交通隧道围岩协同控制体系及施工方法

摘要

本发明涉及一种交通隧道围岩协同控制体系及施工方法，包括能够沿隧道内壁向隧道内部空间方向依次设置的速凝浆液层，柔性防爆吸能层、刚性护板层及钢性拱架，所述柔性防爆吸能层与刚性护板层之间设置有多个伸缩件，柔性防爆吸能层和刚性护板层之间的空隙填充柔性材料；所述柔性防爆吸能层能够通过锚固件与围岩固定连接，所述锚固件能够插入围岩中，本发明的支护结构能够有效预防和控制交通隧道面临的围岩大变形问题。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道支护技术领域，具体涉及交通隧道围岩协同控制体系及施工方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

在地形条件和地质构造辅助及工程地质条件较差的环境中，公路、铁路等交通隧道的建设过程中要采用深埋特长隧道。随着隧道埋深的增加，无论是软岩还是硬岩均表现出明显的流变特性，同时，围岩在高应力的环境下极易导致围岩大变形、失稳和坍塌等安全事故的发生，造成人员和经济的重大损失。目前，针对围岩瞬变和流变等围岩大变形问题的控制方法，大多采用锚网索喷、注浆加固、型钢拱架等复合支护技术，但发明人发现，上述技术在取得了一定支护成果的同时也存在以下问题：

(1)采用上述锚网索喷、注浆加固等控制方法虽然可提高围岩的力学参数，使围岩形成完整的锚固体，提高围岩流变阀值，但是支护强度过低，极易在开挖扰动等其他因素作用下发生支护失效，对围岩瞬变和流变等大变形问题难以具备有效的控制效果。

(2)采用型钢拱架等被动支护技术虽然可以提供高强的支护反力控制围岩大变形，但是没有让压结构，极容易造成围岩压力过大产生围岩瞬变，同时当围岩应力过大超过流变阀值时，围岩大变形问题明显，易造成支护失效。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供交通隧道围岩协同控制体系，可有效预防和控制围岩流变和围岩瞬变等交通隧道面临的围岩大变形问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了交通隧道围岩协同控制体系，包括能够沿隧道内壁向隧道内部空间方向依次设置的速凝浆液层，柔性防爆吸能层、刚性护板层及钢性拱架，所述柔性防爆吸能层与刚性护板层之间设置有多个伸缩件，柔性防爆吸能层和刚性护板层之间的空隙填充柔性材料；所述柔性防爆吸能层能够通过锚固件与围岩固定连接，所述锚固件能够插入围岩中；

柔性防爆吸能层与伸缩件形成让压吸能的柔性支护，使围岩通过变形释放应力，刚性护板层和刚性拱架能够提供支护反力，对围岩进行刚性支撑。

第二方面，本发明的实施例提供了交通隧道围岩协同控制体系及施工方法，包括以下步骤：

隧道开挖后在围岩表面进行钻孔，对围岩进行卸压，同时为围岩流变提供变形空间；

在隧道围岩表面喷射速凝浆液层，防止隧道内表面破碎围岩垮落，然后在速凝浆液层表面铺设柔性防爆吸能层，并利用锚固件将柔性防爆吸能层紧固。

将多个伸缩件固定在刚性护板层后，架设刚性护板层，使伸缩件一端与刚性护板层固定，另一端支撑住柔性防爆吸能层，然后在多个刚性护板层和柔性防爆吸能层之间的空间填充柔性材料。

架设刚性拱架，将刚性拱架与刚性护板层固定连接，利用刚性拱架对刚性护板层进行支撑。

本发明的有益效果：

1.本发明的交通隧道围岩协同控制体系，具有柔性防爆吸能层及多个伸缩件，形成柔性的让压吸能结构，使围岩通过一定的变形释放其应力，防止围岩瞬变造成的大变形问题，同时可使其应力大小低于流变阀值，从而减小围岩产生的大变形问题；同时该体系具有刚性护板层和刚性拱架，又能够实现对围岩的刚性支撑，做到既让又抗、刚柔结合的支护理念，可有效预防和控制围岩瞬变、流变及其他不良地质条件所引发的围岩大变形等安全事故。

