CN116220749B - 一种用于岩爆隧道的防控结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道挖掘技术领域，具体涉及一种用于岩爆隧道的防控结构，其改进之处在于，防控结构包括：吸能结构，包括由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层；以及包括由NPR钢筋和NPR钢纤维混凝土形成的二次衬砌结构；余量空间，设置在初级支护层和二次衬砌支护层之间，作为预留的隧道围岩变形空间；伺服路轨系统，置于地面；构成通过隧道的轨道；吸能结构能够为隧道空间提供高强度支护，提高隧道围岩自承载力，以及提高支护结构的抗冲击能力，进一步抵抗岩爆灾害；同时通过伺服路轨系统能够通过对路枕进行微观调控，达到隧道围岩毫米级变形的标准。

Description

一种用于岩爆隧道的防控结构

技术领域

本发明属于隧道挖掘技术领域，具体涉及一种用于岩爆隧道的防控结构。

背景技术

随着经济建设的不断发展，在现阶段隧道工程建设呈现出跨越式发展。随着高铁等新型列车对隧道路轨条件的要求不断提高，如何控制岩爆风险隧道在建设和运营过程中的安全保障是目前隧道支护结构要解决的重点问题。

岩爆是地下工程中的一种特殊现象，具有隧道围岩突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷、喷出的特征。在深埋隧道或地下硐室开挖过程中和开挖完成后均有岩爆可能，具有突发性、难预测性、强危害性、破坏范围大、宏观显现明显和致灾危险性大等特点，因此岩爆现象对工程建设和人员安全带来极大的威胁。

现有的隧道岩爆防控结构，普遍存在以下问题：1、在当前防控结构中所采用的支护理念并不适用于深部隧道，在避让隧道围岩岩爆时，易导致岩体因应力集中，进而产生岩爆等灾害。2、防控结构中所使用常规锚杆存在抗剪强度较低，不具备吸能特性，属于被动支护类型。在岩体岩爆灾害发生时，易导致常规锚杆/锚索产生剪切破断，使支护结构失效。3、目前支护结构并不能严格控制隧道空间的变形程度，不能满足高速铁路对隧道空间的变形要求和标准。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种用于岩爆隧道的防控结构，其改进之处在于，结构包括：

吸能结构，包括由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层；以及包括由NPR钢筋和NPR钢纤维混凝土形成的二次衬砌结构；

余量空间，设置在初级支护层和二次衬砌支护层之间，作为预留的隧道围岩变形空间；

伺服路轨系统，置于地面；构成通过隧道的轨道；

吸能结构能够为隧道空间提供高强度支护，提高隧道围岩自承载力，以及提高支护结构的抗冲击能力，进一步抵抗岩爆灾害；同时通过伺服路轨系统能够通过对路枕进行微观调控，达到隧道围岩毫米级变形的标准。

优选的，余量空间填充物质包括泡沫混凝土和有机缓冲材质；余量空间的厚度在100mm至200mm之间。

优选的，由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层包括：

NPR钢筋网，为网状物，铺设在隧道围岩表面；

NPR锚杆/锚索，穿过NPR钢筋网沿隧道径向设置，同时沿隧道轴向均匀分布在隧道围岩内。

优选的，由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层还包括：

NPR钢带，为环状体，设置于隧道径向的岩壁上，能够同时连接2-3个NPR锚杆/锚索；

NPR托盘，安装在每个NPR锚杆/锚索上，同时设置于NPR钢带下方与NPR钢带相接触，能够在固定NPR钢带的同时为NPR锚杆/锚索施加预应力。

优选的，由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层还包括：NPR钢拱架，同时在隧道轴向以及隧道径向设置于NPR锚杆/锚索的空挡间，连接形成封闭环。

