一種適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)及方法，包括若干與隧道斷面形狀一致、結(jié)構(gòu)為封閉式結(jié)構(gòu)的格柵鋼架，在隔柵鋼架內(nèi)安設有鋼管，鋼管與隔柵鋼架之間通過一種密封的讓壓吸能裝置相連，格柵鋼架、鋼管和讓壓吸能裝置組成的組合支架，其在隧道中等距離的間隔設置，相連的組合支架之間通過縱向梁連接；在縱向梁上每隔一段間距對稱的設有預留孔，施加預應力的錨桿或錨索及托梁通過預留孔錨入到巖層中，對圍巖形成立體式的整體支護。解決該類隧道圍巖在長期受列車動載、地震荷載及斷層活動荷載作用下圍巖大變形導致支護體系失穩(wěn)破壞的問題。
【專利說明】—種適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種吸能讓壓新型隧道支護結(jié)構(gòu)及其實施方法，尤其涉及一種適用于長期承受列車動載、地震荷載及斷層活動荷載作用下的軟弱破碎圍巖的隧道支護結(jié)構(gòu)體系及其實施方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為保持我國經(jīng)濟的飛速健康發(fā)展，順利實現(xiàn)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)化，打通連接各地區(qū)的經(jīng)濟命脈的血管一高速公路、鐵路、地鐵，已迫在眉睫。要致富先修路，國家加大了對各地區(qū)交通道路的建設。近年來無論是為加大對西部開發(fā)的力度，還是緩解城市交通壓力而正如火如荼修建的城市地鐵，如多地下交通工程都要面對隧道開挖后對圍巖的支護問題；尤其是我國西部地區(qū)為多山嶺地帶，經(jīng)常需要開挖超長的易發(fā)突水突泥的巖溶隧道，該類隧道圍巖軟弱破碎，地質(zhì)條件極差，在長期動荷載作用下圍巖易發(fā)生具有明顯流變性質(zhì)的大變形，怎樣對該類隧道在長期列車動壓或地震荷載作用下實施有效的圍巖支護，還面臨許多新的挑戰(zhàn)。目前對于自身穩(wěn)定性極差的隧道，其支護結(jié)構(gòu)較常見為工字鋼拱架、格柵鋼架、可縮U型支架等配合錨網(wǎng)噴技術(shù)進行聯(lián)合支護。
[0003]現(xiàn)在的經(jīng)濟形勢和隧道發(fā)展趨勢要求支護既要保證隧道安全又要做到經(jīng)濟合理，單純噴射混凝土支護可以緩解或者避免圍巖應力集中現(xiàn)象，但是不能有效阻止隧道變形；雖然型鋼拱架具有良好的支護剛度抑制隧道圍巖的變形，但是由于其膨脹系數(shù)與混凝土不同，易產(chǎn)生環(huán)向的裂縫，且很難對支架背后混凝土充填密實，嚴重影響支護效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了解決該類隧道圍巖在長期受列車動載、地震荷載及斷層活動荷載作用下圍巖大變形導致支護體系失穩(wěn)破壞的問題，本發(fā)明提出了一種適用于長期受列車動載、地震荷載及斷層活動荷載作用下的軟弱破碎圍巖隧道的，具有吸能讓壓特征的由核心筒和鋼格柵組成支護結(jié)構(gòu)；同時具體介紹了該種結(jié)構(gòu)的實施方法，
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下:
[0006]一種適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，包括若干與隧道斷面形狀一致、結(jié)構(gòu)為封閉式結(jié)構(gòu)的格柵鋼架，在所述的隔柵鋼架內(nèi)安設有鋼管，所述的鋼管與隔柵鋼架之間通過一種密封的讓壓吸能裝置相連，所述的格柵鋼架、鋼管和讓壓吸能裝置組成的組合支架，其在隧道中等距離的間隔設置，相鄰的組合支架之間通過縱向梁連接；在縱向梁上每隔一段間距對稱的設有預留孔，施加預應力的錨桿或錨索及托梁通過預留孔錨入到巖層中，對圍巖形成立體式的整體支護。
[0007]錨桿(索)通過縱向梁與約束砼拱架共同作用，形成一個立體支護體系其具有與圍巖接觸面積大，粘結(jié)效果好，能夠共同變形共同受力，不會出現(xiàn)收縮裂縫，由于其拱架間隙大其后不易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象的優(yōu)點；在極差圍巖條件下，考慮格柵鋼架支護剛度不足的缺點，在其內(nèi)部安設鋼管，通過預留孔向鋼管里邊灌注混凝土，提高其整體抗壓和抗彎能力。
