CN112627846B - 一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系及方法，其技术方案为：包括从外到内依次设置的工字钢钢拱架、U型钢钢拱架、设定厚度的聚氨酯缓冲层和二衬，或者包括从外到内依次设置的工字钢钢拱架、泡沫铝或泡沫混凝土缓冲层、U型钢钢拱架、聚氨酯缓冲层和二衬；以形成软硬结合的封闭支护结构。本发明通过工字钢、U型钢和缓冲层形成软硬结合的封闭支护结构，能够适应不同变形条件的支护。

Description

一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系及方法
技术领域
本发明涉及隧/巷道支护技术领域，尤其涉及一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系及方法。
背景技术
软岩隧/巷道大变形支护问题一直是煤矿生产建设中的难题，也是目前国内外尚未很好解决的技术难题。随着我国交通技术和资源开采由浅部向深部转移，软岩隧/巷道支护问题越来越突出。
针对软岩隧/巷道施工过程中围岩变形时间长、变形量大、难控制等难题，很多学者支持采用喷射混凝土+系统锚杆+工字钢钢支撑的联合支护方案为主，当遭遇挤压大变形时常采用增大喷射混凝土厚度、增加钢拱架密度等“强支硬顶”的支护方案。但工程实践表明，软岩隧/巷道刚性支护方案随围岩变形能力较差、变形不协调，当围岩变形量较大时容易导致支护结构的破坏；而且无限制地增大混凝土的厚度和钢拱架的密度等措施往往导致施工成本增加、支护效果差、经济效益低下。
为了克服目前大变形隧道支护方案变形能力不足的难题，近年来很多学者在让压支护理论的基础上，提出了包括可变形锚杆、可压缩钢拱架、可压缩衬砌等支护技术；然而目前已提出的支护技术主要针对具体工程和特定地质条件，没有形成有效的支护体系、没有统一的施工工法和施工顺序。
而且，发明人发现，现有针对软弱围岩大变形的缓冲层支护方案，基本是在隧道初期支护和二次衬砌之间预留一定厚度的缓冲层，通过吸能变形减小二衬的形变压力，对二衬有较好的保护作用，但对初次衬砌并无改善效果。
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软岩大变形隧/巷道的复合支护体系及方法，通过工字钢、U型钢和缓冲层形成软硬结合的封闭支护结构，能够适应不同变形条件的支护。
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软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，包括从外到内依次设置的工字钢钢拱架、U型钢钢拱架、设定厚度的聚氨酯缓冲层和二衬，以形成软硬结合的封闭支护结构。
作为进一步的实现方式，所述U型钢钢拱架间填充可压缩聚氨酯材料。
第二方面，本发明实施例还提供了一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，包括从外到内依次设置的工字钢钢拱架、泡沫铝或泡沫混凝土缓冲层、U型钢钢拱架、聚氨酯缓冲层和二衬，以形成软硬结合的封闭支护结构。
作为进一步的实现方式，所述工字钢钢拱架表面喷射混凝土以形成设定厚度的混凝土层。
作为进一步的实现方式，所述混凝土层厚度为15～16cm。
作为进一步的实现方式，所述工字钢钢拱架外侧顶部及拱肩处间隔排布预应力锚杆，拱腰处采用倾斜设定角度的锚管，拱脚处采用预应力钢管。
作为进一步的实现方式，所述U型钢钢拱架为可伸缩钢拱架，对称设置偶数个可伸缩节点。
第三方面，本发明实施例还提供了一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护方法，包括：
在隧道内挂钢筋网，并将钢筋网与锚杆固定；
施作工字钢钢拱架，并喷射混凝土，喷浆采用先墙后拱、先下后上的顺序，在初喷混凝土终凝后进行复喷2～3次；
在地面拼接可伸缩钢拱架形成环形结构，并喷射混凝土；之后架立U型钢钢拱架，U型钢钢拱架与工字钢钢拱架形成复合初期支护；
将聚氨酯缓冲层粘贴于工字钢钢拱架喷射混凝土表面，之后支护二衬混凝土。