优选的，NPR锚杆/锚索，包括第一NPR锚杆/锚索和第二NPR锚杆/锚索；第一NPR锚杆/锚索和第二NPR锚杆/锚索同时在隧道轴向和隧道径向交错设置。

优选的，在余量空间形成的内环上沿径向布设NPR钢筋，通过NPR钢纤维混凝土模筑衬砌，构成二次衬砌结构。

优选的，伺服路轨系统，包括：

隔离层，使用NPR钢纤维混凝土铺设，作为路基；

耗能层，铺设于柔性隔离层之上，作为成型路基；

路枕，沿隧道轴向等距铺设于耗能层之中，以固定耗能层；

伺服控制系统，设置于耗能层和路枕之间，沿路枕的中心线对称设置，包括：传感器和伺服控制器；

轨道，列车在轨道上行进，设置在路枕上。

优选的，传感器包括竖直传感器和水平传感器；伺服控制器包括竖直位移伺服控制器和水平位移伺服控制器；

在路枕下方设置竖直传感器和竖直位移伺服控制器；在路枕侧面设置水平传感器和水平位移伺服控制器。

优选的，伺服控制系统还包括：

监测模块，包括传感器，用于对路枕的水平位移和竖直升降数据的监测；

处理分析模块，用于对传输的数据进行分析计算，将伺服控制器发出的伺服控制指令传输给控制模块；以及

控制模块，包括控制装置，用于对路轨水平方向和竖直方向的控制；通过伺服路轨控制系统，将隧道空间中依然存在的厘米级变形进一步控制在毫米级变形

有益效果为：

本发明提出了一种用于岩爆隧道的防控结构，主要由吸能结构和伺服路轨系统组成。将初级支护层和二衬层均设计为吸能结构用以控制隧道中的岩爆灾害，可将隧道中米级大变形控制为厘米级大变形，同时，伺服路轨系统能够将厘米级变形控制在毫米级变形尺度内（＜2mm）。

本发明贯彻吸能支护理念，采用具有抗冲击、吸收能量和承载力高的“NPR锚杆/锚索+NPR钢筋网+NPR抗爆钢带+NPR高韧托盘+NPR钢拱架+NPR钢筋+NPR钢纤维混凝土”组成的点线面三维一体吸能支护结构，一方面为隧道空间提供高强度支护，提高隧道围岩自承载力，另一方面提高支护结构的抗冲击能力，进一步抵抗岩爆灾害。

本发明采用的NPR锚杆/锚索具有高恒阻力、高延伸率和快速吸收能量的特性。在进行快速高预应力支护后，可以及时对隧道围岩进行应力补偿，提高岩体储能载力，减小岩体岩爆风险性。同时，高恒阻力和高延伸率的特性可以保证NPR锚杆/锚索可承受岩爆冲击荷载而不发生断裂，NPR锚杆/锚索的吸能特性进而高效吸收隧道围岩积聚的能量，从而降低岩爆烈度。

本发明利用NPR钢筋和NPR钢纤维混凝土模筑衬砌施工技术，形成二次衬砌结构。该结构可通过NPR材质高强高韧特性对隧道围岩岩爆灾害进行进一步调控，吸收掉隧道围岩岩爆变形释放的能量，避免岩爆灾害对隧道空间内造成危害。

本发明的伺服路轨系统在路枕下方以及侧面布置，通过使用检测模块、处理分析模块和控制模块构建的智能系统可快速将隧道空间厘米级变形动态控制成为毫米级变形。极大的提高了隧道路轨系统的精准度，满足了高速铁路对路轨高精度高稳定的要求。

附图说明

构成本申请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。其中：

图1为本发明一个实施例中隧道结构径向剖面图；

图2为本发明一个实施例中隧道围岩支护轴向剖面图；

图3为本发明一个实施例中隧道围岩支护环向平面展开图；

图4为本申请一个实施例中NPR吸能钢筋网结构示意图；

图5为本申请一个实施例中NPR钢筋绑扎结构；

图6为本申请一个实施例中隧道伺服路轨控制结构剖面结构图；

其中，1-隧道围岩、2-初支吸能层、3-余量空间、4-二衬吸能层、5-隧道空间、6-伺服路轨系统、7-NPR长锚杆/锚索、8-NPR短锚杆/锚索、9-隧道仰拱、10-NPR钢带、11-NPR托盘、12-NPR钢筋网、13-NPR钢拱架、14-NPR钢纤维混凝土、15-隔离层、16-耗能层、17-路枕、18-伺服控制系统。