[0008]所述的讓壓吸能裝置由高強度鋼片彈簧構(gòu)成的吸能環(huán)，具有讓壓吸能的特性。
[0009]所述的高強度鋼片是屈服強度大于100Mpa的硅錳彈簧鋼片。
[0010]所述的鋼管上設有預留孔，通過預留孔向鋼管里邊灌注混凝土，提高其整體抗壓和抗彎能力。
[0011]每段所述的隔柵鋼架之間通過隔柵連接板和螺栓連接，且相連的隔柵連接板之間設有不同厚度及強度的橡膠墊。
[0012]每段所述的鋼管之間通過配有不同厚度及強度的橡膠墊的鋼套管連接。
[0013]每段所述的鋼管上兩端設有一個排氣口，下端設有灌漿孔，且所述的排氣口和灌漿孔均配有與各自配合的密封蓋。
[0014]每一榀組合支架由工字鋼或者U型槽鋼、格柵鋼架形成的縱向梁連接；所述的工字鋼或者U型槽鋼與格柵鋼架之間采用外搭接形式，通過U型卡子或者焊接在一起。
[0015]一種適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)的實施方法，包括以下步驟:
[0016]I)結(jié)合隧道開挖順序，首先沿開挖面局部安裝已經(jīng)組裝好的鋼格柵+混凝土鋼管的組合支架，由配有托梁的預應力錨桿(索)固定于圍巖；
[0017]2)然后緊接新開挖部分，通過套管和高強度螺栓鏈接其余部分組合支架，并安裝預應力錨桿(索)及托梁固定于圍巖，同時保證每段組合支架在同一斷面環(huán)線上；
[0018]3)待一榀支架安裝完畢后，分段對鋼管灌注混凝土，灌漿孔在下部，排氣口在上部，本段灌注結(jié)束后由密封蓋對灌漿孔和排氣口密封，直至全部鋼管灌漿完畢；
[0019]4)通過連梁將每榀組合支架連接，同時在連梁預留洞施打預應力錨桿(索)及托梁，形成立體的高強度支護體系。
[0020]本發(fā)明與目前常用隧道支護支架及其方法相比具有以下優(yōu)點:
[0021]I)通過組合格柵鋼架與核心混凝土鋼管，克服了單純利用格柵鋼架進行支護，支護剛度較低，在長期大變形不利圍巖穩(wěn)定和變形控制的缺點；
[0022]2)通過在鋼格柵與混凝土鋼管之間安裝密封吸能讓壓裝置，實現(xiàn)了對圍巖內(nèi)部長期列車荷載或地震荷載的沖擊能的緩存和吸收；同時也實現(xiàn)對長期流變變形的動態(tài)讓壓；
[0023]3)通過在每段鋼格柵連接處及混凝土鋼管連接處安設相當強度、厚度的特質(zhì)橡膠墊，緩解了沖擊地壓以及地震荷載對支護結(jié)構(gòu)的瞬間破壞；
[0024]4)利用縱向連梁把各榀支架連接起來，形成立體三維的支護體系，有利于發(fā)揮支護體系的整體強度；
[0025]5)通過施加預應力錨桿(索)及托梁，將支護體系與圍巖加密擠壓在一起，與圍巖一起形成支護圈，抑制圍巖松弛區(qū)的塑性滑移惡化，實現(xiàn)了圍巖的三維應力狀態(tài)最大化恢復。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明裝置實施例一的主體正視結(jié)構(gòu)示意圖-1 ；
[0027]圖2為本發(fā)明裝置實施例一的主體正視結(jié)構(gòu)示意圖-2 ；
[0028]圖3為本發(fā)明裝置的對應圖1的格柵連接及套管詳圖；
[0029]圖4a為本發(fā)明裝置的對應圖1的吸能讓壓裝置整體圖；
[0030]圖4b為本發(fā)明裝置的對應圖1的吸能讓壓裝置剖視圖；
[0031]圖5為本發(fā)明裝置的對應圖1的格柵大樣圖；
[0032]圖6為本發(fā)明裝置的對應圖4的a-a剖面圖；
[0033]圖7為本發(fā)明裝置的對應圖4的格柵展開圖；
[0034]圖8為本發(fā)明裝置的支護體系的三維空間示意圖；
[0035]圖中:1-格柵鋼架，2-混凝土鋼管，3-套管，4-縱向梁，5-橡膠墊a，6_高強螺栓，
7-格柵連接板，8-吸能讓壓環(huán)，9-灌漿孔，10-排氣口，11 -橡膠墊b，12-預應力錨桿(索)。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖以及實施例一對本發(fā)明進行詳細描述。