作为进一步的实现方式，U型钢钢拱架间填充可压缩聚氨酯材料，并确保与U型钢钢拱架厚度齐平。
作为进一步的实现方式，U型钢钢拱架纵向连接采用螺纹钢，螺纹钢安装时纵向位置应与工字钢钢拱架错开，并安装在工字钢钢拱架中间部位。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)本发明的一个或多个实施方式根据不同变形条件设置不同的复合支护结构，以适应具体工程和特定地质条件，从而形成有效的支护体系；
(2)本发明的一个或多个实施方式采用复合初期支护+缓冲层+二次衬砌的联合支护方案，在隧道初始开挖后，通过工字钢钢拱架+U型钢可变形拱架的复合初期支护，可在短期内有效阻止软弱围岩的加剧变形；同时，稍后施作的聚氨酯缓冲层+二次衬砌，使支护结构形成了一个软硬结合的封闭支护结构，能保障衬砌结构的运营期长期安全。
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5％<ε<10％变形条件下充填聚氨酯的支护断面图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的5％<ε<10％变形条件下充填聚氨酯的支护侧面图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的5％<ε<10％变形条件下支护断面图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的5％<ε<10％变形条件下支护侧面图；
图5是本发明根据一个或多个实施方式的5％<ε<10％变形条件下钢拱架纵断面布置图；
图6是本发明根据一个或多个实施方式的1<ε<5％变形条件下支护断面图；
图7是本发明根据一个或多个实施方式的1<ε<5％变形条件下支护侧面图；
图8是本发明根据一个或多个实施方式的1<ε<5％变形条件下钢拱架纵断面布置图；
图9是本发明根据一个或多个实施方式的ε>10％变形条件下支护断面图；
图10是本发明根据一个或多个实施方式的ε>10％变形条件下支护侧面图；
图11是本发明根据一个或多个实施方式的ε>10％变形条件下钢拱架纵断面布置图；
其中，1、工字钢钢拱架，2、U型钢钢拱架，3、聚氨酯充填层，4、聚氨酯缓冲层，5、混凝土层，6、二衬，7、钢筋网。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，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，本申请中如果出现“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申请的限制。
术语解释部分:本申请中的术语“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。
实施例一：
本实施例提供了一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，适用于5％<ε<10％变形条件下的隧洞支护，如图1-图5所示，包括从外到内依次设置的工字钢钢拱架1、U型钢钢拱架2、设定厚度的聚氨酯缓冲层3和二衬4，以形成软硬结合的封闭支护结构。
其中，工字钢钢拱架1外侧连接钢筋网7，工字钢钢拱架1和U型钢钢拱架2表面喷射混凝土以形成设定厚度的混凝土层5。优选地，所述混凝土层5的厚度为15～16cm。
在极端条件下，如图1和图2所示，为了保证支护稳定，在U型钢钢拱架2内填充聚氨酯材料形成聚氨酯充填层3。聚氨酯缓冲材料的参数如表1所示，在本实施例中，聚氨酯缓冲层3的厚度为10cm，聚氨酯充填层3的厚度为20cm。
表1聚氨酯缓冲材料参数
序号 项目 单位 指标
1 厚层 cm 5～10cm
2 表观密度 g/cm<sup>3</sup> 0.08～0.12
3 侧限抗压强度 MPa ≥0.8～1.2
4 极限压缩率 MPa ≥50％
5 硬度 邵尔A度 40～60
6 燃烧性能等级 - >B2
