CN111764930A - 一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，包括初支钢拱架、初支喷射混凝土层和二次衬砌层，所述初支钢拱架主要由多段H型钢组合而成，所述H型钢组合的接头处设有蜂窝吸能装置，所述初支钢拱架和蜂窝吸能装置设于所述初支喷射混凝土层中。本发明还提供一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构的施工方法。本发明的隧道支护结构中预设有蜂窝吸能装置，蜂窝吸能装置通过压缩变形，使围岩能量得以释放，能有效解决大变形隧道初期支护易发生变形破坏的问题，且蜂窝吸能装置的结构本身具有一定强度，安装时能维持稳定性。上述蜂窝吸能装置的采用，可以避免多次换拱，可以加快施工进度，施工安全性更高。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程领域，尤其涉及一种隧道支护结构及其施工方法。
背景技术
近年来我国基础设施建设蓬勃发展，隧道建设的规模史无前例，不可避免地需要在地层条件极差的环境中修建隧道。当隧道穿越高地应力或软弱、破碎地层时，洞室围岩容易发生较大的变形，进而导致初期支护钢架扭曲变形、混凝土压溃掉落，严重时将诱发隧道坍塌。若高地应力未适当释放，后期容易造成二次衬砌开裂变形。
以往在大变形隧道设计施工时采用“强支护”原则，常用措施包括增加混凝土层厚度、设置双层初期支护等，但在多数情况下并不能有效治理大变形问题，施工期间围岩变形严重，需要多次换拱，严重影响了施工进度，危害施工安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种稳定性好、结构简单的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构及其施工方法，尤其适用于大变形隧道施工。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，包括初支钢拱架、初支喷射混凝土层和二次衬砌层，所述初支钢拱架主要由多段H型钢组合而成，所述H型钢组合的接头处设有蜂窝吸能装置，所述初支钢拱架和蜂窝吸能装置设于所述初支喷射混凝土层中。一般的，一个初支钢拱架中设有多个蜂窝吸能装置。
上述带蜂窝吸能装置的隧道支护结构中，优选的，所述蜂窝吸能装置包括连接器(板状)与蜂窝吸能层，所述蜂窝吸能层夹设于所述连接器之间，所述H型钢通过所述连接器与蜂窝吸能装置连接。每个蜂窝吸能装置均设有两个连接器，分别用于与蜂窝吸能装置上下的H型钢连接。
上述带蜂窝吸能装置的隧道支护结构中，优选的，所述连接器上设有预设螺栓，所述H型钢的端头部设有连接板，所述连接板上开设有用于与所述预设螺栓相配合的螺栓孔。上述预高螺栓穿过螺栓孔后通过螺母将连接板与连接器固定，以将蜂窝吸能装置与H型钢固定。
上述带蜂窝吸能装置的隧道支护结构中，优选的，所述蜂窝吸能层包括多个蜂窝胞元，所述蜂窝胞元为中空结构，且所述蜂窝胞元的横截面呈正六边形，所述蜂窝胞元的开口朝向隧道中心。上述蜂窝胞元有着优秀的几何力学性能，上述开口朝向利于后续向蜂窝胞元中喷射混凝土。
上述带蜂窝吸能装置的隧道支护结构中，优选的，所述蜂窝吸能装置的最小总厚度为n×h，h由下式计算：
其中，n为蜂窝吸能装置的个数，h为单个蜂窝吸能装置的厚度，t为蜂窝胞元的壁厚，a为蜂窝胞元的长度，s为前期观测或预测隧道净空收敛值。通过上述计算方法可以确定隧道支护结构中所需要采用的蜂窝吸能装置的数量与厚度，可以保证蜂窝吸能装置满足压缩变形的需求。
上述带蜂窝吸能装置的隧道支护结构中，优选的，所述蜂窝吸能装置的长度L与相邻两个所述初支钢拱架之间的间距k相等，相邻两个所述初支钢拱架同一高度处的蜂窝吸能装置相互连接。上述设置可以增强初支钢拱架的整体性，在喷射混凝土施作前具有一定的自稳能力，同时保证蜂窝吸能装置贯穿于隧道初支结构中，增强其作用效果。
