CN114086990A - 一种软岩隧道韧性支护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道工程技术领域，公开了一种软岩隧道韧性支护结构，按照从外到内的顺序，包括韧性层、初期支护层、柔性层和二次衬砌层，韧性层采用水泥基复合材料，柔性层设于初期支护层和二次衬砌层之间，采用低密度聚氨酯高聚物。本发明通过在初期支护层的内外两侧分别设置柔性层和韧性层，能够减少高地应力围岩发生的变形，同时也会充分吸收围岩变形的形变能，进一步允许释放高地应力。与现有技术相比，本发明的结构简单，轮廓大小与形状均与软岩隧道普通段一致，因此施工成本低，且施工效率高。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种软岩隧道韧性支护结构。
背景技术
随着我国国民经济和基础设施建设的快速发展，我国隧道建设越来越向着长、大、深的趋势发展，尤其是在埋深越大的情况下，隧道围岩的初始地应力就会越高，这就会产生“高地应力”的问题。在高地应力环境下，软岩隧道开挖卸荷后围岩变形量大，支护结构受力持续增加，位移变形明显，隧道极易出现大变形灾害。
现有技术中针对软岩隧道的支护结构，能够减少围岩发生大变形，但是支护结构体系单一，在高地应力软岩隧道存在长期蠕变变形问题时，存在应对高地应力的支护不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软岩隧道韧性支护结构，以解决软岩隧道的支护结构对高地应力软岩隧道蠕变变形的支护不足问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种软岩隧道韧性支护结构，按照从外到内的顺序，包括韧性层、初期支护层、柔性层和二次衬砌层，所述韧性层采用水泥基复合材料，所述柔性层设于所述初期支护层和所述二次衬砌层之间，采用低密度聚氨酯高聚物。
可选的，所述软岩隧道韧性支护结构还包括加固圈层，所述加固圈层采用向开挖土体中注高渗性聚氨酯高聚物的方式得到，所述韧性层喷射在所述加固圈层内侧。
可选的，所述加固圈层的制备过程为：在节理裂隙处采用高渗性聚氨酯高聚物进行预注浆加固，开挖完成后采用钢花管和中空注浆锚杆进行注浆加固。
可选的，所述柔性层的制备过程为：先在所述初期支护层的内侧刷涂一层粘结层，然后在所述粘结层上均匀喷涂低密度聚氨酯高聚物。
可选的，所述水泥基复合材料为钢纤维增强材料，包含体积百分比为 0.5-2％的钢纤维。
可选的，所述钢纤维的长径比为30-80。
可选的，所述柔性层所采用的低密度聚氨酯高聚物为密度为 0.2-0.3g/cm3。
可选的，所述低密度聚氨酯高聚物为双组分，喷涂在所述初期支护层的内侧壁。
可选的，所述软岩隧道韧性支护结构还包括防水层，所述防水层为在所述柔性层的内侧壁铺设防水板得到。
可选的，所述软岩隧道韧性支护结构还包括预留变形层，所述预留变形层设置在所述防水层和所述二次衬砌层之间。
可选的，所述软岩隧道韧性支护结构还包括二次衬砌，所述二次衬砌为钢筋混凝土材料层，设置在所述预留变形层的内侧壁。
本发明的有益效果：
(1)本发明的软岩隧道韧性支护结构，通过在初期支护层的内外两侧分别设置柔性层和韧性层，能够减少高地应力围岩发生的变形，同时也会充分吸收围岩变形的形变能，进一步允许释放高地应力。
(2)与现有技术相比，本发明提供的软岩隧道韧性支护结构的结构简单，轮廓大小与形状均与软岩隧道普通段一致，因此施工成本低，且施工效率高。
附图说明
图1是本发明软岩隧道韧性支护结构的结构示意图；
图2是图1中A区域放大示意图。
图中：
1.加固圈层；2.韧性层；3.初期支护层；4.柔性层；5.防水层；6.预留变形层；7.二次衬砌层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或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，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。
本发明提供一种软岩隧道韧性支护结构，用以提高对高地应力软岩隧道蠕变变形的支护能力。如图1和图2所示，一种软岩隧道韧性支护结构，按照从外到内的顺序，包括韧性层2、初期支护层3、柔性层4和二次衬砌层7，韧性层2采用水泥基复合材料，柔性层4设于初期支护层3和二次衬砌层7之间，采用低密度聚氨酯高聚物。