具体实施方式

下面将对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。

在隧道工程领域的描述中，本申请采用的术语“轴向”指的是车辆在隧道中正常行驶的行进方向；术语“径向”指的是垂直于“轴向”的方向，也可指隧道“环向”。

本申请采用的NPR材料全称为Negative Poisson’s Ratio，即负泊松比材料，其中NPR材料是由NPR材料在锻造过程中加入NPR微小单元进行加工制作而成。NPR材料的物理特性为：在受到拉伸时，NPR材料在垂直于拉应力的方向会发生膨胀，而不是发生通常的收缩；在受到压缩时，NPR材料在垂直于应力方向发生收缩，而不是发生通常的膨胀；在受到弯曲时，NPR材料的内部会形成一个中空低气压带以提高锚杆或锚索的背部支撑力，因此由NPR材料制成的NPR锚杆或锚索，以及其他NPR钢材在抗冲击、抗剪切及吸收能量等方面有着优异的性能。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

随着经济建设的不断发展，在现阶段隧道工程建设呈现出跨越式发展。随着高铁等新型列车对隧道路轨条件的要求不断提高，如何保障岩爆风险隧道在建设和运营过程中的安全运作是目前隧道支护结构要解决的重点问题。岩爆属于地下工程中的一种特殊现象，具有隧道围岩突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷、喷出的特征。在深埋隧道或在地下硐室开挖过程中以及开挖完成后均有岩爆可能，具有突发性、难预测性、强危害性、破坏范围大和宏观显现明显和致灾危险性大等特点，易对工程建设和人员安全带来极大的威胁。

在高风险岩爆隧道建设中，在现阶段施工方法多采用“先让后抗”的支护理念，即为发现岩爆苗头后采用先避开岩爆灾害直至隧道围岩稳定，再使用常规锚杆/锚索对隧道围岩进行加固处理的方式。在深部隧道的建设过程中，由于隧道围岩处于高应力状态下，更容易导致岩爆灾害烈度和频次显著增加，采用“先让后抗”的处理理念往往效果不佳且耽误工期。在当前的岩爆隧道支护结构中，其隧道围岩支护理念主要以卸压为主，在深部岩爆风险隧道中，释放压力施工工序繁复，岩爆控制效果并不理想。或者是使用的涨壳式预应力中空锚杆，不具备吸能和强拉伸效果，难以对深部隧道围岩岩爆进行有效地控制。

总而言之，现有的隧道岩爆防控结构，普遍存在以下问题：

1）现有结构中所采用的“先让后抗”支护理念并不适用于深部隧道，在避让隧道围岩岩爆时，易导致岩体因应力集中，进而产生岩爆等灾害。

2）现有结构中所使用常规锚杆存在抗剪强度较低，不具备吸能特性，属于被动支护类型。在岩体岩爆灾害发生时，易导致常规锚杆/锚索产生剪切破断，使支护结构失效。

3）当前的支护结构并不能严格控制隧道空间的变形程度，不能满足高速铁路对隧道空间的变形要求和标准。

针对以上的局限性技术难题，申请人经大量研究后发现可采用以下技术手段予以解决：

1）基于吸能支护理念，需采用可适应和控制隧道围岩变形的高强高韧锚杆/锚索，通过为隧道围岩补偿因开挖丧失的径向应力，提高隧道围岩内部的能量累积能力，降低岩爆发生概率。

