一种深部地下隧道通风竖井支护结构

摘要

本发明提供一种深部地下隧道通风竖井支护结构，包括中隔墙、钢立柱、波纹钢支护、混凝土加强环和高分子聚合物注浆层，所述的波纹钢支护整体为竖直的圆筒状结构，其数量为多个，多个波纹钢支护同轴且竖向间隔设置，在相邻的波纹钢支护之间设有混凝土加强环，混凝土加强环与波纹钢支护同轴，所述的中隔墙竖向设置在多个波纹钢支护内部中间位置，中隔墙左右两端分别设有竖向的一个钢立柱并通过钢立柱与钢环梁固连；所述的高分子聚合物注浆层设置在波纹钢支护与竖井井壁围岩之间。本发明能及时封闭成环，施工方便，在复杂围岩段上能快速封闭围岩及注浆，遏制围岩坍塌、变形，具有较高的安全性、时效性和经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及地下空间围岩支护领域，尤其是通风竖井的支护技术，具体是一种深部地下隧道通风竖井支护结构。

背景技术

在深部地下隧道建设和运营过程中，需要从地表垂直向下开挖直径较大的竖井进行人员出入、隧道通风等功能，在施工期及运营期都发挥着重要的作用。如果竖井采用正井法施工可向隧道两头同时开工，能解决主洞内通风问题及关键线路提前贯通的问题，加快项目整体施工进度。按照相关设计规范要求，竖井的直径一般可达6～8m。在传统的竖井设计中，竖井的初期支护一般采用中空锚杆、喷射混凝土、钢筋网和钢拱架刚性支护；防水层采用土工布及反粘型高分子自粘胶膜防水卷材；二衬采用防水钢筋混凝土衬砌。根据不同的围岩级别设计不同的支护强度。隧道开挖后及时施做初期支护，以控制围岩变形，预留变形量根据现场监控结果确定。但是在地质条件复杂地区，尤其围岩风化程度严重、节理裂隙发育、岩体比较破碎，岩体富水性强的地段，开挖时若出现井内涌水，将会给施工带来巨大困难。另外，对于围岩属于软质岩石，围岩不稳定、变化快、遇水易软化坍塌，易产生大变形，也是竖井施工中的另一大难题。针对富水区及地质复杂段条件，采用传统的锚喷支护形成初期强度较慢，施工难度提高，大大增加了安全隐患。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明目的是提出一种深部地下隧道通风竖井支护结构，本发明所提出的支护结构是基于安全、绿色、经济、智慧的设计理念，通过波纹板与钢腰梁交替组合，再加上内支撑，组成内部结构，外部结合高分子聚合物材料组成复合支护结构，在围岩不良地质段及时快速支护，起到保障施工安全的作用、最大程度地降低不稳定围岩带来的不利影响；本支护结构能及时封闭成环，施工方便，在复杂围岩段上能快速封闭围岩及注浆，遏制围岩坍塌、变形，待条件具备及时施做模筑混凝土衬砌，可更好地发挥支护体系的整体稳定性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种深部地下隧道通风竖井支护结构，包括中隔墙、钢立柱、波纹钢支护、混凝土加强环和高分子聚合物注浆层，所述的波纹钢支护整体为竖直的圆筒状结构，其由多个弧形波纹钢板组合而成，所述波纹钢支护通过中空注浆锚杆锚固在竖井井壁围岩上，在波纹钢支护的内壁面间隔设置设有钢环梁，用于增加波纹钢支护的强度；所述波纹钢支护的数量为多个，多个波纹钢支护同轴且竖向间隔设置，在相邻的波纹钢支护之间设有混凝土加强环，混凝土加强环与波纹钢支护同轴，其内径小于等于与波纹钢支护的内径，其最大外径大于波纹钢支护的外径；所述的中隔墙竖向设置在多个波纹钢支护内部中间位置，中隔墙左右两端分别设有竖向的一个钢立柱并通过钢立柱与钢环梁固连；所述的高分子聚合物注浆层设置在波纹钢支护与竖井井壁围岩之间。

所述的波纹钢支护其内部设有竖向排水管，其外部设有环向排水管，环向排水管与竖向排水管相连通，在环向排水管的外侧连通有多个横向排水管，用于将竖井围岩富水层中的水引入竖向排水管；所述的波纹钢支护设有通孔，通孔内设有连接管，所述连接管用于连通竖向排水管和环向排水管。

所述的环向排水管为波纹管。

所述的中隔墙由隔墙单元和多个从上到下依次间隔设置的横撑构成，多个横撑均水平设置，每个横撑的两端分别对应连接一个钢立柱，相邻的横撑之间均设有隔墙单元，所述的隔墙单元整体为矩形面板结构，其由多个直板状的波纹板拼装而成，每个隔墙单元上下两端分别连接一个横撑，左右两端分别连接一个钢立柱。

