CN113153363B - 一种高地应力下的隧道柔性支护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高地应力下的隧道柔性支护结构，通过设置应力释放孔、注浆层、新型让压锚杆、改性喷射混凝土构成主动支护，改善高地应力区围岩；设置钢板混凝土和硬质聚氨酯泡沫材料层作为被动支护，提供了高效的安全储备。主动支护和被动支护共同组成了此柔性支护体系，为高地应力下隧道岩爆段提供了良好的支护性能，并确保隧道运营期间的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高地应力下的隧道柔性支护结构，主要适用于交通、水利及矿山等地下工程。尤其适用于高地应力隧道工程中的岩爆防控。
背景技术
岩爆防治是世界性难题，对于交通隧道的岩爆支护，以瑞士、挪威等国为代表的欧洲国家在交通隧道岩爆段支护中基本采用喷砼(或钢纤维混凝土)十锚杆的联合支护，对比国内外岩爆支护体系可以看出，岩爆支护形式上大体相同，基本以锚网喷支护***为主，必要时增设格栅钢架。目前对于关于岩爆控制的区域防范和局部解危防治措施的研究较多，对于岩爆支护技术与施工控制技术研究相对不足，导致对于岩爆的控制技术并不彻底，有效的防控岩爆***并未真正形成，对于岩爆支护技术与施工质量控制技术的研究亟待加强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高地应力下的隧道柔性支护结构，其可以形成有效的防控岩爆***，为高地应力下隧道岩爆段提供良好的支护性能，并确保隧道运营期间的稳定性和安全性。
本发明所采用的技术方案是：一种高地应力下的隧道柔性支护结构，包括主动支护和被动支护，主动支护沿隧道径向从外向内依次为应力释放孔、注浆层、让压锚杆、含有柔性钢筋网的改性喷射混凝土；被动支护包括钢板混凝土和钢板混凝土内外两侧的硬质聚氨酯泡沫材料。
进一步地，所述注浆层所注材料为无机注浆材料，其主要成分为石膏、硫铝酸盐水泥，水灰比设置为1.2-1.8。
进一步地，所述让压锚杆由杆体、托盘、锁具螺母和让压筒构成，所述杆体贯穿所述让压筒的前、后端，杆体和让压筒之间由若干的高强度弹簧连接；所述让压筒外壁设置有环状齿刀；所述托盘套设在让压筒的后端；所述杆体外表面有螺纹，所述锁具螺母设置在托盘的后端与杆体螺纹连接。
进一步地，所述改性喷射混凝土为早强混凝土，含有体积含量为0.5%-2.5%的黄麻纤维。
进一步地，所述钢板混凝土由两侧钢板、连接在钢板上的抗剪连接件和中间浇筑的混凝土构成，所述抗剪连接件焊接至所述钢板上。
优选的，所述钢板是波纹钢板。
优选的，所述连接在钢板上的抗剪连接件是Y型连接件。
优选的，所述中间浇筑的混凝土是黄麻纤维混凝土。
优选的，所述硬质聚氨酯泡沫材料的喷涂厚度为60-80mm。
进一步地，本高地应力下的隧道柔性支护结构施工工法步骤为：
（1）隧道开挖前施作应力释放孔，开挖隧道洞身；
（2）在隧道洞身壁上注入无机注浆材料，及时加固围岩并在一定程度上软化围岩；
（3）设置***让压锚杆，施作柔性钢筋网，选择性施作钢架；
（4）沿隧道轮廓施加改性喷射混凝土及时加固；
（5）喷涂一层硬质聚氨酯泡沫材料，喷层厚度为60-80mm；
（6）施作新型的钢板混凝土作为二次衬砌；
（7）再次喷涂一层硬质聚氨酯泡沫材料，喷层厚度为60-80mm。
