CN111396097A - 适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构及施工方法，支护结构包括刚塑性充填层、韧性波纹板支护层和钢筋混凝土二衬；韧性波纹板支护层呈波纹状，通过滑动螺栓将相邻两个波纹板固定连接；两侧波纹板的腰部设置有双向波纹；刚塑性充填层设置在韧性波纹板支护层与围岩之间；钢筋混凝土二衬结构为现浇钢筋混凝土结构，在围岩变形基本稳定后，在隧道内部通过现浇而成；二衬钢筋与波纹板进行焊接处理。该结构让压变形量大，能够满足大变形围岩的让压支护需求，且支护结构整体性好，同时兼具防水和抗震缓冲性能，能够解决高水压隧道、溶洞隧道等复杂隧道支护问题。
Description
技术领域
本发明涉及隧道支护领域，具体为适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构及施工方法。
背景技术
隧道施工常采用新奥法，所采用的支护结构多为钢筋混凝土结构。由于目前隧道的开挖深度不断增大，支护结构所受的围岩压力也不断增大。尤其是在大变形围岩区域，传统的支护结构常由于围岩变形过大而被压垮，失去功能。因此，工程上常采用在支护结构设计时允许支护结构受压变形的方式减小支护结构所受压力。现有专利技术有采用长短锚杆结合让压(CN 110847930 A)、基于恒阻滑动孔剪损的让压(CN 108979678 A)和弹簧缓冲让压(CN 104100281 B)。上述方法虽然在一定程度上实现了让压，但是让压结构单一，当围岩变形量较大时则会不满足让压要求；其次，在支护结构上设置让压装置会导致支护结构强度刚度的降低，不利于结构安全；再者，由于隧道轴向受力不均，局部让压变形会导致隧道轴向支护结构变形差异过大，造成结构破坏；最后上述技术无法同时满足防水、抗震缓冲和让压变形的支护要求。
发明内容
本发明的目的在于提供适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构及施工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，支护结构包括刚塑性充填层、韧性波纹板支护层和钢筋混凝土二衬；
所述韧性波纹板支护层呈波纹状，韧性波纹板为预制结构，由顶部波纹板、两侧波纹板和底部波纹板组成，波纹板设置滑动连接孔，相互之间搭接在一起，通过滑动螺栓将相邻两个波纹板固定连接；
两侧波纹板的腰部设置有双向波纹，且腰部的波纹方向与顶部波纹板和底部波纹板的波纹相互垂直；韧性波纹板支护层承受的荷载多为环向荷载，在较大的环向荷载作用下，双向波纹中的横向波纹将被压缩，实现韧性波纹板支护层的让压变形，从而释放围岩荷载，避免支护结构被压垮。
所述韧性波纹板支护层在垂直于波纹方向和沿着波纹方向具有不同的刚度，受力后更易沿垂直于波纹方向产生拉伸或压缩变形；
在隧道支护时，所述韧性波纹板支护层的波纹方向垂直于隧道轴向布置，有利于适应隧道轴向不均匀变形；
所述刚塑性充填层设置在韧性波纹板支护层与围岩之间，形成一层与韧性波纹板支护层密贴的柔性防水层，且还具有让压变形、抗震缓冲的特性；
钢筋混凝土二衬结构为现浇钢筋混凝土结构，在围岩变形基本稳定后，在隧道内部通过现浇而成；二衬钢筋与波纹板进行焊接处理；
在刚塑性材料注入过程中采用倒退式注浆法。
所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其优选方案为所述刚塑性填充层选用高分子聚合物材料。
所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其优选方案为所述刚塑性填充层、韧性波纹板支护层和钢筋混凝土二衬依次由外向内形成多级让压复合支护结构。
所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其优选方案为所述滑动连接孔为带有锯齿的长条形孔，通过锯齿状螺栓固定连接。
所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其优选方案为波纹板上长条形孔的锯齿强度低于螺栓锯齿强度，在所受荷载较大时，波纹板锯齿先于螺栓锯齿屈服，螺栓向下滑动，并与下部锯齿啮合，进而实现让压变形。
适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构的施工方法，步骤如下：
1)按照设计断面形状，开挖隧道；
2)拼装韧性波纹板支护层，先拼装顶部波纹板，然后拼装两侧波纹板，最后拼装底部波纹板，并通过滑动螺栓将相邻两个波纹板固定连接；
