CN113982655A - 隧道围岩不均匀变形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道围岩不均匀变形控制方法，针对钢拱架的连接结构进行分割，通过在第一节钢架和第二节钢架的上方设置上抗变形结构，分摊隧道上半部分受到的变形压力，在隧道左右两侧设置侧抗变形结构，对隧道侧向受到的变形压力进行控制和抵抗，在仰拱下方设置下抗变形结构对隧道底部的变形进行调控和抵抗，加强支护能力，上抗变形结构、中抗变形结构、下抗变形结构，在隧道断面方向上，能够对隧道围岩受力的各个方向进行结构加固支护，从而对隧道进行全方位的保护，实现隧道围岩不均匀变形的调控。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域。更具体地说，本发明涉及一种隧道围岩不均匀变形控制方法。
背景技术
国内外对于含层状页岩和煤系软弱夹层地质条件工程施工方面也多有研究。在煤系地层中，隧道的施工往往要考虑控制围岩变形和瓦斯突出两个方面。现有技术中针对钟公穿煤隧道施工过程中发生的围岩开裂变形问题，提出了迅速封闭工作面、增加支护结构强度、针对煤层开挖段预先加固、及时强支强护、加强洞内地下水抽排等措施，但未形成系统研究成果，特别是现有技术在指导类似地层隧道安全高效施工方面缺乏针对性和有效性，类似地层隧道工程运营期曾发生不同程度的渗漏水、底板隆起、边墙涌水等病害。具体而言，现有研究多以岩溶塌陷的发生过程与机制及岩溶隧道风险评估与岩溶探测等为主，而有关岩溶塌陷区地质特征和隧道掘进风险控制技术尚缺乏针对性且完善的工程措施，以指导现场安全高效施工。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种隧道围岩不均匀变形控制方法，以解决现有技术中隧道围岩的不均匀变形控制手段单一、整体抵抗变形效果差的技术问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种隧道围岩不均匀变形控制方法，钢拱架分节设置，包括位于顶部中间的第一节钢架、位于底部中间的第四节钢架，第一节钢架和第四节钢架的对应端部之间顺次连接有第二节钢架、第三节钢架，第一节钢架、第二节钢架、第三节钢架、第四节钢架在隧道断面上围成闭合环形结构，其中两个第三节钢架、一个第四节钢架位于仰拱处，在第一节钢架、第二节钢架的外周设置上抗变形结构，在仰拱处的下方设置下抗变形结构，在第三节钢架的外侧设置侧抗变形结构，上抗变形结构、下抗变形结构、侧抗变形结构分别沿隧道延伸方向间隔设置，通过设置上抗变形结构、中抗变形结构、下抗变形结构，在隧道断面方向上，对隧道围岩受力的各个方向进行结构加固支护，实现隧道围岩不均匀变形的调控。
优选的是，超前小导管沿隧道断面的环向等间隔设置，在隧道断面的方向上相邻两个超前小导管之间形成一个设置区，所述上抗变形结构包括第一气囊，其沿隧道断面的环向间隔设置且相对于隧道断面中线对称设置，在隧道断面方向上，每个第一气囊位于一个设置区内，相邻的第一气囊之间通过第一连接管连通，所有第一气囊通过第一连接管连通形成整体，对变形处及变形处相邻位置的围岩施加反作用力，从而对面向钢拱架的一侧保持均匀的支撑防护。
优选的是，所述下抗变形结构包括水平设置在仰拱下方的第一支护管和水平设置在第一支护管下方的第二支护管，第一支护管和第二支护管之间设置有一排第二气囊，相邻的第二气囊之间挤压抵触且通过第二连接管连通，每个第二气囊的顶面与第一支护管的底面抵触、第二气囊的底面与第二支护管的顶面抵触，所述第三节钢架与第四节钢架的连接处向下铰接设置有撑杆，第一支护管的顶部对应撑杆的位置设置有凹槽，凹槽表面设置有海绵材料，撑杆的下端抵接在海绵材料内。
优选的是，所述第一支护管、所述第二支护管在水平面内分别为朝向所述超前小导管延伸方向弯曲的U形结构，且所述第二支护管的弯曲半径、尺寸均大于所述第一支护管。