所述的横撑两端分别设有固为一体的连接板并通过连接板与钢立柱固连。

所述的弧形波纹钢板整体为矩形板状结构，其长度方向具有弧度，其宽度方向平行于竖井的轴线，所述弧形波纹钢板长度方向的两端均设有环向法兰板并通过环向法兰板与相邻的弧形波纹钢板固连，其宽度方向的两端均设有纵向法兰板并通过纵向法兰板与相邻的弧形波纹钢板固连。

所述的混凝土加强环其内径小于等于钢环梁的内径。

所述的钢环梁由方管钢辊压而成；所述钢立柱（5）由多段方管钢对接而成。

所述的波纹钢支护其壁面内设有注浆孔，用于安装注浆孔管和阀门。

本发明的有益效果：

（1）本发明的支护与中隔墙均采用波纹板拼装，便于进行模块化装配，施工便捷性和时效性更为显著，较钢筋混凝土结果可节约工期约80%；波纹板拼装结构自重小，对二衬拱顶造成的变形量远小于限值，平导结果均处于稳定状态；波纹板拼装结构的最大通风阻力系数为0.333，远小于现浇钢筋混凝土方案的通风阻力系数0.691，有利于通风组织；

（2）高分子聚合物注浆层为柔性防护，填充在波纹板和围岩之间空隙时，不仅能够防水、堵水，在将围岩压力传递给支护结构时，还具有缓冲吸能的功能；

（3）竖井围岩周围地下水的处治采用堵、排相结合的防水体系，“堵水”是利用了高分子聚合物的抗渗性，通过将高分子聚合物材料密实充填，从而达到堵水的目的；“排水”则设计为排水导流系统，将支护结构壁后围岩中的渗水、股状水通过竖向排水管疏散出去，有效降低支护结构壁后水压力；

（4）混凝土加强环一方面提高支护结构的整体稳定性，另一方面作为底托承载上部钢结构重量，整体结构稳定，另外，混凝土加强环之间的距离根据竖井围岩状况可进行动态设计，避开富水层；

（5）本支护结构完全适用于正井法工艺，可全部采用装配式钢结构，材料尺寸、施工工艺、设备等都满足正井法工艺，相比传统钢筋混凝土结构需要泵送混凝土、绑扎钢筋、支模（模板较大）、养护等工序，本设计结构具有较大优势。

附图说明

图1是本发明的整体结构横向剖面示意图；

图2是不包括中隔墙和排水管路的纵向剖面示意图；

图3是包括中隔墙的纵向剖面示意图；

图4是弧形波纹钢板的背面示意图；

图5横撑、钢立柱和钢环梁的连接示意图；

图6为波纹钢支护与钢环梁的连接示意图。

图中：1、波纹钢支护，101、弧形波纹钢板，102、通孔，111、环向法兰板，112、纵向法兰板；2、中空注浆锚杆；3、钢环梁；5、钢立柱；6、混凝土加强环；7、高分子聚合物注浆层；8、竖井井壁围岩；9、竖向排水管；10、环向排水管；11、横向排水管；12、隔墙单元；13、横撑；15、注浆孔。

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至图6所示，一种深部地下隧道通风竖井支护结构，包括中隔墙、钢立柱5、波纹钢支护1、混凝土加强环6和高分子聚合物注浆层7，所述的波纹钢支护1整体为竖直的圆筒状结构，其由多个弧形波纹钢板101组合而成，所述的弧形波纹钢板101整体为矩形板状结构，其长度方向具有弧度，其宽度方向平行于竖井的轴线，所述弧形波纹钢板101长度方向的两端均设有环向法兰板111并通过环向法兰板111与相邻的弧形波纹钢板101固连，其宽度方向的两端均设有纵向法兰板112并通过纵向法兰板112与相邻的弧形波纹钢板101固连；所述波纹钢支护1通过中空注浆锚杆2锚固在竖井井壁围岩8上，在波纹钢支护1的内壁面间隔设置设有钢环梁3，钢环梁3由方管钢辊压而成，用于增加波纹钢支护1的强度；波纹钢支护1的壁面内设有注浆孔15，用于安装注浆孔管和阀门；所述波纹钢支护1的数量为多个，多个波纹钢支护1同轴且竖向间隔设置，在相邻的波纹钢支护1之间设有混凝土加强环6，混凝土加强环6与波纹钢支护1同轴，其内径小于等于与波纹钢支护1的内径，其最大外径大于波纹钢支护1的外径；所述的中隔墙竖向设置在多个波纹钢支护1内部中间位置，中隔墙左右两端分别设有竖向的一个钢立柱5并通过钢立柱5与钢环梁3固连，所述钢立柱5由多段方管钢对接而成；所述的高分子聚合物注浆层7设置在波纹钢支护1与竖井井壁围岩8之间。

