适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统及其支护方法
【专利摘要】本发明涉及适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统及其支护方法，系统包括隧道初期支护结构和二次衬砌，所述隧道初期支护结构包括深入至稳定岩体的锚固支护结构、紧密贴附于围岩内壁的第一保护层、和位于所述第一保护层内侧的泡沫混凝土填充层，所述泡沫混凝土填充层内侧设有二次衬砌；所述第一保护层由沿隧道径向厚度相同的混凝土喷层和若干可压缩垫块构成。混凝土层被可压缩垫块分隔，使混凝土层的整体柔性大大加强，更能充分显示出初衬的柔性支护的特征，避免软岩大变形时所造成的初衬破裂，配合泡沫混凝土填充层、锚固支护结构以及二衬的综合作用，使支护系统的整体性更好。
【专利说明】
适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统及其支护方法
技术领域
[0001] 本发明属于公路隧道施工技术领域，尤其涉及适用于软岩大变形隧道的协调变形 支护系统及其支护方法。
【背景技术】
[0002] 隧道是围岩与支护结构的综合体。隧道开挖破坏了地层的初始应力平衡，产生围 岩应力释放和洞室变形，过量变形将导致围岩松动甚至坍塌。在开挖后的洞室周边，施作 钢、混凝土等支撑物，向洞室周边提供抗力，控制围岩变形，这种开挖后隧道内的支撑体系， 称为隧道的支护。
[0003] 在隧道开挖后，先及时施作与围岩密贴的外层柔性支护(一般为喷锚支护），容许 围岩产生一定的变形，而又不致于造成松动压力的过度变形。这种支护为初期支护，也称为 初衬。待围岩变形基本稳定以后再施作内层衬砌(一般是模筑的），也称二次衬砌。二次衬砌 保证了隧道在运营使用中永久稳定、安全，同时也增加了隧道的安全储备。
[0004] 围岩在柔度较大的外层支护条件下，可产生较大的形变，释放了大部分的变形能； 因而能使后设的二次衬砌减小受力。二次衬砌施作以后，又会对原先处于二维受力状态的 初衬产生径向抗力，从而改善初衬的受力条件。
[0005] 在软岩隧道施工中，由于软岩具有流变特性，传统的支护体系往往存在以下缺点：
[0006] 1、围岩随时间的推移产生较大的变形，而传统的初衬都是沿围岩表层整体喷射的 混凝土层，其变形能力有限，很容易发生掉块、脱落、挤碎等显现，造成初期支护的破裂。 [0007] 2、由于初衬结构的上述缺陷，在软岩支护结构设计中，二次衬砌的设计不仅需要 承受软弱围岩的流变压力，还要考虑初衬破裂造成的初衬支护性能损失，因而二次衬砌的 结构设计往往更加保守，极大的增加了工程成本。
[0008] 3、传统的设计方法更多的是对二次衬砌的结构进行相应的改进，来应对围岩的不 均匀变形;这一设计理念认为，在围岩变形的作用下，由于围岩的变形挤压作用，初衬的混 凝土喷层会因掉块、脱离、挤碎等严重受损，失去了相应的支护作用，因此将二次衬砌作为 承载围岩径向压力的主要结构。这种情况有意忽视初衬结构的作用，牺牲了初衬作为永久 性承载结构这一功能。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供适用于软岩大变形隧道的协调 变形支护系统及其支护方法。
[0010] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0011] 适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，包括隧道初期支护结构和二次衬 砌，所述隧道初期支护结构包括深入至稳定岩体的锚固支护结构、紧密贴附于围岩内壁的 第一保护层和位于所述第一保护层内侧的泡沫混凝土填充层，所述泡沫混凝土填充层内侧 设有所述二次衬砌;所述第一保护层由混凝土喷层和若干可压缩垫块构成，所述混凝土喷 层和所述可压缩垫块沿隧道径向厚度相同。可压缩垫块用变形吸收施工过程中的形变压 力，泡沫混凝土层用力吸收长期形变压力，保证隧道的长期稳定性。可压缩垫块和泡沫混凝 土层协同作用，保证软岩隧道在整个生命周期内的稳定性。
[0012] 传统初衬中整个混凝土喷层作为一个整体，刚度较大，但变形能力差。当隧道软弱 围岩产生较大变形时，初衬在巨大的形变压力下很容易出现开裂破坏，软弱围岩在失去了 混凝土喷层的保护后，会进一步发生围岩岩体的掉块、崩落等现象，进而成为隧道支护体系 中的薄弱环节，隧道的稳定性严重受损。
