CN111577339B - 高地应力软岩隧道支护结构体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道支护施工技术领域，公开了一种高地应力软岩隧道支护结构体系及其施工方法。本发明包括让压初期支护、让压储能层和永久支护结构，让压初期支护包括贴合隧道围岩设置的格栅钢架和喷射混凝土，格栅钢架外侧靠近隧道围岩一侧设置有让压锚杆；让压储能层两侧分别紧贴让压初期支护内侧和永久支护结构的外侧设置；让压储能层为可产生10‑15cm让压变形的现浇结构，包括水泥、乳化沥青、橡胶颗粒、陶粒和钢纤维。本发明承载力好，可有效控制围岩变形。

Description

高地应力软岩隧道支护结构体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道支护施工技术领域，特别是涉及一种高地应力软岩隧道支护结构体系及其施工方法。

背景技术

随着我国交通行业的迅速发展，深埋隧道会越来越多。我国山区深埋隧道面临的特殊地质难题之一即是高地应力问题。高地应力软岩地层隧道施工产生的大变形问题尚未得到有效解决，给高地应力软岩隧道的设计、施工、运营带来了很多问题，同时还带来了一定的经济损失，其中一些还会威胁建设人员的生命安全，因此需要引起足够重视。

高地应力软岩隧道尚存在以下问题：隧道周边扰动围岩范围超出预期，围岩变形过大导致隧道初期支护破坏；围岩变形过大导致初期支护出现过大变形而侵限；常规系统锚杆长度一般4-6m，面对高地应力地层时失效；围岩变形长时间未收敛，二衬施作后运营期出现裂缝。

发明内容

本发明提供一种承载力好，可有效控制围岩变形的高地应力软岩隧道支护结构体系。

解决的技术问题是：常规隧道支护体系及现有让压结构难以应对围岩持续变形过大的问题，初期支护结构常发生破坏或变形侵限，锚杆失效，二衬结构容易破坏。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，包括让压初期支护、让压储能层和永久支护结构，让压初期支护包括贴合隧道围岩设置的格栅钢架和喷射混凝土，格栅钢架外侧靠近隧道围岩一侧设置有让压锚杆；让压储能层两侧分别紧贴让压初期支护内侧和永久支护结构的外侧设置；让压储能层为可产生10-15cm让压变形的现浇结构，包括水泥、乳化沥青、橡胶颗粒、陶粒和钢纤维。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，进一步的，所述让压储能层包括以下重量份数的组分：水泥10份，乳化沥青3-4份，橡胶颗粒6-8份，陶粒12-13份，钢纤维1.5-2份和水4-5份。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，进一步的，所述让压初期支护的厚度为25-40cm，格栅钢架由多个单榀钢架贴合隧道围岩、沿隧道周向并列排布而成，所述单榀钢架为纵截面呈矩形的桁架结构，沿隧道轴向通长设置。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，进一步的，所述单榀钢架包括水平主筋、箍筋和腹筋，水平主筋沿隧道轴向设置，相邻单榀钢架之间通过连接钢筋连接固定，沿隧道延伸方向的每环格栅钢架之间焊接固定。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，进一步的，所述单榀钢架内设置有用于固定让压锚杆的连接组件，连接组件包括对称设置在每榀钢架相对两侧的抱箍件，夹设在抱箍件内的连接套筒，以及位于连接套筒远离让压锚杆一端的限位环板，每个抱箍件包括两个相对扣合设置的C形筋，形成封闭内腔，连接套筒穿设在相对两个抱箍件的封闭内腔内并焊接固定，C形筋两个开口端与单榀钢架固定，所述限位环板卡固在单榀钢架上。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，进一步的，所述让压锚杆的尾端依次穿过限位环板和连接套筒，沿隧道径向伸至隧道围岩内，在隧道纵截面内，让压锚杆沿隧道周向分散间隔排布，相邻让压锚杆头部的间距为1-1.5m。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，进一步的，所述让压锚杆包括头尾顺次连接固定的头部螺栓、固结杆和伸缩段，伸缩段包括外侧的保护套管和内侧的钢绞线，固结杆两端分别与头部螺栓的尾端和钢绞线一端固定连接，钢绞线另一端固定连接有连接杆，保护套管两端套设在两侧的固结杆和连接杆外侧并固定连接。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系，进一步的，所述钢绞线的承载力不小于80kN，拉伸率为5-8%，每段所述钢绞线的长度为1-1.5m，所述保护套管为塑料波纹管。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据水文地质条件及地层参数确定高地应力软岩隧道支护结构参数和设计要点；