2）将初级支护层和二衬层均设计为吸能结构，一方面能够为隧道空间提供高强度支护，提高隧道围岩自承载力；另一方面也能提高支护结构的抗冲击能力，进一步抵抗岩爆灾害。

3）采用在隧道空间中布置伺服路轨控制系统，通过对路枕进行微观调控，达到高速铁路隧道围岩毫米级变形的标准。

对此，本申请人设计了岩爆隧道双隔双控防控系统，对岩爆变形灾害导致的隧道围岩变形及安全问题进行防控，保障人员和设备的安全以及隧道路轨系统的稳定。这种岩爆隧道防控变形结构分为两个部分，吸能层和伺服路轨系统。

吸能层，指的是对隧道围岩进行吸能支护处理，在隧道围岩内部布置具有高恒阻力、高延伸率以及快速吸能的NPR锚杆/锚索，在隧道围岩表面铺设NPR钢筋网、NPR抗爆钢带、NPR高韧托盘、NPR钢拱架以及NPR钢纤维混凝土，上述结构组成岩爆隧道围岩初级支护层；同时，利用NPR钢筋和NPR钢纤维混凝土模筑衬砌施工技术，形成二次衬砌结构。依靠NPR新材料的高延伸率和快速吸收能量的特性，进而达到对岩爆灾害的防控。

伺服路轨系统，基于伺服控制系统对路轨进行动态调整，进而达到隧道轨道系统的恒定稳定。

其中涉及的双隔双控防控系统可理解为：“一隔”是指由高强高韧NPR材料为主体的支护结构层，“一控”是指吸能复合支护结构将岩爆隧道围岩产生的米级大变形控制为厘米级变形，降低岩爆灾害的威胁程度。“二隔”是指由钢轨结构体和伺服位移控制体组成的伺服路轨系统，“二控”是指通过伺服路轨系统将隧道中厘米级变形进一步控制在毫米级变形内（＜2mm）。

具体的，如图1所示，本发明涉及一种用于岩爆隧道的防控结构，其改进之处在于，结构包括：

吸能结构，包括由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层，即为初级吸能层；

本申请采用的NPR部件均由NPR新材料建造而成，NPR新材料均具有高恒阻力、高延伸率以及快速吸收能量的特性。通过自身的快速吸收能量特性，可以降低隧道围岩岩爆烈度和发生概率。

部件包括：

NPR钢筋网12，为网状物，采用NPR吸能钢筋网，铺设在隧道围岩表面。具体的，如图4所示，NPR钢筋网12为NPR冷轧光圆钢筋横纵交错接焊接成具有一定网眼数量及尺寸的钢筋网，具有抗冲击、吸收能量、重量轻、承载力高、耐腐蚀等特性，将其紧密铺设在隧道围岩的表面，用来吸收岩爆灾害产生的冲击荷载，防止岩体碎屑崩落伤人。本申请采用NPR冷轧光圆钢筋经横向和纵向成90°交错焊接，形成具有矩形网眼的NPR钢筋网12，其网眼尺寸最佳为100mmx100mm。

锚杆/锚索，不限于NPR锚索或NPR锚杆，在本申请中采用现有技术中的常用结构。本申请在吸能层中采用NPR长锚杆/锚索7和NPR短锚杆/锚索8，在同一截面，以固定的间距进行NPR长锚杆/锚索7和NPR短锚杆/锚索8的布设；在隧道轴向上，不同截面的长锚杆/锚索7和NPR短锚杆/锚索8呈梅花桩形交替布置。

具体为，NPR锚杆/锚索穿过NPR钢筋网12延隧道径向设置于隧道围岩1内。NPR锚杆/锚索，包括同时在隧道轴向和隧道径向交错设置的第一锚索和第二锚索，即NPR长锚杆/锚索7和NPR短锚杆/锚索8。交错设置具体为：在隧道同一径向上设置相同型号的NPR锚杆/锚索，但是在隧道轴向穿插设置NPR长锚杆/锚索和NPR短长锚杆/锚索，可以理解为沿隧道轴向锚索的布置为一排NPR长锚杆/锚索7、一排NPR短锚杆/锚索8、一排NPR长锚杆/锚索7、一排NPR短锚杆/锚索8……依此类推。同时，NPR长锚杆/锚索7和NPR短锚杆/锚索8在径向也是错位设置：延隧道径向将NPR长锚杆/锚索7和NPR短锚杆/锚索8设置在彼此的间隙中，优选的，如图1所示，将NPR长锚杆/锚索7和NPR短锚杆/锚索8两两相错布置。可以理解为在隧道岩壁径向截面上，每两个短锚杆/锚索间隔布置两个长锚杆/锚索；或两个长锚杆/锚索间隔布置两个短锚杆/锚索。