本发明的有益效果是：本发明通过多重支护形成了一个由主动支护和被动支护相结合的高地应力隧道柔性支护体系。主动支护包括超前支护的应力释放孔和隧道开挖后施作注浆层、新型让压锚杆以及改性喷射混凝土，其支护目的在于主动的改善围岩性能，其中的超前应力释放孔起到了释能的作用，注浆加固和让压锚杆对于高地应力地区起到了耗能的作用。被动支护由二次衬砌的钢板混凝土以及硬质聚氨酯泡沫材料组成。其中硬质聚氨酯泡沫材料与钢板混凝土相比，具有轻质、高比强度、缓冲吸能等优良的力学和物理特性，能大幅提高安全储备。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本高地应力隧道柔性支护断面图；
图2是新型让压锚杆示意图；
图3是钢板混凝土示意图；
图中：1-注浆层；2-改性喷射混凝土；3-让压锚杆；4-钢架；5-硬质聚氨酯泡沫材料；6-钢板混凝土；7-让压锚杆杆体；8-托盘；9-锁具螺母；10-让压筒；11-高强弹簧；12-钢板；13-抗剪连接件；14-混凝土。
具体实施方式
结合图1至图3所示，本发明提供了一种高地应力下的隧道柔性支护结构， 包括主动支护与被动支护；主动支护沿隧道径向从外向内依次为应力释放孔、注浆层1、新型让压锚杆3、含有柔性钢筋网的改性喷射混凝土2；所述被动支护包括钢板混凝土6和钢板混凝土6内外两侧的硬质聚氨酯泡沫材料5。
进一步的，隧道开挖前施作应力释放孔，应力释放孔的安装采用引孔顶入法，其结构本身和随后注入的浆液能对岩爆进行主动防控。随后注入无机注浆材料，其主要成分为石膏、硫铝酸盐水泥等，其浆液流动性好并且具有早强的特点，适当增大水灰比还能在一定程度上软化高地应力岩爆段的围岩。
优选的，水灰比设置为1.2-1.8，可以在加固围岩的同时一定程度上软化围岩。
进一步的，为了主动控制围岩，设置***让压锚杆3，让压锚杆3起到加固围岩和消耗围岩中积攒的能量的作用。
优选的，所述让压锚杆3由杆体7、托盘8、锁具螺母9和让压筒10构成，杆体7贯穿让压筒10的前、后端，杆体7和让压筒10之间由若干的高强弹簧11连接，弹簧的功能主要是用于消耗围岩变形产生的弹性应变能。让压筒10外壁设置有环状齿刀；托盘8套设在让压筒10的后端；杆体7外表面有螺纹，锁具螺母9设置在托盘的后端与杆体7螺纹连接。焊接在让压筒10和杆体7上的锚固块为L型，L型锚固块相互配合，可以增大锚固块的接触面积，以便施作更多的高强弹簧11，增大耗能能力。让压筒10上的环状齿刀为尖角型，其可以破坏部分内部岩体起到耗能的作用。
进一步的，在注浆层***用整体挂网的方式布设柔性钢筋网；其中强烈岩爆推荐设置钢架4，中等岩爆必要时设置钢架4。
进一步的，沿隧道轮廓施加改性喷射混凝土2进行及时加固。
优选的，所述改性喷射混凝土2以早强混凝土为主，并加入适量的高延伸率的柔性纤维，添加适量的柔性纤维可明显提高混凝土的韧性和拉压比，降低混凝土的脆性。黄麻种植面积广、资源充裕，同时具备价格上的优势，优选加入体积含量为0.5%-2.5%的黄麻纤维。
进一步的，设置新型的钢板混凝土6作为二次衬砌，同时作为被动支护的一部分。
优选的，所述钢板混凝土6由两侧钢板12、连接在钢板上的抗剪连接件13和中间浇筑的混凝土14构成，抗剪连接件焊接至钢板上；双层钢板混凝土具有高强度、高延性、高承载能力，可以有效防控隧道岩爆。
优选的，所述钢板12采用波纹钢板，可应对岩爆段的高低应力。
优选的，所述连接在钢板12上的抗剪连接件13为Y型连接件，可以提高结构抗剪能力。
优选的，所述中间浇筑的混凝土14为黄麻纤维混凝土。
采用波纹钢板混凝土的方式而非普通钢筋混凝土，这样可以大大增加二次衬砌的抗冲击能力。