步骤二、根据设计方案，预制格栅钢架和让压锚杆；

步骤三、根据设计参数在隧道内开挖一个循环进尺；

步骤四、开挖完成后设置一层喷射混凝土以封闭开挖面；

步骤五、架立格栅钢架；

步骤六、设置让压锚杆；

步骤七、继续施工喷射混凝土至设计厚度；

步骤八、重复步骤三至步骤七，在隧道轴向根据设计参数隔段设置让压初期支护；

步骤九、施作让压储能层，具体施工方法包括以下步骤：

9.1、支设模板；

9.2、制作拌合料；

9.3、将上述拌合料通过增压泵在10-45℃的环境中进行浇筑；

9.4、在10-45℃的环境中养护至标准强度的50%，然后拆除模板和支护体系；

9.5、在10-45℃的环境中继续养护至标准强度，完成让压储能层的施工；

步骤十、施作永久支护结构；

步骤十一：重复步骤三至步骤十，直至隧道结构施工完成。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系的施工方法，进一步的，步骤9.2中拌合料的制备方法，包括以下步骤：

步骤a、按照以下重量份数的组分进行备料；

水泥10份，乳化沥青3-4份，橡胶颗粒6-8份，陶粒12-13份，钢纤维1.5-2份，水4-5份；

步骤b、将橡胶颗粒，陶粒和钢纤维充分混合均匀，然后加入水泥充分混合；

步骤c、在上述混合料中加入水，充分混合均匀；

步骤d、在步骤c得到的混合料中加入乳化沥青，在10-45℃的环境中充分搅拌混匀，制得让压储能层的拌合料。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明采用了让压组合锚杆与格栅钢架有效连接的让压初期支护，可实现二者的快速承载和共同承载，可有效利用围岩的承载能力，显著提高初期支护的承载能力、控制围岩产生大变形，更有效的应对高地应力软岩隧道出现的大变形，保障施工安全和施工效率。

本发明专利设置了橡胶、陶粒和钢纤维等材料组合形成的让压储能层，具有高压缩性、高延展性、高承载力，作为一种变形和承载力的储备，可有效应对运营期的围岩变形荷载。

本发明在格栅钢架上设置了连接组件，结构简单，安装便捷，实现了让压锚杆的快速定位和安装，固定牢固性好，大大简化了施工工序，提高了施工效率。

本发明在让压锚杆上设置了具有一定拉伸性的钢绞线，在施工后若出现过大变形荷载，钢绞线可以拉伸一定长度以继续承载，仍然可以充分发挥围岩的承载作用，钢绞线的继续承载能力更好一些，承载力不小于80kN，抗变形能力更好。

下面结合附图对本发明的高地应力软岩隧道支护结构体系作进一步说明。

附图说明

图1为本发明高地应力软岩隧道支护结构体系的结构示意图；

图2为图1中A-A截面即发明高地应力软岩隧道支护结构体系的剖面结构示意图；

图3为格栅钢架的结构示意图；

图4为图3中B-B截面的结构示意图；

图5为让压锚杆的结构示意图。

附图标记：

1-隧道围岩；2-格栅钢架；21-水平主筋；22-箍筋；23-腹筋；3-喷射混凝土；4-让压锚杆；41-头部螺栓；42-固结杆；43-保护套管；44-钢绞线；45-连接杆；5-让压储能层；6-永久支护结构；7-连接组件；71-抱箍件；72-连接套筒；73-限位环板。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明高地应力软岩隧道支护结构体系包括让压初期支护、让压储能层5和永久支护结构6，让压初期支护包括贴合隧道围岩1设置的格栅钢架2和喷射混凝土3，格栅钢架2外侧靠近隧道围岩1一侧设置有让压锚杆4；让压储能层5两侧分别紧贴让压初期支护内侧和永久支护结构6的外侧设置。

让压初期支护的厚度为25-40cm，格栅钢架2由多个单榀钢架贴合隧道围岩1、沿隧道周向并列排布而成，相邻单榀钢架之间的间距为0.5-1.5m，单榀钢架为纵截面呈矩形的桁架结构，纵截面的高度为20-35cm，沿隧道延伸方向设置，包括水平主筋21、箍筋22和腹筋23，水平主筋21沿隧道轴向设置，相邻单榀钢架之间通过连接钢筋连接固定，连接钢筋两端分别与两侧相对的水平主筋21搭接并点焊固定，沿隧道延伸方向的每环格栅钢架2之间焊接固定，本实施例中，腹筋23选用波浪状弯折筋和U形筋，交错设置。

