CN208024358U - 一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，主要涉及隧道支护体系技术领域。包括建立于隧道内壁的平衡框架，所述平衡框架包括内层框架、中层框架和外层框架，所述内层框架和外层框架之间设有间隙，所述中层框架上固定有多个扭矩自平衡弹簧架，所述平衡框架的两帮和拱顶均安设防护锚杆，所述防护锚杆贯穿平衡框架且锚杆的外露端设有拱形托盘和受温金属质连铸结晶器，所述平衡框架的拱顶设置注浆锚杆和锚索。本实用新型的有益效果在于：它克服了现有寒区季节性冻土隧道在受温、受力耦合作用下支护技术的不足，解决了力温耦合作用下极软弱围岩隧道的安全隐患。

Description

一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系

技术领域

本实用新型涉及隧道支护体系技术领域，具体是一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系。

背景技术

目前，我国有一半以上的面积属于寒区，主要分布在西部和东北地区，近年来国家级大型基础建设，如南水北调西线工程、青藏铁路、西气东输、西部油气田的开采和输油管道的铺设等都将迎来建设的高峰期，相应的交通网也从东部向西部和北部扩展，建设隧道是优化线路，缩短里程的必要选择。但目前国内外很多寒区隧道都发生了严重的冻害问题，例如日本29％的铁路隧道、34.4％的公路隧道、国内东北和西北地区超过33座隧道、青藏铁路80％的路段均存在不同程度的冻害情况。可见如果不考虑冻害的作用，隧道将会产生严重的损害，威胁行车安全，给国家造成巨大的经济损失。

基于上述寒区隧道冻害问题的高发，以及继续修建寒区铁路的建设需求，使对寒区工程的研究成为行业重点。这类隧道容易出现衬砌冻胀开裂、酥碎、剥落、挂冰、道床冒水、积水及结冰等一系列病害，特别是冬季受低温影响，围岩冻胀变形失稳情况严重。

为解决冻害问题，结合国内隧道工程受温和受力支护问题的现状，目前主要形成以“联合支护理论”和“松动圈理论”为代表的多个隧道支护学派，为隧道(巷道)支护理论的研究做出了重要贡献。但是，上述理论所基于的地质条件以及环境条件的设定较为单一化，不但没有考虑到温度变化的影响，而且也没有将实际建设中，隧道所处工程地质条件的复杂性和对象的多样性考虑在内，使目前较多隧道设计只能停留在经验的工程类比基础上，无法形成统一的理论和支护体系，难以指导实际的工程建设。尤其是对于季节性冻土和极软弱围岩隧道的特殊底层，支护难度非常大，且随着隧道断面尺寸的增加，拱顶永久支护前不稳定且易塌落，支护效果大打折扣。上述问题的存在严重制约着季节冻土区隧道工程的建设。亟需建立能够切实可行的指导性体系的研发。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，它克服了现有寒区季节性冻土隧道在受温、受力耦合作用下支护技术的不足，使支护体系能够提高对抗季节性降温的环境变化以及极软弱围岩地质条件的能力，实现极软弱围岩隧道在降温后对隧道冻胀和受压支护的自平衡，解决了力温耦合作用下极软弱围岩隧道的安全隐患。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

包括建立于隧道内壁的平衡框架，所述平衡框架包括内层框架、中层框架和外层框架，相邻的所述内层框架、中层框架和外层框架之间均设有间隙，所述中层框架上设有多个扭矩自平衡弹簧架，所述扭矩自平衡弹簧架预设回弹力势能的连接在内层框架和外层框架上，所述平衡框架的两帮和拱顶均安设防护锚杆，所述防护锚杆固定在中层框架上，且锚杆的外露端固定有拱形的托盘和受温金属质连铸结晶器，所述托盘和受温金属质连铸结晶器设置于外层框架和隧道内壁之间，所述平衡框架的拱顶设置注浆锚杆和锚索。

所述内层框架、中层框架、和外层框架均由建立在隧道内表面的柔性网和钢筋梯托梁构成，所述外层框架为非连续框架。

所述扭矩自平衡弹簧架包括球形架和弹簧，所述球形架为中空的球形壳体结构，所述弹簧为三根且呈切向固定在球形架上，任意所述弹簧预拉受力方向的夹角为60度，所述球形架固定连接于中层框架上，所述弹簧远离球形壳体的一端在预设回弹力势能的状态下固定在内层框架或外层框架上。

