CN113622955A - 采空区隧道支护系统以及方法 - Google Patents

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刘医硕
张璐
朱义嘉
张志强
张建勇
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王强勋
郭建涛
晁峰
郑刚
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张旭恒
李雄风
樊钊甫
张宇奇
高文元
王晋
饶邦政
李晶阁
王鸿儒
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Abstract

本申请公开了一种采空区隧道支护系统以及方法。其中采空区隧道支护系统包括：初期支护结构(10)、防水防气结构(20)、释能缓冲结构(30)、二次衬砌结构(50)，其中初期支护结构(10)设置于围岩(80)内侧；防水防气结构(20)设置于初期支护结构(10)内侧；释能缓冲结构(30)设置于防水防气结构(20)的内侧，并且释能缓冲结构(30)为柔性结构；以及二次衬砌结构(50)设置于释能缓冲结构(30)的内侧。

Description

采空区隧道支护系统以及方法
技术领域
本申请涉及隧道支护技术领域，特别是涉及一种采空区隧道支护系统以及方法。
背景技术
随着国内交通的发展，隧道修建的范围越来越大，已采采空区的利用也越来越受到各地重视。隧道不可避免地会遇到采空区不良地质段。以往对采空区的危害性认识不足，在穿越时往往仓促通过，导致隧道在施工及营运阶段出现不同程度的危害，如衬砌结构破坏、隧道轮廓侵入界限等。通过隧道支护系统用于保护隧道的安全性，但是现有的隧道支护系统无法适应采空区坍塌造成的隧道不均匀沉降，从而无法保证在隧道在不均匀沉降的过程中的安全性。
针对上述的现有技术中存在的现有的隧道支护系统无法保证隧道不均匀沉降过程中的安全性的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本公开提供了一种采空区隧道支护系统以及方法，以至少解决现有技术中存在的现有的隧道支护系统无法保证隧道不均匀沉降过程中的安全性的技术问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种采空区隧道支护系统，包括：初期支护结构、防水防气结构、释能缓冲结构、二次衬砌结构，其中初期支护结构设置于围岩内侧；防水防气结构设置于初期支护结构内侧；释能缓冲结构设置于防水防气结构的内侧，并且释能缓冲结构为柔性结构；以及二次衬砌结构设置于释能缓冲结构的内侧。
根据本申请的另一个方面，提供了一种采空区隧道支护的方法，包括：在采空区围岩的顶层内部设置多个超前注浆导管，进行隧道的挖掘；在隧道挖掘的情况下，在围岩的内侧设置钢筋网并喷射混凝土，确定初期支护结构；在初期支护结构的内侧铺设防水防气结构；在防水防气结构内侧设置泡沫混凝土材料的释能缓冲结构；以及在释能缓冲结构的内侧设置二次衬砌，并且在释能缓冲结构和二次衬砌之间设置波纹形状的分隔板。
本申请实施例提供的一种采空区隧道支护系统以及方法，其中，初期支护结构，是在隧道断面开挖成形后对围岩进行喷射混凝土+系统锚杆+钢架的组合支护形式，用于隧道开挖后的与围岩形成稳定的荷载系统。防水防气结构可采用瓦斯隔离板配合波纹钢板达到隔水隔气的目的。释能缓冲结构为可压缩缓冲层，是采用泡沫混凝土材料形成的释能缓冲层，用于隧道围岩不均匀沉降后的衬砌变形释放。二次衬砌结构是由钢筋混凝土组成的永久支护。通过在初期支护结构和二次衬砌结构中间设置柔性的释能缓冲结构，可有效的缓冲采空区坍塌导致隧道不均匀沉降带来的变形，确保在较大的不均匀沉降下仍能使得隧道安全正常的运营。达到增加采空区隧道的安全性的技术效果，进而解决了现有技术中存在的隧道支护系统无法保证隧道不均匀沉降过程中的安全性技术问题。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请实施例第一个方面所述的采空区隧道支护系统的横截面示意图；
图2是根据跟申请实施例第一个方面所述的采空区隧道支护系统的剖截面示意图；以及
