CN111878123B - 一种可适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法，该方法包括：(1)在型钢拱架与围岩间预留变形空间；(2)为确保型钢拱架的稳定性，以及释放高地应力和岩爆引起的围岩变形，在预留空间内填充薄钢板层；(3)采用全长粘结锚杆对隧道周边围岩松动圈进行加固；(4)采用带有锚固段和自由段的端锚型长锚杆/索对型钢拱架进行悬吊，使端锚型长锚杆/索的锚固段充分锚入稳定围岩区域，用以承受围岩应力释放、岩爆过程中的能量释放以及充分吸收薄钢板层的变形能。与现有技术相比，本发明具有适应于深埋隧道、也可应用于隧道深竖井、深层地下空间等存在岩爆和高地应力的情形、稳定性高、避免扰动等优点。
Description
技术领域
本发明涉及隧道初期支护技术领域，尤其是涉及一种可适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法，可应用于隧道深竖井、深层地下空间等存在岩爆和高地应力的情形。
背景技术
深埋隧道高地应力环境给隧道工程的建设带来了诸多难题，特别是高地应力引起的围岩和支护结构大变形和脆性围岩的岩爆，不仅提高了隧道的建设难度，而且施工过程中严重威胁施工人员的安全，运营过程中因高地应力和岩爆引起的隧道病害也屡见不鲜，现有的方法包括：
(1)采用柔性型钢拱架，容许型钢拱架变形，释放围岩压力和抵抗岩爆；
(2)柔性型钢拱架结合大变形锚杆，通过锚杆和柔性型钢拱架变形释放围岩压力，抵抗岩爆。
目前方法主要存在以下问题：
由于无法准确地预估大变形量和岩爆发生的情况，会导致预留变形量不能满足要求，导致初期支护变形侵限，岩爆破坏初期支护及伤害施工人员。
因此，提供一种适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法具有迫切的工程需要和研究价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法，用以充分适应深埋隧道的围岩应力释放和岩爆过程中产生的大变形，确保高地应力和岩爆情况下初期支护的安全，该方法包括：
(1)在型钢拱架与围岩间预留变形空间；
(2)为确保型钢拱架的稳定性，以及释放高地应力和岩爆引起的围岩变形，在预留变形空间内设置薄钢板层；
(3)采用全长粘结锚杆对隧道周边围岩松动圈进行加固；
(4)采用带有锚固段和自由段的端锚型长锚杆/索对型钢拱架进行悬吊，使端锚型长锚杆/索的锚固段充分锚入稳定围岩区域，用以承受围岩应力释放、岩爆过程中的能量释放以及充分吸收薄钢板层的变形能。
所述的全长粘结锚杆的长度小于端锚型长锚杆/索，并且沿隧道方向依次在周向错位布置。
所述的全长粘结锚杆与型钢拱架不进行受力连接。
所述的端锚型长锚杆/索的自由段与型钢拱架进行受力连接。
预留在型钢拱架与围岩间的变形空间根据高地应力和岩爆可能引起的大变形进行设置。
所述的薄钢板层的钢板截面形状包括欧米伽型、梯形和U型。
针对薄钢板层的刚度要求如下：
既能够在高地应力和岩爆作用下充分变形，又能与围岩紧贴，承担相应的围岩荷载，确保围岩在隧道运营过程中的稳定。
针对型钢拱架的刚度要求如下：
具有支撑薄钢板层充分变形并确保自身不出现超过容许变形的能力。
当出现薄钢板层的变形量不足以满足围岩应力释放和岩爆引起的大变形，出现型钢拱架侵限时，在采取临时支撑措施后，可拆除型钢拱架和欧米伽薄钢板，开挖凿除侵限岩体，替换新的薄钢板层和型钢拱架。
所述的薄钢板层的安装方式具体为：
与钢拱架一体成型并同时安装；
或在先安装钢拱架后，再在预留变形空间内填充薄钢板层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明采用初期支护构造方法在具有高地应力或可能发生岩爆的围岩中进行隧道设计和施工时，充分考虑了高地应力和岩爆总是伴随着初期支护的大变形和侵限，因此在型钢拱架与围岩间预留变形空间。
二、本发明为确保钢拱架的稳定性以及释放高地应力和岩爆引起的围岩变形，在预留空间填充欧米伽形薄钢板。
三、本发明采用全长粘结锚杆进行隧道周边围岩松动圈的加固，全长粘结锚杆与型钢拱架不进行受力连接，有效避免了因全长粘结锚杆与围岩受力耦合作用，扰动型钢拱架。
四、本发明采用具有锚固段和自由段的端锚型长锚杆/索对型钢拱架进行悬吊，由于端锚型长锚杆/索的长度和刚度均较大，能够确保一端充分锚入稳定围岩区域，并能承受围岩应力释放和岩爆过程中的能量释放，以及充分吸收欧米伽薄钢板变形能。
五、本发明构造的隧道初期支护系统包括型钢拱架、欧米伽形薄钢板、全长粘结锚杆、端锚型长锚杆/索，通过有机组合和相互作用，可充分适应围岩应力释放和岩爆过程中产生的大变形，确保高地应力和岩爆情况下初期支护的安全。