钢带10，在本申请中采用NPR抗爆钢带，为环状体，径向设置于隧道的岩壁上，长度能够同时连接2-3个同类型的NPR锚杆/锚索。具体的，NPR钢带10其形状不限，为圆弧环、矩形环皆可。在本申请的优选实施例中采用的是矩形环，针对NPR锚杆/锚索的设计要求，一般而言，长锚杆/锚索之间的间距比短锚杆/锚索之间的间距宽，为方便布置设计，因此将锚杆/锚设计为长锚杆/锚索、短锚杆/锚索分开两层。并设计不同长短的两种钢带。NPR钢带10长度可依据实际施工情况进行变动，其宽度需与NPR锚杆/锚索的直径大小匹配。为了达到最佳的抗爆效果，其长度和宽度以刚好外接于需要连接的2-3个NPR锚杆/锚索为最佳。

托盘11，在本申请中采用NPR高韧托盘，设置在每个NPR锚杆/锚索上，与NPR钢带10连接，且能够提供给NPR钢带10径向压力，以及锁定NPR锚杆/锚索的预应力。如图2所示为了将NPR托盘11与NPR钢带10达到更好的连接以及抗爆效果，在本申请的一个优选实施例中，还可以将NPR钢带10与NPR托盘11的接触面设置为波浪形弧面。NPR托盘11能够与NPR钢带10凸起的弧面相接，能够达到增压效果。

钢拱架13，采用NPR钢架支护型材，紧贴岩壁，同时在轴向以及径向设置在锚索的空挡间，连接形成封闭环。具体为，如图3所示，在径向上形成与隧道岩壁相贴合的拱架，轴向的拱架与径向的拱架连接形成连接梁，依次将轴向的每两排锚索进行固定，可加固支护效果。连接方式采用焊接为最佳。

上述各个NPR部件的连接构成的隧道围岩初级支护层，即初支吸能层2，其施工方式为：隧道单次开挖步距完成，仔细检查隧道围岩受喷面，彻底清理危石。喷射NPR钢纤维混凝土14以平整表面。全断面铺设NPR钢筋网12，按照设计间距进行排距并布置NPR锚杆/锚索，并根据设计钻取相应深度的钻孔，安装NPR锚杆/锚索、NPR钢带10、NPR托盘11以及NPR钢拱架13。具体为：使用NPR钢带10和NPR托盘11将NPR锚杆/锚索固定在NPR钢筋网12上，并成环布设NPR钢拱架13使之与隧道围岩锁定，最后使用NPR钢纤维混凝土14进行表面喷涂，形成初支吸能层2。其中NPR锚杆/锚索包括NPR长锚杆/锚索和NPR短锚杆/锚索。

如图1所示，本申请的二次衬砌结构与初级支护层之间还设置间隙。具体为：在隧道围岩初级支护层的径向，即在隧道径向，即环向喷射100mm至200mm的泡沫混凝土和有机缓冲材质形成余量空间3，作为预留的隧道围岩变形空间。同时在隧道底部构建隧道仰拱9结构，由NPR钢纤维混凝土浇筑而成。本申请涉及的吸能结构还包括：由NPR钢筋和NPR钢纤维混凝土形成的二次衬砌结构，即形成二衬吸能层4。具体为，在余量空间3形成的内环表面上沿其环向布设NPR钢筋，通过NPR钢纤维混凝土14模筑衬砌施工技术，构成二衬吸能层4。

