用于控制隧道围岩变形破坏的防护结构及支护体系及施工方法

摘要

本发明公开了用于控制隧道围岩变形破坏的防护结构及支护体系及施工方法，防护结构包括间隔设定距离设置的两个压板，两个压板之间固定有缓冲减震装置，缓冲减震装置与两个压板固定为一体结构，该结构设于两段隧道围岩支护体系之间且两个压板分别与一段隧道围岩支护体系连接，本发明通过上层刚性的压板、中层柔性的气囊和弹簧、下层刚性的压板的设置，实现刚柔结合的支护体系，满足了在松散土质、上软下硬、富水软弱和胀缩性土质等软弱破碎地质条件下隧道建设的安全需要；支护体系不仅可以减少隧道掌子面上覆的土压力、减小拱顶和地表沉降以及提高围岩自稳能力，降低了施工成本和难度，且施工工艺简单易于施工人员操作，提高了工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及用于控制隧道围岩变形破坏的防护结构及支护 体系及施工方法。

背景技术

在松散土质、上软下硬、富水软弱和胀缩性土质等软弱破碎地质条件下修建隧道工程， 如果不能有效地控制隧道围岩初期的变形和稳定性，将对隧道工程建设及其周边环境造成极 其不利影响，严重者导致隧道围岩失稳破坏，危及工作者自身安全与建设的有序进行。松散 土质、上软下硬、富水软弱和胀缩性土质等软弱破碎地质地区隧道围岩具有变形量大、变形 速度快、变形规律无常，受周围自然环境和人为环境因素影响较大等特点，隧道工程中已有 的隧道初期支护结构，即通过常规注浆或增加临时钢支撑等结构控制围岩变形，对于特殊复 杂地质地区的围岩变形规律的适用性有待改善，一方面，这些方法只能起到临时作用，对于 控制围岩变形的能力较小，有时不得不采用回填、大管棚+地表注浆相结合的方式改善围岩自 稳能力重新开挖，这就大大增加了建设成本与建设风险；另一方面，开挖初期，隧道围岩会 有一个自稳变形的过程，单纯的通过常规支护阻挡围岩变形，会造成初支结构受力过大，不 利于施工安全，也增加了初支结构预算。常规支护结构无法满足控制该复杂地区的隧道围岩 变形稳定，例如大拱脚结构虽然可以减少隧道掌子面上覆的土压力、减小拱顶和地表沉降以 及提高围岩自稳能力，但是大拱脚结构无法满足随着围岩变形而自由改变，从而造成隧道支 护结构的不均匀沉降变形；注浆加固虽然可以实现隧道支护结构的可变形性，但是其加固范 围相对较小、而且作用时间较短、提高隧道围岩自稳能力有限、控制地表沉降的效果一般， 不能有效形成加固范围，从而可靠性降低；而且注浆加固所使用的浆液是否与该地区的岩土 介质产生物理或化学变化也是考虑因素之一。

综上所述，为控制隧道围岩自身变形破坏及其对既有构筑物和周边环境的扰动，保障隧 道建设自身安全与建设区域自然环境，提升常规隧道初期支护结构的能力，需要研发适用于 松散土质、上软下硬、富水软弱和胀缩性土质等软弱破碎地质条件下控制隧道围岩变形破坏 且可适度伸缩变形的新型支护结构是非常有必要，具有重要的理论意义和实际应用价值。

中国专利201010563717.9公开了一种隧道软弱围岩支护方法及支护结构。通过施力装置 对初支钢架施加背离围岩的预应力并同时对围岩施加背离初支钢架的预应力。该方法可以使 围岩能够及时提供主动支护，一定程度上减少围岩应力的释放。但预应力的施加限制了隧道 开挖初期围岩的自稳变形，不能充分利用围岩的自承能力，增加了初支体系的受力，不利于 运营期结构安全。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了用于控制隧道围岩变形破坏的防护结构及支护体系及 施工方法，该支护体系能够有效地控制松散土质、上软下硬、富水软弱和胀缩性土质等软弱 破碎地质条件下隧道围岩变形，提高隧道支护结构自身稳定性，节省支护结构投入成本，保 证隧道施工人员安全和隧道建设的有序进行。

具体技术方案如下：

用于控制隧道围岩变形破坏的防护结构，包括间隔设定距离设置的两个压板，两个压板 之间固定有缓冲减震装置，缓冲减震装置与两个压板固定为一体结构，该结构设于两段隧道 围岩支护体系之间且两个压板分别与一段隧道围岩支护体系连接；两个压板均为钢板，通过 缓冲减震装置支撑上部压板的上下滑动，当隧道围岩变形较大时，压缩气囊以减缓支护结构 的变形，以此控制围岩稳定性。