2.本发明的施工方法，支护结构施工前预先在围岩上开设多个钻孔，达到了对围岩进行卸压的目的，同时钻孔可为围岩流变提供变形空间，从根部上防止了围岩大变形的发生。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1塑钢勾花网结构示意图；

图3为本发明实施例1经纬网结构示意图；

图4为本发明实施例1锚固件与柔性防爆吸能层固定示意图；

其中，1.钻孔，2.速凝浆液层，3.柔性防爆吸能层，3-1.有机纤维网，3-2.塑钢勾花网，3-3.经纬网，3-3-1.横向钢筋，3-3-2.纵向钢筋，4.锚固件，4-1.让压杆，4-2.注浆管，4-3.托盘，4-4.螺母，5.智能液压支柱，6.纳米柔性橡胶，7.刚性护板层，8.钢管部，9.围岩，10.阻尼吸能抗震节点，11.纵向连接件，12.通孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的隧道支护结构对围岩瞬变和流变等围岩大变形问题的控制效果差，针对上述问题，本申请提出了一种交通隧道围岩协同控制体系。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-4所示，一种交通隧道围岩协同控制体系，在隧道内表面设置，对隧道的隧道壁进行支撑，沿隧道内表面向隧道内部空间的方向，所述支护结构包括依次设置的速凝浆液层2、柔性防爆吸能层3、刚性护板层7及刚性拱架，所述刚性护板层和柔性防爆吸能层之间设置有多个伸缩件，刚性护板层和柔性防爆吸能层之间的空隙填充有柔性材料。

隧道开挖后，所述速凝浆液层采用高分子速凝化学浆液,本实施例中，所述高分子速凝化学浆液采用邻苯二甲酸二丁酯和乙二胺制成的高分子化合物，可以理解的是，高分子速凝化学浆液也可采用其他类型的高分子化合物，只要满足需要即可，高分子速凝化学浆液喷射在围岩表面，防止隧道表面破碎围岩垮落，使围岩的完整性被破坏。

所述柔性防爆吸能层包括铺设在速凝浆液层表面的有机纤维网，铺设在有机纤维网表面的塑钢勾花网及铺设在塑钢勾花网表面的经纬网。

所述有机纤维网3-1、塑钢勾花网3-2及经纬网3-3上预留锚固件4穿过的通孔12，所述锚固件用于将柔性防爆吸能层与隧道围岩紧固连接，柔性防爆吸能层可有效加强围岩表面的支护强度，防止隧道表面破碎的围岩的垮落，抵抗围岩瞬变产生的大变形以及施工扰动对整个支护结构造成的危害。

所述有机纤维网采用超高分子量聚乙烯纤维网，可以理解的是，也可采用其他类型材料的纤维网，只要满足需要即可。

所述塑钢勾花网由玻璃纤维和钢丝的复合材料制成，通过勾边形成整体，所述经纬网为横向钢筋3-3-1和纵向钢筋3-3-2上下交错编制而成的经纬网状结构，编织节点处利用钢绞线进行连接固定，利用焊接将钢绞线、横向钢筋及纵向钢筋固定为一个整体，用于提高围岩表面支护结构的强度和整体性。

横向钢筋和纵向钢筋进行镀锌处理，可有效防止支护结构在深部高湿度焊接中被锈蚀而失去其承载能力。

所述有机纤维网、塑钢勾花网及经纬网均在施工前进行预制，每层之间采用结构胶进行黏结，以保证柔性防爆吸能层结构的整体性。

所述锚固件包括空心结构的让压杆4-1，所述让压杆能够插入围岩中，所述让压杆中能够穿过注浆管4-2，所述让压杆一端用于插入围岩中，另一端具有螺纹杆段，且穿过有带有肋板的托盘4-3，所述托盘为圆锥体结构，其外周面焊接有肋板，可有效提高托盘的强度和刚度，防止托盘处发生破断而导致锚固件的支护失效。

