CN211342952U - 一种层状软岩隧道非对称支护结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种层状软岩隧道非对称支护结构，包括垂直于层状软岩层理面方向管棚支护、非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护、钢拱架、垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆、非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆、压力型锚索、上台阶锁脚锚杆、下台阶锁脚锚杆、仰拱初期支护、初期喷砼、二次衬砌。本实用新型采用非对称支护结构，针对层理面倾角不同的层状软岩地层，在垂直于层理面更容易发生挤压破坏的方向对支护结构进行加强，可以有效改善隧道支护结构的受力状态，施工方法依旧基于传统的上下台阶预留核心土法，无附加工作量，在满足隧道支护要求的同时最大化节省了时间和经济成本。

Description

一种层状软岩隧道非对称支护结构

技术领域

本实用新型涉及地下工程技术领域，特别是一种层状软岩隧道非对称支护结构。

背景技术

在我国西部的藏区地带，广泛分布有千枚岩、板岩、页岩、砂岩为主的软弱围岩地层，这些地层具有显著的沉积特性，呈现出各向异性的力学特性，其中以碳质千枚岩最为显著。隧道穿越层状软岩地层时，围岩变形特性与支护结构的力学性能具有显著的非对称特性。并且如果隧道轴线方向与主应力场不是垂直或平行关系时，初始地应力场在隧道结构周边产生的剪切应力会加剧这种非对称变形特性，对支护结构的安全性能产生影响。由于软弱围岩强度较低、自承能力较差，隧道支护结构将承担较大的荷载，隧道可能发生挤压性破坏。其变形特性和破坏模式与层理面的角度密切相关。对于水平层状围岩隧道，支护结构的破坏主要集中在拱顶与拱底，容易发生坍塌与底鼓灾害；对于斜倾层状围岩隧道，则具有明显的非对称变形机理，沿层理面法线方向的围岩发生向内侧临空面的弯折内鼓变形，隧道支护结构的左侧拱肩与右侧拱脚位置容易出现非对称开裂灾害；对于陡倾层状围岩隧道，围岩的变形则集中在左右两侧边墙位置，应力集中更容易导致混凝土开裂与剥落灾害的发生。很多工程实践表明，层状软岩对围岩变形和支护结构力学行为的影响主要体现在层理角度和层理厚度上。因此，对于穿越层状软岩地层的隧道，采用合理的支护方式和施工方法，对于隧道结构的安全保障有着重要意义。

在层状软岩的支护技术方面，众多国内外学者进行了大量的研究。张俊儒、仇文革通过现场监测、模型试验及理论分析，研究了倾斜层状泥岩中隧道的支护措施，结果表明，在隧道拱腰加密安设垂直于岩层面的长锚管，可以有效转移偏压荷载，充分利用围岩的自承载能力。夏彬伟通过物理模型实验对毛洞、常规锚杆和加长锚杆模型的围岩应力分布进行了研究，并对不同长度锚杆加固下层状围岩的力学效应进行了分析，结果表明经锚杆加固的围岩形成“压应力场”，有效改善了围岩内部受力状态。孙晓明、张国锋等针对深部倾斜岩层巷道围岩在开挖支护后表现出的非对称变形破坏现象，对其变形破坏机制及耦合控制对策进行了数值模拟与工程应用研究。提出了非对称耦合控制对策，利用锚索、底角锚杆等对产生差异性变形破坏的关键部位进行加强支护，从而达到控制巷道非对称变形目的。尽管如此，现今我国大部分穿越层状软岩的隧道中，所采取的支护技术仍有不足：

1.目前的衬砌支护参数大多仍按照统一设计，在层状软岩地层，衬砌结构会承受非对称荷载，在垂直于层理面的方向衬砌结构会承担更大的围岩荷载，该部位的支护结构更容易发生破坏；

2.目前国内外隧道支护结构设计的方法仍以工程类比经验设计法为主，但是从安全性和经济性的角度来看，这种设计的方法并不合理；

3.在层状软岩地层中，围岩易发生较大的变形，而现今支护体系对于这一问题仍旧选择以支护结构硬抗为主，一味增大支护参数，极大的增加了施工的成本。

发明内容

本实用新型的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种施工简单高效、经济合理、能够应对隧道在层状地层中受到非对称荷载问题的安全有效的层状软岩隧道非对称支护结构。

为达到上述目的，本实用新型是按照以下技术方案实施的：

一种层状软岩隧道非对称支护结构，包括设置于层状软岩隧道围岩内的管棚超前支护，所述管棚超前支护包括由钢导管组成的垂直于层状软岩层理面方向管棚支护和非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护，垂直于层状软岩层理面方向管棚支护采用的钢导管的长度大于非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护采用的钢导管的长度，在层状软岩隧道围岩壁下方设置钢拱架，沿着层状软岩隧道围岩钻设有用于锚固钢拱架的垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆，所述垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆的长度大于非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆的长度，沿着层状软岩隧道围岩在垂直于层理面方向还设有用于锚固钢拱架的压力型锚索，在位于隧道的上台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有上台阶锁脚锚杆，在位于隧道的下台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有下台阶锁脚锚杆，在位于隧道的仰拱开挖部内设置仰拱初期支护，所述钢拱架与层状软岩隧道围岩之间设有初期喷砼，初期喷砼下壁设置二次衬砌。