3)在韧性波纹板支护层与围岩之间注入刚塑性材料，在刚塑性材料注入过程中可采用倒退式注浆法，即将注浆管穿过波纹板插到韧性波纹板支护层与围岩之间，边拔管边注浆，确保浆液充填饱满，形成刚塑性充填层；
4)在隧道内部浇筑钢筋混凝土二衬，二衬钢筋须与波纹板进行焊接处理，从而增强支护结构的整体性。
一种适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构的工作原理：由外向内依次为刚-塑性充填层、韧性波纹板支护层和钢筋混凝土二衬组成，形成多级让压复合支护结构，刚塑性充填层具有让压变形、抗震缓冲、柔性防水的材料特性；在岩石应力释放过程中形成渐变缓冲支护，实现衬砌背后密实填充，以及高水压地区形成有效帷幕层；
充填层的刚塑性变形属性有利于在围岩压力不大时有效控制围岩变形，但当围岩压力过大而产生大变形时，则可以通过充填层体积收缩从而释放围岩压力，保障支护结构的安全。它的吸能属性有利于地震荷载或落石冲击荷载对隧道支护结构的影响，进而保障支护结构的安全；同时充填层的压缩特性，还可以确保围岩压力均匀作用于支护结构上，有利于改善支护结构的受力条件；还能防止围岩中的地下水腐蚀钢结构，并且防止地下水进入到隧道内部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)提供了适用于复杂隧道的装配式多级让压支护结构及施工方法，可以满足高应力、大变形、高水压隧道的支护要求；
2)刚-塑性充填层实现了第一级让压，在岩石应力释放过程中形成渐变缓冲支护，结构背后充填密实使得结构受力更加合理，还可在高水压地区形成有效隔水帷幕层；
3)韧性波纹板支护层采用双向波纹板实现了二级让压，且不会降低支护结构的强度刚度，结构整体性更好；采用滑动连接孔实现了三级让压，让压变形量更大，更加适应于高应力和大变形围岩支护；
4)韧性支护结构的特殊波纹状构造还可实现沿隧道轴向的拉伸与压缩变形，变形适应能力强，减少由于沿隧道轴向受力不均导致的隧道轴向支护结构让压变形差异，避免支护结构破坏。
附图说明
图1为装配式多级让压复合支护结构示意图；
图2为韧性波纹板支护层结构示意图；
图3为韧性波纹板支护层让压结构放大图。
图中：1、刚塑性充填层，2、韧性波纹板支护层，3、钢筋混凝土二衬，4、顶部波纹板，5、两侧波纹板，6、底部波纹板，7、滑动连接孔，8、双向波纹，9、围岩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做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。
图1-3所示的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，支护结构包括刚塑性充填层1、韧性波纹板支护层2和钢筋混凝土二衬3；
所述韧性波纹板支护层2呈波纹状，韧性波纹板为预制结构，由顶部波纹板4、两侧波纹板5和底部波纹板6组成，波纹板设置滑动连接孔7，相互之间搭接在一起，通过滑动螺栓将相邻两个波纹板固定连接；
两侧波纹板5的腰部设置有双向波纹8，且腰部的波纹方向与顶部波纹板4和底部波纹板6的波纹相互垂直；韧性波纹板支护层承受的荷载多为环向荷载，在较大的环向荷载作用下，双向波纹中的横向波纹将被压缩，实现韧性波纹板支护层2的让压变形，从而释放围岩荷载，避免支护结构被压垮。
所述韧性波纹板支护层2在垂直于波纹方向和沿着波纹方向具有不同的刚度，受力后更易沿垂直于波纹方向产生拉伸或压缩变形；
在隧道支护时，所述韧性波纹板支护层2的波纹方向垂直于隧道轴向布置，有利于适应隧道轴向不均匀变形；
所述刚塑性充填层1设置在韧性波纹板支护层2与围岩9之间，形成一层与韧性波纹板支护层2密贴的柔性防水层，且还具有让压变形、抗震缓冲的特性；
钢筋混凝土二衬3结构为现浇钢筋混凝土结构，在围岩变形基本稳定后，在隧道内部通过现浇而成；二衬钢筋与波纹板进行焊接处理；
在刚塑性材料注入过程中采用倒退式注浆法。
所述刚塑性填充层1选用高分子聚合物材料。
所述刚塑性填充层1、韧性波纹板支护层2和钢筋混凝土二衬3依次由外向内形成多级让压复合支护结构。
所述滑动连接孔7为带有锯齿的长条形孔，通过锯齿状螺栓固定连接。
波纹板上长条形孔的锯齿强度低于螺栓锯齿强度，在所受荷载较大时，波纹板锯齿先于螺栓锯齿屈服，螺栓向下滑动，并与下部锯齿啮合，进而实现让压变形。
适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构的施工方法，步骤如下：
1)按照设计断面形状，开挖隧道；
2)拼装韧性波纹板支护层2，先拼装顶部波纹板4，然后拼装两侧波纹板5，最后拼装底部波纹板6，并通过滑动螺栓将相邻两个波纹板固定连接；