所让压杆的螺纹杆段上能够螺纹连接螺母4-4，所述螺母能够压紧托盘，通过螺母的压紧作用，将柔性防爆吸能层与围岩固定。

所述刚性护板层采用钢板制成，具有高强度、高刚度的力学特性，可提供支护反力、有效限位围岩大变形，同时可以保证刚性拱架受力均匀。

所述伸缩件采用智能液压柱5，所述液压柱与刚性护板层焊接固定或通过螺栓可拆卸固定，所述智能液压柱的一端与刚性护板层固定，另一端支撑住柔性防爆吸能层，具有定量让压和吸能作用，可使围岩通过一定的变形释放其应力，在让压过程中提供恒定的支护反力，保证支护结构的强度。

所述填充材料采用纳米柔性橡胶6，填充在刚性护板层、柔性防爆吸能层之间相邻智能液压柱之间的空隙，既能定量让压，又可以保证刚性护板层的受力均匀。

所述刚性拱架在工厂进行预制，包括多个能够沿隧道纵向设置的环状钢架，所述环状钢架包括多个钢架部8，相邻钢架部通过阻尼吸能抗震节点10连接，所述钢架部采用钢管或工字钢或槽钢等型材，所述阻尼吸能抗震机构包括两节中空件，所述中空件可采用中空的钢管或方管，其形状与钢架部相匹配，钢架部伸入中空件中并与中空件焊接固定，两个中空件之间固定有抗震阻尼器，相邻环状钢架之间固定有沿隧道纵向设置的纵向连接件11，所述纵向连接件采用高强有机复合材料制成的连接管或其他型材，其焊接在环状钢架靠近隧道中心的一侧，能够增强刚性拱架的整体刚度、强度和整体稳定性，所述连接管可采用碳纤维或芳纶纤维或玻璃纤维等材料制成。

刚性拱架作为强抗结构，在有效控制围岩大变形的同时，还具有抗震吸能的作用，防止支护结构在砌体外力的作用下破坏失效。

刚性护板层、刚性护板层能够对围岩进行刚性支撑，柔性防爆吸能层及多个智能液压支柱能够对围岩进行柔性支撑，做到既让又抗、刚柔结合的支护理念，可有效预防和控制围岩瞬变、流变及其他不良地质条件所引发的围岩大变形等安全事故。

实施例2：

本实施例公开了一种交通隧道围岩协同控制体系的施工方法，根据前期获得的围岩大变形参数及前期地质探测得到的地质资料通过有限元软件建立数值模型，通过数值计算确定合理的最优支护参数，包括让压杆的直径、长度、间排距、预应力大小、刚性拱架截面大小、拱架间距、纵向连接环距等，根据得到的各项支护参数预制柔性防爆吸能层、刚性护板层、刚性拱架及锚固件。施工包括以下具体步骤：

步骤1：隧道开挖后利用卸压钻机在围岩9表面进行钻孔1，钻孔后采用定向爆破装置对深部岩层进行爆破，可有效对围岩进行卸压，同时产生的空洞为围岩流变提供变形空间，从而防止围岩产生大变形；

步骤2：在隧道围岩表面喷射高分子速凝化学浆液，形成速凝浆液层，防止隧道内表面破碎围岩垮落，然后在速凝浆液层表面铺设柔性防爆吸能层，将让压杆穿过柔性防爆吸能层，插入围岩，让压杆中穿过注浆管，让压杆套上托盘后旋紧螺母，螺母将托盘压紧，利用锚固件将柔性防爆吸能层紧固；

步骤3：将多个智能液压支柱固定在刚性护板层后，架设刚性护板层，使智能液压支柱一端与刚性护板层固定，另一端支撑住柔性防爆吸能层，然后在多个刚性护板层和柔性防爆吸能层之间的空间填充纳米柔性橡胶；

步骤4：架设刚性拱架，将钢管部通过吸能抗震节点进行连接，形成刚性拱架，按照设计要求将刚性拱架与刚性护板层焊接固定连接，利用刚性拱架对刚性护板层进行支撑，每架设一个环状钢架，将其与前一个环状钢架利用纵向连接件进行连接，直至刚性拱架安装完成，在刚性拱架安装过程中，同步进行应力、位移等监测元件的安装。

施工过程中，通过埋设的各种监测元件对围岩变形、应力等各项数据进行长期的跟踪监测。

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。