在本申请涉及的隧道仰拱9结构中，可根据实际岩爆烈度，确定隧道仰拱的深度，以及NPR钢筋绑扎结构的层数。在本申请实施例中，隧道底部支护深度为1000mm，隧道仰拱9中采用的钢筋绑扎结构与二次衬砌结构采用的NPR钢筋绑扎结构相同，为如图5所示为二层绑扎结构，各NPR钢筋端头伸长距离为100mm。在实际应用中，应遵从隧道支护结构设计。

如图5所示，在本申请的优选实施例中，布设二次衬砌结构的NPR钢筋具体为：由横向和纵向垂直交错的NPR钢筋绑扎形成的NPR钢筋绑扎结构。为了更好的达到二衬吸能层4的防岩爆效果，将NPR钢筋绑扎结构设计为双层NPR钢筋绑扎结构。由横纵交错的NPR钢筋形成的网眼大小优选为：100mmx100mm。将NPR钢筋绑扎结构与NPR钢纤维混凝土14进行一体式模筑，形成二次衬砌结构。二衬吸能层4施工完毕后，隧道径向断面形成隧道空间5。

通过NPR钢纤维混凝土模筑衬砌施工技术，形成隧道的二次衬砌结构主要用于隧道岩爆后隧道围岩少量变形的释放。利用NPR高强高韧特性，通过长NPR锚杆/锚索和短NPR锚杆/锚索对隧道围岩进行快速高预应力支护，提高岩体自承载力，同时依托长NPR锚杆/锚索和短NPR锚杆/锚索吸收隧道围岩中赋存的能量，能够降低岩爆灾害发生概率。使用NPR钢筋网12、NPR抗爆钢带、NPR钢拱架和NPR钢纤维混凝土对岩体进行隧道围岩变形控制，将岩爆隧道围岩产生的米级大变形控制为厘米级变形，从而能够有效降低隧道围岩岩爆烈度和危害性，进一步控制隧道围岩变形量，降低对隧道空间5内部的影响。

岩爆隧道防控变形结构中所用的NPR钢纤维混凝土14，是指在普通混凝土中参入乱向分布的短NPR钢纤维所形成的新型多相复合材料。其中的短NPR钢纤维为：不相接的、微型的NPR钢筋，乱向分布，放入混凝土中。依托NPR钢纤维的高延伸率和快速吸能特性，防止岩爆灾害，如爆冲击等发生时对混凝土造成的破坏，如裂缝或破损等等，显著改善了混凝土支护的延性、抗拉、抗弯和抗冲击性能。

本申请实施例中所用的NPR钢筋网12，该网为NPR冷轧光圆钢筋经纬交错接焊接成一定网眼尺寸的NPR吸能钢筋网，具有抗冲击、吸收能量、重量轻、承载力高、耐腐蚀等特性，将其紧密铺设在隧道围岩的表面，用来吸收岩爆灾害产生的冲击荷载，防止岩体碎屑崩落伤人。NPR钢筋网12常见的正方形网眼尺寸为100mmx100mm至400mmx400mm。本申请实施例中所采用的NPR钢筋网12尺寸为100mmx100mm，实际应用中，遵从隧道支护结构设计。

在本申请的初支吸能层2中所用NPR长锚索和NPR短锚杆/锚索的长度与隧道支护强度设计相关，在本申请的优选实施例中采用NPR长锚锚索为3000mm，间排距为1000*1500mm；NPR短锚杆/锚索的长度为1500mm，间排距为1000*1500mm。实际应用中，遵从隧道支护结构设计。并利用张拉设备对NPR长锚索7和NPR短锚杆/锚索8施加预紧力，一般为300 kN左右，达到快速补偿开挖后隧道围岩损失的径向应力，尽可能恢复隧道围岩的三向应力状态，提高隧道围岩的储能能力，降低岩爆风险性。

