CN106988759A - 泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，它包括初衬和二次衬砌层，初衬上打有锚杆，所述初衬采用泡沫混凝土喷射而成；该初衬具有减震效果，将传统初衬与减震层合二为一，既满足初期支护的要求又能实现减震层的功能。泡沫混凝土具有良好的吸能减震性能，能有效地减少地震波的能量传到二次衬砌层等结构，减小地震波对隧道整体结构的破坏；有效提高初衬的抗震、抗冲击、抗裂和耐久性能；提高初衬的延性、降低其脆性；延长隧道对地震的响应时长；有效促进地应力重新分配和吸收地震能量，抵抗主要地震力，有效减少地震力对隧道结构的破坏；能够有效减少施工工序、减小工程成本，总体经济效益和社会效益较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道结构，尤其涉及一种泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构。
背景技术
隧道是一种埋置于岩土层内的地下建（构）筑物，发生地震时，地下结构将与围岩一起运动。一般认为，围岩的振动加速度小于地面结构的加速度，围岩有足够的刚度和强度保持隧道结构不发生变形或破坏，从而认为隧道具有良好的抗减震性能。但是，1995年日本阪神大地震造成部分隧道发生严重的破坏；1999年台湾集集大地震造成25km范围内约25%的隧道发生严重的损坏；2008年汶川大地震造成灾区大部分隧道发生严重的坍塌、开裂等灾害。以上的震害实例让人们逐渐认识到地下结构在强震作用下同样容易发生严重的破坏。地下结构的震害机理与抗减震的措施逐渐被学者所重视，并开展相关的研究。
查阅世界上以往的隧道震害历史资料可知，地震对隧道的破坏是客观存在的。例如：1906年美国旧金山发生了8.3级大地震，其中有两条隧道横穿圣安德烈斯断裂带，这两个隧道遭受到了严重的所害，其中主要的损害是木梁柱发生了折断，轨道产生上凸，奈特一号隧洞水平错动达到了1.37m；1923年日本关东发生了 7.9 级的大地震，其中在此次地震的震区内有116座铁路隧道，其中82座隧道遭受了破坏，大部分发生的破坏是边墙塌落、衬砌开裂产生的破坏，东京附近 25 个隧道被损坏，其中14个隧道洞身遭到破坏；1952年美国克思发生的7.7级地震导致穿越断裂带的4座铁路隧道产生严重损害；1952 年美国加州克恩郡发生了7.6 级的地震，其中位于南太平洋穿越白狼断层破碎带的四个隧道遭到了严重的破坏；1978 年，日本伊豆尾岛发生了7.0 级的大地震，其中Inatori隧道出现了一条大断层，在地震的作用下，隧道中央地段产生破坏，初衬产生严重的开裂情况，拱顶混凝土产生剥落现象，钢筋被拉断，衬砌也严重变形，并且塌入了大量的土和石头。
地震对既有隧道造成严重破坏后，导致隧道洞身修复极其困难，甚至有可能造成行车中断、隧道永久封闭，这将给交通造成很大的不便和给国家经济的发展造成严重的损失。
我国是世界地震多发的国家之一，随着我国社会经济的快速发展，公路、铁路、地铁隧道等地下结构日益增多，越来越多的隧道会穿越高烈度地震多发区，新建隧道与既有隧道都面临地震灾害的威胁。在汶川地震中，都汶公路上的多座隧道都不同程度地受到地震的破坏。在隧道的结构中，初衬直接承受围岩的压力，隧道能否正常运营使用，关键看初衬结构的稳定性。在地震发生时，围岩的摆动直接作用在初衬结构上，初衬的动稳定性与吸收地震波能量的性能成为隧道在地震作用下不被破坏的关键因素。而我国地下结构相关的抗震规范方面还未提出行之有效的减震材料和减震措施。研究地下结构减震材料与新型隧道减震构造具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将初衬与减震结构合二为一，既达到初期支护的要求又达到了施加减震层目的的泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，能够有效的减少建设成本、简化施工工序。
本发明提供的这种泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，它包括初衬和二次衬砌层，初衬上打有锚杆，所述初衬采用泡沫混凝土喷射而成；该初衬具有减震效果，将传统初衬与减震层合二为一，既满足初期支护的要求又能实现减震层的功能。
为了保证使用效果，使所述初衬的厚度介于15—20cm之间，所述泡沫混凝土的抗压强度大于20MPa。
作为优选，所述泡沫混凝土由以下材料配比制作，包括水泥600kg/m3、水250kg/m3、泡沫0.8 m3/m3、防水剂5 kg/m3、减水剂6.5kg/m3、防冻剂13 kg/m3，纤维1kg/m3，促凝剂30kg/m3和珍珠岩108kg/m3，按照如下步骤制作：
所述泡沫混凝土的制作流程为：
①使用发泡机制作泡沫；
②混合各种原料与搅拌均匀；
③加入发泡完全的泡沫；
④混合均匀搅拌；
⑤浇筑成型；
⑥养护。
本发明在实际运用当中具体实施如下：隧道开挖后，围岩变形基本稳定，将锚杆按照设计施做锚杆，再向隧道壁喷射泡沫混凝土至泡沫混凝土厚度介于15—20cm为止，并将连接处做圆滑处理形成初衬，形成一种兼顾承载围岩荷载与吸收地震波能量功能的隧道初衬减震结构。