图3是根据本申请实施例第二个方面所述的采空区隧道支护的方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
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。
图1是根据本申请实施例第一个方面所述的采空区隧道支护系统的横截面示意图，图2是根据跟申请实施例第一个方面所述的采空区隧道支护系统的剖截面示意图。参考图1和图2所示，采空区隧道支护系统，包括：初期支护结构10、防水防气结构20、释能缓冲结构30、二次衬砌结构50，其中初期支护结构10设置于围岩80内侧；防水防气结构20设置于初期支护结构10内侧；释能缓冲结构30设置于防水防气结构20的内侧，并且释能缓冲结构30为柔性结构；以及二次衬砌结构50设置于释能缓冲结构30的内侧。
正如背景技术中所述的，以往对采空区的危害性认识不足，在穿越时往往仓促通过，导致隧道在施工及营运阶段出现不同程度的危害，如衬砌结构破坏、隧道轮廓侵入界限等。通过隧道支护系统用于保护隧道的安全性，但是现有的隧道支护系统无法适应采空区坍塌造成的隧道不均匀沉降，从而无法保证在隧道在不均匀沉降的过程中的安全性。
有鉴于此，本申请实施例提供的一种采空区隧道支护系统，其中，初期支护结构10，是在隧道断面开挖成形后对围岩进行喷射混凝土+系统锚杆+钢架的组合支护形式，用于隧道开挖后的与围岩形成稳定的荷载系统。防水防气结构20可采用瓦斯隔离板配合波纹钢板达到隔水隔气的目的。释能缓冲结构30为可压缩缓冲层，是采用泡沫混凝土材料形成的释能缓冲层，用于隧道围岩不均匀沉降后的衬砌变形释放。二次衬砌结构50是由钢筋混凝土组成的永久支护。
通过在初期支护结构10和二次衬砌结构50中间设置柔性的释能缓冲结构30，可有效的缓冲采空区坍塌导致隧道不均匀沉降带来的变形，确保在较大的不均匀沉降下仍能使得隧道安全正常的运营。达到增加采空区隧道的安全性的技术效果，进而解决了现有技术中存在的现有的隧道支护系统无法保证隧道不均匀沉降过程中的安全性的技术问题。
此外，初期支护结构10采用的钢拱架为型钢钢架，钢架在加工厂加工成型，并预留超前注浆导管70和径向注浆锚杆60的孔位。
此外，采空区隧道支护系统的安装步骤如下：
步骤1、施作超前注浆导管稳固围岩，开挖隧道。及时施作初期支护，初步控制围岩变形；
步骤2、铺设防水防气层，避免地下水和瓦斯等有害气体对隧道施工和运营的影响；
步骤3、采用泡沫混凝土材料施工释能缓冲层，通过泡沫混凝土释能缓冲层提供变形空间，吸收变形应力能量；
需说明的，防水防气层与释能缓冲层间采用环形波纹钢分隔。
步骤4、施作钢筋混凝土二次衬砌，提供永久支护；
可选地，防水防气结构20和释能缓冲结构30中间设置有由刚性材料制成的分隔板40，其中分隔板40为波纹形状的钢板。从而通过上述方式可以达到稳固支护的技术效果。
可选地，采空区隧道支护系统还包括：设置于初期支护结构10的外侧的多个径向注浆锚杆60，并且多个径向注浆锚杆60垂直嵌入到围岩80中，并且一端与初期支护结构10连接。可选地，径向注浆锚杆60为中空钢管结构。
具体地，参考图1和图2所示，注浆加固系统，包括径向注浆锚杆和超前注浆导管，用于稳固由于采空区坍塌导致的破碎围岩。注浆锚杆60可采用中空的砂浆注浆锚杆，锚杆主体部分垂直嵌入围岩，并注入水泥砂浆，尾端与钢拱架固定连接，让其与整个初期支护形成一个完整的整体，共同约束围岩变形，灌注的水泥砂浆使得破碎围岩形成一个整体，让围岩自身可承担更多的荷载。
可选地，采空区隧道支护系统还包括：设置于初期支护结构10上部外侧的多个超前注浆导管70。
具体地，超前注浆导管70是利用钢花管对隧道掌子面前方的拱部破碎围岩进行注浆加固的辅助施工方法。一般是沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围向前上方倾斜一定角度设置得密排注浆钢花管。
此外，由外而内包括初期支护结构10和设置在仰拱和拱顶的超前注浆导管70和径向注浆锚杆60形成的注浆加固系统，避免瓦斯等有害气体、地下水的防护层。
可选地，初期支护结构10为注有混凝土的钢筋网结构。从而通过上述结构，可以实现在钢筋网喷射混凝土、架设钢拱架、施作径向注浆锚杆完成初期支护，初步控制围岩变形。
