CN111140266A - 一种适用于软岩大变形的隧道支护结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于软岩大变形的隧道支护结构，包括钢架支撑结构和铺设在软岩大变形的隧道内壁上的初期喷锚支护，初期喷锚支护上设有若干锁脚锚杆，钢架支撑结构包括钢波纹板、高强弹簧和环形支撑，钢波纹板连接锁脚锚杆，高强弹簧的一端连接钢波纹板，高强弹簧的另一端连接环形支撑，高强弹簧的轴向方向与环形支撑的径向方向相同。本发明一方面可通过释放一定的围岩变形量，减少隧道围岩大变形对结构的破坏，有效地提高隧道结构的抵抗变形能力和结构的稳定性。另外一方面具有刚度较大的结构能够在围岩变形释放到一定程度后强力抵抗其变形，达到刚柔并济的支护目的。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种适用于软岩大变形的隧道支护结构及其施工方法。
背景技术
近年来随着我国基础设施建设的迅猛发展，在修建公路、铁路、水利等工程中修建的隧道工程也随之增多。隧道工程施工过程中的复杂性及风险性对隧道工程衬砌结构的安全性及实用性提出了更高的要求。
隧道大变形特点是在隧道开挖完成后，围岩的变形现象具有累进性和时间效应。对于大变形的支护措施，无论开挖之前的支护还是开挖完成之后的加固措施，施工都较为麻烦，且工序较多，施工材料耗费大。目前工程中对于隧道大变形有两种解决思路，一种是采用刚度较大的支撑结构强力“抵抗”其变形，另外一种是采用柔性支护先“释放”一部分变形，从而减小支护结构整体的受力。但是在很多施工过程中，上述两种方式都存在一定的问题，主要是因为围岩变形太大的地方，如果采用结构刚度较大的初期支护，可能仍然不能抵抗其变形，围岩压力积累到一定的阶段，反倒会对刚度较大的初期支护产生脆性破坏；采用柔性支护先“释放”一部分变形，减小支护结构整体的受力大小，则有可能会由于不能合理有效的控制变形量，造成形变量过大，从而造成结构破坏及侵限等问题。。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于软岩大变形的隧道支护结构，本发明一方面可通过释放一定的围岩变形量，减少隧道围岩大变形对结构的破坏，有效地提高隧道结构的抵抗变形能力和结构的稳定性。另外一方面具有刚度较大的结构能够在围岩变形释放到一定程度后强力抵抗其变形，达到刚柔并济的支护目的。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开一种适用于软岩大变形的隧道支护结构，包括钢架支撑结构和铺设在软岩大变形的隧道内壁上的初期喷锚支护，所述初期喷锚支护上设有若干锁脚锚杆，所述钢架支撑结构包括钢波纹板、高强弹簧和环形支撑，所述钢波纹板连接锁脚锚杆，所述高强弹簧的一端连接钢波纹板，高强弹簧的另一端连接环形支撑，高强弹簧的轴向方向与环形支撑的径向方向相同。
进一步的，所述高强弹簧有若干个，沿环形支撑的周向间隔排布。
优选的，所述高强弹簧与钢波纹板焊接连接，高强弹簧与环形支撑螺栓连接或焊接连接。
优选的，所述环形支撑为工字钢。
优选的，所述初期喷锚支护包括钢筋网和喷射混凝土。
优选的，所述钢架支撑结构与锁脚锚杆螺栓连接；所述钢波纹板上设有环向条状通孔，所述环向条状通孔与锁脚锚杆适配。
本发明还公开了所述的隧道支护结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1、开挖隧道后，在围岩内壁面上及时铺设初期喷锚支护，初步控制围岩的变形；
步骤2、在初期喷锚支护上打入锁脚锚杆，并在锁脚锚杆上设置垫板；
步骤3、架设钢架支撑结构，第一部分架设左右边拱位置的钢架支撑结构，第二部分架设上拱位置的钢架支撑结构，最后架设底拱位置的钢架支撑结构，每部分支撑结构首尾处采用多个长条螺栓连接，并在连接处用钢绞线进行绑扎固定。·
优选的，在步骤3中，将锁脚锚杆从外向内伸入到钢架支撑结构预留的环向长条螺栓孔中，旋紧螺母加以固定。
优选的，在步骤3中，在围岩大变形的时候，通过适当调整新型钢架支撑体系的高强弹簧数量以及通过调节弱刚性节点处螺栓的松紧来增大或减小围岩一侧的变形空间，以适应围岩的变形。
进一步的，在步骤3之后，留出变形稳定时间。