[0037]本發(fā)明裝置主要包括格柵鋼架1，混凝土鋼管2，套管3，縱向連梁4，橡膠墊a5，高強度螺栓6，格柵連接板7，吸能讓壓環(huán)8，灌漿孔9，排氣口 10，橡膠墊bll，預應力錨桿(索)12及托梁；格柵鋼架I與隧道斷面形狀一致、結(jié)構(gòu)為封閉式結(jié)構(gòu)，在的隔柵鋼架I內(nèi)安設有混凝土鋼管2，混凝土鋼管2與隔柵鋼架I之間通過一種密封的吸能讓壓環(huán)8相連，格柵鋼架1、混凝土鋼管2和吸能讓壓環(huán)8組成的組合支架，其在隧道中等距離的間隔設置，相鄰的組合支架之間通過縱向梁連接；在縱向梁上每隔一段間距對稱的設有預留孔，施加預應力的錨桿或錨索及托梁通過預留孔錨入到巖層中，對圍巖形成立體式的整體支護。
[0038]鋼格柵與混凝土接觸面積大、粘結(jié)效果好，能夠共同變形共同受力，不會出現(xiàn)收縮裂縫，由于其拱架間隙大其后不易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象；但是鋼格柵支護剛度一般較小，無法適應高應力圍巖隧道，本設計通過在其內(nèi)部嵌入注漿圓鋼管來補充其長期支護剛度的不足；同時在二者接觸處安裝密封讓壓裝置，
[0039]格柵鋼架+混凝土鋼管組合支架間隔一定距離布置，相鄰支架之間由縱向梁連接，縱向梁上每隔一定間距對稱留有錨桿(索)孔，施加預應力錨桿(索)及托梁通過預留孔錨入到巖層中，對圍巖形成立體式的整體支護。
[0040]預應力錨桿(索)12通過縱向梁與約束砼拱架共同作用，形成一個立體支護體系其具有與圍巖接觸面積大，粘結(jié)效果好，能夠共同變形共同受力，不會出現(xiàn)收縮裂縫，由于其拱架間隙大其后不易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象的優(yōu)點；在極差圍巖條件下，考慮格柵鋼架支護剛度不足的缺點，在其內(nèi)部安設鋼管，通過預留孔向鋼管里邊灌注混凝土，提高其整體抗壓和抗彎能力。
[0041]連接格柵鋼架與混凝土鋼管之間的部件為一種密封式裝置，吸能讓壓環(huán)8由高強度鋼片彈簧構(gòu)成的吸能環(huán)，具有讓壓吸能的特性。高強度鋼片是屈服強度大于100Mpa的硅錳彈簧鋼片。
[0042]按隧道的開挖工序分段組裝，每段隔柵鋼架I之間通過隔柵連接板7和稿強度螺栓6連接，且相連的隔柵連接板之間設有不同厚度及強度(視圍巖讓壓變形要求)的橡膠塾a5。
[0043]混凝土鋼管2上設有預留孔，通過預留孔向鋼管里邊灌注混凝土，提高其整體抗壓和抗彎能力。
[0044]每段混凝土鋼管2之間通過配有不同厚度及強度(視圍巖讓壓變形要求)的橡膠墊bll的鋼套管3連接。
[0045]每段所述的鋼管上兩端設有一個排氣口 10，下端設有灌漿孔9，且排氣口 10和灌漿孔9均配有與各自配合的密封蓋，方便進行工后灌漿加固。
[0046]每一榀組合支架通過縱向梁4連接成整體，組合支架及縱向梁4通過施加預應力錨桿(索)及托梁12將支護結(jié)構(gòu)體系與圍巖擠壓在一起，與圍巖形成三維空間立體式的支護體系。由工字鋼或者U型槽鋼、格柵鋼架形成的縱向梁連接；所述的工字鋼或者U型槽鋼與格柵鋼架之間采用外搭接形式，通過U型卡子或者焊接在一起。每一榀支護結(jié)構(gòu)由四部分組成，每部分之間通過高強度橡膠墊連接，從而實現(xiàn)的長期受列車動載或者地震荷載作用下破碎軟弱隧道的吸能讓壓支護。
[0047]適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)及其實施方法，結(jié)合附圖對其操作方法進一步闡述:
[0048]I)結(jié)合隧道開挖順序，首先沿第一步開挖面部分安裝已經(jīng)組裝好的鋼格柵+混凝土鋼管的組合支架，同時由預應力錨桿(索)及托梁12固定于圍巖；
[0049]2)然后緊接下部開挖斷面，通過套管3和高強度螺栓6、格柵連接板7組裝其余段組合支架，并施打預應力錨桿(索)12固定于圍巖，同時保證每段組合支架在同一斷面環(huán)線上；
[0050]3)待一榀支架安裝完畢后，分段對鋼管灌注混凝土，灌漿孔9在下部，排氣口 10在上部，本段灌注結(jié)束后由配套密封蓋對灌漿孔和排氣口密封，直至全部鋼管灌漿完畢；
[0051]4)通過縱向連梁4將每榀組合支架實現(xiàn)縱向連接，同時在連梁預留洞施打預應力錨桿(索)及托梁12，形成立體的高強度支護體系。