可选地，防水防气结构20为瓦斯隔离板。铺设瓦斯隔离板作为防水防气层(即防水防气结构20)，辅之环形波纹钢，避免地下水和瓦斯等有害气体对隧道施工和运营的影响。
可选地，释能缓冲结构30为泡沫混凝土材质，并且释能缓冲结构30由水泥、水、珍珠岩、防水剂、纤维、泡沫按预先设定的比例而成。
具体地，释能缓冲结构30中的泡沫混凝土材料由水泥、水、珍珠岩、防水剂、纤维、泡沫按一定配合比拌合而成，其具体配合比与所需性能有关。泡沫混凝土中泡沫的存在，增加了泡沫混凝土的可压缩性，使其具有轻质和适应变形能力强的特性。例如，其中水泥、水、珍珠岩、防水剂、纤维、泡沫配合比为：600:250:108:5:1:0.8(kg·m-3)，但不限于上述配比。
此外，参考图3所示，根据本实施例的第二个方面，提供了一种采空区隧道支护的方法，包括：
S302：在采空区围岩的顶层内部设置多个超前注浆导管70，进行隧道的挖掘；
S304：在隧道挖掘的情况下，在围岩的内侧设置钢筋网并喷射混凝土，确定初期支护结构10；
S306：在初期支护结构10的内侧铺设防水防气结构20；
S308：在防水防气结构20设置泡沫混凝土材料的释能缓冲结构30；以及
S310：在释能缓冲结构30的内侧设置二次衬砌50，并且在释能缓冲结构30和二次衬砌50之间设置波纹形状的分隔板40。
具体地，初期支护结构10，是在隧道断面开挖成形后对围岩进行喷射混凝土+系统锚杆+钢架的组合支护形式，用于隧道开挖后的与围岩形成稳定的荷载系统。防水防气结构20可采用瓦斯隔离板配合波纹钢板达到隔水隔气的目的.释能缓冲结构30为可压缩缓冲层，是采用泡沫混凝土材料形成的释能缓冲层，用于隧道围岩不均匀沉降后的衬砌变形释放。二次衬砌结构50是由钢筋混凝土组成的永久支护。
通过在初期支护结构10和二次衬砌结构50中间设置柔性的释能缓冲结构30，可有效的缓冲采空区坍塌导致隧道不均匀沉降带来的变形，确保在较大的不均匀沉降下仍能使得隧道安全正常的运营。达到增加采空区隧道的安全性的技术效果，进而解决了现有技术中存在的现有的隧道支护系统无法保证隧道不均匀沉降过程中的安全性的技术问题。
可选地，在围岩的内侧设置钢筋网并喷射混凝土，确定初期支护结构10的操作，还包括：在围岩的内侧设置钢筋网并喷射混凝土，并在钢筋网的外侧架设钢拱架；以及在钢拱架上设置多个径向注浆锚杆60，确定初期支护结构10。
具体地，从而通过上述方式，实现初期支护10的稳固，从而为采空区隧道提供更可靠的安全性。
从而根据本申请实施例提供的一种采空区隧道支护系统以及方法，其中，初期支护结构10，是在隧道断面开挖成形后对围岩进行喷射混凝土+系统锚杆+钢架的组合支护形式，用于隧道开挖后的与围岩形成稳定的荷载系统。防水防气结构20可采用瓦斯隔离板配合波纹钢板达到隔水隔气的目的。释能缓冲结构30为可压缩缓冲层，是采用泡沫混凝土材料形成的释能缓冲层，用于隧道围岩不均匀沉降后的衬砌变形释放。二次衬砌结构50是由钢筋混凝土组成的永久支护。通过在初期支护结构10和二次衬砌结构50中间设置柔性的释能缓冲结构30，可有效的缓冲采空区坍塌导致隧道不均匀沉降带来的变形，确保在较大的不均匀沉降下仍能使得隧道安全正常的运营。达到增加采空区隧道的安全性的技术效果，进而解决了现有技术中存在的现有的隧道支护系统无法保证隧道不均匀沉降过程中的安全性的技术问题。
此外，本发明提出的采用初期支护结构10、注浆加固体系、防水防气层、释能缓冲层和二次衬砌的形成的支护结构能够有效的控制采空区不稳定坍塌导致的围岩变形，控制围岩应力释放，具有很好的承载能力，确保围岩在发生不均匀沉降时可以保持隧道结构的长期稳定，相对于其他设计节约了施工成本和施工难度，具有很好的经济效益。
采用本发明所形成的隧道支护结构，一方面可以通过初期支护、释能缓冲层和二次衬砌形成的复合式衬砌结构有效的支撑围岩，承担围岩荷载；另一方面，释能缓冲层的存在，可以使得隧道支护结构可以在采空区坍塌导致隧道不均匀沉降时能够有效的释放围岩变形量，使得隧道结构稳定，保障施工和运营安全。
本方法相对于其他支护结构相比具有施工简单、施工成本低、后期运营维护成本低等，具有很好的经济效益
如图1、2所示，本发明适用于下位式采空区隧道的支护结构，由外而内包括初期支护1和设置在仰拱和拱顶的超前注浆导管7和径向注浆锚杆6形成的注浆加固系统，避免瓦斯等有害气体、地下水的防护层2，可以释放围岩变形的释能缓冲层3，以及充当永久支护的二次衬砌5。