六、当出现超出设计考虑的极端形况，欧米伽薄钢板的变形量仍不足以满足围岩应力释放和岩爆，造成型钢拱架出现侵限，端锚型长锚杆/索破坏时，在采取相应的临时支撑措施后，可通过拆除型钢拱架和欧米伽薄钢板，开挖凿除侵限岩体，替换新的薄钢板和型钢拱架，替换或增设端锚型长锚杆/索。
七、本发明为初期支护找到了一个固定的锚固点，并给高地应力释放和岩爆的应力释放提供能量出口，确保初期支护安全，在必要情况下可方便替换初期支护，避免初期支护侵限。
附图说明
图1为图3中A-A剖面的剖面图。
图2为图3中B-B剖面的剖面图。
图3为图1中1-1剖面的剖面图。
图4为图1中2-2剖面的剖面图。
图5为薄钢板层的断面形式，其中，图(5a)为U型断面形式，图(5b)为欧米伽断面形式，图(5c)为梯形断面形式。
图6为隧道初期支护横断面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1、2、3、4、6所示，本发明提供一种可适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法，主要包括以下步骤：
(1)由于高地应力和岩爆总是伴随着围岩和初期支护的大变形以及侵限，因此在确定设计方案时，所构造的初期支护充分考虑在型钢拱架与围岩间预留变形空间；
(2)为释放高地应力和岩爆引起的围岩变形，在预留空间填充欧米伽形薄钢板，欧米伽形薄钢板的形式如图5所示；围岩应力释放引起大变形时，欧米伽形薄钢板可以通过自身的压缩变形，适应围岩大变形，确保型钢拱架稳定；围岩应力释放引起岩爆等冲击时，欧米伽形薄钢板可充分吸收岩爆冲击能，确保型钢支护结构的安全；
(3)为提高围岩韧性，避免高地应力释放过程中围岩的脆性破坏，采用全长粘结锚杆进行隧道周边围岩扰动松动圈的加固；全长粘结锚杆长度根据围岩松动圈范围确定；全长粘结锚杆与型钢拱架不进行受力连接，避免因全长粘结锚杆与围岩受力耦合作用，扰动型钢拱架；
(4)采用具有锚固段和自由段的端锚型长锚杆/索对型钢拱架进行悬吊，端锚型长锚杆/索的长度应确保一端充分锚入稳定围岩区域；端锚型长锚杆/索的刚度应能承受围岩应力释放和岩爆过程中的能量释放，以及充分吸收欧米伽薄钢板变形能，并不发生明显的伸长，端锚型长锚杆/索与型钢拱架进行受力连接；长锚杆(索)自由段与围岩体存在间隙，尽量减小围岩体因应力释放和岩爆引起的大变形与端锚型长锚杆/索之间的相互作用；
本例中，端锚型长锚杆/索的作用类似于车辆辐条的作用，只是车辆辐条的固定端在车轮轴上，而这里长锚杆则是一端固定在稳定围岩体上，另一端固定在型钢拱架上，进行型钢拱架与稳定岩体的有效连接。
(5)所构造的隧道初期支护体系，包括型钢拱架、欧米伽形薄钢板、全长粘结锚杆、端锚型长锚杆/索，通过有机组合和相互作用，可充分适应围岩应力释放和岩爆过程中产生的大变形，确保高地应力和岩爆情况下初期支护的安全；
(6)当出现超出设计考虑的极端形况，欧米伽薄钢板的变形量仍不足以满足围岩应力释放和岩爆，造成型钢拱架出现侵限，端锚型长锚杆/索破坏时，在采取相应的临时支撑措施后，可通过拆除型钢拱架和欧米伽薄钢板，开挖凿除侵限岩体，替换新的薄钢板和型钢拱架，替换或增设端锚型长锚杆/索。
本发明所构造的隧道初期支护能够充分适应围岩应力释放和岩爆过程中产生的大变形，确保高地应力和岩爆情况下初期支护的安全，当出现欧米伽薄钢板的变形量仍不足以满足围岩应力释放和岩爆，造成型钢拱架出现侵限时，在采取相应的临时支撑措施后，可通过拆除型钢拱架和欧米伽薄钢板，开挖凿除侵限岩体，替换新的薄钢板和型钢拱架。
Claims (1)
1.一种可适应高地应力和岩爆的隧道初期支护构造方法，用以充分适应深埋隧道的围岩应力释放和岩爆过程中产生的大变形，确保高地应力和岩爆情况下初期支护的安全，其特征在于，该方法包括：
（1）在型钢拱架与围岩间预留变形空间；
（2）为确保型钢拱架的稳定性，以及释放高地应力和岩爆引起的围岩变形，在预留变形空间内设置薄钢板层；
（3）采用全长粘结锚杆对隧道周边围岩松动圈进行加固；
（4）采用带有锚固段和自由段的端锚型长锚杆/索对型钢拱架进行悬吊，使端锚型长锚杆/索的锚固段充分锚入稳定围岩区域，用以承受围岩应力释放、岩爆过程中的能量释放以及充分吸收薄钢板层的变形能；
预留在型钢拱架与围岩间的变形空间根据高地应力和岩爆可能引起的大变形进行设置；
所述的薄钢板层的钢板截面形状包括欧米伽型、梯形和U型；
针对薄钢板层的刚度要求如下：
既能够在高地应力和岩爆作用下充分变形，又能与围岩紧贴，承担相应的围岩荷载，确保围岩在隧道运营过程中的稳定；
所述的全长粘结锚杆的长度小于端锚型长锚杆/索，并且沿隧道方向依次在周向错位布置，所述的全长粘结锚杆与型钢拱架不进行受力连接，所述的端锚型长锚杆/索的自由段与型钢拱架进行受力连接；
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