针对软岩隧道的支护结构，现有支护结构包括初期支护层3和二次衬砌层7，能够抵抗围岩一定的变形能力，但是对于高地应力的软岩隧道，由于存在长期蠕变变形，因此仅采用初期支护层3和二次衬砌层7，支护强度和可靠性明显不足。为了解决高地应力软岩隧道的长期蠕变变形下的支护问题，本实施例在初期支护层3的外侧设置了韧性层2，内侧设置了柔性层4，韧性层2采用水泥基复合材料，可以采用钢纤维作为增强材料，形成高强高韧的钢筋混凝土增强初期支护层3的外侧支护强度，韧性层2能够通过塑性变形来吸收围岩开挖后的应力释放，提高抗蠕变性能。柔性层4采用低密度聚氨酯高聚物，在高地应力软岩隧道发生围岩变形时，能够提高围岩变形的形变能，吸收围岩的高地应力。可见，本发明的软岩隧道韧性支护结构，通过在初期支护层3的内外两侧分别设置柔性层4和韧性层2，能够抵抗高地应力围岩发生的变形，同时也会充分吸收围岩变形的形变能，进一步允许释放高地应力。与现有技术相比，本发明提供的软岩隧道韧性支护结构的结构简单，轮廓大小与形状均与软岩隧道普通段一致，因此施工成本低，且施工效率高。
可选的，本发明的软岩隧道韧性支护结构还包括加固圈层1，加固圈层1 采用向开挖土体中注高渗性聚氨酯高聚物的方式得到，韧性层2喷射在加固圈层1内侧。
如图1和图2所示，加固圈层1设于韧性层2的外侧，本实施例中通过注浆方法得到加固圈层1，具体制备过程为：在节理裂隙处采用高渗性聚氨酯高聚物进行预注浆加固，开挖完成后采用钢花管和中空注浆锚杆进行注浆加固。
高渗性聚氨酯高聚物在使用时不需要添加固化剂，此类型聚氨酯高聚物能够把开挖扰动产生的岩体裂隙和节理包裹起来，形成统一整体，通过设置注浆加固圈层1，可以加固松散围岩，有效改善岩层状态，提高支护结构整体稳定性。需要说明的是，由于加固圈层1是通过向开挖围岩内注浆，因此得到的加固圈层1具有与软岩隧道内侧壁一致的轮廓大小和形状，因此支护结构的整体施工更加便捷，施工成本低，利于提高施工效率。
对于加固圈层1的注浆施工，在注浆前，先通过无损检测，检查存在松散围岩的洞径深度，然后再注浆。预注浆加固的注浆锚杆一般选用无缝钢管，直径为42mm，长度为2000mm，且注浆段设有射浆孔；钻孔布置方式为沿隧道断面成排均匀布置，排距4000mm，封孔深度为2000mm，注浆设备主要包括双液注浆泵、高压胶管和混合器等；注浆加固的锚注加固施工流程为：施工准备、钻孔、安装锚杆、注浆施工和清洗注浆设备等。
可选的，柔性层4的制备过程为：先在初期支护层3的内侧刷涂一层粘结层，然后在粘结层上均匀喷涂低密度聚氨酯高聚物。
具体的，柔性层4的施工步骤为：先对初期支护层3的内侧壁进行基层找平：检查初期支护层3上找平附着物或障碍物；然后涂刷粘结层，具体为：在初期支护层3的表面均匀涂刷聚氨酯涂料以封闭底涂且无透底现象，一般刷涂厚度为3-5mm；再喷涂低密度聚氨酯高聚物，具体为：将低密度聚氨酯高聚物均匀喷涂到粘结层上；最后修整低密度聚氨酯高聚物。低密度聚氨酯高聚物的弹性性能良好，柔性层4在允许高地应力围岩发生变形的同时，也能充分吸收围岩变形的形变能，进一步允许释放高地应力。
可选的，水泥基复合材料为钢纤维增强复合材料，包含体积百分比为 0.5-2％的钢纤维。
本实施例中，韧性层2优选采用钢纤维增强复合材料，钢纤维均匀分布于混凝土形成，钢纤维的长径比为30-80,对每种规格的钢纤维都有一最大掺量的限值，本实施中钢纤维的体积百分比为0.5-2.0％，在制备时，采用强制式搅拌机搅拌，为使钢纤维能均匀分散于混凝土中，通过摇筛或分散机加料。先将粗细集料、水泥和水加入搅拌机，搅拌均匀后再将钢纤维加入搅拌；最后将钢纤维混凝土液喷射到隧道轮廓圈中。进一步优选地实施例中，掺以体积率1％的钢纤维增强混凝土，与基体混凝土相比较，其抗压强度、抗拉强度、塑性变形能力均能提高。韧性层2采用钢纤维高强高韧混凝土，显著地改善了混凝土的力学性能。当掺量在许可范围之内，韧性可提高5～20倍，抗压强度提高较小，可达15％～25％。
可选的，柔性层4所采用的低密度聚氨酯高聚物为密度为0.2-0.3g/cm3。
本实施例中，柔性层4采用低密度、高发泡类型的聚氨酯材料，这种类型的聚氨酯材料为双组份构成，使用前按一定的比例配制即可。具体的，低密度聚氨酯高聚物包括甲组分和乙组分，甲组分和乙组分具体可为多元醇和异氰酸酯混合，再加上发泡剂和表面活性剂组成。不需要水作为催化剂,多元醇与异氰酸酯接触后,即发生化学反应，通过喷枪头进行喷涂施作于隧道初期支护层3的内侧壁。