单榀钢架内设置有用于固定让压锚杆4的连接组件7，连接组件7包括对称设置在每榀钢架相对两侧的抱箍件71，夹设在抱箍件71内的连接套筒72，以及位于连接套筒72远离让压锚杆4一端的限位环板73，每个抱箍件71包括两个相对扣合设置的C形筋，形成封闭内腔，连接套筒72穿设在相对两个抱箍件71的封闭内腔内并焊接固定，C形筋两个开口端与水平主筋21焊接固定；限位环板73的两侧边沿卡设在两侧对应的水平主筋21上，限位环板73的边沿超出相对水平主筋21的外边沿至少30mm，可有效增强连接套筒72的固定牢固性和稳定性，接触面积大，也便于焊接操作。

让压锚杆4的尾端依次穿过限位环板73和连接套筒72，沿隧道径向伸至隧道围岩1内，头部螺栓41卡固在限位环板73上。在隧道纵截面内，让压锚杆4沿隧道周向分散间隔排布，相邻让压锚杆4头部的间距为1-1.5m。

让压锚杆4的长度不小于5m，包括头尾顺次连接固定的头部螺栓41、固结杆42和伸缩段，固结杆42的直径不小于25mm，伸缩段包括外侧的保护套管43和内侧的钢绞线44，固结杆42两端分别与头部螺栓41的尾端和钢绞线44一端固定连接，钢绞线44另一端固定连接有连接杆45，连接杆45的直径与固结杆42一致；钢绞线44为3-7根直径3-5mm的钢丝组成的绞线股，承载力不小于80kN，拉伸率可达5-8%；钢绞线44的长度为1-1.5m，保护套管43为塑料波纹管，两端套设在两侧的固结杆42和连接杆45外侧并固定连接。施工后若出现过大变形荷载，伸缩段可以拉伸一定长度以继续承载，仍然可以充分发挥围岩的承载作用。

伸缩段的数量不少于1个，具体的连接数量根据让压锚杆4的所需长度决定，让压锚杆4总长为5-8m时，伸缩段为2段，让压锚杆4总长为8-10m时，伸缩段为3-4段；后续的伸缩段中，钢绞线44两端分别与两侧的连接杆45端部固定。钢绞线44与保护套管43之间填充有润滑剂，可有效确保钢绞线44在承受较大荷载时可以充分拉伸。

让压储能层5为厚度20-30cm的现浇模注施工结构，抗压强度不低于20MPa，具有低弹模、高压缩性、高延展性、防水性能及一定的承载能力，能够在永久支护结构6提供的反作用力下，较好的吸收二衬施做后围岩产生的形变能量，可产生10-15cm的让压变形。

让压储能层5包括以下重量份数的组分：水泥10份，乳化沥青3-4份，橡胶颗粒6-8份，陶粒12-13份，钢纤维1.5-2份，水4-5份，上述原料组分按照以下方法进行混合：

步骤a、按照以上组分用量进行备料；

步骤b、将橡胶颗粒，陶粒和钢纤维充分混合均匀，然后加入水泥充分混合；

步骤c、在上述混合料中加入水，充分混合均匀；

步骤d、在步骤c得到的混合料中加入乳化沥青，在10-45℃的环境中充分搅拌混匀，制得让压储能层5的拌合料。

其中，以沥青为让压储能层5的主材料，沥青具有一定的强度、较好的变形特性及一定的延展性，使让压储能层5在产生压缩变形的同时不出现脆性破坏，使用橡胶颗粒的粒径为5-15mm，主要作为粗骨料使用，具有一定的抗压能力和高压缩特性，陶粒的粒径为0.5-3mm，主要作为细骨料使用，填充橡胶颗粒间的缝隙形成有效的弹性支撑体系，并具有一定的抗压能力和高压缩特性；钢纤维的长度为30-50mm，可有效增强让压储能层5的承载能力和抗压性，使让压储能层5内无需设置额外的钢筋，大大简化了施工结构和施工工序，混合材料一体浇筑即可，适当长度的钢纤维，与陶粒和橡胶颗粒相互配合，可有效增强让压储能层5的刚性和抗渗性能，并使其具有较好的延展和抗弯折能力；水泥和水的拌合物为橡胶颗粒、陶粒和钢纤维的粘结材料；掺入乳化沥青既保证功能层的强度和抗弯性能，也保证了让压储能层5的防水性能。

针对高地应力软岩地层不可预测的变形荷载，当让压初期支护产生较大变形时，让压储能层5在内部永久支护结构6的支撑下，橡胶颗粒、陶粒均可产生压缩形变，在沥青、水泥和钢纤维的粘结及连接综合作用下，让压储能层5可以产生一定压缩变形并不发生开裂，吸收围岩大变形荷载产生的能量，不影响其防水能力。