自平衡支护体系施工步骤包括：

步骤1：在隧道荒断面扩刷，并在隧道内建立内层框架、中层框架、和外层框架，所述外层框架与隧道内壁相接触，所述中层框架预留安装孔；

步骤2：所述防护锚杆的内端贯穿外层框架后穿入安装孔，并在端部使用螺母固定，在防护锚杆的外层框架与隧道内壁之间位置安装托盘和受温金属质连铸结晶器，使受温金属质连铸结晶器与隧道内壁相接触；

步骤3：将球形架镶嵌固定在中层框架上，将弹簧在拉神状态下分别固定在外层框架和内层框架上；

步骤4：在平衡框架的拱顶安装注浆锚杆和锚索。

所述锚杆为玻璃钢螺纹锚杆，所述锚索为高强预应力钢绞线锚索，所述柔性网为菱形网孔的高强碳纤维编织网，所述钢筋梯托梁的节点通过焊接固定。

所述锚索通过锚固剂锚入固定在围岩内。

所述锚杆贯穿外层框架的钢筋梯托梁和柔性网，且所述锚杆的内端固定在中层框架的钢筋梯托梁上，所述金属质连铸结晶器设置于托盘与隧道内壁之间，且所述金属质连铸结晶器与隧道内壁相接触，所述金属质连铸结晶器的宽侧为弧形且其中部设有与防护锚杆垂直的椭球形预留腔。

所述金属质连铸结晶器的制作方法为：

1)根据前期工程地质资料、围岩取样后室内低温冻融试验，获得与结晶器接触岩石冻胀系数；

2)假设结晶器与围岩接触面平行方向为C轴、垂直于接触面方向为A轴，根据单位面积(接触面积S、高度1)结晶器膨胀量与围岩冻胀量等效，根据Mrozowski算式，α＝Aα_c+(1-A)α_a(α_a为A轴方向的膨胀系数、α_c为C轴方向的膨胀系数)；A为结构端面参数；结晶器体积按照V＝αS，进行计算，获得几何尺寸及厚度；

3)根据获得的尺寸，使用NiCuZn质铁氧体坯块低温烧结法制作金属质连铸结晶器，烧结过程使结晶器外形为两端弧形，并在中部预留椭圆形预留腔。

对比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过建立极软弱围岩隧道受力自平衡系统和季节性降温防冻胀受温自平衡系统，克服了现有寒区季节性冻土隧道在受温、受力耦合作用下支护技术的不足，使支护体系能够提高对抗季节性降温的环境变化以及极软弱围岩地质条件的能力，可较好的控制极软弱围岩隧道变形与冻胀而造成的拱顶离层、垮塌，实现极软弱围岩隧道在降温后对隧道冻胀和受压支护的自平衡，避免季节冻土冬季降温时因冻胀造成的隧道二次支护体系破坏，解决了力温耦合作用下极软弱围岩隧道的安全隐患。

本支护体系支护强度高、适应性强、施工成本低，对实际建设具有较高的指导价值。

附图说明

附图1是本实用新型支护结构的示意图。

附图2是本实用新型附图1的I部放大图。

附图3是本实用新型防护锚杆的剖面示意图。

附图4是本实用新型防护锚杆的使用状态示意图。

附图中所示标号：

1、平衡框架；101、内层框架；102、外层框架；103、间隙；104、中层框架；

2、扭矩自平衡弹簧架；201、球形架；202、弹簧

3、防护锚杆；301、托盘；302、受温金属质连铸结晶器；303、预留腔；

4、注浆锚杆；5、锚索。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

本实用新型是一种一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，主体结构包括建立于隧道内壁的平衡框架1，所述平衡框架1包括内层框架101、中层框架104和外层框架102，相邻的所述内层框架101、中层框架104和外层框架102之间均设有间隙103，从而使平衡框架1形成自内而外的三层框架体系，所述中层框架104上设有多个扭矩自平衡弹簧202架2，所述扭矩自平衡弹簧202架2预设回弹力势能的连接在内层框架101和外层框架102上，当隧道围岩受力或软弱层失效时，外层框架102受力后，通过扭矩自平衡弹簧202架2依次传递到中层框架104和内层框架101，从而减弱大部分负面影响。所述平衡框架1的两帮和拱顶均安设防护锚杆3，所述防护锚杆3固定在中层框架104上，当锚固系统受力过大或失效时，防护锚杆3直接将受力分担于中层框架104，所述中层框架104再次通过扭矩自平衡弹簧202架2将受力进行内、外层的传递，基本将作用力进行了卸载。从而可知，通过本技术设置的三层框架结构，结合扭矩自平衡弹簧202架2在传递受力时对作用力的吸收卸载和减弱作用，实现受力自平衡。所述锚杆的外露端固定有拱形的托盘301和受温金属质连铸结晶器302，所述托盘301和受温金属质连铸结晶器302设置于外层框架102和隧道内壁之间，受温金属质连铸结晶器302在低温作用后产生体缩，该体积变化量与围岩温度冻胀量基本相当，抵消因低温作用后围岩冻胀力，减少温度降低和冻土对支护体系的不良影响，实现变温情况下的自平衡。所述平衡框架1的拱顶设置注浆锚杆4和锚索5。