所述的波纹钢支护1其内部设有竖向排水管9，其外部设有环向排水管10，所述的环向排水管10为波纹管，环向排水管10与竖向排水管9相连通，在环向排水管10的外侧连通有多个横向排水管，用于将竖井围岩富水层中的水引入竖向排水管9；所述的波纹钢支护1设有通孔，通孔内设有连接管，所述连接管用于连通竖向排水管9和环向排水管10。

所述的中隔墙由隔墙单元12和多个从上到下依次间隔设置的横撑13构成，多个横撑13均水平设置，每个横撑13的两端分别对应连接一个钢立柱5，相邻的横撑13之间均设有隔墙单元12，所述的隔墙单元12整体为矩形面板结构，其由多个直板状的波纹板拼装而成，每个隔墙单元12上下两端分别连接一个横撑13，左右两端分别连接一个钢立柱5。所述的横撑两端分别设有固为一体的连接板并通过连接板与钢立柱固连。

所述的混凝土加强环6其内径小于等于钢环梁3的内径。

具体的，波纹钢支护1、中隔墙、钢环梁3、钢立柱5均采用预制的装配式结构；采用正井法施工，当竖井开挖至一定深度时，波纹钢支护1采用洞外半环拼装，每片弧形波纹钢板101的长边设置纵向法兰板112，短边设置环向法兰111，法兰厚度采用5mm，宽140mm的钢板制作，法兰之间采用橡胶止水条进行防水，使用高强螺栓进行连接，之后将半环拼装的波纹钢支护1对接成全环，并置于竖井内，再将钢环梁3、横撑13及一段钢立柱5连接在波纹钢支护1上，与波纹钢支护1形成纵横相间的钢结构骨架，起主要受力构件作用；拼装闭合成环后，根据波纹钢支护1上的预留锚孔打设中空注浆锚杆2与竖井井壁围岩8连接，中空注浆锚杆2与弧形波纹钢板101之间采用垫片焊接的方法密封，另外，在注浆孔15安装注浆孔管和阀门；在波纹钢支护1拼装、铺设完成后，其下端采用砂浆进行圆周密封，形成下端封闭的“圆筒”，再进行壁后填筑高分子聚合材料，将壁后注满填实。

具体的，根据围岩等级及富水条件，在竖直方向每隔10~30m设置一道混凝土加强环6，混凝土加强环6一方面提高钢结构支护整体稳定性，另一方面作为底托承载上部钢结构重量；混凝土加强环6的间距设置参照如下：V级围岩混凝土加强环6间距10m，Ⅳ级围岩混凝土加强环6间距15m，Ⅲ级围岩混凝土加强环6间距30m。

以本发明提供的支护结构配合正井法施工，如采用滚班作业，掘进段高为3.0m时，交接班0.5h，三钻打眼6h，装药放炮2h，交接班0.5h，出渣、平底6h，交接班0.5h，波纹板安装6h，高分子聚合物注浆2h，出渣、清底0.5h，合计24h，因此，每循环进尺3.0m，波纹板安装3.0m，每月掘进施工25天，预留5天时间延伸管路检修影响，按每月有效施工25天，进度可达75m/月。实际安装效率是传统竖井初期支护的三倍以上。

另外，传统竖井初期支护，其防水采用土工布、防水板、无纺布加引水管进行防排水设计；本发明取消了土工布和防水板防水，在波纹钢壁后直接采用柔性高分子聚合物层防水，不仅施工进度快，对围岩富水层的还设计有专门的疏水管道，防水效果明显好于传统的初期支护工艺。

本发明的优点还在于：

（1）、安全性，波纹钢支护由于采用洞外拼装，洞内快速安装，可及时地形成有效支护结构，避免由于渗水及围岩破碎导致的局部坍塌。波纹钢支护采用锚杆与围岩固定，在后续的开挖过程中，基本不受爆破的影响，极大地保证了施工的连续性和人员的安全。

（2）、时效性，波纹钢支护每环可达1.5~2m宽度，由吊装设备放至开挖井底后，拼装成环，此措施快捷宜行，可极大地提高施工效率，缩短工期。

（3）、经济性，采用波纹钢支护，可节省常规初期支护的工字钢、钢筋网、喷射混凝土等费用，加之二衬优化，波纹钢初支具有明显的综合经济优势。

本发明未详述部分为现有技术。