柔性层4采用低密度聚氨酯高聚物，弹性性能高，弹性阶段可达8％，屈服阶段长，受力保持不变的情况下，低密度聚氨酯高聚物应变达到50％，使围岩充分变形，发挥其自承载能力；同时聚氨酯硬质泡沫材料具有明显的抗震缓冲效果。在现场施工中，直接将低密度聚氨酯高聚物喷涂在初期支护层3表面，反应快，节省施工工期。
可选的，软岩隧道韧性支护结构还包括防水层5，防水层5为在柔性层4的内侧壁铺设防水板得到。
可选的，软岩隧道韧性支护结构还包括预留变形层6，预留变形层6设置在防水层5和二次衬砌层7之间。
需要说明的是，防水层5可以增加支护结构的防水性，预留变形层6可以提高支护结构的安全性能和抗变形能力，防水层5和预留变形层6采用隧道支护结构中的常规设置，此处不再赘述。结合图2，本发明提供的实施例中，加固圈层1的厚度最大，在初期支护层3的内外两侧分别设置柔性层4和韧性层2，可以提高软岩隧道支护结构的整体抗长期蠕变变形能力，在适当减少初期支护层3和二次衬砌层7的厚度的情况下，不影响抗蠕变变形能力，利于节约施工成本，提高施工效率。与现有技术中具有预留变形层6的支护结构相比，本发明中在预留变形层6和初期支护层3之间加设柔性层4，利于提高支护结构整体的抗围岩长期蠕变变形能力。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，按照从外到内的顺序，包括韧性层(2)、初期支护层(3)、柔性层(4)和二次衬砌层(7)，所述韧性层(2)采用水泥基复合材料，所述柔性层(4)设于所述初期支护层(3)和所述二次衬砌层(7)之间，采用低密度聚氨酯高聚物。
2.根据权利要求1所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，还包括加固圈层(1)，所述加固圈层(1)采用向开挖土体中注高渗性聚氨酯高聚物的方式得到，所述韧性层(2)喷射在所述加固圈层(1)内侧。
3.根据权利要求2所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，所述加固圈层(1)的制备过程为：在节理裂隙处采用高渗性聚氨酯高聚物进行预注浆加固，开挖完成后采用钢花管和中空注浆锚杆进行注浆加固。
4.根据权利要求1所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，所述柔性层(4)的制备过程为：先在所述初期支护层(3)的内侧刷涂一层粘结层，然后在所述粘结层上均匀喷涂低密度聚氨酯高聚物。
5.根据权利要求1所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，所述水泥基复合材料为钢纤维增强复合材料，包含体积百分比为0.5-2％的钢纤维。
6.根据权利要求5所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，所述钢纤维的长径比为30-80。
7.根据权利要求1所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，所述柔性层(4)所采用的低密度聚氨酯高聚物为密度为0.2-0.3g/cm3。
8.根据权利要求7所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，所述低密度聚氨酯高聚物为双组分，喷涂在所述初期支护层(3)的内侧壁。
9.根据权利要求1所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，还包括防水层(5)，所述防水层(5)为在所述柔性层(4)的内侧壁铺设防水板得到。
10.根据权利要求9所述的软岩隧道韧性支护结构，其特征在于，还包括预留变形层(6)，所述预留变形层(6)设置在所述防水层(5)和所述二次衬砌层(7)之间。
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- 2021-11-25 CN CN202111409786.9A patent/CN114086990A/zh active Pending
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