进一步地，所述缓冲减震装置包括至少一个气囊，当气囊数量为多个时，气囊对称设置； 气囊为高强度减振圆形或者葫芦形气囊。

进一步地，所述缓冲减震装置还包括设于两个压板之间的弹性元件，弹性元件起到缓冲 作用。

进一步地，所述弹性元件为弹簧，弹簧的两弹性元件设于两个压板的中部及端部。

进一步地，所述弹簧套于钢管的外侧，钢管的两端分别与一个压板连接固定。

进一步地，所述气囊的变形量小于等于20cm。

用于控制隧道围岩变形破坏的支护体系，包括用于支撑隧道围岩的拱架，拱架包括三段： 顶部拱架和两段脚步拱架，在相邻两段拱架之间设置防护结构，防护结构包括间隔设定距离 设置的两个压板，两个压板之间固定有缓冲减震装置，缓冲减震装置与两个压板固定为一体 结构。

进一步地，所述缓冲减震装置包括至少一个气囊，还包括设于两个压板之间的弹性元件， 所述防护结构设于支护体系的两个脚部。

进一步地，所述拱架为平行设置的双拱结构，拱架为钢拱架，为工字型钢。

所述的防护结构的施工方法，具体步骤如下：

1)隧道开挖，每循环进行支护施工，全断面设置双层钢筋网并喷射混凝土；

2)每循环底部两侧各固定一段脚部拱架，并加大脚部拱架与下部土体的受力面积；

3)在两脚部拱架上分别固定防护结构并焊接脚部拱架与防护结构的压板；

4)在两个防护结构的上部之间固定焊接顶部拱架。

本发明的工作原理是：通过双拱结构的拱架提高隧道上部结构的支护能力，同时，改善 的钢拱架支护装置——高强减振气囊能够缓解初期隧道围岩垂直变形过大而引起的不良地质 灾害发生的可能性；与此同时，刚性的压板能够逐渐地提高隧道自稳，有效地减少隧道围岩 长久变形，形成软弱破碎地质条件下隧道围岩稳定区域。本发明是将高强减振葫芦形气囊柔 性变形的特点用于满足控制松散土质、上软下硬、富水软弱和胀缩性土质等软弱破碎地质条 件下隧道开挖初期围岩沉降变形较大的性质上。气囊的加入为开挖初期围岩自稳变形提供了 缓冲空间，充分利用围岩自承能力，避免了初支结构在围岩自稳阶段应力过大的问题。与刚 性的两个压板相互结合，控制隧道围岩沉降变形达到某一设定值时弹簧中部钢筋下插，初支 体系转为刚性，避免了后期运营过程隧道变形过大的问题，保证结构寿命。以此提高隧道稳 定性，形成围岩稳定加固区域。一方面，增加对围岩自承能力的利用，大大降低了初支体系 应力，不仅可以减少隧道围岩、地表初期变形过大的问题，提高了隧道围岩自稳能力，而且 通过刚性压板形成加固稳定连续体体系，对于隧道围岩加固起到重要作用，最终形成多功能 围岩加固区域。另一方面，充分利用初支结构体系各个部分，以较少的成本得到更好的支护 效果，可以减少初支结构预算；对于支护体系施工方面，其施工进度易于掌握，且施工过程 简单。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)支护体系能利用高强减振气囊进行柔性连接，能够缓解初期隧道围岩垂直变形过大而 引起的不良地质灾害发生的可能性，满足随着围岩变形而自由改变，从而避免不均匀沉降变 形的发生。

2)气囊的加入，可以有效改变目前支护结构设计“硬碰硬”的设计理念，减少围岩自稳 过程中初支结构应力，充分利用围岩自承能力，从而使支护体系各部分都能得到更好的利用。

3)当围岩变形超过设定值时，因气囊与弹簧的设置使得顶部拱架能够逐渐的提高隧道自 稳，有效的减少隧道围岩长久变形，形成隧道围岩稳定区域。4)通过上层刚性的压板、中层 柔性的气囊和弹簧、下层刚性的压板的设置，实现刚柔结合的支护体系，满足了在松散土质、 上软下硬、富水软弱和胀缩性土质等软弱破碎地质条件下隧道建设的安全需要。

5)通过设置上下刚性压板和弹簧，可以控制初支体系转为刚性支撑阶段前的柔性变形量。 可以有效控制后期隧道变形，保证运营过程隧道结构安全，保证结构寿命。

6)通过改善支护体系，改善结构各部分的利用效率。结构各部分的有效利用有利于节约 资源、降低成本，符合可持续发展理念。

7)整个支护体系不仅可以减少隧道掌子面上覆的土压力、减小拱顶和地表沉降以及提高围岩 自稳能力，而且可以实现隧道围岩预加固的目的；降低了施工成本和难度，而且施工工艺简 单易于施工人员操作，提高了工作效率，支护效果优异。附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的侧视图；