所述内层框架101、中层框架104、和外层框架102均由建立在隧道内表面的柔性网和钢筋梯托梁构成，所述外层框架102为非连续框架。

所述扭矩自平衡弹簧202架2包括球形架201和弹簧202，所述球形架201为中空的球形壳体结构，所述弹簧202为三根且呈切向固定在球形架201上，任意所述弹簧202预拉受力方向的夹角为60度，所述球形架201固定连接于中层框架104上，所述弹簧202远离球形壳体的一端在预设回弹力势能的状态下固定在内层框架101或外层框架102上。从而实现自平衡弹簧202架与三层框架结构的协同配合，使中层框架104能够较均匀的将受力向内外两侧传递和卸载，也能够使外层框架102的受力及变化在向内的传递中依次被吸收和减弱。自平衡效果很好。

自平衡支护体系施工步骤包括：

步骤1：在隧道荒断面扩刷，并在隧道内建立内层框架101、中层框架104、和外层框架102，所述外层框架102与隧道内壁相接触，所述中层框架104预留安装孔；

步骤2：所述防护锚杆3的内端贯穿外层框架102后穿入安装孔，并在端部使用螺母固定，在防护锚杆3的外层框架102与隧道内壁之间位置安装托盘301和受温金属质连铸结晶器302，使受温金属质连铸结晶器302与隧道内壁相接触；

步骤3：将球形架201镶嵌固定在中层框架104上，将弹簧202在拉神状态下分别固定在外层框架102和内层框架101上；

步骤4：在平衡框架1的拱顶安装注浆锚杆4和锚索5。

所述锚杆为玻璃钢螺纹锚杆，所述锚索5为高强预应力钢绞线锚索5，所述柔性网为菱形网孔的高强碳纤维编织网，所述钢筋梯托梁的节点通过焊接固定。

所述锚索5通过锚固剂锚入固定在围岩内。

所述锚杆贯穿外层框架102的钢筋梯托梁和柔性网，且所述锚杆的内端固定在中层框架104的钢筋梯托梁上，所述金属质连铸结晶器设置于托盘301与隧道内壁之间，且所述金属质连铸结晶器与隧道内壁相接触，所述金属质连铸结晶器的宽侧为弧形且其中部设有与防护锚杆3垂直的椭球形预留腔303。

为了使所述金属质连铸结晶器与施工地域的地质环境更加对应，发挥最为行之有效的防冻胀变形效果，需要根据当地地质情况制作金属质连铸结晶器，其制作方法为：

1)根据前期工程地质资料、围岩取样后室内低温冻融试验，获得与结晶器接触岩石冻胀系数；

2)假设结晶器与围岩接触面平行方向为C轴、垂直于接触面方向为A轴，根据单位面积(接触面积S、高度1)结晶器膨胀量与围岩冻胀量等效，根据Mrozowski算式，α＝Aα_c+(1-A)α_a(α_a为A轴方向的膨胀系数、α_c为C轴方向的膨胀系数)；A为结构端面参数；结晶器体积按照V＝αS，进行计算，获得几何尺寸及厚度；