[0052]本發(fā)明中預應力錨桿(索)在極破碎軟弱圍巖，或者裂隙水豐富地層也可以間隔替換為注漿錨桿或者注漿錨索等，以改變圍巖的力學參數(shù)提高圍巖的力學性能。
[0053]本發(fā)明僅以實例一隧道支護為例進行闡述，但是也同樣可適用于地鐵、礦山巷道、巖溶腔、暗洞及一些特殊地下工程的支護。
[0054]由技術(shù)常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質(zhì)或必要特征的實施方案來實現(xiàn)。因此，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:包括若干與隧道斷面形狀一致、結(jié)構(gòu)為封閉式結(jié)構(gòu)的格柵鋼架，在所述的隔柵鋼架內(nèi)安設有鋼管，所述的鋼管與隔柵鋼架之間通過一種密封的讓壓吸能裝置相連，所述的格柵鋼架、鋼管和讓壓吸能裝置組成的組合支架，其在隧道中等距離的間隔設置，相鄰的組合支架之間通過縱向梁連接；在縱向梁上每隔一段間距對稱的設有預留孔，施加預應力的錨桿或錨索及托梁通過預留孔錨入到巖層中，對圍巖形成立體式的整體支護。
2.如權(quán)利要求1所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:所述的讓壓吸能裝置由高強度鋼片彈簧構(gòu)成的吸能環(huán)，具有讓壓吸能的特性。
3.如權(quán)利要求2所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:所述的高強度鋼片是屈服強度大于100Mpa的硅錳彈簧鋼片。
4.如權(quán)利要求1所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:所述的鋼管上設有預留孔，通過預留孔向鋼管里邊灌注混凝土，提高其整體抗壓和抗彎能力。
5.如權(quán)利要求1所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:每段所述的隔柵鋼架之間通過隔柵連接板和螺栓連接，且相連的隔柵連接板之間設有不同厚度及強度的橡膠墊。
6.如權(quán)利要求1所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:每段所述的鋼管之間通過配有不同厚度及強度的橡膠墊的鋼套管連接。
7.如權(quán)利要求6所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:每段所述的鋼管上兩端設有一個排氣口，下端設有灌漿孔，且所述的排氣口和灌漿孔均配有與各自配合的密封蓋。
8.如權(quán)利要求1所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)，其特征在于:每一榀組合支架由工字鋼或者U型槽鋼、格柵鋼架形成的縱向梁連接；所述的工字鋼或者U型槽鋼與格柵鋼架之間采用外搭接形式，通過U型卡子或者焊接在一起。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的適用于軟弱破碎圍巖的吸能讓壓隧道支護系統(tǒng)的實施方法，其特征在于包括以下步驟: 1)結(jié)合隧道開挖順序，首先沿開挖面局部安裝已經(jīng)組裝好的鋼格柵+混凝土鋼管的組合支架，由配有托梁的預應力錨桿或錨索固定于圍巖； 2)然后緊接新開挖部分，通過套管和高強度螺栓鏈接其余部分組合支架，并安裝預應力錨桿或錨索及托梁固定于圍巖，同時保證每段組合支架在同一斷面環(huán)線上； 3)待一榀支架安裝完畢后，分段對鋼管灌注混凝土，灌漿孔在下部，排氣口在上部，本段灌注結(jié)束后由密封蓋對灌漿孔和排氣口密封，直至全部鋼管灌漿完畢； 4)通過連梁將每榀組合支架連接，同時在連梁預留洞施打預應力錨桿或錨索及托梁，形成立體的高強度支護體系。
【文檔編號】E21D11/10GK104153792SQ201410356142
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 徐飛, 張乾青, 李利平, 張騫, 王慶瀚, 劉洪亮, 王健華 申請人:山東大學