本发明提出了采用喷锚支护+新型钢架结构+锁脚锚杆+活动螺栓的变形控制支护结构，考虑自重、造价、施工等因素，结构与围岩应有较大的接触面积，能够实现均匀承载。形成的支护结构可以适当变形，允许围岩发生可控变形，释放部分荷载，调动围岩的自承载能力，同时也具有足够的刚度保证，抵抗长期流变、碎胀等持续压力作用，确保大变形隧道结构的长期稳定的能力。
大变形隧道的内壁面上从内向外铺设有钢筋网及喷射混凝土，再架立由钢波纹板、高强弹簧和工字钢拼装组成的新型钢架支撑结构，随之打设锁脚锚杆，外层钢波纹板和内层工字钢之间采用高强弹簧连接，高强弹簧连接位置均采用焊接的方式，上述锁脚锚杆的内端从外向内伸入新型钢架支撑结构的环向长条螺栓孔中，并旋紧螺母加以固定。
钢波纹板及其连接的高强弹簧钢波纹板具有一定的变形适应能力，与围岩协调变形。
高强弹簧可采用工业用高强度高密度压缩弹簧，材质为弹簧钢。
锁脚锚杆采用普通锁脚锚杆，锚杆主要部分嵌入围岩，端部与新型钢架相连接，使得所有支护结构成为一个整体进行受力变形，保证了结构的整体稳定性。
钢波纹板与新型钢架连接的高强弹簧具有较大的变形能力，确保隧道后方围岩大变形时结构能够让出一定的变形空间。
钢架支撑结构的架立分三部分完成，第一部分架设左右边拱位置的钢架，第二部分架设上拱位置的钢架，最后架设底拱位置的钢架，每部分钢架首尾处采用多个长条螺栓连接，并在连接处用钢绞线进行绑扎固定，具体拼接方法及拼接长度可根据实际隧道断面的情况而定。
本发明的有益效果如下：
1、采用本发明所形成的隧道支护结构，一方面可通过释放一定的围岩变形量，减少隧道围岩大变形对结构的破坏，有效地提高隧道结构的抵抗变形能力和结构的稳定性。另外一方面具有刚度较大的结构能够在围岩变形释放到一定程度后强力抵抗其变形，达到刚柔并济的支护目的。
2、由钢波纹板、高强弹簧和工字钢拼装组成的新型钢架支撑结构相比普通初期支护采用的工字钢和混凝土具有柔性变形能力，适应了大变形的塑形变化阶段，荷载作用下钢架结构的钢波纹板及高强弹簧与围岩协调变形，加宽的钢波纹板及高强弹簧与钢筋网、混凝土喷层组成的柔性支护层，能够有效地缓解围岩应力集中、长期流变及突发性大变形。
3、围岩变形当量较小时，钢波纹板及高强弹簧处于刚性阶段，积极承担并转移荷载，钢波纹板、高强弹簧及工字钢共同抵抗荷载；当变形当量较大，钢波纹板、高强弹簧由刚性支撑转化为弱性支撑，释放一定的围岩变形量，减少隧道围岩大变形对结构的破坏，当变形当量过大造成钢波纹板及高强弹簧破坏失效，此时荷载由大刚度的工字钢承担，多级转化辅助承载机制有效控制围岩大变形恶化导致的支护体系破坏。
4、本发明所采用的锁脚锚杆，嵌入围岩深处，为后续钢波纹板的变形提供了支点，约束了钢波纹板随着围岩大变形而无限制变形的能力。所采用的活动螺栓，与现有的其他固定连接方式相比，更加灵活，方便安装，而且对于后续增加为围岩大变形预留的变形空间有积极效应。
附图说明
图1为钢架支撑结构的示意图。
图2为钢波纹板与环形支撑的示意图。
图3为钢波纹板与环形支撑的连接示意图。
图4为锁脚锚杆与钢架支撑结构的连接示意图。
图中：1-钢波纹板、2-环形支撑、3-高强弹簧、4-焊接部、5-锁脚锚杆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、2、3、4所示，本发明适用于软岩大变形的隧道支护结构，包括钢架支撑结构和铺设在软岩大变形的隧道内壁上的初期喷锚支护，初期喷锚支护上设有若干锁脚锚杆5，钢架支撑结构包括钢波纹板1、高强弹簧3和环形支撑2，初期喷锚支护包括钢筋网和喷射混凝土，环形支撑2采用工字钢构成，钢波纹板1连接锁脚锚杆5，高强弹簧3有若干个，沿环形支撑2的周向间隔排布；高强弹簧3的一端连接钢波纹板1，高强弹簧3的另一端连接环形支撑2，高强弹簧3的轴向与环形支撑2的径向相同，高强弹簧3与钢波纹板1焊接连接，高强弹簧3与环形支撑2焊接连接，焊接部4为高强弹簧3与钢波纹板1、环形支撑2的接触部，高强弹簧3也可以与环形支撑2螺栓连接；钢架支撑结构与锁脚锚杆4螺栓连接，钢波纹板1上设有环向条状通孔，环向条状通孔与锁脚锚杆4适配。
本发明还公开了7上述隧道支护结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1、开挖隧道后，在围岩内壁面上及时铺设初期喷锚支护，初步控制围岩的变形；
步骤2、在初期喷锚支护上打入锁脚锚杆，并在锁脚锚杆上设置垫板；
