CN111706355A - 适用于大变形围岩的隧道结构及隧道围岩大变形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于大变形围岩的隧道结构及隧道围岩大变形控制方法，属于隧道工程领域，目的是降低围岩变形对隧道结构的影响。沿其径向包括外层的初期支护和内层的二次衬砌；沿隧道纵向，在隧道外周设置有数组变形释放孔；各组中的变形释放孔有N个，且各组中的N个变形释放孔环绕隧道环向布置；各变形释放孔沿隧道径向由初期支护钻设至隧道围岩内。该适用于大变形围岩的隧道结构，通过设置变形释放孔，为隧道围岩预留变形空间，释放部分围岩压力，从而降低初期支护承受的压力，缩小初期支护变形。隧道围岩大变形控制方法，通过不断监测变形等相关数据，反馈指导施工，达到动态调整变形释放孔与围岩变形相适配，实现合理有效的释放围岩变形压力的目的。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程领域，具体的是适用于大变形围岩的隧道结构及隧道围岩大变形控制方法。
背景技术
随着我国交通事业的快速发展，在地质环境恶劣、高地应力、软弱围岩地区建设长隧道的工程越来越多。然而，这种地区内修建隧道，面临围岩大变形问题，其给工程建设带来了极大的安全隐患。
对于大变形围岩隧道，目前常采用提高支护刚度的方式来控制隧道围岩大变形。如提高钢拱架的刚度，增加喷砼的厚度、增加锚杆的埋设长度，增加二次衬砌的厚度和强度等来提高对围岩大变形抵抗。然而，该方式，由于施工阶段围岩大变形作用于初期支护，初期支护极易发生大变形，通过提高结构的刚度和强度，不仅增加成本，且过大的围岩变形依旧会导致隧道结构变形、侵限、塌方等问题；后期运营过程中甚至会对二次衬砌带来开裂等病害，处治难度极大。
发明内容
本发明的目的是为了解决隧道围岩大变形导致隧道变形的问题，提供一种适用于大变形围岩的隧道结构及隧道围岩大变形控制方法，以降低围岩变形对隧道结构的影响，有效降低围岩变形对隧道的压力。
本发明采用的技术方案是：适用于大变形围岩的隧道结构，沿其径向包括外层的初期支护和内层的二次衬砌；沿隧道纵向，在一个隧道纵向监控段内，环绕隧道外周设置有数组变形释放孔；各组中的变形释放孔有N个，且各组中的N个变形释放孔环绕隧道环向布置；各所述变形释放孔沿隧道径向由初期支护钻设至隧道围岩内。
进一步的一个隧道纵向监控段内，相邻两组变形释放孔的纵向间距相等，且为M；各个变形释放孔的直径为D；各个变形释放孔的深度为L；一个隧道纵向监控段内变形释放孔的总体积为V孔；
V孔＝0.785×D2×L×N÷M；
V孔＝a(V-V0)；
式中，V：一个隧道纵向监控段内围岩自然变形体积；
V0：一个隧道纵向监控段内围岩收敛允许变形量；
A：富有系数，2≤a≤3。
进一步的，各个所述变形释放孔沿隧道径向向外延伸并沿隧道纵向向前倾斜设置，且倾斜角度为30-60°。
进一步的，还设置有泄水管和连接管；所述泄水管插接于变形释放孔内，且泄水管的开口端位于隧道初期支护内；连接管的一端与泄水管的开口端相连通，另一端与隧道的中央排水沟相连通；所述泄水管的外径为D1,D1≤D/2。
进一步的，所述隧道沿其环向包括底部的仰拱和顶部的拱部；
所述连接管包括与隧道拱部对应的变形释放孔内的泄水管相连接的拱部连接管和与仰拱对应的变形释放孔内的泄水管相连接的底部连接管；
拱部连接管包括连接段一和连接段二；所述连接段一与泄水管对接的另一端贴着拱部初期支护内壁延伸至隧道拱脚，所述连接段二与连接段一相连接的另一端穿过拱脚处的二次衬砌延伸至中央排水沟；
所述底部连接管与泄水管对接的另一端贴着仰拱初期支护内壁延伸至中央排水沟下方，并穿过中央排水沟的底壁与中央排水沟相连通。
隧道围岩大变形控制方法，步骤一，沿隧道开挖方向将隧道分为n个隧道纵向监控段，判断各个隧道纵向监控段是否需要钻设变形释放孔：
1)监测第m个隧道纵向监控段的隧道变形体积为Vm；其中，m＝1、2…n；且第m个隧道纵向监控段未钻设变形释放孔；接着，将Vm与隧道收敛允许变形量V0进行对比；若Vm＞V0，对第m+1段钻设变形释放孔；第m+1段钻设的变形释放孔的总体积为V孔，且V孔＝am+1(Vm-V0)＝0.785×Dm+1 2×Lm+1×Nm+1÷Mm+1；
