CN115030741A - 一种溶洞内隧道的支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种溶洞内隧道的支护方法，包括：(1)从底板处开始洞渣回填；(2)回填泡沫混凝土至隧顶设计标高；(3)在泡沫混凝土层上方两端建造钢筋混凝土挡墙；(4)在泡沫混凝土层顶部铺设废旧轮胎层；(5)施作初期支护及二次衬砌，同时预留锚杆、锚索以及注浆的孔位；(6)施作预应力锚杆，形成叠合梁；(7)施作预应力锚索将叠合梁与溶洞深部稳定岩体联结；(8)将罗克休泡沫注入溶洞空腔内；(9)施作膨胀锚杆并封闭注浆的孔位，形成支护整体结构。本发明利用预应力锚固结构并结合复合式衬砌联合多种材料充填进行隧道支护，能减少隧道支护建设中混凝土的方量，使修建过程更加绿色环保，且施工机械化程度高，操作方便，适用性广。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工工程领域，具体涉及一种溶洞内隧道的支护方法。
背景技术
随着社会发展，近年来国内高速公路建设的规模也不断扩张，在中西部地区复杂山区修建的隧道越来越多。而岩溶这一不良地质现象又广泛分布在我国以西南云、贵、桂、川、渝和中部鄂、湘等地区。岩溶地区的隧道建设中的衬砌背后的空洞既会影响衬砌的受力，使得局部承受集中力，又会将衬砌直接暴露，围岩劣化后的掉落可能直接对衬砌形成冲击，进而影响隧道整个运营期的寿命。因此，在以衬砌作为隧道支护的主体结构外，还应针对双层衬砌之间的联结、衬砌背后的空洞进行相应的修补整治。
复合式衬砌指的是分内外两层先后施作的隧道衬砌。在坑道开挖后，先及时施作与围岩密贴的外层柔性支护(一般为喷锚支护)，也称初期支护，容许围岩产生一定的变形，而又不至于造成松动压力的过度变形。待围岩变形基本稳定以后再施作内层衬砌(一般是模筑的)，也称二次支护。两层衬砌之间，根据需要设置防水层，也可灌筑防水混凝土内层衬砌而不做防水层。复合式衬砌具有封闭及时、结构合理、对衬砌受力有利、适用于大部分围岩条件等优势，是目前广泛应用于山岭隧道的支护技术。
但是单一的复合式衬砌穿越溶洞时没有与围岩紧密联结形成一个支护的组合结构，且遭遇落石时没有缓冲，衬砌很容易被破坏，无法充分发挥围岩的自承能力。溶洞空腔过大，难以在顶板等位置直接施作预应力锚固结构，预应力锚固结构如果直接用来支护溶洞顶板，溶洞中岩体较为破碎，难以形成整体，难以得到满意的加固效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种溶洞内隧道的支护方法，利用变刚度组合结构对特大型溶洞中的隧道进行支护，进一步优化特大型溶洞内隧道的支护技术，将传统复合式衬砌与预应力锚固结构和罗克休泡沫充填技术有机结合，以一种新的变刚度组合结构让三种加固手段联合来保证隧道的安全，以解决现有技术存在的问题。
一种溶洞内隧道的支护方法，包括以下步骤：
(1)溶洞空腔从底板处开始先进行洞渣回填，回填至隧道底部；
(2)回填泡沫混凝土至隧顶设计标高；
(3)在泡沫混凝土层的隧道轴向两端建造钢筋混凝土挡墙；用以防止后期充填罗克休泡沫发生渗漏及后期施工中破碎岩体直接威胁明洞段的安全；
(4)在回填层(即泡沫混凝土层)顶部铺设废旧轮胎层；
(5)暗挖施作与围岩密贴的初期支护及二次衬砌，同时预留预应力锚杆、预应力锚索以及注浆的孔位；
(6)施作预应力锚杆，将初期支护及二次衬砌紧密联结，形成叠合梁；
(7)施作预应力锚索将叠合梁与溶洞深部稳定岩体联结，同时将各别危岩也同稳定岩体联结加固；
(8)通过预留的注浆的孔位将罗克休泡沫注入溶洞空腔内，等待泡沫膨胀硬化完毕形成罗克休泡沫层；
(9)在注浆的孔位施作膨胀锚杆并封闭注浆的孔位，联结叠合梁与罗克休泡沫的同时，对罗克休泡沫产生挤压效应，形成支护整体结构。
本发明在洞渣回填完成后施作隧道衬砌。隧道衬砌采用复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土与钢拱架，二次衬砌采用喷射混凝土，衬砌闭合后向空腔充填FC0.5泡沫混凝土。预应力锚杆对两层衬砌施加预紧力，从而使之紧密联结，将多层衬砌紧密联结形成“叠合梁”；有利于衬砌结构共同承担荷载，自动分配荷载比例。采用预应力锚索将衬砌整体与顶板深处稳定岩体相连，控制隧道的沉降。对空腔充填罗克休泡沫同时混有废旧轮胎，既对腔体起到加固，又能吸收落石的能量减小落石对隧道结构的冲击，施作膨胀锚杆再次加固衬砌，同时对罗克休泡沫产生挤压使之强度有所增加。相对于传统的复合式衬砌，本发明增加了预应力锚固结构、高分子聚合物发泡树脂。