[0013] 在混凝土喷层之间铺设可压缩垫块，代替了的传统的整体式混凝土喷层结构形 式。可压缩垫块的强度低于喷射混凝土，变形能力远大于喷射混凝土，当围岩发生大变形 时，可压缩垫块首先被挤压压缩来吸收围岩变形。这一过程中，一方面，混凝土喷层由于被 可压缩垫块所分隔，混凝土环向的挤压作用大大被削弱，因而不会由于挤压作用而产生破 坏；另一方面，由于可压缩垫块具有一定的塑性，虽然经受较大的挤压变形，仍然能保证垫 块本身的完整性。因此，采用这种混凝土喷层与可压缩垫块交错布置的方式，可以有效的增 加初衬的变形能力，当围岩发生大变形时，仍然能保持初衬的完整性，有效的防止了围岩岩 体的进一步破损，能充分发挥围岩岩体自身的自稳性能，提高支护效果和支护能力。
[0014] 利用泡沫混凝土的低弹吸能特性，在二次衬砌施工之后，进一步吸收围岩的长期 流变特性产生的形变压力，减小二次衬砌的受力，增加二次衬砌的长期稳定性。
[0015] 进一步的，所述可压缩垫块的强度范围为8-12MPa，提供稳定支护力的应变为 20 %-40 %。当可压缩垫块的应变达到20 %-40 %时，仍然能提供稳定的支护力。可压缩垫块 可以用橡胶、泡沫混凝土等制成。
[0016] 进一步的，在软岩支护区域内，所述可压缩垫块沿隧道轴向贯通，在所述第一保护 层的横截面处，所述可压缩垫块在空间上将所述混凝土喷层分隔。
[0017] 进一步的，所述可压缩垫块的宽度为10-30cm。可压缩垫块的设计尺寸在这个数值 范围之内，能有效的发挥支护体系的承载性能，工程造价也在合理的范围之内，实现安全性 和经济性的协调统一。
[0018] 进一步的，可压缩垫块的个数η根据围岩大变形的预测值进行估算：
[0019]
[0020] 其中D为围岩环向变形预测值，d为可压缩垫块宽度。
[0021] 对于围岩环向变形预测值，可以通过数值模拟确定。
[0022] 进一步的，所述可压缩垫块在隧道拱顶、拱肩和/或拱腰处布置。
[0023] 进一步的，所述锚固支护结构为恒阻大变形锚杆和/或恒阻大变形锚索，采用这种 锚固结构可以在随隧道围岩发生大变形时，仍然保持较高的工作阻力，能够在围岩大变形 条件下仍然具有很好的支护作用以保证隧道的稳定。
[0024] 在所述隧道的拱脚处设有锁脚锚索，进一步保证拱脚处的结构稳定性。
[0025] 进一步的，所述泡沫混凝土中添加增稠剂，所述增稠剂由下述组分的原料按重量 配比制成:硅粉:60-100份;膨润土: 40-70份;有机高分子粘结剂:0.3-1份。所述增稠剂的重 量占泡沫混凝土中水泥重量的8%_15%。使用这个比例的增稠剂，可以使泡沫混凝土的性 能达到最佳。
[0026]进一步的，所述有机高分子粘结剂为:聚丙烯酸、羟丙甲基纤维素、黄原胶或聚丙 烯酰胺。
[0027] 为了保证现场施工质量，特研制了现浇泡沫混凝土专用增稠剂，使得现场泡沫混 凝土孔隙均匀，一次性浇筑高度达lm以上，使所浇筑的泡沫混凝土轻质高强的性能更加突 出，具有更佳的力学性能。
[0028] -种适用于软岩隧道的支护系统的支护方法，包括以下步骤：
[0029] 步骤1:对于隧道开挖一进尺中需要进行初期支护的部分，在围岩内侧沿隧道纵向 固定若干可压缩垫块；
[0030]步骤2:避开可压缩垫块部位向围岩内侧喷射混凝土喷层，所述混凝土喷层的厚度 与所述可压缩垫块的厚度相同，所述混凝土喷层和所述可压缩垫块共同构成第一保护层；
[0031] 步骤3:向所述第一保护层的内侧喷射泡沫混凝土填充层；
[0032] 步骤4:在隧道的设定部位，沿隧道径向施做若干锚固支护结构；
[0033]步骤5:在所述泡沫混凝土填充层内侧，施做二次衬砌。
[0034]步骤1中，所述可压缩垫块在隧道拱顶、拱肩、拱腰处布置，相邻可压缩垫块之间的 间距根据围岩破碎情况布置。
[0035]本发明的有益效果是：
[0036] 1.混凝土层被可压缩垫块分隔，使混凝土层的整体柔性大大加强，更能充分显示 出初衬的柔性支护的特征，避免软岩大变形时所造成的初衬破裂，配合泡沫混凝土填充层、 锚固支护结构以及二衬的综合作用，使支护系统的整体性更好。
[0037] 2.初衬作用的充分发挥，可以减少二次衬砌对荷载承受能力的相关要求，使得二 次衬砌的设计可以更加经济，极大的节约了工程造价。
[0038] 3泡沫混凝土填充层可以很好的吸收软弱围岩的长期流变变形，减小二次衬砌的 形变压力，有利于隧道的长期稳定。
[0039] 4.充分发挥初衬的永久性支护的特点，更符合围岩岩体的力学特性。
【附图说明】
[0040]图1是本发明的结构示意图；
[00411其中：1、锚杆；2、混凝土喷层;3、可压缩垫块;4、泡沫混凝土填充层；5、二次衬砌； 6、仰拱;7、锁脚锚杆。
【具体实施方式】
[0042]下面将结合附图对本发明进行详细说明。
[0043] 实施例1:
[0044] -种适用于软岩隧道的支护系统，如图1所示，包括锚杆1、由混凝土喷层2和可压 缩垫块3构成的初衬(即第一保护层）、泡沫混凝土填充层4、二次衬砌5和仰拱6。
[0045] 其中，锚杆1深入至稳定岩体，第一保护层紧密贴附于围岩内壁，第一保护层内侧 设有泡沫混凝土填充层4，泡沫混凝土填充层4内侧设有二次衬砌5。