本发明还公开了上述隧道支护结构的施工方法，结合某一工程案列，步骤如下：
某隧道工程为分离式双洞隧道，左线长979m，右线长965m。隧道穿越下伏3#、8#、15#煤层采空区。采空区3#、8#、15#煤分别位于隧道底部300m、340m、420m的深度，位于山顶下方400～500m深度，属于工程上较为少见的深埋多层煤矿采空区。3#、8#、15#煤层平均厚度分别为1.96m、2.26m、6.42m，15#煤层近年来有过开采活动，地表未见明显塌陷，但是地表可见贯穿山体的裂缝。
本实例中没有详细说明的部分，按照发明内容描述的技术方案进行操作，发明内容中也没有说明的部分，采用本领域常规操作进行。
步骤1、施作超前注浆导管稳固围岩，开挖隧道。及时悬挂钢筋网喷射混凝土、架设钢拱架、施作径向注浆锚杆完成初期支护，初步控制围岩变形；
步骤2、铺设瓦斯隔离板作为防水防气层，辅之环形波纹钢，避免地下水和瓦斯等有害气体对隧道施工和运营的影响；
步骤3、采用泡沫混凝土材料施工释能缓冲层，通过泡沫混凝土释能缓冲层提供变形空间，吸收变形应力能量。
需说明的，防水防气层与释能缓冲层间采用环形波纹钢；
步骤4、施作钢筋混凝土二次衬砌，提供永久支护。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种采空区隧道支护系统，其特征在于，包括：初期支护结构(10)、防水防气结构(20)、释能缓冲结构(30)、二次衬砌结构(50)，其中
所述初期支护结构(10)设置于围岩(80)内侧；
所述防水防气结构(20)设置于所述初期支护结构(10)内侧；
所述释能缓冲结构(30)设置于所述防水防气结构(20)的内侧，并且所述释能缓冲结构(30)为柔性结构；以及
所述二次衬砌结构(50)设置于所述释能缓冲结构(30)的内侧。
2.根据权利要求1所述的采空区隧道支护系统，其特征在于，所述防水防气结构(20)和所述释能缓冲结构(30)中间设置有由刚性材料制成的分隔板(40)，其中所述分隔板(40)为波纹形状的钢板。
3.根据权利要求1所述的采空区隧道支护系统，其特征在于，还包括：设置于所述初期支护结构(10)的外侧的多个径向注浆锚杆(60)，并且
所述多个径向注浆锚杆(60)垂直嵌入到所述围岩(80)中，并且一端与所述初期支护结构(10)连接。
4.根据权利要求1所述的采空区隧道支护系统，其特征在于，还包括：设置于所述初期支护结构(10)上部外侧的多个超前注浆导管(70)。
5.根据权利要求1所述的采空区隧道支护系统，其特征在于，所述初期支护结构(10)为注有混凝土的钢筋网结构。
6.根据权利要求1所述的采空区隧道支护系统，其特征在于，所述防水防气结构(20)为瓦斯隔离板。
7.根据权利要求1所述的采空区隧道支护系统，其特征在于，所述释能缓冲结构(30)为泡沫混凝土材质，并且
所述释能缓冲结构(30)由水泥、水、珍珠岩、防水剂、纤维、泡沫按预先设定的比例而成。
8.根据权利要求3所述的采空区隧道支护系统，其特征在于，所述径向注浆锚杆(60)为中空钢管结构。
9.一种采空区隧道支护的方法，其特征在于，包括：
在采空区围岩(80)的顶层内部设置多个超前注浆导管(70)，进行所述隧道的挖掘；
在所述隧道挖掘的情况下，在所述围岩(80)的内侧设置钢筋网并喷射混凝土，确定初期支护结构(10)；
在所述初期支护结构(10)的内侧铺设防水防气结构(20)；
在所述防水防气结构(20)设置泡沫混凝土材料的释能缓冲结构(30)；以及
在所述释能缓冲结构(30)的内侧设置二次衬砌(50)，并且在所述释能缓冲结构(30)和二次衬砌(50)之间设置波纹形状的分隔板(40)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述围岩(80)的内侧设置钢筋网并喷射混凝土，确定初期支护结构(10)的操作，还包括：
在所述围岩(80)的内侧设置钢筋网并喷射混凝土，并在所述钢筋网的外侧架设钢拱架；以及
在所述钢拱架上设置多个径向注浆锚杆(60)，确定所述初期支护结构(10)。
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