上述带蜂窝吸能装置的隧道支护结构中，优选的，所述蜂窝吸能装置的宽度b与所述初支喷射混凝土层的厚度相等。上述设置可以使初支结构整体厚度一致，保证施工完成后初支表面的平整性，消除由于喷射混凝土表面不平整造成二衬背后脱空的质量隐患。
上述带蜂窝吸能装置的隧道支护结构中，优选的，所述隧道支护结构包括防水层与锁脚锚杆，所述防水层位于所述初支喷射混凝土层底层，所述锁脚锚杆与初支钢拱架相连。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构的施工方法，包括以下步骤：
S1：采用多台阶预留核心土的方式开挖隧道，最顶部环形部分开挖完成后，施作防水层，然后架设初支钢拱架与锁脚锚杆，架设初支钢拱架时同步装设蜂窝吸能装置，再喷射初支喷射混凝土层；
S2：按照S1的施工方法继续向下开挖、施工，完成下一台阶的初支钢拱架与初支喷射混凝土层的施工；
S3：重复S2，直至所有初支钢拱架与初支喷射混凝土层完成施工，再完成仰拱部分施工；
S4：蜂窝吸能装置在围岩应力作用下发生挤压变形，待蜂窝吸能装置变形稳定后进行二次衬砌层施工，即完成隧道支护结构的施工。
上述施工方法中，优选的，喷射初支喷射混凝土层时，所述蜂窝吸能装置的蜂窝胞元开口处可拆卸设有橡胶密封层，待蜂窝吸能装置变形稳定后移除橡胶密封层，并使用喷射混凝土将蜂窝胞元填充，再进行二次衬砌层施工。橡胶密封层在变形稳定前防止喷射初支喷射混凝土层进入蜂窝胞元以影响蜂窝吸能装置的压缩变形。当变形稳定后，移除橡胶密封层再向蜂窝胞元中喷射混凝土，使蜂窝吸能装置的结构更加稳定，整个隧道支护结构的整体稳定性更高。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的隧道支护结构中预设有蜂窝吸能装置，蜂窝吸能装置通过压缩变形，使围岩能量得以释放，能有效解决大变形隧道初期支护易发生变形破坏的问题，且蜂窝吸能装置的结构本身具有一定强度，安装时能维持稳定性。上述蜂窝吸能装置的采用，可以避免多次换拱，可以加快施工进度，施工安全性更高。
2、本发明的蜂窝吸能装置是隧道结构的一部分，不仅利用蜂窝装置变形吸能的特点，在初支变形基本稳定之后还利用蜂窝结构多孔的特点，在蜂窝腔内喷射混凝土，让结构完全稳定，避免二次衬砌层受到较大荷载。
3、本发明中的蜂窝吸能装置为预制构件，制造简单，现场安装方便。
4、本发明的施工方法简单，与现有方法的匹配度高，施工过程中所用到的设备仪器均可通用，无需增设其他设备，施工成本低。
5、本发明通过蜂窝吸能装置压缩变形释放围岩压力，隧道围岩能量被释放后，施加在隧道结构上的压力减少，无需大幅加强支护参数，提高了经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明隧道支护结构的结构示意图。
图2为本发明蜂窝吸能装置的结构示意图。
图3为本发明的蜂窝吸能装置与H型钢之间的连接结构示意图。
图4为图3中喷射初支喷射混凝土层后的结构示意图(图中未视出橡胶密封层)。
图5为本发明中蜂窝吸能层的尺寸示意图。
图6为实施例1中施工方法示意图。
图7为实施例2中施工方法示意图。
图例说明：
1、初支钢拱架；11、H型钢；12、连接板；2、初支喷射混凝土层；3、二次衬砌层；4、蜂窝吸能装置；41、连接器；42、蜂窝吸能层；43、预设螺栓；5、防水层；6、锁脚锚杆；7、橡胶密封层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1-图5所示，本实施例的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，包括初支钢拱架1、初支喷射混凝土层2和二次衬砌层3，初支钢拱架1主要由多段H型钢11组合而成，H型钢11组合的接头处设有蜂窝吸能装置4，初支钢拱架1和蜂窝吸能装置4设于初支喷射混凝土层2中。
本实施例中，蜂窝吸能装置4包括连接器41与蜂窝吸能层42，蜂窝吸能层42夹设于连接器41之间，H型钢11通过连接器41与蜂窝吸能装置4连接。
本实施例中，连接器41上设有预设螺栓43，H型钢11的端头部设有连接板12，连接板12上开设有用于与预设螺栓43相配合的螺栓孔。预设螺栓43穿过螺栓孔后通过螺母固定。
