制波纹板3之间通过预留孔7固定连接，使得预制波纹板3与补强结构形成复合受力结构，实现共同承载的目的，从而提高隧道支护结构的总体承载能力，保障特殊线路段的隧道支护安全。
一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构的工作原理：隧道工程周围介质为围岩13，在采用装配式结构进行隧道工程支护时，需要在开挖形成的围岩13表面和预制钢结构1间充填一层具有一定力学特性的材料，使预制钢结构1后壁紧贴充填层8，充填层8紧贴围岩13，形成“预制钢结构-充填层”初期支护结构体系。预制钢结构安装在已开挖形成隧道内部，波纹板结构上预留有可连接补强结构的接口预留孔7可兼做注浆孔。预制波纹板结构四面带有法兰盘4，法兰盘4上带有螺栓孔6，用于波纹板结构相互之间的连接固定，法兰盘4与预制波纹板3间设置有加强肋板5，防止波纹板结构受力弯曲时法兰盘4变形，避免在连接处形成张开裂缝。补强结构用于提高波纹板结构的承载能力，补强结构通过螺栓14与预制波纹板3结构固定连接。该结构既能够满足隧道快速施工和环保的技术要求，又能保证隧道支护安全，最大限度降低工程成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。
Claims (5)
1.一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，其特征在于：支护结构包括初期支护结构和补强结构；
所述初期支护结构由预制钢结构和充填层构成；
所述预制钢结构包括预制波纹板、法兰盘和加强肋板；
所述预制波纹板四面带有法兰盘，且法兰盘上带有螺栓孔，用于波纹板结构相互之间连接固定；
加强肋板设置在法兰盘与预制波纹板间；
波纹板结构上预留有可连接补强结构的预留孔；
所述充填层填充于隧道围岩与波纹板结构之间；
所述补强结构用于提高波纹板结构的承载能力，根据不同的补强受力特点可分为钢管核心混凝土结构、叠扣波纹板内衬结构、叠扣波纹板核心混凝土结构；
所述钢管核心混凝土结构包括钢管、混凝土和抱箍，将钢管与预制波纹板结构件通过抱箍进行固定，通过钢管上预留孔再注入混凝土的方式形成钢管核心混凝土结构，适用于对隧道某个横断面的补强，称为断面补强法；
叠扣波纹板内衬结构包括内衬波纹板，且内衬波纹板上设有与预制波纹板对称的预留孔，通过螺栓将内衬波纹板和预制波纹板连接固定的方式形成区域补强，适用于对一定长度范围的隧道支护结构进行补强，称为区域补强法，叠扣波纹板内衬结构可以补强的范围更大；
叠扣波纹板核心混凝土结构是在叠扣波纹板内衬结构中内衬波纹板与预制波纹板的空间内根据设计强度需求选择性充填混凝土而形成的，所述选择性充填指可以连续充填或者间隔充填内衬波纹板与预制波纹板的空间，适用于当叠扣波纹板内衬结构不足以满足支护强度需求时，称为复合补强法；
所述初期支护结构与补强结构形成了复合受力结构。
2.根据权利要求1所述的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，其特征在于：所述充填层采用水泥砂浆、混凝土或高分子聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，其特征在于：所述补强结构可拆卸，重复利用。
4.根据权利要求1所述的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构，其特征在于：所述预留孔也可用作注浆孔使用。
5.根据权利要求1-4所述的一种可实现动态补强的隧道装配式支护结构的施工方法，其特征在于：1)按照隧道设计断面开挖隧道，形成隧道开挖边界，隧道设计断面可以是圆形、马蹄形、直墙拱形，可以根据设计的不同断面形式预制不同的波纹板结构；
2)在已开挖的隧道空间内拼装与隧道设计断面相匹配的预制波纹板，使之形成闭环结构，该结构封闭速度快，能够保障施工安全；
3)在预制波纹板背后进行注浆充填施工，注浆管穿过预留注浆孔，采取后退式注浆的方法进行施工，保障充填层的密实度；
4)对于在隧道支护施工过程中遇到的附加荷载或特殊地质等情况，根据需求施工补强结构，补强结构与预制波纹板结构之间通过预留孔完成固定连接，使得波纹板结构与补强结构形成复合受力结构，实现共同承载的目的，从而提高隧道支护结构的总体承载能力，保障特殊线路段的隧道支护安全。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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