永久支护结构6为截面厚度40-80cm的钢筋混凝土环状结构，外侧与让压储能层5内侧紧密贴合设置。

本发明高地应力软岩隧道支护结构体系的施工方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据水文地质条件及地层参数确定高地应力软岩隧道支护结构参数和设计要点；

根据隧道地层条件、地层参数、埋深、变形控制标准等计算确定设计要点，主要包括让压初期支护、让压储能层5和永久支护结构6的几何参数、强度参数和配筋参数等；

步骤二、根据设计方案，预制格栅钢架2和让压锚杆4；

在单榀钢架内的设计位置内直接焊接固定连接组件7，现场拼接固定单榀钢架组成格栅钢架2后，可根据设计点选择使用连接组件7；

步骤三、根据设计参数在隧道内开挖一个循环进尺；

一个循环进尺即沿隧道轴向两环格栅钢架2的间距，具体选用分部开挖的施工方法，采用机械化施工尽量减少对围岩的扰动；

步骤四、开挖完成后设置一层喷射混凝土3以封闭开挖面；

喷射混凝土3为C25-C35早强混凝土；

步骤五、架立格栅钢架2，自两侧向中间、先下部后上部施工，封闭成环，逐环推进施工；

步骤六、设置让压锚杆4；

在设计施工的位置钻孔，然后将让压锚杆4尾端穿过对应的连接组件7，送入钻孔内，至头部螺栓41卡固在限位环板73上，然后注浆，固定让压锚杆4；安装的过程中，确保钢绞线44处于拉紧的状态。

步骤七、继续施工喷射混凝土3至设计厚度；

步骤八、重复步骤三至步骤七，在隧道轴向根据设计参数隔段设置让压初期支护，相邻两环格栅钢架2采用钢筋沿隧道轴向连接，直至开挖面距离后方二衬或洞口一定距离，距离一般为0-30m；

步骤九、施作让压储能层5，具体施工方法包括以下步骤：

9.1、支设模板；

使用钢模板支设固定，在钢模板内侧设置有温度传感器，温度传感器沿隧道周向均匀间隔分布，温度传感器的信号输出端与温控系统电连接，温控系统控制让压储能层5表面的养护温度不高于45℃；钢模板外侧壁设置有喷淋系统，喷淋系统包括通过卡扣可拆卸固定在钢模板外侧壁上的喷淋管，喷淋管两端分别与喷嘴和供水系统连接，喷淋管上设置有电磁阀，电磁阀的信号输入端与温控系统的信号输出端电连接。

9.2、制作拌合料，具体按照以下方法进行混合：

步骤a、按照以下重量份数的组分进行备料；

水泥10份，乳化沥青3-4份，橡胶颗粒6-8份，陶粒12-13份，钢纤维1.5-2份，水4-5份；

步骤b、将橡胶颗粒，陶粒和钢纤维充分混合均匀，然后加入水泥充分混合；

步骤c、在上述混合料中加入水，充分混合均匀；

步骤d、在步骤c得到的混合料中加入乳化沥青，在10-45℃的环境中充分搅拌混匀，制得让压储能层5的拌合料。

9.3、将上述拌合料通过增压泵进行浇筑，浇筑过程确保在10-45℃的环境中进行；

9.4、在10-45℃的环境中养护至标准强度的50%，然后拆除模板和支护体系；

在浇筑和养护的过程中，温度传感器实时监测钢模板内的让压储能层5表面的温度，当温度高于45℃时，监测信号传递至温控系统，温控系统控制开启电磁阀，开始向钢模板表面进行喷淋降温；当监测温度低于45℃时，关闭电磁阀，停止喷淋；

9.5、在10-45℃的环境中继续养护至标准强度，完成让压储能层5的施工。

步骤十、施作永久支护结构6；

架设模板施作永久支护结构6，使用的是C50以上的钢筋混凝土，厚度为40-80cm，外轮廓与让压储能层5内轮廓贴合；

步骤十一：重复步骤三至步骤十，直至隧道结构施工完成。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.高地应力软岩隧道支护结构体系，其特征在于：包括让压初期支护、让压储能层（5）和永久支护结构（6），让压初期支护包括贴合隧道围岩（1）设置的格栅钢架（2）和喷射混凝土（3），格栅钢架（2）外侧靠近隧道围岩（1）一侧设置有让压锚杆（4）；让压储能层（5）两侧分别紧贴让压初期支护内侧和永久支护结构（6）的外侧设置；让压储能层（5）为可产生10-15cm让压变形的现浇结构，由拌合料浇筑而成；