本实施例中，蜂窝吸能层42包括多个蜂窝胞元，蜂窝胞元为中空结构，且蜂窝胞元的横截面呈正六边形，蜂窝胞元的开口朝向隧道中心。
本实施例中，蜂窝吸能装置4的长度L与相邻两个初支钢拱架1之间的间距k相等，相邻两个初支钢拱架1同一高度处的蜂窝吸能装置4相互连接。
本实施例中，蜂窝吸能装置4的宽度b与初支喷射混凝土层2的厚度相等。
本实施例中，隧道支护结构包括防水层5与锁脚锚杆6，防水层5位于初支喷射混凝土层2底层，锁脚锚杆6与初支钢拱架1相连。
如图6所示，本实施例还提供一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构的施工方法，包括以下步骤：
S1：采用两台阶预留核心土的方式开挖隧道，共设置6个蜂窝吸能装置4，其中4个位于上台阶初支钢拱架1每榀H型钢11之间，2个位于上台阶初支钢拱架1与下台阶初支钢拱架1之间；
S2：上台阶环形部分开挖完成后，施作防水层5，然后架设初支钢拱架1与锁脚锚杆6，架设初支钢拱架1时同步装设蜂窝吸能装置4，再喷射初支喷射混凝土层2；喷射初支喷射混凝土层2时，蜂窝吸能装置4的蜂窝胞元开口处设有橡胶密封层7；
S3：开挖预留核心土部分；
S4：下台阶开挖后，按照S2的方法施工其他的初支钢拱架1与初支喷射混凝土层2；
S5：完成仰拱部分施工；
S6：蜂窝吸能装置4在围岩应力作用下发生挤压变形，待蜂窝吸能装置4变形稳定后，移除橡胶密封层7，并使用喷射混凝土将蜂窝胞元填充，再进行二次衬砌层3施工，即完成隧道支护结构的施工。
本实施例中，单个上台阶初支钢拱架1每榀H型钢11之间的蜂窝吸能装置4的最小厚度h1由下式计算：
单个上台阶初支钢拱架1与下台阶初支钢拱架1之间的蜂窝吸能装置4的最小厚度h2由下式计算：
其中，t为蜂窝胞元的壁厚，a为蜂窝胞元的长度，s为前期观测或预测隧道净空收敛值。
上述蜂窝吸能装置4的总厚度设置考虑压缩变形量与隧道结构轴力分布特点，上述总厚度可以满足压缩变形量的需求，隧道结构轴力分布特点为靠近拱脚处轴力较大，拱顶处轴力较小，考虑到该特点，靠近拱脚处的蜂窝吸能装置4的厚度是其他部位的两倍。
实施例2：
本实施例的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构与实施例1相似。
如图7所示，本实施例的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构的施工方法，包括以下步骤：
S1：采用三台阶预留核心土的方式开挖隧道，共设置6个蜂窝吸能装置4，其中2个位于上台阶初支钢拱架1每榀H型钢11之间，2个位于上台阶初支钢拱架1与中台阶初支钢拱架1之间，2个位于中台阶初支钢拱架1与下台阶初支钢拱架1之间；
S2：上台阶环形部分开挖完成后，施作防水层5，然后架设初支钢拱架1与锁脚锚杆6，架设初支钢拱架1时同步装设蜂窝吸能装置4，再喷射初支喷射混凝土层2；喷射初支喷射混凝土层2时，蜂窝吸能装置4的蜂窝胞元开口处设有橡胶密封层7；
S3：中台阶部分左右侧开挖完成后，按S2的方法施工初支钢拱架1与初支喷射混凝土层2；
S4：开挖上台阶预留核心土部分；
S5：下台阶部分左右侧开挖完成后，按S2的方法施工初支钢拱架1与初支喷射混凝土层2；
S6：开挖中台阶预留核心土部分；
S7：开挖下台阶预留核心土部分，完成仰拱部分施工；
S8：蜂窝吸能装置4在围岩应力作用下发生挤压变形，待蜂窝吸能装置4变形稳定后，移除橡胶密封层7，并使用喷射混凝土将蜂窝胞元填充，再进行二次衬砌层3施工，即完成隧道支护结构的施工。
本实施例中，单个上台阶初支钢拱架1每榀H型钢11之间的蜂窝吸能装置4的最小厚度h1由下式计算：
单个上台阶初支钢拱架1与中台阶初支钢拱架1之间的蜂窝吸能装置4的最小厚度h2由下式计算：
单个中台阶初支钢拱架1与下台阶初支钢拱架1之间的蜂窝吸能装置4的最小厚度h3由下式计算：
其中，t为蜂窝胞元的壁厚，a为蜂窝胞元的长度，s为前期观测或预测隧道净空收敛值。
Claims (10)