[0046] 利用泡沫混凝土填充层4可以吸收围岩的长期变形，减小二次衬砌由于围岩的长 期变形导致的形变压力，保证二次衬砌的长期稳定性。泡沫混凝土填充层4与第一保护层能 最大限度的起到协同受力的作用，减轻了二次衬砌安全储备的相应负担。泡沫混凝土为了 保证现场施工质量，特研制了现浇泡沫混凝土专用增稠剂，使得现场泡沫混凝土孔隙均匀。 增稠剂的具体配方，见下述各实施例。
[0047]可压缩垫块3为塑性块或弹性块。尤其可以采用高压缩混凝土材料，其强度范围为 8-12MPa，其提供稳定支护力的应变可达40%。
[0048]此处，可压缩垫块3只要能夹置于混凝土喷层之间，就能起到缓冲混凝土喷层被挤 压破坏的作用。因此，混凝土喷层中间只要设置可压缩垫块，都在本申请的保护范围之内。 沿隧道径向布置也在本申请的保护范围之内。
[0049] 本实施例中采用以下优选方案，在软岩支护区域内，所述可压缩垫块3沿隧道轴向 贯通，在所述第一保护层的横截面处，所述可压缩垫块3在空间上将所述混凝土喷层分隔。
[0050] 所述可压缩垫块3根据围岩荷载沿隧道周向的分布情况布置。一般在隧道的拱顶、 拱肩、和拱腰处予以对称设置。为了保证混凝土喷层的局部完整性，可压缩垫块大小以10-30cm为宜。可压缩垫块的个数η根据围岩大变形的预测值进行估算： 陶]? = ▲
[0052]其中D为围岩环向变形预测值，d为可压缩垫块宽度。
[0053]对于围岩环向变形预测值，可以通过数值模拟来确定。
[0054] 所述可压缩垫块沿初衬的环向均匀布置。
[0055] 可压缩垫块的厚度即为混凝土喷层2,也就是初衬的厚度。对于初衬厚度的确定， 本领域的技术人员根据现有技术可以容易确定。
[0056]锚固支护结构还可以使用锚索、预应力锚杆、预应力锚索等，均在本申请的保护范 围之内。
[0057]对于软岩大变形特别严重的地区，可以优选恒阻大变形锚杆和/或恒阻大变形锚 索作为锚固支护结构，采用这种锚固结构可以在随道围岩发生大变形时，仍然保持较高的 工作阻力，能够在围岩大变形条件下仍然具有很好的支护作用以保证随道的稳定。
[0058]在所述隧道的仰拱处设有锁脚锚杆7,进一步保证拱脚处的结构稳定性。
[0059] -种适用于软岩隧道的支护系统的支护方法，包括以下步骤：
[0060] 步骤1:对于隧道开挖一进尺中需要进行初期支护的部分，在围岩内侧沿隧道纵向 固定若干可压缩垫块；
[0061 ]步骤2:避开可压缩垫块部位向围岩内侧喷射混凝土喷层，所述混凝土喷层的厚度 与所述可压缩垫块的厚度相同，所述混凝土喷层和所述可压缩垫块共同构成第一保护层； [0062]步骤3:向所述第一保护层的内侧喷射泡沫混凝土填充层；
[0063]步骤4:在隧道的设定部位，沿隧道径向施做若干锚固支护结构；
[0064]步骤5:在所述泡沫混凝土填充层内侧，施做二次衬砌。
[0065]步骤1中，所述可压缩垫块在隧道拱顶、拱肩、拱腰处布置，相邻可压缩垫块之间的 间距根据围岩破碎情况布置。
[0066] 实施例2:
[0067]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:60份;膨润土 :70份;黄原胶：1份， 制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀即可。 增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的8%进行掺加。
[0068] 实施例3:
[0069]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉：100份;膨润土 :40份;聚丙烯酰胺： 〇. 3份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀 即可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的10%进行掺加。 [0070] 实施例4:
[0071]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:70份;膨润土: 50份;羟丙甲基纤维 素:0.3份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、 均匀即可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的12%进行掺加。 [0072] 实施例5:
[0073]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:80份;膨润土 :50份;聚丙烯酸:0.5 份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀即 可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的13%进行掺加。