3)在韧性波纹板支护层2与围岩9之间注入刚塑性材料，在刚塑性材料注入过程中可采用倒退式注浆法，即将注浆管穿过波纹板插到韧性波纹板支护层2与围岩9之间，边拔管边注浆，确保浆液充填饱满，形成刚塑性充填层1；
4)在隧道内部浇筑钢筋混凝土二衬3，二衬钢筋须与波纹板进行焊接处理，从而增强支护结构的整体性。
一种适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构的工作原理：由外向内依次为刚-塑性充填层、韧性波纹板支护层和钢筋混凝土二衬组成，形成多级让压复合支护结构，刚塑性充填层具有让压变形、抗震缓冲、柔性防水的材料特性；在岩石应力释放过程中形成渐变缓冲支护，实现衬砌背后密实填充，以及高水压地区形成有效帷幕层；
充填层的刚塑性变形属性有利于在围岩压力不大时有效控制围岩变形，但当围岩压力过大而产生大变形时，则可以通过充填层体积收缩从而释放围岩压力，保障支护结构的安全。它的吸能属性有利于地震荷载或落石冲击荷载对隧道支护结构的影响，进而保障支护结构的安全；同时充填层的压缩特性，还可以确保围岩压力均匀作用于支护结构上，有利于改善支护结构的受力条件；还能防止围岩中的地下水腐蚀钢结构，并且防止地下水进入到隧道内部；
韧性波纹板支护层呈波纹状，具有自适应让压特性；韧性波纹板支护层承受的荷载多为环向荷载，在较大的环向荷载作用下，双向波纹中的横向波纹将被压缩，实现韧性波纹板支护层的让压变形，从而释放围岩荷载，避免支护结构被压垮。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。
Claims (6)
1.适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其特征在于：支护结构包括刚塑性充填层、韧性波纹板支护层和钢筋混凝土二衬；
所述韧性波纹板支护层呈波纹状，韧性波纹板为预制结构，由顶部波纹板、两侧波纹板和底部波纹板组成，波纹板设置滑动连接孔，相互之间搭接在一起，通过滑动螺栓将相邻两个波纹板固定连接；
两侧波纹板的腰部设置有双向波纹，且腰部的波纹方向与顶部波纹板和底部波纹板的波纹相互垂直；
所述韧性波纹板支护层在垂直于波纹方向和沿着波纹方向具有不同的刚度，受力后更易沿垂直于波纹方向产生拉伸或压缩变形；
在隧道支护时，所述韧性波纹板支护层的波纹方向垂直于隧道轴向布置；
所述刚塑性充填层设置在韧性波纹板支护层与围岩之间，形成一层与韧性波纹板支护层密贴的柔性防水层，且还具有让压变形、抗震缓冲的特性；
钢筋混凝土二衬结构为现浇钢筋混凝土结构，在围岩变形基本稳定后，在隧道内部通过现浇而成；二衬钢筋与波纹板进行焊接处理；
在刚塑性材料注入过程中采用倒退式注浆法；
所述刚塑性充填层在岩石应力释放过程中形成渐变缓冲支护，实现了第一级让压；
采用所述双向波纹板不会降低支护结构的强度刚度，且结构整体性更好，实现了二级让压；
采用所述滑动连接孔让压变形量更大，更加适应于高应力和大变形围岩支护，实现了三级让压。
2.根据权利要求1所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其特征在于：所述刚塑性填充层选用高分子聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其特征在于：所述刚塑性填充层、韧性波纹板支护层和钢筋混凝土二衬依次由外向内形成多级让压复合支护结构。
4.根据权利要求1所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其特征在于：所述滑动连接孔为带有锯齿的长条形孔，通过锯齿状螺栓固定连接。
5.根据权利要求1所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构，其特征在于：波纹板上长条形孔的锯齿强度低于螺栓锯齿强度，在所受荷载较大时，波纹板锯齿先于螺栓锯齿屈服，螺栓向下滑动，并与下部锯齿啮合。
6.根据权利要求1所述的适用于大变形复杂隧道的装配式多级让压支护结构的施工方法，其特征在于：1)按照设计断面形状，开挖隧道；
2)拼装韧性波纹板支护层，先拼装顶部波纹板，然后拼装两侧波纹板，最后拼装底部波纹板，并通过滑动螺栓将相邻两个波纹板固定连接；
3)在韧性波纹板支护层与围岩之间注入刚塑性材料，在刚塑性材料注入过程中可采用倒退式注浆法，即将注浆管穿过波纹板插到韧性波纹板支护层与围岩之间，边拔管边注浆，确保浆液充填饱满，形成刚塑性充填层；
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