优选的是，所述第二气囊为水平设置的工字型结构，在所述第二气囊的上端形成上凹部、下端形成下凹部，其中所述第一支护管的中部位于上凹部内，所述第二支护管的中部位于下凹部内。
优选的是，所述侧抗变形结构包括设置在所述第一节钢架与所述第二节钢架的连接处外侧的第三支护管，第三支护管沿竖向设置在隧道围岩内且沿隧道延伸方向等间隔成排设置，第三支护管沿隧道的径向设置有若干排，在隧道的径向或延伸方向上，相邻的第三支护管之间连接有加固杆。
优选的是，所述侧抗变形结构还包括设置在套设在所述第二节钢架与所述第三节钢架的连接处外侧的套件，套件的上端与所述第二节钢架的形状一致且与所述第二节钢架固定连接，套件的下端与所述第三节钢架的形状一致且与所述第三节钢架固定连接，套件的外侧壁向下连接有若干块竖板，竖板平行于隧道延伸方向设置，相邻的竖板之间连接有横撑板。
优选的是，所述第三支护管位于对应位置的所述第一气囊的外侧，其中位于最内层的所述第三年支护管与对应位置的所述第一气囊抵触。
优选的是，在隧道断面方向上，位于隧道左侧或右侧的相邻的两个所述第一气囊之间间隔一个所述设置区。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的隧道围岩不均匀变形控制方法，针对钢拱架的连接结构进行分割，通过在第一节钢架和第二节钢架的上方设置上抗变形结构，分摊隧道上半部分受到的变形压力，在隧道左右两侧设置侧抗变形结构，对隧道侧向受到的变形压力进行控制和抵抗，在仰拱下方设置下抗变形结构对隧道底部的变形进行调控和抵抗，加强支护能力，上抗变形结构、中抗变形结构、下抗变形结构，在隧道断面方向上，能够对隧道围岩受力的各个方向进行结构加固支护，从而对隧道进行全方位的保护，实现隧道围岩不均匀变形的调控。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明布置在隧道断面的结构示意图；
图2为本发明的下抗变形结构的径向截面示意图；
图3为本发明的位于隧道左侧的套件的结构示意图。
说明书附图标记说明：1、第一节钢架，2、第二节钢架，3、第三节钢架，4、第四节钢架，5、超前小导管，6、第一气囊，7、第一连接管，8、第一支护管，9、第二支护管，10、第二气囊，11、撑杆，12、凹槽，13、第三支护管，14、加固杆，15、套件，16、竖板，17、横撑板，18、设置区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种隧道围岩不均匀变形控制方法，钢拱架分节设置，包括位于顶部中间的第一节钢架1、位于底部中间的第四节钢架4，第一节钢架1和第四节钢架4的对应端部之间顺次连接有第二节钢架2、第三节钢架3，第一节钢架1、第二节钢架2、第三节钢架3、第四节钢架4在隧道断面上围成闭合环形结构，其中两个第三节钢架3、一个第四节钢架4位于仰拱处，在第一节钢架1、第二节钢架2的外周设置上抗变形结构，在仰拱处的下方设置下抗变形结构，在第三节钢架3的外侧设置侧抗变形结构，上抗变形结构、下抗变形结构、侧抗变形结构分别沿隧道延伸方向间隔设置，通过设置上抗变形结构、中抗变形结构、下抗变形结构，在隧道断面方向上，对隧道围岩受力的各个方向进行结构加固支护，实现隧道围岩不均匀变形的调控。
为方便说明，以图1的左右为隧道的左右两侧方向，靠近隧道内部的一侧为内侧，远离隧道内部的一侧为外侧，目前钢拱架成环尺寸较大，采用分节制作再连接，便于运输安装，为控制围岩变形，在第一节钢架1和第二节钢架2的上方设置上抗变形结构，分摊隧道上半部分受到的变形压力，在隧道左右两侧设置侧抗变形结构，对隧道侧向受到的变形压力进行控制和抵抗，在仰拱下方设置下抗变形结构对隧道底部的变形进行调控和抵抗，加强支护能力，通过设置上抗变形结构、中抗变形结构、下抗变形结构，在隧道断面方向上，能够对隧道围岩受力的各个方向进行结构加固支护，从而对隧道进行全方位的保护，实现隧道围岩不均匀变形的调控。