本发明的预应力锚杆和预应力锚索构成一种主动地支护围岩方案，相较普通的支护结构约束岩体变形能力强、拥有初始锚固力可以及时提供抗力、能够将支护结构与深层的稳定围岩联结起来等优势。
进一步的，步骤(4)中废旧轮胎上下层交错布置，必须是完整的轮胎。我国每年废旧轮胎回收利用率仅有50％左右，造成了巨大浪费，将废旧轮胎用于溶洞内隧道的支护也更加环保和节省成本。
进一步的，所述罗克休泡沫层位于所述废旧轮胎层的上方，所述罗克休泡沫层与所述废旧轮胎层厚度比为1.5-5：1。废旧轮胎相较罗克休泡沫有更大的自重，如果废旧轮胎层置于罗克休泡沫层的上方可能会压缩罗克休泡沫层的厚度。
进一步的，步骤(8)中罗克休泡沫的注射方法为：通过注浆的孔位放入注射铁管，所述注射铁管穿过所述废旧轮胎层，然后将树脂和催化剂按4:1的比例混合注入溶洞空腔内形成罗克休泡沫；罗克休泡沫具有高膨胀性，膨胀后体积为原体积的25～30倍，泡沫反应迅速，常温下20～30秒即可反应完毕，10～15度时3～5分钟内膨胀结束，并在20分钟内硬化，不需要防漏支架，有良好的抗压能力，经得起岩层的运动，不蔓延火焰。
进一步的，初期支护采用C20喷射混凝土，二次衬砌采用C30浇筑混凝土。本发明中C20喷射混凝土及C30浇筑混凝土能够提供较大的抗压强度，通过自身的刚性承受较大落石的冲击而不发生破坏。C20喷射混凝土及C30浇筑混凝土是本发明中多次实验探索中根据强度和成本共同选择的结果，也是为了保证整个支护结构从外向内刚度的增长，主要是从保证衬砌安全的角度出发。
进一步的，步骤(2)所述泡沫混凝土为FC0.5泡沫混凝土。FC0.5泡沫混凝土具有较好的流动性，回填时无需大型器械，在穹顶下的施工人员数量不多，风险易于控制。而且FC0.5泡沫混凝土成本低。
膨胀锚杆在施作完成后，整体会有较大的径向有限变形，对周围的稳定体施加挤压作用从而获得锚固力。
进一步的，步骤(1)洞渣回填时，对于洞底的堆积物不做处理，利用回填的洞渣进行堆载预压，同时进行沉降的监测；洞渣回填顶部进行整平处理。
进一步的，所述预应力锚杆、预应力锚索的结构及膨胀锚杆的长度可以根据实际情况进行调整，预留孔位的数量和位置也可以根据实际需要进行调整。
进一步的，预应力锚索应穿透复合式衬砌、罗克休泡沫和废旧轮胎层等复合支护层到达溶洞原顶部位置，其孔位根据实际情况每个断面布置1-3处，梅花形布置。这样起到稳定整体结构的作用。膨胀锚杆的长度应穿透泡沫混凝土层到达罗克休泡沫层，其孔位根据实际情况每个断面布置5-7处，梅花形布置。
上述溶洞内隧道的支护方法形成的支护结构。
与现有技术相比，本发明利用预应力锚固结构并结合复合式衬砌联合多种材料充填进行隧道支护，能有效减少隧道支护建设中混凝土的方量，使修建过程更加绿色环保，且施工机械化程度高，能有效缩短施工周期，克服了传统隧道衬砌在穿越特大型溶洞时难以保障长期运营安全的缺陷。且本发明的施工技术操作方便，易于制造，适用性广。
附图说明
图1是本发明的施工流程图；
图2为本发明的隧道整体衬砌示意图；
图3为本发明的膨胀锚杆的示意图；
图4为本发明的膨胀锚杆锚固力的示意图；
图5为本发明的实施例1的支护结构与单一隧道衬砌受落石冲击所产生位移的数值模拟云图；
图6为本发明的实施例1与对比例1受落石冲击所产生位移的数值模拟云图；
图7为本发明的实施例1与对比例2受落石冲击所产生位移的数值模拟云图；
图8为本发明的实施例1与对比例3受落石冲击所产生位移的数值模拟云图；
图9为本发明的实施例1与对比例4受落石冲击所产生位移的数值模拟云图；
图10为本发明的实施例1与对比例5受落石冲击所产生位移的数值模拟云图；
其中：1为预应力锚索，2为罗克休泡沫，3为废旧轮胎层，4为膨胀锚杆，5为C20混凝土，6为C30混凝土，7为FC0.5泡沫混凝土，8为预应力锚杆，9为洞渣回填，10为膨胀锚杆的堵头，11为膨胀锚杆的盲堵，12为膨胀锚杆的密封层，13为膨胀锚杆的保护层，14为膨胀锚杆的锚固层，15为膨胀锚杆的密封，16为膨胀锚杆的锚头，17为膨胀锚杆的托盘，18为膨胀锚杆的螺母。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