所述钢拱架包括垂直于层状软岩层理面方向钢拱架和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架，所述垂直于层状软岩层理面方向钢拱架采用工20b型工字钢，非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架采用工20a型工字钢。

所述二次衬砌包括垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌、非垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌，所述垂直于层理面方向二次衬砌较非垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌厚5-10cm。

所述初期喷砼与二次衬砌之间设有防水层。

所述防水层为防水布。

一种层状软岩隧道非对称支护结构的施工方法，包括以下步骤：

1）在层状软岩隧道围岩内施作管棚超前支护，包括垂直于层状软岩层理面方向管棚支护和非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护，并对掌子面前方围岩进行注浆加固；

2）首先开挖上台阶环向开挖部，并保留核心土部分，开挖完毕后立即铺设钢筋网并安装垂直于层状软岩层理面方向钢拱架和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架，随后安装垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆，并在位于隧道的上台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有上台阶锁脚锚杆，沿着层状软岩隧道围岩在垂直于层理面方向还设有用于锚固钢拱架的压力型锚索，安装完成后在钢拱架与层状软岩隧道围岩之间喷射初期喷砼并及时封闭掌子面，完成上台阶的初期支护；

3）开挖核心土以及下台阶，开挖完成后，立即铺设钢筋网和安装垂直于层状软岩层理面方向钢拱架和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架，随后安装垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆，并在位于隧道的下台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有下台阶锁脚锚杆，沿着层状软岩隧道围岩在垂直于层理面方向还设有用于锚固钢拱架的压力型锚索，安装完成后在钢拱架与层状软岩隧道围岩之间喷射初期喷砼并及时封闭掌子面，完成下台阶初期支护；

4）开挖仰拱，开挖后立即设置仰拱初期支护；

5）在上台阶的初期支护、下台阶初期支护、仰拱初期支护设置完成后，沿初期喷砼下壁铺设防水层，再按照设计图纸安装二次衬砌内部钢筋骨架，最后利用模板台车进行二次衬砌浇筑；

6）继续下一循环隧道开挖，直至通过层状软岩地段。

与现有技术相比，本实用新型采用非对称支护结构，针对层理面倾角不同的层状软岩地层，在垂直于层理面更容易发生挤压破坏的方向对支护结构进行加强，可以有效改善隧道支护结构的受力状态，施工方法依旧基于传统的上下台阶预留核心土法，无附加工作量，在满足隧道支护要求的同时最大化节省了时间和经济成本。

附图说明

图1为本实用新型中层状软岩隧道非对称支护结构示意图。

图2为本实用新型中非对称支护技术的施工方法示意图。

图3为本实用新型中压力型锚索示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图合具体实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定实用新型。

如图1所示，本实施例的一种层状软岩隧道非对称支护结构，包括设置于层状软岩隧道围岩内的管棚超前支护，所述管棚超前支护包括由钢导管组成的垂直于层状软岩层理面方向管棚支护1和非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护5，垂直于层状软岩层理面方向管棚支护1采用的钢导管的长度大于非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护5采用的钢导管的长度，具体地，本实施例中垂直于层状软岩层理面方向管棚支护1采用的钢导管长度为30m，非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护5采用的钢导管长度为25m，在层状软岩隧道围岩壁下方设置钢拱架，钢拱架包括垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6，所述垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2采用工20b型工字钢，非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6采用工20a型工字钢，垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6之间的环向间距为0.6m；沿着层状软岩隧道围岩钻设有用于锚固钢拱架的垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆3和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7，所述垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆3的长度大于非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7的长度，具体地，本实施例中垂直于层理面方向砂浆锚杆3长4.5m，非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7长3.5m，垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆3和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7之间的环向间距为1.5m；沿着层状软岩隧道围岩在垂直于层理面方向还设有用于锚固钢拱架的压力型锚索12，在位于隧道的上台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有上台阶锁脚锚杆10，在位于隧道的下台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有下台阶锁脚锚杆11，在位于隧道的仰拱开挖部内设置仰拱初期支护13，所述钢拱架与层状软岩隧道围岩之间设有初期喷砼9，初期喷砼9下壁设置二次衬砌。

所述二次衬砌包括垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌4、非垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌8，所述垂直于层理面方向二次衬砌4较非垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌8厚5-10cm。

