CN113137242A - 一种深地下空间隧道装配式组合支护结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，包括内网格支撑结构、波纹板支护结构和外网格支撑结构；所述的波纹板支护结构设置在隧道掌子面的钢筋混凝土仰拱上，在波纹板支护结构的外壁面设有外网格支撑结构，所述外网格支撑结构为网格状的缓冲吸能布袋梁；在波纹板支护结构的内壁面设有内网格支撑结构，所述内网格支撑结构由多个纵向方管梁和多个环向钢腰梁构成。本发明具有较强的韧性受让能力，可在软弱围岩出现大变形量时，支护结构的变形量小，不仅适用于深地下空间隧道，也适用于围岩易出现软岩大变形的隧道，同时本支护结构施工工序简单、施工工期短，可大幅改善隧道内施工环境，综合经济效益高。

Description

一种深地下空间隧道装配式组合支护结构

技术领域

本发明涉及隧道支护技术，尤其是深地下空间隧道的支护技术，具体是一种深地下空间隧道装配式组合支护结构。

背景技术

在深地下空间的开发利用中，深部高地应力环境及深地下工程的开挖与支护不仅大大提高了建设的成本，而且在开发建设中还潜在严重的安全隐患。尤其遇到诸如断层、剪切破碎带、软弱地层等不良地质条件，常常发生塌方、冒顶、突水、大变形等严重地质灾害，这些都对深埋隧道的围岩稳定性造成了巨大的威胁。软弱围岩隧道大变形与隧道开挖的施工方法、速度、开挖工序等因素有关，隧道实际开挖过程中产生的变形受到开挖施工步序的空间效应影响。

目前，深部隧道施工常用的方法为新奥法，遵循“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”的原则，对地质条件较好的围岩具有广泛的适用性。然而，对于复杂地质条件下的隧道，如软岩大变形围岩条件下，采用传统的支护技术常常出现变形量过大导致的侵限问题（即支护结构变形侵入二衬设计厚度），使二衬无法及时施工，需要重新开挖修复。另外，传统的隧道初期支护大多采用喷射混凝土+钢格栅（或型钢）支护型式，此工法存在施工工艺复杂、施工污染大、施工工期长、工作环境差、机械化程度低等缺点，极大阻碍了施工进度。

因此，有必要采取新型的支护方式及施工方法，以保证施工质量及安全。

发明内容

针对背景技术中提出的问题，本发明目的是提供一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，本支护结构采用装配式的预制构件搭建，应用于隧道初期支护时，具有较强的韧性受让能力，可在软弱围岩出现大变形量时，支护结构的变形量小，不仅适用于深地下空间隧道，也适用于围岩易出现软岩大变形的隧道，同时本支护结构施工工序简单、施工工期短，可大幅改善隧道内施工环境，综合经济效益高。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，包括内网格支撑结构、波纹板支护结构和外网格支撑结构；所述的波纹板支护结构设置在隧道掌子面的钢筋混凝土仰拱上，其整体为多块弧形波纹钢板拼装而成的一段弧形板壁，所述弧形板壁与钢筋混凝土仰拱上方的隧道面相配适，其壁面上设有多个注浆孔；在波纹板支护结构的外壁面设有外网格支撑结构，所述外网格支撑结构为网格状的缓冲吸能布袋梁；在波纹板支护结构的内壁面设有内网格支撑结构，所述内网格支撑结构由多个纵向方管梁和多个环向钢腰梁构成，多个纵向方管梁均平行于波纹板支护结构的轴线并间隔设置在波纹板支护结构的内壁面，多个环向钢腰梁也间隔设置在波纹板支护结构的内壁面，每个环向钢腰梁均垂直于纵向方管梁并与波纹板支护结构的内壁面固连。

所述的缓冲吸能布袋梁包括横向土工布袋、纵向土工布袋和填充物，多个纵向土工布袋均平行于波纹板支护结构的轴线并间隔设置在波纹板支护结构的外壁面，在多个纵向土工布袋之间间隔设置有平行的横向土工布袋，所述横向土工布袋与纵向土工布袋垂直相交且相互连通，所述横向土工布袋和纵向土工布袋内均灌注有材质为高分子聚合物发泡材料的填充物。

