CN111502706B - 一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构及方法，包括设置于隧道底部的仰拱主体，所述仰拱主体上方设置仰拱填充部，所述仰拱主体下方设置外部填充层，所述仰拱主体固定设置多个吸能锚杆，吸能锚杆由仰拱主体向下延伸穿过外部填充层布置。该仰拱结构可以提高隧道仰拱结构抵抗变形的能力，减少仰拱上浮问题的发生，保证隧道的正常运营和车辆的安全运行。

Description

一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构及方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构及方法。

背景技术

近年来，隧道及地下工程蓬勃发展，工程项目数量越来越多，并且伴有越来越深、越来越长的趋势。由于地质条件复杂多变，深长隧道在穿越高地应力区及软弱地层时，常常出现一系列的事故和灾害。在高速铁路隧道建设中，高速运行的列车对轨道线路的平顺性和稳定性提出了更高的要求，隧道的底板一旦失稳破坏将严重威胁列车的运行安全，并且需要花费大量的人力物力进行返工整治，因此，仰拱的强度、刚度以及稳定性是隧道的正常运营以及车辆的安全运行的重要保障。在隧道建设中，仰拱上浮问题屡见不鲜，比如：南吕梁山隧道拱顶出现月牙状贯通裂缝，底板出现严重的上浮变形，线路中心纵向开裂长度超过20m，裂缝宽度1cm作用，局部发生错台；兰渝铁路木寨岭隧道纵向开裂长度达5cm，局部区域产生于侧墙贯通的环线裂缝，线路中心处底鼓量在37天内达到了33mm；除此之外，发生仰拱上浮变形的隧道还有兰新铁路乌鞘岭隧道，青藏铁路关角隧道，宝中铁路宝子梁隧道，南昆铁路家竹箐隧道等。因此，保证隧道仰拱充分稳定具有十分重要的工程价值和现实意义。

仰拱作为隧道衬砌的重要组成部分，起到约束围岩变形，增加围岩稳定性的作用。仰拱的反拱形结构向下传递隧道上部的地层压力，又要平衡隧道下部地层的反力，因此在隧道中，仰拱结构经常出现裂损或破坏，严重影响列车的运行安全。目前，仰拱有素混凝土和钢筋混凝土两种，而仰拱填充均为素混凝土，发明人发现，由于仰拱曲率不大，导致无法有效利用拱效应抵抗浮力，使得仰拱底鼓现象较为普遍，影响安全。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构及方法，该仰拱结构可以提高隧道仰拱结构抵抗变形的能力，减少仰拱上浮问题的发生，保证隧道的正常运营和车辆的安全运行。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，包括设置于隧道底部的仰拱主体，所述仰拱主体上方设置仰拱填充部，所述仰拱主体下方设置外部填充层，所述仰拱主体固定设置多个吸能锚杆，吸能锚杆由仰拱主体向下延伸穿过外部填充层布置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，多个所述吸能锚杆沿仰拱主体纵断面均布布设。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述吸能锚杆沿仰拱主体拱面的垂直方向向下延伸布置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述外部填充层为柔性材料填充而成。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述仰拱填充部包括由上至下设置的第一仰拱填充层、第二仰拱填充层，第一仰拱填充层上方设置道床，第二仰拱填充层设置于仰拱主体上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述第一仰拱填充层由柔性材料填充而成。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述第二仰拱填充层由素混凝土材料填充而成。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述仰拱主体包括置于底部的初期支护仰拱主体，初期支护仰拱主体上设置二次衬砌仰拱主体。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述初期支护仰拱主体和二次衬砌仰拱主体均为钢筋混凝土结构。

第二方面，本发明实施例还提供了一种如上所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构的施工方法，包括以下步骤：

在隧道开挖完成后，扩挖隧道底部，用柔性材料置换原来的地层，构成外部填充层；

施作初期支护，进行二次衬砌，将仰拱主体预制块运至施工地段，施作初期支护仰拱主体和二次衬砌仰拱主体，由二次衬砌仰拱主体向下进行吸能锚杆的设置，进一步加固仰拱；

在二次衬砌仰拱主体上先施工第二仰拱填充层，进行混凝土的养护，再施工第一仰拱填充层，仰拱填充部完成固结后，进行道床的施工；按照施工设计和顺序，循环进行前面的步骤，完成仰拱结构的构筑。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的隧道仰拱结构，选用柔性材料作为仰拱填充的一部分，并在仰拱主体下部设计柔性材料的外部填充层，在穿越高地应力区以及软弱地层段，隧道下部围岩发生膨胀变形时，仰拱上部易产生较大的水平拉应力，下部易受到较大的垂直应力，而柔性材料构成的填充层能够吸收大部分变形能量，使仰拱结构应力低于其极限承载力，避免结构的变形破坏。

本发明的隧道仰拱结构，设置吸能锚杆，连接仰拱与隧道下部的稳定岩体，达到加固仰拱的作用，同时吸能锚杆具有让压作用，能够吸收一部分地层的变形能，与柔性材料填充层形成联合作用，有效降低出现仰拱上浮导致隧道底鼓甚至开裂破坏的事故发生的概率，为隧道运营安全提供保障，具有经济和社会效益。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的仰拱结构示意图；

图中：1、道床，2、仰拱填充部，3、二次衬砌仰拱主体，4、初期支护仰拱主体，5、仰拱填充层A，6、仰拱填充层B，7、外部填充层，8、吸能锚杆。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构及方法。