[0074] 实施例6:
[0075]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:60份;膨润土:60份;聚丙烯酰胺： 〇. 5份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀 即可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的15%进行掺加。
[0076] 对于锚固结构的布置方式、隧道拱底等其他部位的施工结构、施工顺序及施工过 程，为本领域技术人员熟知的技术内容，在此不再赘述。
[0077] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般 原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明 的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施 例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1. 适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:包括隧道初期支护结构 和二次衬搁，所述隧道初期支护结构包括深入至稳定岩体的错固支护结构、紧密贴附于围 岩内壁的第一保护层和位于所述第一保护层内侧的泡沫混凝±填充层，所述泡沫混凝±填 充层内侧设有所述二次衬搁;所述第一保护层由混凝±喷层和若干可压缩垫块构成，所述 混凝±喷层和所述可压缩垫块沿隧道径向厚度相同。2. 根据权利要求1所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:所 述可压缩垫块的强度范围为8-12MPa，提供稳定支护力的应变为20%-40%。3. 根据权利要求1所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:在 软岩支护区域内，所述可压缩垫块沿隧道轴向贯通。4. 根据权利要求3所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:所 述可压缩垫块的宽度为10-30cm。5. 根据权利要求3或4所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在 于:可压缩垫块的个数η根据围岩大变形的预测值进行估算：其中D为围岩环向变形预测值，d为可压缩垫块宽度。6. 根据权利要求1所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:所 述可压缩垫块在隧道拱顶、拱肩和/或拱腰处布置。7. 根据权利要求1所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:所 述错固支护结构为恒阻大变形错杆和/或恒阻大变形错索。8. 根据权利要求1所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:所 述泡沫混凝±中添加增稠剂，所述增稠剂由下述组分的原料按重量配比制成:娃粉:60-100 份;膨润±: 40-70份;有机高分子粘结剂:0.3-1份，所述增稠剂的重量占泡沫混凝±中水泥 重量的8%-15%。9. 根据权利要求8所述的适用于软岩大变形隧道的协调变形支护系统，其特征在于:所 述有机高分子粘结剂为:聚丙締酸、径丙甲基纤维素、黄原胶或聚丙締酷胺。10. -种适用于软岩隧道的支护系统的支护方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1:对于隧道开挖一进尺中需要进行初期支护的部分，在围岩内侧沿隧道纵向固定 若干可压缩垫块； 步骤2:避开可压缩垫块部位向围岩内侧喷射混凝±喷层，所述混凝±喷层的厚度与所 述可压缩垫块的厚度相同，所述混凝±喷层和所述可压缩垫块共同构成第一保护层； 步骤3:向所述第一保护层的内侧喷射泡沫混凝±填充层； 步骤4:在隧道的设定部位，沿隧道径向施做若干错固支护结构； 步骤5:在所述泡沫混凝±填充层内侧，施做二次衬搁。
【文档编号】E21D11/00GK105937399SQ201610375121
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】田洪铭, 陈卫忠, 谭贤君, 伍国军, 于洪丹, 赵武胜
【申请人】中国科学院武汉岩土力学研究所