在本申请的初支吸能层2中NPR钢带和NPR托盘皆由NPR新材料制成。其中NPR钢带10用于将多根NPR锚杆/锚索组合成一个整体，NPR托盘11可锁定NPR锚杆/锚索的高预紧力，进而提高对隧道围岩整体控制。并结合NPR钢筋网12，与隧道围岩形成“点线面”即“锚索-钢筋网-钢带三维一体吸能支护结构。在本申请一优选实施例中NPR钢带尺寸为30mm*4500mm*2mm；NPR托盘尺寸为200mm*200mm*18mm。在实际应用中，需遵从隧道支护结构设计。

在本申请的初支吸能层2中，NPR钢拱架紧贴隧道围岩，及时封闭成环，尽早为隧道围岩提供支护抗力。在本申请一优选实施例中采用的NPR钢拱架型号为HW125，可根据实际支护强度进行调整。

本申请涉及的伺服路轨系统，具体包括路枕和伺服控制系统。伺服控制系统包括能够监测路枕水平错动和沉降即路枕水平位移和垂直位移数据的监测模块、处理分析模块以及控制模块。通过对路枕进行微观调控，将隧道空间5变形产生的变形位移影响进一步减小到毫米级（＜2mm）。可以确保高风险岩爆隧道围岩变形满足高速铁路对隧道空间5的变形要求和标准。

具体的，如图6所示，伺服路轨系统6，置于地面；构成从隧道轴向穿过的轨道；包括：

隔离层15，采用柔性隔离层，使用NPR钢纤维混凝土铺设，作为路基；

耗能层16，采用粘性耗能层，铺设于柔性隔离层之上，作为成型路基；具体为：粘性耗能层16使用聚氨酯固化成道床形状作为成型路基。

路枕17，采用刚性路枕，沿隧道轴向等距铺设于粘性耗能层之中，以固定粘性耗能层；

伺服控制系统18，设置于粘性耗能层和路枕之间，沿路枕中心线对称设置，包括：传感器和伺服控制器；具体的，传感器和伺服控制器为一体式结构，在路枕17的每一侧均设置两组传感器和伺服控制器。

轨道，需在路枕17上平行设置两条轨道，用于列车行进。

传感器包括垂直位移传感器和水平位移传感器；伺服控制器包括垂直位移伺服控制器和水平位移伺服控制器；

在路枕17下方设置垂直位移传感器和垂直位移伺服控制器；在路枕17的两侧设置水平位移传感器和水平位移伺服控制器；优选的，可以将伺服控制器的活动端与路枕17相接触，从而对刚性路枕17位置进行精确调整。

最后在路枕17上铺设轨道。

具体的，伺服路轨控制系统6，从下到上分别为：隔离层15、耗能层16、伺服控制系统18和路枕17结构。隔离层15，使用NPR钢纤维混凝土铺设路基作为柔性隔离层。隔离层15环包住耗能层16，上述粘性耗能层16使用聚氨酯固化成道床形状作为成型路基。

伺服控制系统按模块划分包括监测模块、处理分析模块和控制模块。监测模块为布置在路枕17下方表面的垂直位移传感器和布置在路枕17两端的水平位移传感器，分别监测路枕17的水平位移和垂直升降位移数据；处理分析模块对所传输的数据进行分析计算，并将伺服控制指令传输给控制模块；控制模块分为控制水平位移伺服控制器的水平位移模块和控制垂直位移伺服控制器的垂直升降模块。水平位移伺服控制器的活动端抵住路枕17，且同时与耗能层16接触；垂直位移伺服控制器的活动端布置在路枕17下方，位置不限，能够与耗能层16接触即可。优选的，将垂直位移伺服控制器的活动端也设置在路枕17底部的两端，并且沿路枕17的中心线水平对称布置，以获得更佳的伺服控制效果。即：在每个路枕17的一侧同时设置一个水平位移伺服控制器和一个垂直位移伺服控制器，沿路枕中心线在路枕17的另一侧对称设置另一个水平位移伺服控制器和垂直位移伺服控制器。通过伺服路轨控制系统，将隧道空间5中依然存在的厘米级变形进一步控制在毫米级变形（＜2mm）。

