CN116291603A - 一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构及设计方法，属于隧道及地下工程技术领域。该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构由隔离板、弹性波纹板和板后充填物组成，弹性波纹板、隔离板通过锚杆或铆钉固定于围岩上，板后充填物保证围岩压力均匀作用在弹性波纹板上，隔离板则为弹性波纹板预留了足够的变形空间。该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构一方面允许围岩通过变形释放部分的地应力、发挥围岩的自承能力，另一方面弹性波纹板以径向均匀收缩适应围岩的径向挤压，将围岩的挤压变形均匀转变为波纹板的环向变形，弹性波纹板变形后仍能与初期支护密贴，协同受力，不影响隧道受力环境及支护承载能力。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构及设计方法。
背景技术
当隧道遭遇软岩大变形时，通常采用增加锚杆长度、增加钢拱架刚度或者在钢拱架上设置可缩式接头等支护方案。但各方案均存在其局限性：①隧道内实施长锚杆工艺要求高、造价高，且施工进度慢。②增加钢拱架刚度采用刚性支护，则允许变形小，不能充分释放地应力、发挥围岩的承载力，且钢拱架自身的承载能力有限，易发生钢拱架过早破坏而无法起到控制围岩变形的作用。③钢拱架上设置可缩式接头，可允许钢拱架沿隧道环向收缩变形，以两车道公路隧道为例，收敛变形与支护宽度之比Ua/a(Ua为变形量；a为隧道支护宽度)达到3％为中等大变形，隧道支护宽度约13m，则可缩式接头需要设置的收缩变形值不宜小于2×π×13×3％＝2.45m。而且，接头处抗弯刚度削弱，钢拱架整体承载能力也降低。此外，该方案要求可缩式接头处为轴心受压构件，才能有效收缩变形，由于地下工程的地质复杂性，现场多有出现钢拱架可缩式接头处并没有发生预期的收缩，无法满足隧道大变形的要求。
发明内容
本发明提供一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构及设计方法，一方面允许围岩通过变形释放部分的地应力、发挥围岩的自承能力，另一方面弹性波纹板以径向均匀收缩适应围岩的径向挤压，弹性波纹板变形后仍能与初期支护密贴，协同受力，可应用于隧道大变形和抗震设计。
本发明采用的技术方案为：
一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构，该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构包括弹性波纹板、板后填充物和隔离板；所述弹性波纹板上设有若干呈波纹状的形变弯曲，其一侧贴近于隧道围岩，其另一侧设有隔离板，弹性波纹板和隔离板通过锚杆或铆钉固定于隧道围岩上；所述板后填充物填充于弹性波纹板与围岩之间的缝隙。
进一步，所述隔离板远离弹性波纹板一侧靠近隧道承载钢架，其与隧道承载钢架之间设有钢筋网片。
进一步，所述弹性波纹板和隔离板的铺设位置为：与软岩大变形隧道主应力垂直的部位或隧道全环铺设。
进一步，所述弹性波纹板由若干块拼接构成，接头处搭接；每块弹性波纹板沿波峰或波谷处预有一排孔洞，孔洞满足锚杆或铆钉穿过及注浆。
一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法，该设计方法基于上述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构，包括以下步骤：
步骤1根据隧道预测大变形等级计算隧道需要预留的收缩量，或根据抗震设防要求，确定隧道需要预留的变形量；
步骤2依据隧道的变形量计算弹性波纹板需要的收缩量；
步骤3结合计算的弹性波纹板所需收缩量，选取合适的弹性波纹板几何物理参数；
步骤4现场实测隧道的围岩压力，对弹性波纹板的稳定性、变形特征进行验算，以校核波纹板几何物理参数选取的合理性；
步骤5依据地应力的主应力方向实测结果，并结合弹性波纹板的变性特征及施工工艺，确定波纹板的布设部位。
根据权利要求5所述的适用于软岩大变形隧道的可缩式波纹板结构的设计方法，其特征在于：步骤1中，变形隧道的收缩量通过下式进行计算：
Ua＝a×n
式中，Ua为大变形隧道收缩变形量；a为隧道开挖宽度；n为不同大变形等级对应的变形量与隧道开挖宽度之比。
进一步，步骤2中，弹性波纹板的收缩量取大变形隧道收缩变形量的k倍，k为软岩大变形隧道预留变形量的富余系数。
进一步，步骤3中，弹性波纹板所需收缩量与几何物理参数之间的关系可以通过下式进行计算：
kan＝h-t
式中，h为弹性波纹板的波高；t为弹性波纹板的厚度。
进一步，步骤5中，弹性波纹板应当预留出足够的变形空间，预留变形量通过下式进行计算：
式中，α为波纹板圆弧段的圆心角；r为波纹板圆弧段半径；d为波纹板公切线段的长度，λ为波纹板的波长。
本发明的有益效果是：
1、该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构为隧道大变形处治方案提供了一种新的方式，利用拱式结构在竖向力作用下产生水平推力，水平推力使弹性波纹板径向收缩变形的原理，将围岩沿隧道径向的挤压变形均匀转变为弹性波纹板沿隧道径向的收缩和沿隧道环向的变形，从而实现弹性波纹板与围岩协同变形，实现围岩自承力的有效利用，同时也区别于采用强支护强行限制围岩变形的方法，围岩压力能够得到部分释放，能够有效改善隧道支护结构的受力状态。