2)监测第m+1个隧道纵向监控段的隧道变形体积为Vm+1；将Vm+1与隧道收敛允许变形量V0进行对比，若Vm+1＞V0,则对第m+2段钻设变形释放孔；第m+2段钻设的变形释放孔的总体积为V孔，且V孔＝am+2(Vm-V0)＝0.785×Dm+2 2×Lm+2×Nm+2÷Mm+2；且am+2＞am+1；
其中，a为富有系数，为2≤a≤3。
进一步的，先由隧道初期支护内侧沿隧道径向向围岩内钻孔形成变形释放孔；然后，向各个变形释放孔内插入泄水管，并敷设连接管，所述连接管一端与泄水管相连接，另一端延伸至中央排水沟；最后，施工二次衬砌。
进一步的，在钻设变形释放孔之前，对隧道围岩进行注浆加固：由隧道初期支护内侧沿隧道径向向围岩内打入注浆小导管，并通过注浆小导管向围岩内注浆，其注浆深度为H，且4.5m≤H≤L/2。
本发明的有益效果是：本发明公开的适用于大变形围岩的隧道结构，通过变形释放孔的设置，为隧道围岩预留变形空间，释放部分围岩压力，从而降低初期支护承受的压力，缩小初期支护变形。并且，本发明的变形释放孔可用于布置泄水管，从而利于对岩层深部地下水进行排泄，解决变形体的遇水膨胀及遇水软化等问题。
隧道围岩大变形控制方法，通过不断监测变形等相关数据，反馈指导施工，达到动态调整变形释放孔与围岩变形相适配，实现合理有效的释放围岩变形压力，从而可靠控制初期支护变形的目的。
附图说明
图1为本发明横向断面图；
图2为本发明变形释放孔局部示意图。
图中，变形释放孔1、泄水管2、连接管3、拱部连接管31、连接段一311、连接段二312、底部连接管32、初期支护4、二次衬砌5、中央排水沟6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明如下：
适用于大变形围岩的隧道结构，如图1所示，沿其径向包括外层的初期支护4和内层的二次衬砌5；沿隧道纵向，在一个隧道纵向监控段内，环绕隧道外周设置有数组变形释放孔1；各组中的变形释放孔1有N个，且各组中的N个变形释放孔1环绕隧道环向布置；各所述变形释放孔1沿隧道径向由初期支护4钻设至隧道围岩内。
本发明公开的隧道结构，通过向隧道围岩内钻变形释放孔1，为隧道围岩预留变形空间，释放部分围岩压力，从而降低初期支护4承受的压力，缩小初期支护4变形，从而能够避免二次衬砌5侵占洞内空间。
为了达到有效的释放围岩压力，控制隧道变形，优选的，一个隧道纵向监控段内，相邻两组变形释放孔1的纵向间距相等，且为M；各个变形释放孔1的直径为D；各个变形释放孔1的深度为L；一个隧道纵向监控段内变形释放孔1的总体积为V孔；一个隧道纵向监控段内围岩自然变形体积为V；一个隧道纵向监控段内围岩收敛允许变形量为V0：
V孔＝0.785×D2×L×N÷M；
V孔＝a(V-V0)；
式中，为便于现场实施，现场通过监测施工期间初期支护发生的变形值综合确定V0；A：为富有系数，根据现场初期支护发生的变形值灵活调整，通常2≤a≤3。
变形释放孔1可以垂直于隧道开挖面钻设于围岩内，为了能够提前释放部分前方掌子面的围岩压力，降低前方掌子面变形，最优的，各个所述变形释放孔1沿隧道径向向外延伸并沿隧道纵向向前倾斜设置，且倾斜角度为30-60°。
由于围岩变形会遇水膨胀，从而加剧围岩变形，故，本发明中，如图2所示，还设置有泄水管2和连接管3；所述泄水管2插接于变形释放孔1内，且泄水管2的开口端位于隧道初期支护4内；连接管3的一端与泄水管2的开口端相连通，另一端与隧道的中央排水沟6相连通。
泄水管2通常采用打孔PVC管，PVC管外包裹无纺布，避免岩体进行泄水管2，堵塞管道排水。
优选的，所述隧道沿其环向包括底部的仰拱和顶部的拱部；
所述连接管3包括与隧道拱部对应的变形释放孔1内的泄水管2相连接的拱部连接管31和与仰拱对应的变形释放孔1内的泄水管2相连接的底部连接管32；