一种溶洞内隧道的支护方法，如图1所示，主要包括以下步骤：
(1)针对溶洞空腔从底板处开始先进行洞渣回填，回填至隧道底部；对于洞底的堆积物不做处理，利用回填的洞渣进行堆载预压，同时进行沉降的监测；洞渣回填顶部进行整平处理。
(2)回填FC0.5泡沫混凝土至隧顶设计标高。
(3)在泡沫混凝土层的隧道轴向两端建造钢筋混凝土挡墙，用以防止后期充填罗克休泡沫发生渗漏及后期施工中破碎岩体直接威胁明洞段的安全。
(4)在回填层顶部铺设废旧轮胎层，厚度为3m，轮胎平面上呈梅花形布置，轮胎水平竖向均采用Φ14的钢丝绳绑扎紧固连接，同一层采用同一型号的轮胎，上下层交错布置。
(5)暗挖施作与围岩密贴的初期支护(厚度28cm)及二次衬砌(厚度80cm)，同时预留锚杆、锚索以及注浆的孔位。
(6)施作预应力锚杆，将衬砌紧密联结，形成“叠合梁”。
(7)施作预应力锚索将叠合梁与溶洞深部稳定岩体联结，同时将各别危岩也同稳定岩体联结加固。
(8)通过“叠合梁”上预留的注浆孔位，注射时使用专用气动泵将树脂和催化剂以4:1的比例送入注射枪形成罗克休泡沫，厚度为6m，等待泡沫膨胀硬化完毕。
(9)最后施作膨胀锚杆并封闭孔眼，联结叠合梁与罗克休泡沫的同时，对罗克休泡沫产生挤压效应，形成支护整体结构，如图2所示。
在施作完整体支护结构后，上方仍有隧道空腔存在，距离支护结构的距离为h(总体来说，h越小越好，h＝0时可变被动支护为主动支护，更加安全。但实际留空h还需根据具体溶洞大小、溶洞顶板稳定性评价结果、公路等级、路面所处高程、成本预算等多方因素决定)，顶部落石质量为m，与支护结构接触面面积为a，重力加速度为g，落石砸入吸能层后的位移为zmax；罗克休泡沫、轮胎、泡沫混凝土的弹性模量分别为E1、E2、E3，衬砌上方厚度分别为s1、s2、s3，与落石之间的摩擦因数为μ1、μ2、μ3。则落石释放的全部冲击能为Ei＝m·g·(h+zmax)，而吸能层所能吸收的最大能量为Ea＝a·s1·E1+a·s2·E2+a·s3·E3+μ1·m·g·s1+μ2·m·g·s2+μ2·m·g·s2。当Ei＜Ea时，落石不会接触到内层衬砌，冲击由吸能层承担；当Ei＞Ea时，落石会穿越吸能，剩余的冲击能由刚性的衬砌承担。采用ABAQUS软件对本发明所述的整体支护结构进行了数值模拟，落石质量为1t，高度30m，本实施例的整体支护结构与单一复合式衬砌所产生的位移如图5所示。受到冲击后，本实施例的支护结构产生最大位移为196.2mm，位于支护结构顶部落石冲击处，而隧道内部衬砌处位移为59.88mm；而传统的复合式衬砌受到冲击后，在隧道中部产生最大位移，达到445.9mm，实际已发生开裂。
实施例二
本实施例对于初期支护和二次衬砌混凝土的选择做了一系列探索实验，如表1所示。从表1可以看出：综合强度和成本等因素共同考虑，初期支护采用C20喷射混凝土，二次衬砌采用C30浇筑混凝土是最佳选择。
表1混凝土强度及成本对比
对比例1
在回填层顶部注射罗克休泡沫层，再铺设废旧轮胎层，即罗克休泡沫层位于废旧轮胎层的下方。其它的与实施例1相似。
对比例2
不包含废旧轮胎层，其它的与实施例1相似。
对比例3
不包含罗克休泡沫层，其它的与实施例1相似。
对比例4
不包含膨胀锚杆，其它的与实施例1相似。
对比例5
不包含预应力锚杆和预应力锚索，其它的与实施例1相似。
根据本发明设置的5种对比例，分别进行了数值模拟，图6为实施例1与对比例1数值模拟的位移结果对比，实施例1的整体结构的最大位移为196.2mm，衬砌处为59.88mm，均小于对比例1的整体结构的213.6mm，衬砌处63.23mm。
图7为实施例1与对比例2数值模拟的位移结果对比，实施例1的整体结构的最大位移为196.2mm，衬砌处为59.88mm，而对比例2的整体结构的184.6mm，衬砌处70.06mm，实施例1在衬砌处有更小的位移，隧道运营更加安全。
图8为实施例1与对比例3数值模拟的位移结果对比，实施例1的整体结构的最大位移为196.2mm，衬砌处为59.88mm，而对比例3的整体结构的117.3mm，衬砌处72.17mm，实施例1在衬砌处有更小的位移，隧道运营更加安全。
图9为实施例1与对比例4数值模拟的位移结果对比，实施例1的整体结构的最大位移为196.2mm，衬砌处为59.88mm，均小于对比例4的整体结构的251.2mm，衬砌处70.55mm。