在实际施工过程中，所述初期喷砼9与二次衬砌之间设有防水层14，在本实施例中防水层14可以采用防水布，当然也可以采用其他防水材料。

参照图2，本实施例还提供了一种层状软岩隧道非对称支护结构的施工方法，具体步骤如下：

1）在层状软岩隧道围岩内施作管棚超前支护，包括垂直于层状软岩层理面方向管棚支护1和非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护5，垂直于层状软岩层理面方向管棚支护1采用的钢导管长度为30m，非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护5采用的钢导管长度为25m，并对掌子面前方围岩进行注浆加固；

2）首先开挖上台阶环向开挖部I，并保留核心土II部分，开挖完毕后立即铺设钢筋网并安装垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6，垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2采用工20b型工字钢，非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6采用工20a型工字钢，垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6之间的环向间距为0.6m，随后安装垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆3和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7，垂直于层理面方向砂浆锚杆3长4.5m，非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7长3.5m，垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆3和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7之间的环向间距为1.5m，并在位于隧道的上台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有上台阶锁脚锚杆10；对于层状岩体而言，隧道在垂直于层理面方向的支护结构要承受较大的非均匀压力，故沿着层状软岩隧道围岩在垂直于层理面方向还设有用于锚固钢拱架的长度为6.8m的压力型锚索12，压力型锚索12的结构如图3所示，其一端固定在深部岩体中，其内部施加有预应力，可以防止在层理岩体卸荷过程中发生剥落；安装完成后在钢拱架与层状软岩隧道围岩之间喷射初期喷砼9并及时封闭掌子面，初期喷砼9采用C20混凝土，厚度为20cm；此时，即完成上台阶的初期支护；

3）开挖核心土II以及下台阶III，开挖完成后，立即铺设钢筋网和安装垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6，垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2采用工20b型工字钢，非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6采用工20a型工字钢，垂直于层状软岩层理面方向钢拱架2和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架6之间的环向间距为0.6m；随后安装垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆3和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7，垂直于层理面方向砂浆锚杆3长4.5m，非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7长3.5m，垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆3和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆7之间的环向间距为1.5m；并在位于隧道的下台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有下台阶锁脚锚杆11，沿着层状软岩隧道围岩在垂直于层理面方向还设有用于锚固钢拱架的压力型锚索12，安装完成后在钢拱架与层状软岩隧道围岩之间喷射初期喷砼9并及时封闭掌子面，初期喷砼9也采用C20混凝土，厚度同样为20cm；此时，即完成下台阶初期支护；

4）开挖仰拱IV，开挖后立即设置仰拱初期支护13；

5）在上台阶的初期支护、下台阶初期支护、仰拱初期支护13设置完成后，沿初期喷砼9下壁铺设防水层14，再按照设计图纸安装二次衬砌内部钢筋骨架，最后利用模板台车进行二次衬砌浇筑，垂直于层理面方向二次衬砌4较非垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌8厚5-10cm；

6）继续下一循环隧道开挖，直至通过层状软岩地段。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种层状软岩隧道非对称支护结构，包括设置于层状软岩隧道围岩内的管棚超前支护，其特征在于：所述管棚超前支护包括由钢导管组成的垂直于层状软岩层理面方向管棚支护（1）和非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护（5），垂直于层状软岩层理面方向管棚支护（1）采用的钢导管的长度大于非垂直于层状软岩层理面方向管棚支护（5）采用的钢导管的长度，在层状软岩隧道围岩壁下方设置钢拱架，沿着层状软岩隧道围岩钻设有用于锚固钢拱架的垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆（3）和非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆（7），所述垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆（3）的长度大于非垂直于层状软岩层理面方向砂浆锚杆（7）的长度，沿着层状软岩隧道围岩在垂直于层理面方向还设有用于锚固钢拱架的压力型锚索（12），在位于隧道的上台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有上台阶锁脚锚杆（10），在位于隧道的下台阶环形开挖部内的钢拱架的两侧拱脚处沿着层状软岩隧道围岩安装有下台阶锁脚锚杆（11），在位于隧道的仰拱开挖部内设置仰拱初期支护（13），所述钢拱架与层状软岩隧道围岩之间设有初期喷砼（9），初期喷砼（9）下壁设置二次衬砌。

2.根据权利要求1所述的层状软岩隧道非对称支护结构，其特征在于：所述钢拱架包括垂直于层状软岩层理面方向钢拱架（2）和非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架（6），所述垂直于层状软岩层理面方向钢拱架（2）采用工20b型工字钢，非垂直于层状软岩层理面方向钢拱架（6）采用工20a型工字钢。

3.根据权利要求1所述的层状软岩隧道非对称支护结构，其特征在于：所述二次衬砌包括垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌（4）、非垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌（8），所述垂直于层理面方向二次衬砌（4）较非垂直于层状软岩层理面方向二次衬砌（8）厚5-10cm。

4.根据权利要求1所述的层状软岩隧道非对称支护结构，其特征在于：所述初期喷砼（9）与二次衬砌之间设有防水层（14）。

5.根据权利要求4所述的层状软岩隧道非对称支护结构，其特征在于：所述防水层（14）为防水布。

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