拱部连接管3包括连接段一311和连接段二312；所述连接段一311与泄水管2对接的另一端贴着拱部初期支护4内壁延伸至隧道拱脚，所述连接段二312与连接段一311相连接的另一端穿过拱脚处的二次衬砌5延伸至中央排水沟6；
所述底部连接管32与泄水管2对接的另一端贴着仰拱初期支护4内壁延伸至中央排水沟6下方，并穿过中央排水沟6的底壁与中央排水沟6相连通。
该连接管3的设置，不占用二次衬砌5以及隧洞洞内空间，其与中央排水沟(3)相连通，能有效将围岩水引排至隧道中央排水沟6，保证了排水的可靠性。
为了避免泄水管2干扰围岩变形，或者围岩变形挤压泄水管2，优选的，所述泄水管2的外径为d,d≤D/2。
隧道围岩大变形控制方法，步骤一，沿隧道开挖方向将隧道分为n个隧道纵向监控段，判断各个隧道纵向监控段是否需要钻设变形释放孔1：
1)监测第m个隧道纵向监控段的隧道变形体积为Vm；其中，m＝1、2…n；且第m个隧道纵向监控段未钻设变形释放孔1；接着，将Vm与隧道收敛允许变形量V0进行对比；若Vm＞V0，对第m+1段钻设变形释放孔1；第m+1段钻设的变形释放孔1的总体积为V，且V＝am+1(Vm-V0)＝0.785×Dm+1 2×Lm+1×Nm+1÷Mm+1；
2)监测第m+1个隧道纵向监控段的隧道变形体积为Vm+1；将Vm+1与隧道收敛允许变形量V0进行对比，若Vm+1＞V0,则对第m+2段钻设变形释放孔1；第m+2段钻设的变形释放孔1的总体积为V，且V＝am+2(Vm-V0)＝0.785×Dm+2 2×Lm+2×Nm+2÷Mm+2；且am+2＞am+1；
其中，a为富有系数，根据现场隧道变形体积灵活调整，通常2≤a≤3。
本发明，通过多个隧道纵向监控段进行监测，不断监测变形等相关数据，反馈指导施工，提高了围岩大变形控制的可靠度，通过不断监测变形相关数据，利于调整后续施工的变形释放孔1的钻孔深度和数量，达到动态调整变形释放孔1与围岩变形相适配，实现合理有效的释放围岩变形压力，从而控制初期支护4变形的目的。
具体实施时，当m＝1时，通过监测得出第一个隧道纵向监控段的隧道变形体积为V1,该段未施工变形释放孔1，故，V1也为第一个隧道纵向监控段的围岩自然变形体积。若V1≤V0，那么第二个隧道纵向监控段无需钻设变形释放孔1。通过监测得出的第二个隧道纵向监控段的隧道变形体积为V2,其也为第二个隧道纵向监控段的围岩自然变形体积，此时，若V2＞V0，那么第三个隧道纵向监控段的变形释放孔的总体积V孔＝a3(V2-V0)，再根据V孔＝0.785×D3 2×L3×N3÷M3计算变形释放孔的孔径、深度和数量等。
若Vm＞V0，那么需要对第二个隧道纵向监控段钻设变形释放孔1，而第二个隧道纵向监控段的变形释放孔的总体积V孔＝a2(V1-V0)，a2可以取2、3或者2和3之间的任意值。对第二个隧道纵向监控段钻设变形释放孔后，其监测得出的第二个隧道纵向监控段的隧道变形体积V2不是围岩自然变形体积，而是释放压力后的变形量，此时，若V2≤V0，那么，第三个隧道纵向监控段沿用第二个隧道纵向监控段的变形释放孔1的数据即可；若V2＞V0，那么第三个隧道纵向监控段的变形释放孔的总体积V孔＝a3(V1-V0)，a3＞a2，即通过调节富有系数调节变形释放孔1，以达到控制变形的要求，并能适应施工的需求。
优选的，先由隧道初期支护内侧沿隧道径向向围岩内钻孔形成变形释放孔1；然后，向各个变形释放孔1内插入泄水管2，并敷设连接管3，所述连接管3一端与泄水管2相连接，另一端延伸至中央排水沟6；最后，施工二次衬砌5。
本发明，变形释放孔1在隧道初期支护4施工后进行，使得初期支护4能够及时起到支护，降低因变形释放孔1的钻设引发安全问题。并且，整个施工工程与传统隧道施工相比，仅增加了步骤二和步骤三，且步骤三中的泄水管2的施工与隧道排水系统同步施工，对施工周期的影响小。
为了进一步缓解围岩变形，优选的，在钻设变形释放孔1之前，对隧道围岩进行注浆加固：由隧道初期支护内侧沿隧道径向向围岩内打入注浆小导管，并通过注浆小导管向围岩内注浆，其注浆深度为H，且4.5m≤H≤L/2。通过注浆对围岩进行加固，注浆加固部分能够起到承压作用，能够进一步降低围岩变形。