1.一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，包括初支钢拱架(1)、初支喷射混凝土层(2)和二次衬砌层(3)，其特征在于，所述初支钢拱架(1)主要由多段H型钢(11)组合而成，所述H型钢(11)组合的接头处设有蜂窝吸能装置(4)，所述初支钢拱架(1)和蜂窝吸能装置(4)设于所述初支喷射混凝土层(2)中。
2.根据权利要求1所述的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，其特征在于，所述蜂窝吸能装置(4)包括连接器(41)与蜂窝吸能层(42)，所述蜂窝吸能层(42)夹设于所述连接器(41)之间，所述H型钢(11)通过所述连接器(41)与蜂窝吸能装置(4)连接。
3.根据权利要求2所述的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，其特征在于，所述连接器(41)上设有预设螺栓(43)，所述H型钢(11)的端头部设有连接板(12)，所述连接板(12)上开设有用于与所述预设螺栓(43)相配合的螺栓孔。
4.根据权利要求2所述的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，其特征在于，所述蜂窝吸能层(42)包括多个蜂窝胞元，所述蜂窝胞元为中空结构，且所述蜂窝胞元的横截面呈正六边形，所述蜂窝胞元的开口朝向隧道中心。
5.根据权利要求4所述的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，其特征在于，所述蜂窝吸能装置(4)的最小总厚度为n×h，h由下式计算：
其中，n为蜂窝吸能装置(4)的个数，h为单个蜂窝吸能装置(4)的厚度，t为蜂窝胞元的壁厚，a为蜂窝胞元的长度，s为前期观测或预测隧道净空收敛值。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，其特征在于，所述蜂窝吸能装置(4)的长度L与相邻两个所述初支钢拱架(1)之间的间距k相等，相邻两个所述初支钢拱架(1)同一高度处的蜂窝吸能装置(4)相互连接。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，其特征在于，所述蜂窝吸能装置(4)的宽度b与所述初支喷射混凝土层(2)的厚度相等。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的带蜂窝吸能装置的隧道支护结构，其特征在于，所述隧道支护结构包括防水层(5)与锁脚锚杆(6)，所述防水层(5)位于所述初支喷射混凝土层(2)底层，所述锁脚锚杆(6)与初支钢拱架(1)相连。
9.一种带蜂窝吸能装置的隧道支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用多台阶预留核心土的方式开挖隧道，最顶部环形部分开挖完成后，施作防水层(5)，然后架设初支钢拱架(1)与锁脚锚杆(6)，架设初支钢拱架(1)时同步装设蜂窝吸能装置(4)，再喷射初支喷射混凝土层(2)；
S2：按照S1的施工方法继续向下开挖、施工，完成下一台阶的初支钢拱架(1)与初支喷射混凝土层(2)的施工；
S3：重复S2，直至所有初支钢拱架(1)与初支喷射混凝土层(2)完成施工，再完成仰拱部分施工；
S4：蜂窝吸能装置(4)在围岩应力作用下发生挤压变形，待蜂窝吸能装置(4)变形稳定后进行二次衬砌层(3)施工，即完成隧道支护结构的施工。
10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于，喷射初支喷射混凝土层(2)时，所述蜂窝吸能装置(4)的蜂窝胞元开口处设有橡胶密封层(7)，待蜂窝吸能装置(4)变形稳定后移除橡胶密封层(7)，并使用喷射混凝土将蜂窝胞元填充，再进行二次衬砌层(3)施工。
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