2、采用该种可缩式波纹板结构，不对钢架结构进行复杂的改造，在不改变隧道初期支护及二次衬砌受力环境以及维持钢拱架自身的承载能力的前提下，使围岩的变形能通过钢拱架外侧的可缩式波纹板构件的变形来完全消化、吸收，充分发挥围岩的自承能力。
3、弹性波纹板靠近围岩侧设置板后填充物，可以将围岩压力均匀传递至弹性波纹板，使弹性波纹板发生均匀的收缩变形；弹性波纹板与初支钢架之间铺设隔离板，避免初支喷射混凝土填充空隙，可为弹性波纹板的变形提供足够的变形空间。
4、该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构采用市面常见材料，原材料易采购，施作不需要专业的机械设备，不需要太大的施工空间，不占用太多的施工时间，能够应对较大的围岩变形量，具有工艺成熟、便于施工，且造价低的特点，适用于隧道的中等、强烈大变形工况。
附图说明
图1为该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的结构示意图；
图2为该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构原理示意图；
图3为该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构设计方法的流程图；
图4为弹性波纹板预留变形量分析图；
图5为弹性波纹板局部铺设于与主应力垂直的部位的示意图；
图6为弹性波纹板全环铺设的示意图；
图1—6中，1—弹性波纹板，2—板后填充物，3—隔离板，4—钢筋网片，5—隧道承载钢架，6—初支喷射混凝土，7—二衬模筑钢筋混凝土，8—隧道围岩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，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在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，处理图中示出的方位之外，空间术语意在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定为在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位，这里所用的空间相对说明可以相应地解释。
针对隧道遭遇软岩大变形时，采用增加锚杆长度、增加钢拱架刚度或者在钢拱架上设置可缩式接头等支护方案存在的各种问题，本实施例为隧道大变形处治方案提供了一种新的方式，即提供种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构。
如图1所示，该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构位于初支喷射混凝土6外侧的隧道承载钢架5与隧道围岩8之间，该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构由弹性波纹板1、板后填充物2和隔离板3构成，弹性波纹板1位于靠近隧道围岩8一侧，弹性波纹板1远离隧道围岩8一侧设有隔离板3，弹性波纹板1和隔离板3通过锚杆或铆钉固定于隧道围岩8上，弹性波纹板1与隧道围岩8之间缝隙填充有板后填充物2。
其中，隔离板3可以采用金属或者高强度材料制成的薄板，主要目的是防止喷射混凝土填充隧道承载钢架5与弹性波纹板1之间的空隙，为弹性波纹板1预留变形空间。弹性波纹板1可采用钢波纹板，弹性波纹板1整体由若干块弹性波纹板搭接构成，如图2所示，弹性波纹板1受挤压前如图中A所示，受挤压后如图中B所示，弹性波纹板1利用拱式结构在竖向力作用下产生水平推力，水平推力使弹性波纹板1径向收缩变形的原理，将隧道围岩8沿隧道径向的挤压变形均匀转变为弹性波纹板1的径向收缩和环向变形，实现隧道围岩8压力的充分释放和隧道围岩8自承力的有效利用，并维持钢拱架自身的承载能力。板后填充物2可采用模筑混凝土或砂浆，使隧道围岩8与弹性波纹板1之间空隙填充密实，隧道围岩8压力可以均匀传递至弹性波纹板1。
该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法如下：
对于有预防收敛变形需求的隧道，可以通过以下步骤进行来进行该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计，流程如图3所示：
步骤1、根据隧道预测大变形等级计算隧道需要预留的收缩量，或根据抗震设防要求，确定隧道需要预留的变形量。
大变形隧道的收缩量可以通过下式进行计算：
Ua＝a×n
式中，Ua为大变形隧道收缩变形量；a为隧道开挖宽度；n为不同大变形等级对应的变形量与隧道开挖宽度之比，可现场实测取值或按照《公路隧道设计规范第一册土建工程》(JTG 3370.1-2018)取值。
步骤2、依据隧道的变形量计算弹性波纹板1需要的收缩量，假设软岩大变形隧道围岩8沿隧道径向的挤压变形量Ua全部由弹性波纹板1吸收，且弹性波纹板1的变形能力还留有一定的富余，根据弹性波纹板1与隧道围岩8协同变形的特征，弹性波纹板1的收缩量取大变形隧道收缩变形量的k倍。
k为软岩大变形隧道预留变形量的富余系数，一般先取1.5—2.0，然后根据现场试验再确定。
步骤3、结合计算的弹性波纹板1所需收缩量，选取合适的弹性波纹板1几何物理参数。
所需收缩量与几何物理参数之间的关系可以通过下式进行计算：