进一步的，所述U型钢钢拱架2为可伸缩钢拱架，对称设置偶数个可伸缩节点。优选地，采用可伸缩29U@1.0m型钢拱架，对称设置6个可伸缩节点，单节点最大环向伸缩量30cm。
在本实施例中，工字钢钢拱架1采用HW125钢拱架，U型钢钢拱架2采用U29型钢拱架。可以理解的，在其他实施例中，工字钢钢拱架1、U型钢钢拱架2也可以选择其他型号。
工字钢钢拱架1顶部及拱肩处采用预应力锚杆，梅花型排布；拱腰处采用外倾锚管，拱脚处采用预应力钢管，梅花型排布。优选地，预应力锚杆长度为5m，间排距为1.25m；锚管直径为φ60，长度6m；预应力钢管直径为φ60，长度6m，间排距均为1.25m。HW125钢拱架排距0.5m，U29型钢拱架排距1.0m，每榀之间采用φ20钢筋联系，环间距1m，交错布置。
本实施例的施工方法包括以下步骤：
步骤1、工字钢钢拱架1初支：
对隧道(巷道)洞周挂钢筋网，并与锚杆(锚索)焊接牢固，钢筋网7环向、纵向均为φ8，网筋间距20×20cm。然后施作HW125工字钢钢拱架，钢拱架榀距0.5m，在此基础上，采用干(潮)喷法喷射混凝土，混凝土标号C25，喷浆宜采用先墙后拱、先下后上的顺序，在初喷混凝土终凝以后进行复喷2～3次，喷层厚度15～16cm。
进一步的，喷射混凝土厚度一定要保证15～16cm，工字钢拱架喷层厚度0.5～1.0cm，确保喷完后，整个工字钢拱架初支面厚度基本一致。
对喷射混凝土表面凹凸显著部位分层喷射找平，将外露的锚杆头齐根切除，并用水泥砂浆抹平。巷道喷浆后，要确保混凝土厚度均匀，开裂浆皮无裂隙，无裸露的围岩，无露网、露筋现象。
步骤2、U型钢钢拱架2初支：
采用可伸缩29U@1.0m型钢拱架，对称设置6个可伸缩节点，单节点最大环向伸缩量30cm。钢拱架加工后，在地面横放拼装，然后架立至安装位置，并采用纵向螺纹钢连接固定钢拱架；U型钢拱架间填充可压缩聚氨酯材料，并确保与钢拱架厚度齐平。
(1)U型钢钢拱架加工及拼装：
①考虑便于现场加工，每榀钢拱架由6节钢拱架单元拼装而成，左右为对称结构，在地面一次性加工成环。
②加工钢拱架时，采用506焊条，必须保证焊缝密实、饱满，焊碴应清除，焊缝宽度不得小于7mm，高度不得小于3mm。
③各节钢拱架拼装，要求尺寸准确，弧形圆顺；型钢拱架平放时，平面翘曲小于2cm，接头连接要求同类之间可以互换。
④卡揽套件：卡揽用螺栓、螺母应采用防锈措施，卡揽的平均工作阻力不小于140KN，最大工作阻力与最小工作阻力差值不得大于25KN，U型钢加压后卡揽必须与U型钢保持密贴，不得出现张口、翻转等现象。
(2)U型钢钢拱架架立：待工字钢钢拱架初支及喷混完成后将加工成整环的U型钢拱架立起紧贴喷混面。
①钢拱架沿洞轴线向间距1.0m/榀，纵向连接采用Φ22螺纹钢，环向间距1.0m，安装时纵向位置应与工字钢钢拱架错开，并安装在工字钢钢拱架中间部位，尽可能给围岩提供均匀支护力。连接筋与钢拱架应焊接牢固。
②架立时测量人员全过程进行测量控制，及时调整钢拱架的位置和高程，保证钢拱架的位置和高程符合要求。
步骤3、安装聚氨酯缓冲层4：
在复合初期支护施作后，采用可压缩聚氨酯材料，层厚10cm，单块聚氨酯预制件尺寸为：10cm×10cm×50cm，施工时一面涂上专用粘结胶，手工粘贴于喷射混凝土表面。
步骤4、二衬混凝土支护：
二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形明显减缓或趋于稳定后进行，量测时一般水平收敛速率应满足小于0.3mm/d或拱顶下沉速率小于0.2mm/d，二次衬砌采用模筑混凝土，施工的顺序是仰拱超前，墙、拱整体浇筑；仰拱或底板混凝土应整体浇筑，一次成形，墙、拱混凝土应在仰拱混凝土终凝后进行。
(1)当位移速率较大时，为保证二次衬砌在运营期的长期安全，应对U型钢拱架加密设置，直至满足变形要求为止。
(2)隧道拱部超挖部分应采用与二次衬砌同强度等级混凝土一次浇筑。
(3)防水板铺设位置应超前二次衬砌施工，同时，在排水点设置排水管进行引排水，缓解地下水对围岩和衬砌的影响。
实施例二：
本实施例提供了一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，适用于1<ε<5％变形条件下的隧洞支护，如图6-图8所示，包括工字钢钢拱架和二衬，工字钢钢拱架位于二衬的外侧。