步骤3、架设钢架支撑结构，第一部分架设左右边拱位置的钢架支撑结构，第二部分架设上拱位置的钢架支撑结构，最后架设底拱位置的钢架支撑结构，每部分支撑结构首尾处采用多个长条螺栓连接，并在连接处用钢绞线进行绑扎固定。
在步骤3中，将锁脚锚杆从外向内伸入到钢架支撑结构预留的环向长条螺栓孔中，旋紧螺母加以固定。
在步骤3中，在围岩大变形的时候，通过适当调整新型钢架支撑体系的高强弹簧数量以及通过调节弱刚性节点处螺栓的松紧来增大或减小围岩一侧的变形空间，以适应围岩的变形。
在步骤3之后，留出变形稳定时间。
具体的实施步骤如下:
Step1、先开挖隧道后，及时铺设钢筋网并喷射混凝土，让围岩初步稳定一定时间；
Step2、架设钢波纹板和工字钢拼装组成的新型钢架支撑结构，架设分三部分完成，第一部分架设左右边拱位置的钢架，第二部分架设上拱位置的钢架，最后架设底拱位置的钢架，每部分钢架首尾处采用多个长条螺栓连接，并在连接处用钢绞线进行绑扎固定；
Step3、紧接着打入锁脚锚杆，在锁脚锚杆位置，将锁脚锚杆通过预留的新型钢架环长条螺栓孔打入围岩中，同时旋紧螺母加以固定；
Step4、围岩大变形的时候，适当调整新型钢架支撑体系内高强弹簧以及弱刚性节点的数量来增大或减小围岩一侧的变形空间，以适应围岩的变形；
Step5、围岩变形趋于稳定后，使支护结构达到控制变形的支护目的，之后再进行其他工序；
Step6、通过上述施工步骤形成了喷锚支护+新型钢架+锁脚锚杆+活动螺栓的变形控制支护结构，一方面可通过释放一定的围岩变形量，减少隧道围岩大变形对结构的破坏，有效地提高隧道结构的抵抗变形能力和结构的稳定性。另外一方面具有刚度较大的结构能够在围岩变形释放到一定程度后强力抵抗其变形，达到刚柔并济的支护目的。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于软岩大变形的隧道支护结构，其特征在于，包括钢架支撑结构和铺设在软岩大变形的隧道内壁上的初期喷锚支护，所述初期喷锚支护上设有若干锚杆，所述钢架支撑结构包括钢波纹板、高强弹簧和环形支撑，所述钢波纹板连接锁脚锚杆，所述高强弹簧的一端连接钢波纹板，高强弹簧的另一端连接环形支撑，高强弹簧的轴向方向与环形支撑的径向方向相同。
2.根据权利要求1所述的适用于软岩大变形的隧道支护结构，其特征在于，所述高强弹簧有若干个，沿环形支撑的周向间隔排布。
3.根据权利要求1所述的适用于软岩大变形的隧道支护结构，其特征在于，所述高强弹簧与钢波纹板焊接连接，高强弹簧与环形支撑螺栓连接或焊接连接。
4.根据权利要求1所述的适用于软岩大变形的隧道支护结构，其特征在于，所述环形支撑为工字钢。
5.根据权利要求1所述的适用于软岩大变形的隧道支护结构，其特征在于，所述初期喷锚支护包括钢筋网和喷射混凝土。
6.根据权利要求1所述的适用于软岩大变形的隧道支护结构，其特征在于，所述钢架支撑结构与锁脚锚杆螺栓连接；所述钢波纹板上设有环向条状通孔，所述环向条状通孔与锁脚锚杆适配。
7.适合如权利要求1-6任一项所述的隧道支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、开挖隧道后，在围岩内壁面上及时铺设初期喷锚支护，初步控制围岩的变形；
步骤2、在初期喷锚支护上打入锁脚锚杆，并在锁脚锚杆上设置垫板；
步骤3、架设钢架支撑结构，第一部分架设左右边拱位置的钢架支撑结构，第二部分架设上拱位置的钢架支撑结构，最后架设底拱位置的钢架支撑结构，每部分支撑结构首尾处采用多个长条螺栓连接，并在连接处用钢绞线进行绑扎固定。
8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，在步骤3中，将锁脚锚杆从外向内伸入到钢架支撑结构预留的环向长条螺栓孔中，旋紧螺母加以固定。
9.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于，在步骤3中，在围岩大变形的时候，通过适当调整新型钢架支撑体系的高强弹簧数量以及通过调节弱刚性节点处螺栓的松紧来增大或减小围岩一侧的变形空间，以适应围岩的变形。
10.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于，在步骤3之后，留出变形稳定时间。
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