图10为实施例1与对比例5数值模拟的位移结果对比，实施例1的整体结构的最大位移为196.2mm，衬砌处为59.88mm，均小于对比例5的整体结构的201.8mm，衬砌处65.98mm。
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。本发明同样可适用于矿山巷道、暗洞及其他地下工程的支护。当遭遇极破碎软弱围岩或溶洞时，可根据现场情况，将预应力锚杆、锚索换为注浆锚杆、锚索等，以获得更好的支护效果。
为了方便叙述，本发明中如果出现“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，因此不能理解为本发明的限制。
Claims (10)
1.一种溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)溶洞空腔从底板处开始先进行洞渣回填，回填至隧道底部；
(2)回填泡沫混凝土至隧顶设计标高；
(3)在泡沫混凝土层的隧道轴向两端建造钢筋混凝土挡墙；
(4)在泡沫混凝土层顶部铺设废旧轮胎层；
(5)暗挖施作与围岩密贴的初期支护及二次衬砌，同时预留预应力锚杆、预应力锚索以及注浆的孔位；
(6)施作预应力锚杆，将初期支护及二次衬砌紧密联结，形成叠合梁；
(7)施作预应力锚索将叠合梁与溶洞深部稳定岩体联结，同时将各别危岩也同稳定岩体联结加固；
(8)通过预留的注浆的孔位将罗克休泡沫注入溶洞空腔内，等待泡沫膨胀硬化完毕形成罗克休泡沫层；
(9)在注浆的孔位施作膨胀锚杆并封闭注浆的孔位，联结叠合梁与罗克休泡沫的同时，对罗克休泡沫产生挤压效应，形成支护整体结构。
2.根据权利要求1所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，步骤(4)中废旧轮胎上下层交错布置。
3.根据权利要求2所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，所述罗克休泡沫层位于所述废旧轮胎层的上方，所述罗克休泡沫层与所述废旧轮胎层厚度比为1.5-5：1。
4.根据权利要求3所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，步骤(8)中罗克休泡沫的注射方法为：通过注浆的孔位放入注射铁管，所述注射铁管穿过所述废旧轮胎层，然后将树脂和催化剂按4:1的比例混合注入溶洞空腔内形成罗克休泡沫；常温下20～30秒反应完毕。
5.根据权利要求1所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，所述初期支护采用C20喷射混凝土，所述二次衬砌采用C30浇筑混凝土。
6.根据权利要求4所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，步骤(2)所述泡沫混凝土为FC0.5泡沫混凝土。
7.根据权利要求1所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，步骤(1)洞渣回填时，对于洞底的堆积物不做处理，利用回填的洞渣进行堆载预压，同时进行沉降的监测；洞渣回填顶部进行整平处理。
8.根据权利要求1所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，所述预应力锚杆、预应力锚索的结构及膨胀锚杆的长度可以根据实际情况进行调整，预留孔位的数量和位置也可以根据实际需要进行调整。
9.根据权利要求1所述溶洞内隧道的支护方法，其特征在于，所述预应力锚穿透初期支护、二次衬砌、罗克休泡沫层和废旧轮胎层到达溶洞原顶部位置，每个断面布置1-3处孔位；所述膨胀锚杆穿透所述泡沫混凝土层到达罗克休泡沫层，每个断面布置5-7处孔位。
10.根据权利要求1-9任一项所述溶洞内隧道的支护方法形成的支护结构。
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| CN202210650752.7A CN115030741A (zh) | 2022-06-09 | 2022-06-09 | 一种溶洞内隧道的支护方法 |
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