泡沫混凝土具有良好的吸能减震性能，能够有效地减少地震波的能量传到二次衬砌层等结构，大大减小了地震波对隧道整体结构的破坏；能够有效提高初衬的抗震、抗冲击、抗裂和耐久性能；提高初衬的延性、降低其脆性；延长隧道对地震的响应时长；能够有效促进地应力重新分配和吸收地震能量，抵抗主要地震力，并有效地减少地震力对隧道结构的破坏；能够有效减少施工工序、减小工程成本，总体经济效益和社会效益较好。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的横断面放大示意图。
图2为地震波时程曲线。
图3是选用常规混凝土作为初衬材料时隧道二次衬砌层的轴力分布图。
图4是选用泡沫混凝土作为初衬材料时隧道二次衬砌层的轴力分布图。
图示序号：
1—初衬、2—二次衬砌层、3—锚杆。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供的这种泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，它包括初衬1和二次衬砌层2，初衬1上打有锚杆3，初衬采用抗压强度大于20MPa的泡沫混凝土喷射而成，初衬的厚度介于15—20cm之间。
这种泡沫混凝土的配比为：600kg/m3、水250kg/m3、泡沫0.8 m3/m3、防水剂5 kg/m3、减水剂6.5kg/m3、防冻剂13 kg/m3，纤维1kg/m3，促凝剂30kg/m3和珍珠岩108kg/m3。
所述泡沫混凝土的制作流程为：①使用发泡机制作泡沫→②混合各种原料与搅拌均匀→③加入发泡完全的泡沫→④混合均匀搅拌→⑤浇筑成型→⑥养护。
在实际运用过程中在隧道某区段施工开挖后并等围岩变形基本稳定后按照设计的位置施做锚杆，再喷射按照水泥600kg/m3、水250kg/m3、泡沫0.8 m3/m3、防水剂5 kg/m3、减水剂6.5kg/m3、防冻剂13 kg/m3，纤维1kg/m3，促凝剂30kg/m3和珍珠岩108kg/m3配置的泡沫混凝土已形成初衬。待围岩与初衬变形稳定后开始实作二次衬砌支护。这种泡沫混凝土不仅具有一定的强度而且还要具有一定的柔度，即所谓的“刚柔并济”，能够很好的用于承受静力荷载的同时承受地震波的动力荷载。
采用数值模拟的方式，对比本实施例提供的这种隧道结构与常规混凝土初衬隧道结构的情况进行对比，首先建立计算模型。计算模型中，选取马蹄形隧道埋深12m，洞径8m，左右边界各为60m，下边界80m，纵向长度20m。将本实施例中泡沫混凝土初衬的厚度选择为15cm，常规混凝土初衬的厚度选择为为10cm。输入的地震波为汶川地震波。从宏观上考虑锚杆的加固效应，在实际分析中采用在一定范围内提高围岩力学参数来模拟锚杆对围岩的加固效应。围岩与支护结构的物理力学参数如表1所示。
由数值模拟计算得到，加入如图2所示的地震波，常规混凝土初衬在地震波作用下的轴力如图3所示，在拱脚与拱肩处的轴力最大，左拱脚的最大值为1987.8kN。本实施例在地震波作用下的轴力如图4所示，左拱脚轴力最大值为1021.1 kN。由图3与图4比较可知泡沫混凝土作为隧道初衬的材料时，隧道衬砌的轴力较小，比常规的衬砌轴力减小48.63%。可见泡沫混凝土作为衬砌结构能够有效地减小衬砌所受到的地震力，避免了隧道在地震作用下发生破坏。
可见通过本实施例的运用能够有效地减少地震波的能量传到二次衬砌层等结构，大大减小了地震波对隧道整体结构的破坏；能够有效提高初衬的抗震、抗冲击、抗裂和耐久性能；提高初衬的延性、降低其脆性；延长隧道对地震的响应时长；能够有效促进地应力重新分配和吸收地震能量，抵抗主要地震力，并有效地减少地震力对隧道结构的破坏；能够有效减少施工工序、减小工程成本，总体经济效益和社会效益较好。
Claims (4)
1.一种泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，它包括初衬和二次衬砌层，初衬上打有锚杆，其特征在于：所述初衬采用泡沫混凝土喷射而成；该初衬具有减震效果，将传统初衬与减震层合二为一，既满足初期支护的要求又能实现减震层的功能。
2.根据权利要求1所述的泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，其特征在于：所述初衬的厚度介于15—20cm之间，所述泡沫混凝土的抗压强度大于20MPa。
3.根据权利要求2所述的泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，其特征在于：所述泡沫混凝土由以下材料配比制作，包括水泥600kg/m3、水250kg/m3、泡沫0.8 m3/m3、防水剂5kg/m3、减水剂6.5kg/m3、防冻剂13 kg/m3，纤维1kg/m3，促凝剂30kg/m3和珍珠岩108kg/m3，按照如下步骤制作。
4.根据权利要求3所述的泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，其特征在于：所述泡沫混凝土的制作流程为：
①使用发泡机制作泡沫；
②混合各种原料与搅拌均匀；
③加入发泡完全的泡沫；
④混合均匀搅拌；
⑤浇筑成型；
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