综上，本申请涉及的一种用于岩爆隧道的防控结构，通过其吸能结构能够为隧道空间提供高强度支护，提高隧道围岩自承载力，以及提高支护结构的抗冲击能力，进一步抵抗岩爆灾害；同时通过伺服路轨系统能够通过对路枕进行微观调控，达到隧道围岩毫米级变形的标准。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于岩爆隧道的防控结构，其特征在于，所述结构包括：

吸能结构，包括由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层；以及包括由NPR钢筋和NPR钢纤维混凝土形成的二次衬砌结构；

余量空间，设置在所述初级支护层和二次衬砌支护层之间，作为预留的隧道围岩变形空间；

伺服路轨系统，置于地面；构成通过所述隧道的轨道；

所述吸能结构能够为隧道空间提供高强度支护，提高隧道围岩自承载力，以及提高支护结构的抗冲击能力，进一步抵抗岩爆灾害；同时通过伺服路轨系统能够通过对路枕进行微观调控，达到隧道围岩毫米级变形的标准；

所述由不同的NPR部件连接构成的隧道围岩初级支护层包括：

NPR钢筋网，为网状物，铺设在隧道围岩表面；

NPR锚杆/锚索，穿过所述NPR钢筋网沿隧道径向设置，同时沿隧道轴向均匀分布在隧道围岩内；

NPR钢带，为环状体，设置于隧道径向的岩壁上，能够同时连接2-3个所述NPR锚杆/锚索；

NPR托盘，安装在每个所述NPR锚杆/锚索上，同时设置于所述NPR钢带下方与所述NPR钢带相接触，能够在固定NPR钢带的同时为所述NPR锚杆/锚索施加预应力；

NPR钢拱架，同时在隧道轴向以及隧道径向设置于所述NPR锚杆/锚索的空挡间，连接形成封闭环；

所述NPR锚杆/锚索，包括第一NPR锚杆/锚索和第二NPR锚杆/锚索；所述第一NPR锚杆/锚索和所述第二NPR锚杆/锚索同时在隧道轴向和隧道径向交错设置。

2.如权利要求1所述的用于岩爆隧道的防控结构，其特征在于，所述余量空间的填充物质包括泡沫混凝土和有机缓冲材质；所述余量空间的厚度在100mm至200mm之间。

3.如权利要求2所述的用于岩爆隧道的防控结构，其特征在于，

在所述余量空间形成的内环上沿径向布设NPR钢筋，通过NPR钢纤维混凝土模筑衬砌，构成所述二次衬砌结构。

4.如权利要求1所述的用于岩爆隧道的防控结构，其特征在于，所述伺服路轨系统，包括：

隔离层，使用NPR钢纤维混凝土铺设，作为路基；

耗能层，铺设于所述隔离层之上，作为成型路基；

路枕，沿隧道轴向等距铺设于所述耗能层之中，以固定所述耗能层；

伺服控制系统，设置于所述耗能层和所述路枕之间，沿所述路枕的中心线对称设置，包括：传感器和伺服控制器；

轨道，列车在所述轨道上行进，设置在所述路枕上。

5.如权利要求4所述的用于岩爆隧道的防控结构，其特征在于，

所述传感器包括竖直传感器和水平传感器；所述伺服控制器包括竖直位移伺服控制器和水平位移伺服控制器；

在所述路枕下方设置竖直传感器和竖直位移伺服控制器；在所述路枕侧面设置水平传感器和水平位移伺服控制器。

6.如权利要求4所述的用于岩爆隧道的防控结构，其特征在于，

所述伺服控制系统还包括：

监测模块，包括传感器，用于对路枕的水平位移和竖直升降数据的监测；

处理分析模块，用于对传输的数据进行分析计算，将所述伺服控制器发出的伺服控制指令传输给控制模块；以及

控制模块，包括控制装置，用于对路轨水平方向和竖直方向的控制；

通过伺服路轨控制系统，将隧道空间中依然存在的厘米级变形进一步控制在毫米级变形。