Claims (8)
1.适用于大变形围岩的隧道结构，沿其径向包括外层的初期支护(4)和内层的二次衬砌(5)；其特征在于：沿隧道纵向，在一个隧道纵向监控段内，环绕隧道外周设置有数组变形释放孔(1)；各组中的变形释放孔(1)有N个，且各组中的N个变形释放孔(1)环绕隧道环向布置；各所述变形释放孔(1)沿隧道径向由初期支护(4)钻设至隧道围岩内。
2.如权利要求1所述的适用于大变形围岩的隧道结构，其特征在于：一个隧道纵向监控段内，相邻两组变形释放孔(1)的纵向间距相等，且为M；各个变形释放孔(1)的直径为D；各个变形释放孔(1)的深度为L；一个隧道纵向监控段内变形释放孔(1)的总体积为V孔；
V孔＝0.785×D2×L×N÷M；
V孔＝a(V-V0)；
式中，V：一个隧道纵向监控段内围岩自然变形体积；
V0：一个隧道纵向监控段内围岩收敛允许变形量；
A：富有系数，2≤a≤3。
3.如权利要求1或2所述的适用于大变形围岩的隧道结构，其特征在于：各个所述变形释放孔(1)沿隧道径向向外延伸并沿隧道纵向向前倾斜设置，且倾斜角度为30-60°。
4.如权利要求1或2所述的适用于大变形围岩的隧道结构，其特征在于：还设置有泄水管(2)和连接管(3)；所述泄水管(2)插接于变形释放孔(1)内，且泄水管(2)的开口端位于隧道初期支护(4)内；连接管(3)的一端与泄水管(2)的开口端相连通，另一端与隧道的中央排水沟(6)相连通；所述泄水管(2)的外径为D1,D1≤D/2。
5.如权利要求4所述的适用于大变形围岩的隧道结构，其特征在于：所述隧道沿其环向包括底部的仰拱和顶部的拱部；
所述连接管(3)包括与隧道拱部对应的变形释放孔(1)内的泄水管(2)相连接的拱部连接管(31)和与仰拱对应的变形释放孔(1)内的泄水管(2)相连接的底部连接管(32)；
拱部连接管(3)包括连接段一(311)和连接段二(312)；所述连接段一(311)与泄水管(2)对接的另一端贴着拱部的初期支护(4)内壁延伸至隧道拱脚，所述连接段二(312)与连接段一(311)相连接的另一端穿过拱脚处的二次衬砌(5)延伸至中央排水沟(6)；
所述底部连接管(32)与泄水管(2)对接的另一端贴着仰拱处的初期支护(4)内壁延伸至中央排水沟(6)下方，并穿过中央排水沟(6)的底壁与中央排水沟(6)相连通。
6.隧道围岩大变形控制方法，其特征在于：步骤一，沿隧道开挖方向将隧道分为n个隧道纵向监控段，判断各个隧道纵向监控段是否需要钻设变形释放孔(1)：
1)监测第m个隧道纵向监控段的隧道变形体积为Vm；其中，m＝1、2…n；且第m个隧道纵向监控段未钻设变形释放孔(1)；接着，将Vm与隧道收敛允许变形量V0进行对比；若Vm＞V0，对第m+1段钻设变形释放孔(1)；第m+1段钻设的变形释放孔(1)的总体积为V孔，且V孔＝am+1(Vm-V0)＝0.785×Dm+1 2×Lm+1×Nm+1÷Mm+1；
2)监测第m+1个隧道纵向监控段的隧道变形体积为Vm+1；将Vm+1与隧道收敛允许变形量V0进行对比，若Vm+1＞V0,则对第m+2段钻设变形释放孔(1)；第m+2段钻设的变形释放孔(1)的总体积为V孔，且V孔＝am+2(Vm-V0)＝0.785×Dm+2 2×Lm+2×Nm+2÷Mm+2；且am+2＞am+1；
其中，a为富有系数，2≤a≤3。
7.如权利要求6所述的隧道围岩大变形控制方法，其特征在于：
先由隧道初期支护内侧沿隧道径向向围岩内钻孔形成变形释放孔(1)；然后，向各个变形释放孔(1)内插入泄水管(2)，并敷设连接管(3)，所述连接管(3)一端与泄水管(2)相连接，另一端延伸至中央排水沟(6)；最后，施工二次衬砌(5)。
8.如权利要求7所述的隧道围岩大变形控制方法，其特征在于：在钻设变形释放孔(1)之前，对隧道围岩进行注浆加固：由隧道初期支护内侧沿隧道径向向围岩内打入注浆小导管，并通过注浆小导管向围岩内注浆，其注浆深度为H，且4.5m≤H≤L/2。
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