所述的横向土工布袋在其长度方向上设置有均布的注浆口A，所述的纵向土工布袋在其长度方向上设置有均布的注浆口B，所述注浆口A、注浆口B分别连接有注浆导杆；所述注浆导杆与注浆口A螺纹连接。

所述的波纹钢板整体为弧形板，其在水平面的正投影为矩形，所述波纹钢板在宽度方向的两条边为直边，在长度方向的两条边为弧边，所述波纹钢板长度方向上的横截面为波纹状；所述波纹钢板在长度方向的端部通过连接件与相邻的波纹钢板固连，在宽度方向的上的端部通过高强螺栓与相邻的波纹钢板固连。

所述的连接件其整体矩形板状结构，其长度方向两侧分别设有开口槽，所述开口槽的侧壁面与波纹钢板的侧壁面相匹配，在开口槽两侧壁分别设有同轴的通孔A和通孔B，用于连接波纹钢板。

所述的波纹板支护结构其内壁面对应环向钢腰梁设置有环向连梁板，所述环向连梁板通过高强螺栓与内网格支撑结构的环向钢腰梁固连；所述的波纹板支护结构其内壁面对应纵向方管梁还设置有纵向连梁板，所述纵向连梁板通过高强螺栓与内网格支撑结构的纵向方管梁固连。

所述的波纹板支护结构通过高分子膨胀性锚杆和锁脚锚杆锚固在隧道岩体上，所述高分子膨胀性锚杆锚固在波纹板支护结构的上部，锁脚锚杆锚固在波纹板支护结构的下部。

所述的环向钢腰梁为环向H型钢，环向钢腰梁下端通过高强螺栓与钢筋混凝土仰拱固连。

所述的内网格支撑结构其网格之中还填充有填料。

本发明的原理：

本支护结构主要的受力构件为内网格支撑结构、高分子膨胀性锚杆和锁脚锚杆；波纹板支护结构的主要功能为围挡围岩和安全储备；外网格支撑结构为高分子注浆布袋桩，作为缓冲吸能层和传力构件，既能够让围岩释放一定量的变形量，而且能将将围岩压力传递到波纹钢和内网格支撑结构上；

本支护结构主要通过“多级让抗”实现对大变形围岩的合理支护；内网格支撑结构作为刚性抵抗，构造节点通过螺栓连接实现构造让压；波纹钢板直接采用法兰通过高强螺栓连接实现柔性让压，波纹板壁后外网格结构通过高分子布袋梁的吸能缓冲实现柔性防护；高分子注浆材料具有防水的效果，还能对钢结构表面起到防腐的作用。

本发明的有益效果：

本发明通过“多级让抗”实现对大变形围岩的合理支护，可通过改变H型钢腰梁间距、波纹钢的波形、厚度设计参数，可以实现对不同围岩变形的补强支护；本发明可以对已建深部隧道发生不同病害的情况采用不同设计参数进行补强，从而保证已建隧道变形不继续增大，保证隧道的安全；装配式的支护结构构件在工程前期预制，施工工序简单、施工工期短，对隧道内施工环境可加大改善；该支护结构相对于喷锚初期支护结构，综合经济效益高。

附图说明

图1 为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明在深地下隧道中的安装结构示意图。

图3为内网格支撑结构与波纹板支护结构的位置关系示意图。

图4为外网格支撑结构与波纹板支护结构连接关系示意图。

图5为外网格支撑结构的展开示意图。

图6为外网格支撑结构与填料的示意图。

图7为外网格支撑结构与波纹板支护结构局部示意图。

图8为波纹板支护结构的局部平面展开图。

图9为连接件的立体示意图。

图10为本发明在深地下隧道中的施工模拟图。

图11为本发明的施工工艺流程图。

图中，1、外网格支撑结构；2、波纹板支护结构；3、内网格支撑结构；4、钢筋混凝土仰拱；5、高分子膨胀性锚杆；6、锁脚锚杆；7、隧道围岩岩体；8、混凝土二衬；9、填料；11、横向土工布袋；12、纵向土工布袋；13、填充物；14、注浆口A；15、注浆口B；16、注浆导杆；17、连接件；18、开口槽；19、通孔A；20、通孔B；21、纵向连梁板；22、环向连梁板；23、波纹钢板；31、纵向方管梁；32、环向钢腰梁。