kan＝h-t
式中，h为弹性波纹板1的波高；t为弹性波纹板1的厚度。
步骤4、现场实测隧道围岩8的压力，对弹性波纹板1的稳定性、变形特征进行验算，以校核弹性波纹板1几何物理参数选取的合理性。
步骤5、依据地应力的主应力方向实测结果，并结合弹性波纹板1的变性特征及施工工艺，确定弹性波纹板1的布设部位。当无法确定地应力的主应力方向，或隧道的全周地应力均较大时，可全环布设。
另外，应当为弹性波纹板1沿隧道环向的变形预留出足够的变形空间，弹性波纹板1一般由圆弧以及两个圆弧之间的公切线组成，如图4所示，预留变形量可通过下式进行计算：
式中，α为弹性波纹板1圆弧段的圆心角；r为弹性波纹板1圆弧段半径；d为弹性波纹板1公切线段的长度，λ为弹性波纹板1的波长。
利用上述适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法对适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构进行设计后，即可进行该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的具体施工，具体施工过程如下：
(1)对于软岩大变形隧道，在隧道大变形段落开挖完成后，沿隧道环向在初期支护的隧道承载钢拱架靠隧道围岩8侧铺设弹性波纹板1以及隔离板3。若已探明地应力主应力方向，弹性波纹板1可局部铺设于与主应力垂直的部位，如图5所示；若未探明，则可全环铺设，如图6所示。
2)弹性波纹板1整体由若干块弹性波纹板搭接构成，两块弹性波纹板接头处采用简易搭接，每块弹性波纹板中间沿波峰或波谷预留一排孔洞，该孔洞兼做固定孔及板后注浆孔用。
(3)弹性波纹板1及隔离板3采用锚杆或铆钉穿过位于弹性波纹板1中间的预留孔固定，钢筋网片4、隧道承载钢架5全环布设，而后依次施作板后填充物2、初支喷射混凝土6及二衬模筑钢筋混凝土7等衬砌结构。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构，其特征在于：该适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构包括弹性波纹板、板后填充物和隔离板；所述弹性波纹板上设有若干呈波纹状的形变弯曲，其一侧贴近于隧道围岩，其另一侧设有隔离板，弹性波纹板和隔离板通过锚杆或铆钉固定于隧道围岩上；所述板后填充物填充于弹性波纹板与围岩之间的缝隙。
2.根据权利要求1所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构，其特征在于：所述隔离板远离弹性波纹板一侧靠近隧道承载钢架，其与隧道承载钢架之间设有钢筋网片。
3.根据权利要求1所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构，其特征在于：所述弹性波纹板和隔离板的铺设位置为：与软岩大变形隧道主应力垂直的部位或隧道全环铺设。
4.根据权利要求1所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构，其特征在于：所述弹性波纹板由若干块拼接构成，接头处搭接；每块弹性波纹板沿波峰或波谷处预有一排孔洞，孔洞满足锚杆或铆钉穿过及注浆。
5.一种适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法，该设计方法基于权利要求1-4任一所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1根据隧道预测大变形等级计算隧道需要预留的收缩量，或根据抗震设防要求，确定隧道需要预留的变形量；
步骤2依据隧道的变形量计算弹性波纹板需要的收缩量；
步骤3结合计算的弹性波纹板所需收缩量，选取合适的弹性波纹板几何物理参数；
步骤4现场实测隧道的围岩压力，对弹性波纹板的稳定性、变形特征进行验算，以校核波纹板几何物理参数选取的合理性；
步骤5依据地应力的主应力方向实测结果，并结合弹性波纹板的变性特征及施工工艺，确定波纹板的布设部位。
6.根据权利要求5所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法，其特征在于：步骤1中，变形隧道的收缩量通过下式进行计算：
Ua＝a×n
式中，Ua为大变形隧道收缩变形量；a为隧道开挖宽度；n为不同大变形等级对应的变形量与隧道开挖宽度之比。
7.根据权利要求5所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法，其特征在于：步骤2中，弹性波纹板的收缩量取大变形隧道收缩变形量的k倍，k为软岩大变形隧道预留变形量的富余系数。
8.根据权利要求5所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法，其特征在于：步骤3中，弹性波纹板所需收缩量与几何物理参数之间的关系可以通过下式进行计算：
kan＝h-t
式中，h为弹性波纹板的波高；t为弹性波纹板的厚度。
9.根据权利要求5所述的适用于软岩隧道的可缩式波纹板结构的设计方法，其特征在于：步骤5中，弹性波纹板应当预留出足够的变形空间，预留变形量通过下式进行计算：
式中，α为波纹板圆弧段的圆心角；r为波纹板圆弧段半径；d为波纹板公切线段的长度，λ为波纹板的波长。
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