在另一种技术方案中，如图1所示，超前小导管5沿隧道断面的环向等间隔设置，在隧道断面的方向上相邻两个超前小导管5之间形成一个设置区18，所述上抗变形结构包括第一气囊6，其沿隧道断面的环向间隔设置且相对于隧道断面中线对称设置，在隧道断面方向上，每个第一气囊6位于一个设置区18内，相邻的第一气囊6之间通过第一连接管7连通，所有第一气囊6通过第一连接管7连通形成整体，对变形处及变形处相邻位置的围岩施加反作用力，从而对面向钢拱架的一侧保持均匀的支撑防护。
第一气囊6材质选择能够承受较大压力，第一气囊6固定在围岩内，第一气囊6沿钢拱架即第一节钢架1、第二节钢架2的拱形均匀间隔设置，由于各个第一气囊6连通设置，在第一节钢架1、第二节钢架2外侧，当出现隧道不均匀的变形问题时，变形处会挤压对应位置的第一气囊6，单个第一气囊6本身会反向挤压，同时，变形程度过大时，挤压变形处的第一气囊6内的气体朝向相邻的第一气囊6处运动，在变形处相邻的第一气囊6内的气体量增加，使得压强增大，对变形处相邻位置的围岩进行反向的抵抗，再者，由于所有第一气囊6连通设置，变形处的第一气囊6受到挤压后，所有第一气囊6形成整体挤压抵抗体系，而对面向钢拱架的一侧保持均匀的支撑防护，若出现多处不均匀变形时，第一气囊6也可借助自身特点，弹性调节自身尺寸。
在另一种技术方案中，如图1、图2所示，所述下抗变形结构包括水平设置在仰拱下方的第一支护管8和水平设置在第一支护管8下方的第二支护管9，第一支护管8和第二支护管9之间设置有一排第二气囊10，相邻的第二气囊10之间挤压抵触且通过第二连接管连通，每个第二气囊10的顶面与第一支护管8的底面抵触、第二气囊10的底面与第二支护管9的顶面抵触，所述第三节钢架3与第四节钢架4的连接处向下铰接设置有撑杆11，第一支护管8的顶部对应撑杆11的位置设置有凹槽12，凹槽12表面设置有海绵材料，撑杆11的下端抵接在海绵材料内。
先在仰拱下方对应第一支护管8、第二支护管9钻出对应尺寸和形状的孔道，孔道尺寸略大于对应的第一支护管8、第二支护管9的尺寸，第一支护管8、第二支护管9可选择具有较高韧性及强度的钢管、PVC管等，再在第一支护管8的孔道和第二支护管9的孔道之间钻设用于容纳第二气囊10的孔位，第二气囊10充气后的体积可大于或等于孔位的体积，第二气囊10的孔位一般为圆形或椭圆形，且相邻孔位重叠部分设置，以使相邻的第二气囊10之间也能存在一定的挤压相互作用，所有第二气囊10之间通过第二连接管相互连通形成整体防护体系，第二气囊10上端与第一支护管8抵触、下端与第二支护管9抵触，在隧道底部围岩发生变形时，首先由于第二气囊10具备一定被压缩能力，因此孔道、空位具有能够发生变形的一定的缓冲空间，从而给整个隧道纵向范围内的隧底围岩提供一定的变形空间，发生更大挤压力时，通过第一支护管8和第二支护管9结构本身进行变形抵抗防护，同时，第一支护管8和第二支护管9会挤压到第二气囊10，借助第二气囊10一方面提供反向的推力，同时气体通过第二连接管能够较均匀的分散到所有第二气囊10内来分摊挤压力，从而可减少因围岩应力调整引起的围岩体积增量，避免隧底上拱，控制隧底变形，当仰拱相对隧底围岩发生类似下沉情况时，撑杆上端抵接第四节钢架，撑杆下端支撑在凹槽内，由海绵材料提供一部分缓冲能力，并将挤压力向下传递给第一支护管8，从而也能通过第一支护管8、第二气囊10、第二支护管9形成的体系进行支撑防护。
在另一种技术方案中，如图1、图2示，所述第一支护管8、所述第二支护管9在水平面内分别为朝向所述超前小导管5延伸方向弯曲的U形结构，且所述第二支护管9的弯曲半径、尺寸均大于所述第一支护管8。