具体实施方式

下面将结合本说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要注意的是，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作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。

如图1、图2所示，一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，包括内网格支撑结构3、波纹板支护结构2和外网格支撑结构1；所述的波纹板支护结构2设置在隧道掌子面的钢筋混凝土仰拱4上，其整体为多块弧形波纹钢板23拼装而成的一段弧形板壁，所述弧形板壁与钢筋混凝土仰拱4上方的隧道面相配适，其壁面上设有多个注浆孔；如图4、图5所示，在波纹板支护结构2的外壁面设有外网格支撑结构1，所述外网格支撑结构1为网格状的缓冲吸能布袋梁；如图1、图3所示，在波纹板支护结构2的内壁面设有内网格支撑结构3，所述内网格支撑结构3由多个纵向方管梁31和多个环向钢腰梁32构成，多个纵向方管梁31均平行于波纹板支护结构2的轴线并间隔设置在波纹板支护结构2的内壁面，多个环向钢腰梁32也间隔设置在波纹板支护结构2的内壁面，每个环向钢腰梁32均垂直于纵向方管梁31并与波纹板支护结构2的内壁面固连。

如图5、图6、图7所示，所述的缓冲吸能布袋梁包括横向土工布袋11、纵向土工布袋12和填充物13，多个纵向土工布袋12均平行于波纹板支护结构2的轴线并间隔设置在波纹板支护结构2的外壁面，在多个纵向土工布袋12之间间隔设置有平行的横向土工布袋11，所述横向土工布袋11与纵向土工布袋12垂直相交且相互连通，所述横向土工布袋11和纵向土工布袋12内均灌注有材质为高分子聚合物发泡材料的填充物13。

所述的横向土工布袋11在其长度方向上设置有均布的注浆口A14，所述的纵向土工布袋12在其长度方向上设置有均布的注浆口B15，所述注浆口A14、注浆口B15分别连接有注浆导杆16；所述注浆导杆16与注浆口A14螺纹连接。

所述的波纹钢板23整体为弧形板，其在水平面的正投影为矩形，所述波纹钢板23在宽度方向的两条边为直边，在长度方向的两条边为弧边，所述波纹钢板23长度方向上的横截面为波纹状；如图8所示，所述波纹钢板23在长度方向的端部通过连接板17与相邻的波纹钢板23固连，在宽度方向的上的端部通过高强螺栓与相邻的波纹钢板23固连。

如图9所示，所述的连接件17其整体矩形板状结构，其长度方向两侧分别设有开口槽18，所述开口槽18的侧壁面与波纹钢板23的侧壁面相匹配，在开口槽18两侧壁分别设有同轴的通孔A19和通孔B20，用于连接波纹钢板23。

如图8所示，所述的波纹板支护结构2其内壁面对应环向钢腰梁32设置有环向连梁板22，所述环向连梁板22通过高强螺栓与内网格支撑结构3的环向钢腰梁32固连；所述的波纹板支护结构2其内壁面对应纵向方管梁31还设置有纵向连梁板21，所述纵向连梁板21通过高强螺栓与内网格支撑结构3的纵向方管梁31固连。

如图1、图2所示，所述的波纹板支护结构2通过高分子膨胀性锚杆5和锁脚锚杆6锚固在隧道围岩岩体7上，所述高分子膨胀性锚杆5锚固在波纹板支护结构2的上部，锁脚锚杆6锚固在波纹板支护结构2的下部。