3)根据获得的尺寸，使用NiCuZn质铁氧体坯块低温烧结法制作金属质连铸结晶器，烧结过程使结晶器外形为两端弧形，并在中部预留椭圆形预留腔303。

实施例1：一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，主体结构包括建立于隧道内壁的平衡框架1，施工时在隧道荒断面扩刷，在隧道内表面建立内外三层钢筋梯托梁，钢筋梯托梁上铺设柔性网，从而分别形成内层框架101中层框架104和外层框架102，其中，外层框架102为非连续框架，且与隧道内壁表面相接触，所述中层框架104上预设安装孔。所述柔性网为菱形网孔的高强碳纤维编织网，所述钢筋梯托梁的节点通过焊接固定。在内层框架101和中层框架104之间；以及中层框架104和外层框架102之间预留空隙形成间隙103，并在中层框架104上嵌入和固定扭矩自平衡弹簧202架2，所述扭矩自平衡弹簧202架2包括球形架201和弹簧202，所述球形架201为中空的球形壳体结构并固定在中层框架104上，所述弹簧202为三根且呈切向固定在球形架201上，任意所述弹簧202预拉受力方向的夹角为60度，其中两个弹簧202的外端在拉神状态下固定安装在外层框架102的钢筋梯托梁上，其余一个弹簧202的内端在拉神状态下固定安装在外层框架102的钢筋梯托梁上。所述隧道的拱顶和两帮安设防护锚杆3，所述锚杆为玻璃钢螺纹锚杆，所述锚索5通过锚固剂锚入固定在围岩内。防护锚杆3的内端贯穿外层框架102并固定在中层框架104的钢筋梯托梁上，所述防护锚杆3的内端穿入预设的安装孔，并通过螺母固定。所述防护锚杆3上设有高强的拱形托盘301和受温金属质连铸结晶器302进行初次支护，所述托盘301和受温金属质连铸结晶器302位于外层框架102和隧道内壁之间，且所述托盘301为拱形的托盘301，用于将受温金属质连铸结晶器302固定，使受温金属质连铸结晶器302与隧道内壁的岩石相接触。所述金属质连铸结晶器的宽侧为弧形且其中部设有与防护锚杆3垂直的椭球形预留腔303。所述平衡框架1的拱顶设置注浆锚杆4和锚索5，所述锚索5为高强预应力钢绞线锚索5。

Claims (6)

1.一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，其特征在于：包括建立于隧道内壁的平衡框架(1)，所述平衡框架(1)包括内层框架(101)、中层框架(104)和外层框架(102)，相邻的所述内层框架(101)、中层框架(104)和外层框架(102)之间均设有间隙(103)，所述中层框架(104)上设有多个扭矩自平衡弹簧架(2)，所述扭矩自平衡弹簧架预设回弹力势能的连接在内层框架(101)和外层框架(102)上，所述平衡框架(1)的两帮和拱顶均安设防护锚杆(3)，所述防护锚杆(3)固定在中层框架(104)上，且锚杆的外露端固定有拱形的托盘(301)和受温金属质连铸结晶器(302)，所述托盘(301)和受温金属质连铸结晶器(302)设置于外层框架(102)和隧道内壁之间，所述平衡框架(1)的拱顶设置注浆锚杆(4)和锚索(5)。

2.根据权利要求1所述一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，其特征在于：所述内层框架(101)、中层框架(104)、和外层框架(102)均由建立在隧道内表面的柔性网和钢筋梯托梁构成，所述外层框架(102)为非连续框架。

3.根据权利要求1所述一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，其特征在于：所述扭矩自平衡弹簧架(2)包括球形架(201)和弹簧(202)，所述球形架(201)为中空的球形壳体结构，所述弹簧(202)为三根且呈切向固定在球形架(201)上，任意所述弹簧预拉受力方向的夹角为60度，所述球形架(201)固定连接于中层框架(104)上，所述弹簧远离球形壳体的一端在预设回弹力势能的状态下固定在内层框架(101)或外层框架(102)上。

4.根据权利要求2所述一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，其特征在于：所述锚杆(4)为玻璃钢螺纹锚杆，所述锚索(5)为高强预应力钢绞线锚索(5)，所述柔性网为菱形网孔的高强碳纤维编织网，所述钢筋梯托梁的节点通过焊接固定。

5.根据权利要求1所述一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，其特征在于：所述锚索(5)通过锚固剂锚入固定在围岩内。

6.根据权利要求2所述一种季节冻土极软弱隧道受温多层锚固自平衡支护体系，其特征在于：所述锚杆贯穿外层框架(102)的钢筋梯托梁和柔性网，且所述锚杆的内端固定在中层框架(104)的钢筋梯托梁上，所述金属质连铸结晶器设置于托盘(301)与隧道内壁之间，且所述金属质连铸结晶器与隧道内壁相接触，所述金属质连铸结晶器的宽侧为弧形且其中部设有与防护锚杆(3)垂直的椭球形预留腔(303)。