图3本发明的大拱脚支护装置俯视图；

图4本发明的大拱脚支护装置侧视图；

图5本发明的气囊正视图；

图6为本发明的气囊俯视图；

其中，1、拱架；2、上层钢板；3、气囊；4、弹簧；5、下层钢板；6、固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

用于控制隧道围岩变形破坏的防护结构，包括间隔设定距离设置的两个压板，两个压板 之间固定有缓冲减震装置，缓冲减震装置与两个压板固定为一体结构，该结构设于两段隧道 围岩支护体系之间且两个压板分别与一段隧道围岩支护体系连接；两个压板均为钢板，通过 缓冲减震装置支撑上部压板的上下滑动，当隧道围岩变形较大时，压缩缓冲减震装置以减缓 支护结构的变形，以此控制围岩稳定性。

所述缓冲减震装置包括至少一个气囊3，当气囊3数量为多个时，气囊3对称设置；气 囊3为高强度减振葫芦形气囊，还包括设于两个压板之间的弹性元件，弹性元件起到缓冲作 用。

如图1-3所示，用于控制隧道围岩变形破坏的支护体系，包括在拱架1、上层钢板2、气 囊3、弹簧4、下层钢板5、固定螺栓6组成。在上层钢板2和下层钢板5之间均匀布置高强 度减振葫芦形的气囊3和起缓冲作用的弹簧4，且都与上层钢板2和下层钢板5焊接成为一 个整体，拱架1包括三段：顶部拱架和两段脚步拱架，在相邻两段拱架之间设置防护结构， 防护结构包括间隔设定距离设置的上层钢板2和下层钢板5，上层钢板2和下层钢板5之间 固定有缓冲减震装置，缓冲减震装置与上层钢板2、下层钢板5固定为一体结构。

如图4-6所示，上层钢板2和下层钢板5采用刚度大的钢板，其外形尺寸为 1000mm×500mm，钢板厚度为100mm；可以有效保证结构的承载性能。

上层钢板2和下层钢板5设为矩形，形状规则，尺寸一致，便于施工。

采用传统的焊接工艺进行相应部件的连接，施工过程简单，质量容易得到保证。

使用气囊3，可以有效地减缓上层钢板所受荷载的影响，确保支护结构的稳定与安全。

使用高强度弹簧4作为缓冲装置，可以缓解上部结构变形过大对下部结构的损坏。

允许气囊3压缩变形量不超过20cm，既可以保证在一定范围内使该支护结构随着围岩变 形发生一定的自由变形，避免不均匀沉降，又可以保证隧道围岩的稳定性。

拱架1采用工字钢，其尺寸为截面高度H＝200mm，截面宽度B＝100mm，翼缘厚度 t_f＝11.4mm，腹板厚度t_w＝7mm，截面面积A＝3555mm²，惯性矩I_x＝23690000mm⁴，惯性矩 I_y＝1579000mm⁴，截面模量W_x＝236900mm³；双拱间距300mm。

高强度减振葫芦形气囊3为高度为260mm，长度方向圆心间距为306mm，宽度 方向圆心间距为240mm，均匀与上层钢板2和下层钢板5焊接。

弹簧4为的高强度弹簧，高度40mm；弹簧4中心有钢管贯穿其中。

固定螺栓6用于将高强度减振葫芦形气囊3固定在上层钢板2和下层钢板5上。

包含隧道围岩支护体系的隧道的施工方法，具体步骤如下：

(1)隧道开挖

在软弱破碎地区，隧道开挖一般采用台阶法开挖，围岩爆破采用光面爆破，开挖进尺按 0.5m控制。开挖过程中，做到“挖一榀、支一榀、喷一榀”。

(2)钢拱架支护

隧道开挖后，每循环及时进行初期拱架1支护施工。断面初期支护采用I18或I22工字 拱架，纵向间距0.8m；全断面设置Ф820cmX20cm双层钢筋网；喷C25，P6混凝土，厚30cm。

(3)大拱脚支护体系

将脚部拱架的下部与支护体系的下层钢板5焊接成为一体，使施工中，在上导初期支护 及上部土体等传导至拱架压力不变的情况下，加大脚部拱架与下部土体受力面积，从而使压 强减小，最终达到减少沉降的目的。具体如下：拱架1下部连接上层钢板2，在上层钢板2 和下层钢板5，其外形尺寸为1000mm×500mm，钢板厚度为100mm；不仅均匀布置气囊3和 弹簧4，而且与之焊接成为一个整体。

(4)仰拱开挖及二衬施工

隧道洞身开挖支护完成后，及时进行仰拱施工，并封闭成环；其后二衬及时跟进，衬砌 各项施工工艺和技术指标必须满足设计或规范要求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。