进一步的，在施作钢板混凝土6前和施作钢板混凝土6后分别喷涂一层硬质聚氨酯泡沫材料5。硬质聚氨酯泡沫材料5导热系数可达到0.020 W/(m·K)以下，由多元醇、异氰酸酯、催化剂、发泡剂、泡沫稳定剂以及其他助剂混合发泡制备而成，内部含有大量的封闭泡孔，在一定的负荷作用下能够不发生明显的形变。
优选的，所述硬质聚氨酯泡沫材料5的喷涂厚度为60-80mm。
本发明用于高地应力下的隧道柔性支护结构，可以用于整个隧道纵向上实施，最优的，采用上述高地应力下的隧道柔性支护结构的施工方法，包括如下的步骤：
（1）隧道开挖前施作应力释放孔，开挖隧道洞身；
（2）在隧道洞身壁上注入无机注浆材料，及时加固围岩并在一定程度上软化围岩；
（3）设置***让压锚杆，施作柔性钢筋网，选择性施作钢架；
（4）沿隧道轮廓施加改性喷射混凝土及时加固；
（5）喷涂一层硬质聚氨酯泡沫材料，喷层厚度为60-80mm；
（6）施作新型的钢板混凝土作为二次衬砌；
（7）再次喷涂一层硬质聚氨酯泡沫材料，喷层厚度为60-80mm；
另外为了加快钢架施工速度、减少现场作业人员，建议采用拱架安装机进行施工作业。
Claims (6)
1.一种高地应力下的隧道柔性支护结构，包括主动支护与被动支护，其特征在于：所述主动支护沿隧道径向从外向内依次为应力释放孔、注浆层（1）、让压锚杆（3）、含有柔性钢筋网的改性喷射混凝土（2）；所述被动支护包括钢板混凝土（6）和钢板混凝土（6）内外两侧的硬质聚氨酯泡沫材料（5）；
所述让压锚杆（3）由杆体（7）、托盘（8）、锁具螺母（9）和让压筒（10）构成，所述杆体（7）贯穿所述让压筒（10）的前、后端，杆体和让压筒之间由若干的高强度弹簧（11）连接；所述让压筒（10）外壁设置有环状齿刀；所述托盘（8）套设在让压筒（10）的后端；所述杆体（7）外表面有螺纹，所述锁具螺母（9）设置在托盘（8）的后端与杆体螺纹连接；
所述钢板混凝土（6）由两侧钢板（12）、连接在钢板上的抗剪连接件（13）和中间浇筑的混凝土（14）构成，所述抗剪连接件焊接至所述钢板上；所述钢板（12）是波纹钢板；所述连接在钢板上的抗剪连接件（13）是Y型连接件。
2.根据权利要求1所述的高地应力下的隧道柔性支护结构，其特征在于：所述注浆层（1）所注材料为无机注浆材料，其主要成分为石膏、硫铝酸盐水泥，水灰比设置为1.2-1.8。
3.根据权利要求1所述的高地应力下的隧道柔性支护结构，其特征在于：所述改性喷射混凝土（2）为早强混凝土，含有体积含量为0.5%-2.5%的黄麻纤维。
4.根据权利要求1所述的高地应力下的隧道柔性支护结构，其特征在于：所述中间浇筑的混凝土（14）是黄麻纤维混凝土。
5.根据权利要求1所述的高地应力下的隧道柔性支护结构，其特征在于：所述硬质聚氨酯泡沫材料（5）的喷涂厚度为60-80mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高地应力下的隧道柔性支护结构的施工工法，其特征在于：施工工法步骤为：
（1）隧道开挖前施作应力释放孔，开挖隧道洞身；
（2）在隧道洞身壁上注入无机注浆材料，及时加固围岩并在一定程度上软化围岩；
（3）设置***让压锚杆，施作柔性钢筋网，选择性施作钢架；
（4）沿隧道轮廓施加改性喷射混凝土及时加固；
（5）喷涂一层硬质聚氨酯泡沫材料，喷层厚度为60-80mm；
（6）施作钢板混凝土作为二次衬砌；
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