实施例1：

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，包括二次衬砌仰拱主体3、初期支护仰拱主体4、仰拱填充部2、吸能锚杆8和外部填充层7，其中初期支护仰拱主体4、二次衬砌仰拱主体3为钢筋混凝土结构，其在隧道底部由初期支护和二次衬砌形成，并且提前根据隧道尺寸进行预制，减少施工环境的影响，提高仰拱结构的强度。

仰拱主体根据设计规范选择适宜强度的钢筋和混凝土预制而成，保证仰拱结构的密实度和质量。

仰拱填充部由两层填充材料组成，仰拱填充部设置于二次衬砌仰拱主体3上方，仰拱填充部上方设置道床1；仰拱填充部分为仰拱填充层A 5和仰拱填充层B 6。

如图1所示，仰拱填充层A 5位于上层，为柔性材料，可选用环氧类填充材料，根据隧道仰拱上浮破坏机理，仰拱结构上部的仰拱填充层A 5可以吸收隧道两侧的水平拉应力，达到吸收破坏能的目的；

如图1所示，仰拱填充层B 6位于下层，为素混凝土材料，承担较大的压力，提高仰拱结构的强度。仰拱填充层B 6设置于二次衬砌仰拱主体3上，道床1设置于仰拱填充层A 5上。

仰拱结构由二次衬砌仰拱主体3向下固定设置多个吸能锚杆8，多个吸能锚杆沿仰拱结构纵断面均布布设，吸能锚杆8将仰拱结构与隧道下部的稳定地层连接，提高仰拱结构的稳定性；

吸能锚杆8沿二次衬砌仰拱主体3拱面的垂直方向向下延伸布置，可以进一步保证与地层连接稳定性。

吸能锚杆8用以加固仰拱结构，同时在下部地层膨胀变形时根据其特性，吸收部分变形能，达到让压目的，吸能锚杆可根据工程特点进行选用。

初期支护仰拱主体4底部设置外部填充层7，外部填充层7施作于仰拱主体下部，需要事先扩挖空间。吸能锚杆8由仰拱结构向下穿过外部填充层与稳定地层连接。

外部填充层7与仰拱填充层A 5一样，选用柔性材料，在隧道下部地层发生膨胀时吸收大部分的变形能量，减少传递到仰拱结构的应力，保证仰拱结构不发生较大变形甚至破坏，提高隧道的安全性；

实施例2：

该实施例提出如实施例1所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构的施工方法，具体包括以下步骤：

1.在隧道开挖完成后，在围岩条件较差地段扩挖隧道底部，用柔性填充材料置换原来的地层，构成外部填充层7；

2.施作初期支护，选择合适的时机进行二次衬砌，将钢筋混凝土仰拱主体预制块运至施工地段，施作初期支护仰拱主体4和二次衬砌仰拱主体3。并且，按照锚杆的施工方法和原则进行吸能锚杆8的设置，进一步加固仰拱；

3.在仰拱上先施工素混凝土材料构成的仰拱填充层B 6，考虑施工环境等因素，进行混凝土的养护，再施工柔性材料构成的仰拱填充层A 5，仰拱填充完成固结后，进行道床1的施工；

4.按照施工设计和顺序，循环进行前面的步骤，完成仰拱结构的构筑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，其特征是，包括设置于隧道底部的仰拱主体，所述仰拱主体上方设置仰拱填充部，所述仰拱主体下方设置外部填充层，所述仰拱主体固定设置多个吸能锚杆，吸能锚杆由仰拱主体向下延伸穿过外部填充层布置；

仰拱主体下部设置柔性材料的外部填充层，隧道下部围岩发生膨胀变形时，柔性材料构成的填充层吸收大部分变形能量，使仰拱结构应力低于其极限承载力，避免结构的变形破坏；

设置吸能锚杆连接仰拱与隧道下部的稳定岩体加固仰拱，同时吸能锚杆让压吸收一部分地层的变形能，与柔性材料填充层形成联合，减少仰拱上浮导致隧道底鼓甚至开裂破坏；

所述仰拱填充部包括由上至下设置的第一仰拱填充层、第二仰拱填充层，第一仰拱填充层上方设置道床，第二仰拱填充层设置于仰拱主体上；所述第一仰拱填充层由柔性材料填充而成，所述柔性材料为环氧类填充材料；所述第二仰拱填充层由素混凝土材料填充而成。

2.如权利要求1所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，其特征是，多个所述吸能锚杆沿仰拱主体纵断面均布布设。

3.如权利要求1所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，其特征是，所述吸能锚杆沿仰拱主体拱面的垂直方向向下延伸布置。

4.如权利要求1所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，其特征是，所述外部填充层为柔性材料填充而成。

5.如权利要求1所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，其特征是，所述仰拱主体包括置于底部的初期支护仰拱主体，初期支护仰拱主体上设置二次衬砌仰拱主体。

6.如权利要求5所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构，其特征是，所述初期支护仰拱主体和二次衬砌仰拱主体均为钢筋混凝土结构。

7.如权利要求1-6任一项所述的适用于底鼓变形控制的隧道仰拱结构的施工方法，其特征是，包括以下步骤：

在隧道开挖完成后，扩挖隧道底部，用柔性材料置换原来的地层，构成外部填充层；

施作初期支护，进行二次衬砌，将仰拱主体预制块运至施工地段，施作初期支护仰拱主体和二次衬砌仰拱主体，由二次衬砌仰拱主体向下进行吸能锚杆的设置，进一步加固仰拱；在二次衬砌仰拱主体上先施工第二仰拱填充层，进行混凝土的养护，再施工第一仰拱填充层，仰拱填充部完成固结后，进行道床的施工；按照施工设计和顺序，循环进行前面的步骤，完成仰拱结构的构筑。

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