所述拌合料的制备方法，包括以下步骤：

步骤a、按照以下重量份数的组分进行备料；

水泥10份，乳化沥青3-4份，橡胶颗粒6-8份，陶粒12-13份，钢纤维1.5-2份，水4-5份；

步骤b、将橡胶颗粒，陶粒和钢纤维充分混合均匀，然后加入水泥充分混合；

步骤c、在上述混合料中加入水，充分混合均匀；

步骤d、在步骤c得到的混合料中加入乳化沥青，在10-45℃的环境中充分搅拌混匀，制得让压储能层（5）的拌合料。

2.根据权利要求1所述的高地应力软岩隧道支护结构体系，其特征在于：所述让压初期支护的厚度为25-40cm，格栅钢架（2）由多个单榀钢架贴合隧道围岩（1）、沿隧道周向并列排布而成，所述单榀钢架为纵截面呈矩形的桁架结构，沿隧道轴向通长设置。

3.根据权利要求2所述的高地应力软岩隧道支护结构体系，其特征在于：所述单榀钢架包括水平主筋（21）、箍筋（22）和腹筋（23），水平主筋（21）沿隧道轴向设置，相邻单榀钢架之间通过连接钢筋连接固定，沿隧道延伸方向的每环格栅钢架（2）之间焊接固定。

4.根据权利要求2所述的高地应力软岩隧道支护结构体系，其特征在于：所述单榀钢架内设置有用于固定让压锚杆（4）的连接组件（7），连接组件（7）包括对称设置在每榀钢架相对两侧的抱箍件（71），夹设在抱箍件（71）内的连接套筒（72），以及位于连接套筒（72）远离让压锚杆（4）一端的限位环板（73），每个抱箍件（71）包括两个相对扣合设置的C形筋，形成封闭内腔，连接套筒（72）穿设在相对两个抱箍件（71）的封闭内腔内并焊接固定，C形筋两个开口端与单榀钢架固定，所述限位环板（73）卡固在单榀钢架上。

5.根据权利要求4所述的高地应力软岩隧道支护结构体系，其特征在于：所述让压锚杆（4）的尾端依次穿过限位环板（73）和连接套筒（72），沿隧道径向伸至隧道围岩（1）内，在隧道纵截面内，让压锚杆（4）沿隧道周向分散间隔排布，相邻让压锚杆（4）头部的间距为1-1.5m。

6.根据权利要求1所述的高地应力软岩隧道支护结构体系，其特征在于：所述让压锚杆（4）包括头尾顺次连接固定的头部螺栓（41）、固结杆（42）和伸缩段，伸缩段包括外侧的保护套管（43）和内侧的钢绞线（44），固结杆（42）两端分别与头部螺栓（41）的尾端和钢绞线（44）一端固定连接，钢绞线（44）另一端固定连接有连接杆（45），保护套管（43）两端套设在两侧的固结杆（42）和连接杆（45）外侧并固定连接。

7.根据权利要求6所述的高地应力软岩隧道支护结构体系，其特征在于：所述钢绞线（44）的承载力不小于80kN，拉伸率为5-8%，每段所述钢绞线（44）的长度为1-1.5m，所述保护套管（43）为塑料波纹管。

8.权利要求1-7任意一项所述的高地应力软岩隧道支护结构体系的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、根据水文地质条件及地层参数确定高地应力软岩隧道支护结构参数和设计要点；

步骤二、根据设计方案，预制格栅钢架（2）和让压锚杆（4）；

步骤三、根据设计参数在隧道内开挖一个循环进尺；

步骤四、开挖完成后设置一层喷射混凝土（3）以封闭开挖面；

步骤五、架立格栅钢架（2）；

步骤六、设置让压锚杆（4）；

步骤七、继续施工喷射混凝土（3）至设计厚度；

步骤八、重复步骤三至步骤七，在隧道轴向根据设计参数隔段设置让压初期支护；

步骤九、施作让压储能层（5），具体施工方法包括以下步骤：

9.1、支设模板；

9.2、制作拌合料；

9.3、将上述拌合料通过增压泵在10-45℃的环境中进行浇筑；

9.4、在10-45℃的环境中养护至标准强度的50%，然后拆除模板和支护体系；

9.5、在10-45℃的环境中继续养护至标准强度，完成让压储能层（5）的施工；

步骤十、施作永久支护结构（6）；

步骤十一：重复步骤三至步骤十，直至隧道结构施工完成。

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