所述的环向钢腰梁32为环向H型钢，环向钢腰梁下端通过高强螺栓与钢筋混凝土仰拱4固连。

如图6所示，所述的内网格支撑结构3其网格之中还填充有填料9，所述的填料9为水泥浆液或高分子聚合物材料。

本发明的实际施工方法如下：

如图10、图11所示，当隧道采用台阶法开挖时，在开挖完上台阶岩体后，及时在裸露隧道围岩岩体7表面安装波纹钢板23，波纹钢板23采用分块进行拼装，在环向接缝位置通过连接件17进行连接，具体的，可在波纹钢板23上预留与连接件17上的通孔A、通孔B对应的安装孔，使用高强螺栓进行连接；在波纹钢板23之间的纵向接缝位置通过高强螺栓进行连接；同时在波纹钢板23背面铺设并固定外网格支撑结构1，在上台阶底部打设锁脚锚杆6；上台阶继续开挖，重复上述步骤，并在固定位置架设H型环向钢腰梁32，使用高强螺栓将环向钢腰梁32固定在波纹钢板23的环向连梁板22上；波纹钢板23上环向连梁板22沿纵向每隔500mm预留一环，此外，其还可根据监测数据，与环向钢腰梁32间距匹配，可随时增加或减少环向钢腰梁32；

隧道下台阶开挖后，波纹钢板23继续向下台阶拼装，同时继续铺设外网格支撑结构1，在隧道边墙底部打设锁脚锚杆6，同时向下继续架设环向钢腰梁32，使用高强螺栓将纵向方管梁31连接在波纹钢板23的纵向连梁板21上；纵向方管梁31通过高强螺栓连接环向钢腰梁32，纵向方管梁31环向间距2.5m，纵向方管梁31环向间距可通过在波纹钢板23和环向钢腰梁32上预留的螺栓孔调整。波纹钢板23设计选用波高140mm，波距380mm，厚度5mm型号，通过搭接实现连接；纵向连接方管2选用100*100*10mm型号；

随着掌子面后方钢筋混凝土仰拱7的施工，及时将波纹钢板23通过高强螺栓固定在钢筋混凝土仰拱7上，同时将环向钢腰梁32也通过高强螺栓固定在钢筋混凝土仰拱7上，使内网格支撑结构3和波纹板支护结构2形成一个封闭的环形结构；

当支护结构的刚性部分搭建完成，向预留在波纹钢板23外壁的缓冲吸能布袋梁中注入高分子聚合物发泡材料，该聚合物迅速发泡膨胀充满袋体材质为土工布的缓冲吸能布袋梁，从而填充波纹钢板23外壁与隧道之间的空隙，缓冲吸能布袋梁是纵横交错的网格结构，填充后，单个横向梁体、纵向梁体的高度为110mm，宽度为150mm，梁内充填的高分子聚合物材料，其强度相当于C20混凝土的强度；缓冲吸能布袋梁网格的环向间距1.5m，纵向间距2.5m，纵横相间，缓冲吸能布袋梁的网格中根据需要可填充水泥浆液或高分子聚合物材料；

另外，在安装波纹钢板23时，波纹钢板23上预留有安装锚杆的孔洞，通过预留的孔洞位置向岩体打孔，布设高分子膨胀性锚杆5，使波纹板支护结构2与隧道围岩岩体7共同抵抗围岩压力；

高分子膨胀性锚杆5布置在内网格支撑结构3之间的波纹钢板23预留孔洞位置，可采用梅花形布置，交错排列，使装配式支护结构与围岩形成一体，共同发挥支护作用；

在隧道台阶法开挖时，拼装波纹板支护结构2后，需及时在波纹钢板23的底部打设锁脚锚杆6，以此对波纹板支护结构2形成临时性固定，在下一台阶施工后再和上台阶的内网格支撑结构3、波纹钢板23进行拼装。

综上所示，本发明的优点还在于：

1.本发明可以通过改变H型钢腰梁间距、波纹钢的波形、厚度设计参数，可以实现对不同围岩变形的补强支护。

2.本发明可以对已建深部隧道发生不同病害的情况采用不同设计参数进行补强，从而保证已建隧道变形不继续增大，保证隧道的安全。

3.本发明的支护结构构件均采用预制的装配式构件，成本低，施工工序简单、施工工期短，可极大的改善隧道内施工环境。

4.本发明的支护结构相对于喷锚初期支护结构，综合经济效益更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (9)