通过将第一支护管8、第二支护管9设置为朝向超前小导管5延伸方向弯曲的U形结构，与超前小导管5进行配合，对隧道上下两侧进行支护，第一支护管8、第二支护管9本身在水平方向具备一定的弯矩后，相比直线形的形状，能够在竖向上提高变形承受能力。
在另一种技术方案中，如图2所示，所述第二气囊10为水平设置的工字型结构，在所述第二气囊10的上端形成上凹部、下端形成下凹部，其中所述第一支护管8的中部位于上凹部内，所述第二支护管9的中部位于下凹部内。
通过将第二气囊10设置为工字型结构，在第二气囊10上端出现上凹部，与第一支护管8底部形状匹配，第二气囊10下端出现下凹部，与第二支护管9的顶部形状配合，均为圆弧形，使得第一支护管8、第二支护管9安装对位容易，且对准后，促使第一支护管8、第二气囊10、第二支护管9之间相互作用在同一直线方向上，提高对围岩变形抵抗效率。
在另一种技术方案中，如图1所示，所述侧抗变形结构包括设置在所述第一节钢架1与所述第二节钢架2的连接处外侧的第三支护管13，第三支护管13沿竖向设置在隧道围岩内且沿隧道延伸方向等间隔成排设置，第三支护管13沿隧道的径向设置有若干排，在隧道的径向或延伸方向上，相邻的第三支护管13之间连接有加固杆14。
通过在隧道左右两侧的围岩内设置竖向成排的第三支护管13，第三支护管13选择具有较大刚性的结构，在隧道侧向上抵抗围岩变形，在考虑抵抗效果及施工成本的基础上，可选择设置两排第三支护管13，提高对围岩变形抵抗能力。
在另一种技术方案中，如图1、图3所示，所述侧抗变形结构还包括设置在套设在所述第二节钢架2与所述第三节钢架3的连接处外侧的套件15，套件15的上端与所述第二节钢架2的形状一致且与所述第二节钢架2固定连接，套件15的下端与所述第三节钢架3的形状一致且与所述第三节钢架3固定连接，套件15的外侧壁向下连接有若干块竖板16，竖板16平行于隧道延伸方向设置，相邻的竖板16之间连接有横撑板17。
第二节钢架2与第三节钢架3连接时，曲率发生变化，在挤压过大时易发生变形，通过设置套件15，对第二节钢架2与第三节钢架3的连接处进行结构加强防护，套件15形状与第二节钢架2、第三节钢架3形状一致，首先在第二节钢架2与第三节钢架3的连接处发生形变时，由套件15本身的刚性抵抗变形防护，套件15外侧壁向下连接若干个竖板16，竖板16之间通过横撑板17连接，竖板16与横撑板17锚固在围岩内，针对此连接处预估受到竖向的挤压力更大，因此设置竖板16结构在竖向上给第二节钢架2与第三节钢架3的连接处提供进一步的支撑，调控此处的变形问题。
在另一种技术方案中，如图1所示，所述第三支护管13位于对应位置的所述第一气囊6的外侧，其中位于最内层的所述第三支护管13与对应位置的所述第一气囊6抵触。
通过将第三支护管13设置与高度范围内的第一气囊6进行抵触，从而将侧抗变形结构与上抗变形结构联系起来，在所有第一气囊6形成共同抗变形防护体系后，抵触第三支护管13的位于隧底侧向上的第一气囊6开始挤压第三支护管13，利用第三支护管13本身的结构刚性对抵触的第一气囊6施加反作用力，从而与第一气囊6共同抵抗顶部的变形压力。
在另一种技术方案中，如图1所示，在隧道断面方向上，位于隧道左侧或右侧的相邻的两个所述第一气囊6之间间隔一个所述设置区18。
结合超前小导管5的设置间隔，将第一气囊6设置于一个设置区18内，并间隔一个设置区18，而在不影响隧道围岩本身注浆支护的情况下，保证所有第一气囊6整体均匀的作用性，减小施工复杂性，降低施工成本。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，钢拱架分节设置，包括位于顶部中间的第一节钢架、位于底部中间的第四节钢架，第一节钢架和第四节钢架的对应端部之间顺次连接有第二节钢架、第三节钢架，第一节钢架、第二节钢架、第三节钢架、第四节钢架在隧道断面上围成闭合环形结构，其中两个第三节钢架、一个第四节钢架位于仰拱处，在第一节钢架、第二节钢架的外周设置上抗变形结构，在仰拱处的下方设置下抗变形结构，在第三节钢架的外侧设置侧抗变形结构，上抗变形结构、下抗变形结构、侧抗变形结构分别沿隧道延伸方向间隔设置，通过设置上抗变形结构、中抗变形结构、下抗变形结构，在隧道断面方向上，对隧道围岩受力的各个方向进行结构加固支护，实现隧道围岩不均匀变形的调控。