进一步的，工字钢钢拱架外侧顶部及拱肩处采用预应力锚杆，呈梅花型排布；拱腰处采用外倾的锚管，拱脚处采用预应力钢管，呈梅花型排布。
在本实施例中，预应力锚杆的长度为5m，间排距为1.25m，预应力锚杆的外倾角为5～10°；锚管直径为φ60，长度6m；间排距均为1.25m。工字钢钢拱架排距0.5m，每榀之间采用φ20钢筋连接，环间距1m，交错布置。可以理解的，在其他实施例中，上述尺寸可以根据实际支护要求选择。
实施例三：
本实施例提供了一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，适用于ε>10％变形条件下的隧洞支护，如图9-图11所示，包括从外到内依次设置的工字钢钢拱架、泡沫铝或泡沫混凝土缓冲层、U型钢钢拱架、聚氨酯缓冲层和二衬，以形成软硬结合的封闭支护结构。
在本实施例中，工字钢钢拱架采用HW150工字钢钢拱架，U型钢钢拱架采用U29型钢钢拱架；聚氨酯缓冲层厚度为10cm，二衬厚度为60cm。
进一步的，工字钢钢拱架外侧顶部及拱肩处采用预应力锚杆(预注浆)，呈梅花型排布；拱腰处采用外倾的锚管，拱脚处采用预应力钢管，呈梅花型排布。
在本实施例中，预应力锚杆的长度为5m，间排距为1.25m，预应力锚杆的外倾角为5～10°；锚管直径为φ60，长度6m；预应力钢管直径为φ60，长度6m，间排距均为1.25m。工字钢钢拱架排距0.5m，每榀之间采用φ20钢筋连接，环间距1m，交错布置。可以理解的，在其他实施例中，上述尺寸可以根据实际支护要求选择。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，其特征在于，包括从外到内依次设置的工字钢钢拱架、泡沫混凝土缓冲层、U型钢钢拱架、聚氨酯缓冲层和二衬，以形成软硬结合的封闭支护结构；所述U型钢钢拱架间填充可压缩聚氨酯材料；
所述工字钢钢拱架表面喷射泡沫混凝土以形成设定厚度的混凝土层；每榀钢拱架由6节钢拱架单元拼装而成，左右为对称结构，一次性加工成环构成U型钢钢拱架；待工字钢钢拱架初支及喷混完成后将加工成整环的U型钢钢拱架立起紧贴喷混面，U型钢钢拱架的纵向位置与工字钢钢拱架错开，并安装在工字钢钢拱架中间部位。
2.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，其特征在于，所述泡沫混凝土层厚度为15~16cm。
3.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，其特征在于，所述工字钢钢拱架外侧顶部及拱肩处间隔排布预应力锚杆，拱腰处采用倾斜设定角度的锚管，拱脚处采用预应力钢管。
4.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护体系，其特征在于，所述U型钢钢拱架为可伸缩钢拱架，对称设置偶数个可伸缩节点。
5.一种如权利要求1-4任一所述的适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护系统的支护方法，其特征在于，包括：
在隧道内挂钢筋网，并将钢筋网与锚杆固定；
施作工字钢钢拱架，并喷射泡沫混凝土，喷浆采用先墙后拱、先下后上的顺序，在初喷泡沫混凝土终凝后进行复喷2～3次；
在地面拼接可伸缩钢拱架形成环形结构，并喷射混凝土；之后架立U型钢钢拱架，U型钢钢拱架与工字钢钢拱架形成复合初期支护；
将聚氨酯缓冲层粘贴于工字钢钢拱架喷射混凝土表面，之后支护二衬混凝土。
6.根据权利要求5所述的一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护方法，其特征在于， U型钢钢拱架间填充可压缩聚氨酯材料，并确保与U型钢钢拱架厚度齐平。
7.根据权利要求5所述的一种适用于软岩大变形隧/巷道的复合支护方法，其特征在于，U型钢钢拱架纵向连接采用螺纹钢，螺纹钢安装时纵向位置应与工字钢钢拱架错开，并安装在工字钢钢拱架中间部位。
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