[發(fā)明專利]用于大變形地層的隧道支護結(jié)構(gòu)及其施工工法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310491598.4
• 申請日: 2013-10-18
• 公開（公告）號: CN103527219A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭建國;李玉文;林國進;王聯(lián);鄭金龍;李曉洪;田尚志;高世軍;田志宇;丁堯
• 申請（專利權(quán)）人: 四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院
• 主分類號: E21D11/10
• 分類號: E21D11/10;E21D11/14
• 代理公司: 成都希盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51226
• 代理人: 陳澤斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及隧道支護結(jié)構(gòu)及其施工工法，尤其是一種用于大變形地層的隧道支護結(jié)構(gòu)及其施工工法。

背景技術(shù)

隧道是一種修建在地下的工程結(jié)構(gòu)物，被廣泛地應(yīng)用于交通、礦山、水利及國防等領(lǐng)域。目前的隧道，通常采用新奧法施工，支護結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，沿隧道環(huán)向包括拱頂、仰拱及兩側(cè)邊墻，沿隧道徑向包括外側(cè)的初期支護、內(nèi)側(cè)的二次襯砌以及位于初期支護和二次襯砌之間的防水層。

新奧法施工的核心為充分發(fā)揮圍巖的自承能力。進一步的講，要求P_支=P_地-P_放-P_自，其中，P_支為支護結(jié)構(gòu)的支護力；P_地為地層使圍巖向臨空面位移的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力、工程偏力；P_放為以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力，也即塑性能以變形的方式釋放；P_自為圍巖的自承力，由圍巖本身強度分擔(dān)。施工時，在洞室開挖后及時施作初期支護，初期支護本身具有一定的柔性和變形特性，因而能在開挖后及時有效地控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布，最大限度的保護巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，使得圍巖與初期支護在共同變形的過程中取得自身穩(wěn)定，充分利用圍巖的自承能力；復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承受后期圍巖壓力，要使P_支最小，則應(yīng)使P_放、P_自同時達到最大。過早施作二次襯砌，圍巖的自承能力并未達到最佳狀態(tài)，進而使得二次襯砌承受更大的圍巖壓力；拖后施作二次襯砌，則會影響初期支護的穩(wěn)定性，因此，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的二次襯砌通常要求在初期支護穩(wěn)定后及時施作；但在實際施工過程中，可能遇到各種地質(zhì)災(zāi)害，使得實際的施工條件更為復(fù)雜。

隧道工程圍巖的變形破壞主要有巖爆、坍塌和大變形。其中隧道圍巖大變形，由于圍巖的變形量值特別大，洞壁位移后往往侵入模注混凝土襯砌凈空，使施工處理十分困難，因此在各類地質(zhì)災(zāi)害中，是一類容易造成施工困難、毀壞施工設(shè)備、延誤工期、增加工程成本的地質(zhì)災(zāi)害。國內(nèi)外學(xué)者，針對隧道圍巖大變形進行了不少的探索工作，但由于研究者們僅從各自的角度開展隧道圍巖大變形問題的研究，其研究成果有一定的局限性，因此，目前還沒有就圍巖大變形形成一致的和明確的定義。但根據(jù)隧道圍巖大變形的破壞形式，可以將其理解為：在隧道工程中，由軟弱巖體構(gòu)成的圍巖，在高地應(yīng)力、地下水或自身膨脹性能的作用下，其自承能力喪失或部分喪失，產(chǎn)生具有累進性和明顯時間效應(yīng)的塑性變形且變形得不到有效約束的現(xiàn)象。

針對圍巖大變形的施工，目前的基本方針是管超前、嚴(yán)注漿、短進尺、強支護、緊封閉、勤量測。但大變形地段的圍巖，初期來壓快，變形量大，不加控制會發(fā)生坍塌，而剛性支護不能適應(yīng)大變形，將很快被壓壞。具體的講，支護體剛度大于圍壓剛度，圍巖膨脹性能量不能轉(zhuǎn)化為變形能釋放，而施加在支護體，形成過載破壞；支護體剛度小于圍巖剛度，圍巖產(chǎn)生的過量變形得不到限制，將其承擔(dān)的荷載傳遞到支護體，形成過載破壞；圍巖的變形并非均勻的變形，非均勻的荷載作用在等強的支護體上，形成局部過載破壞，導(dǎo)致支護體失穩(wěn)。

針對上述問題，目前提出了一種解決思路，其是在二次襯砌和初期支護之間填充一層高分子彈性材料，為圍巖一個變形釋放空間，并通過U型鋼架及二次襯砌使得該變形釋放空間是一個可控的變形釋放空間，如專利號為200910062525.7、發(fā)明名稱為高地應(yīng)力軟巖卸壓施工方法的發(fā)明專利。上述專利，其具體的施工步驟是：A、錨噴支護施工，錨噴支護施工必須緊跟掌子面，清除危巖；B、泡沫板掛設(shè)，進行聚苯乙烯泡沫板掛設(shè)施工；C、仰拱開挖及U型鋼架設(shè)，襯砌成環(huán)，對鋼架間隙進行噴射混凝土復(fù)噴；D、仰拱回填，U型鋼架設(shè)完成后，進行仰拱回填施工，對混凝土進行養(yǎng)護；E、防水隔離層施工，在隧道收斂速率趨于穩(wěn)定后，進行防水隔離層施工：F、二次襯砌施工，在防水隔離層施工完成后，進行二次襯砌施工；G，預(yù)應(yīng)力錨索施工，通過現(xiàn)場放樣，確定錨索孔位以及鉆孔方向，對孔位位置進行清理。但上述專利的實際使用效果欠佳，具體如下所述：

首先，在其步驟B和C的實施過程中，圍巖及初期支護均在持續(xù)的變形，當(dāng)變形較大且變形釋放空間較小時，可能侵入U型鋼架的安裝空間，進而限制U型鋼架的安裝；當(dāng)變形較大且變形釋放空間也較大時，初期支護可能已經(jīng)產(chǎn)生破壞。