2.如权利要求1所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，超前小导管沿隧道断面的环向等间隔设置，在隧道断面的方向上相邻两个超前小导管之间形成一个设置区，所述上抗变形结构包括第一气囊，其沿隧道断面的环向间隔设置且相对于隧道断面中线对称设置，在隧道断面方向上，每个第一气囊位于一个设置区内，相邻的第一气囊之间通过第一连接管连通，所有第一气囊通过第一连接管连通形成整体，对变形处及变形处相邻位置的围岩施加反作用力，从而对面向钢拱架的一侧保持均匀的支撑防护。
3.如权利要求1所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，所述下抗变形结构包括水平设置在仰拱下方的第一支护管和水平设置在第一支护管下方的第二支护管，第一支护管和第二支护管之间设置有一排第二气囊，相邻的第二气囊之间挤压抵触且通过第二连接管连通，每个第二气囊的顶面与第一支护管的底面抵触、第二气囊的底面与第二支护管的顶面抵触，所述第三节钢架与第四节钢架的连接处向下铰接设置有撑杆，第一支护管的顶部对应撑杆的位置设置有凹槽，凹槽表面设置有海绵材料，撑杆的下端抵接在海绵材料内。
4.如权利要求3所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，所述第一支护管、所述第二支护管在水平面内分别为朝向所述超前小导管延伸方向弯曲的U形结构，且所述第二支护管的弯曲半径、尺寸均大于所述第一支护管。
5.如权利要求3所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，所述第二气囊为水平设置的工字型结构，在所述第二气囊的上端形成上凹部、下端形成下凹部，其中所述第一支护管的中部位于上凹部内，所述第二支护管的中部位于下凹部内。
6.如权利要求2所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，所述侧抗变形结构包括设置在所述第一节钢架与所述第二节钢架的连接处外侧的第三支护管，第三支护管沿竖向设置在隧道围岩内且沿隧道延伸方向等间隔成排设置，第三支护管沿隧道的径向设置有若干排，在隧道的径向或延伸方向上，相邻的第三支护管之间连接有加固杆。
7.如权利要求6所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，所述侧抗变形结构还包括设置在套设在所述第二节钢架与所述第三节钢架的连接处外侧的套件，套件的上端与所述第二节钢架的形状一致且与所述第二节钢架固定连接，套件的下端与所述第三节钢架的形状一致且与所述第三节钢架固定连接，套件的外侧壁向下连接有若干块竖板，竖板平行于隧道延伸方向设置，相邻的竖板之间连接有横撑板。
8.如权利要求6所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，所述第三支护管位于对应位置的所述第一气囊的外侧，其中位于最内层的所述第三年支护管与对应位置的所述第一气囊抵触。
9.如权利要求2所述的隧道围岩不均匀变形控制方法，其特征在于，在隧道断面方向上，位于隧道左侧或右侧的相邻的两个所述第一气囊之间间隔一个所述设置区。
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