1.一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，包括内网格支撑结构（3）、波纹板支护结构（2）和外网格支撑结构（1）；其特征是：所述的波纹板支护结构（2）设置在隧道掌子面的钢筋混凝土仰拱（4）上，其整体为多块弧形波纹钢板（23）拼装而成的一段弧形板壁，所述弧形板壁与钢筋混凝土仰拱（4）上方的隧道面相配适，其壁面上设有多个注浆孔；在波纹板支护结构（2）的外壁面设有外网格支撑结构（1），所述外网格支撑结构（1）为网格状的缓冲吸能布袋梁；在波纹板支护结构（2）的内壁面设有内网格支撑结构（3），所述内网格支撑结构（3）由多个纵向方管梁（31）和多个环向钢腰梁（32）构成，多个纵向方管梁（31）均平行于波纹板支护结构（2）的轴线并间隔设置在波纹板支护结构（2）的内壁面，多个环向钢腰梁（32）也间隔设置在波纹板支护结构（2）的内壁面，每个环向钢腰梁（32）均垂直于纵向方管梁（31）并与波纹板支护结构（2）的内壁面固连。

2.根据权利要求1所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的缓冲吸能布袋梁包括横向土工布袋（11）、纵向土工布袋（12）和填充物（13），多个纵向土工布袋（12）均平行于波纹板支护结构（2）的轴线并间隔设置在波纹板支护结构（2）的外壁面，在多个纵向土工布袋（12）之间间隔设置有平行的横向土工布袋（11），所述横向土工布袋（11）与纵向土工布袋（12）垂直相交且相互连通，所述横向土工布袋（11）和纵向土工布袋（12）内均灌注有材质为高分子聚合物发泡材料的填充物（13）。

3.根据权利要求2所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的横向土工布袋（11）在其长度方向上设置有均布的注浆口A（14），所述的纵向土工布袋（12）在其长度方向上设置有均布的注浆口B（15），所述注浆口A（14）、注浆口B（15）分别连接有注浆导杆（16）；所述注浆导杆（16）与注浆口A（14）螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的波纹钢板（23）整体为弧形板，其在水平面的正投影为矩形，所述波纹钢板（23）在宽度方向的两条边为直边，在长度方向的两条边为弧边，所述波纹钢板（23）长度方向上的横截面为波纹状；所述波纹钢板（23）在长度方向的端部通过连接板（17）与相邻的波纹钢板（23）固连，在宽度方向的上的端部通过高强螺栓与相邻的波纹钢板（23）固连。

5.根据权利要求4所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的连接件（17）其整体矩形板状结构，其长度方向两侧分别设有开口槽（18），所述开口槽（18）的侧壁面与波纹钢板（23）的侧壁面相匹配，在开口槽（18）两侧壁分别设有同轴的通孔A（19）和通孔B（20），用于连接波纹钢板（23）。

6.根据权利要求1所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的波纹板支护结构（2）其内壁面对应环向钢腰梁（32）设置有环向连梁板（22），所述环向连梁板（22）通过高强螺栓与内网格支撑结构（3）的环向钢腰梁（32）固连；所述的波纹板支护结构（2）其内壁面对应纵向方管梁（31）还设置有纵向连梁板（21），所述纵向连梁板（21）通过高强螺栓与内网格支撑结构（3）的纵向方管梁（31）固连。

7.根据权利要求1所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的波纹板支护结构（2）通过高分子膨胀性锚杆（5）和锁脚锚杆（6）锚固在隧道围岩岩体（7）上，所述高分子膨胀性锚杆（5）锚固在波纹板支护结构（2）的上部，锁脚锚杆（6）锚固在波纹板支护结构（2）的下部。

8.根据权利要求1所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的环向钢腰梁（32）为环向H型钢，环向钢腰梁下端通过高强螺栓与钢筋混凝土仰拱（4）固连。

9.根据权利要求1所述的一种深地下空间隧道装配式组合支护结构，其特征是：所述的内网格支撑结构（3）其网格之中还填充有填料（9）。

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