高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于隧道初期支護施工技術領域，尤其是涉及一種高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系。
【背景技術】
[0002]隧道開挖勢必引發(fā)圍巖原始應力的重新分布，整個圍巖應力重分布的力學行為可以概化為如下過程:經“平衡”、“松弛”與“松散、坍塌”三個階段后，達到新的平衡?！八沙凇焙汀八缮ⅰ痹诿枋鰬χ胤植歼^程是兩個完全不同的概念，在這兩個過程中圍巖荷載的表現(xiàn)形式也是不同的?！八沙凇彪A段產生的荷載被稱為“形變壓力”，此時圍巖應力水平的降低與圍巖變形共存，從巖體力學角度分析，該階段的圍巖仍可認為處于連續(xù)介質或似連續(xù)介質的性態(tài)；“松散、坍塌”階段產生的荷載被稱為“松散壓力”，它是在圍巖變形增長到一定程度后，巖塊與原巖分離而導致的坍塌或巖塊的自重應力對支護產生作用。
[0003]國內外學者曾對軟巖隧道(也稱為軟弱圍巖隧道)施工后產生大變形的類型進行過系統(tǒng)的研究，并從不同的角度對大變形的類型進行分類，下面對大變形隧道按其變形機理的分類進行說明。軟巖大變形隧道按其變形機理可分為松散型、膨脹型和擠壓型三個類型，誘發(fā)這三種類型的隧道大變形的前提條件相差較大，大變形發(fā)生后表現(xiàn)出來的變形特征也是各不相同的。
[0004]其中，松散型大變形出現(xiàn)在硬巖(包括巖塊強度Rc>30MPa的破碎巖體、層狀巖體和塊狀巖體等)隧道和低地應力的淺埋隧道中，圍巖松弛過程較短，前期變形量較小，在沒能及時提供足夠的支護反力時，圍巖變形發(fā)展到一定程度后便會松散或坍塌，由此產生的圍巖松散壓力直接作用在支護結構上，在變形時態(tài)曲線呈現(xiàn)向上反彎或“跳躍”的性態(tài)。
[0005]膨脹型大變形隧道的變形機理簡單的說就是軟巖內的膨脹性礦物成分在水或者力的作用下體積增大，不斷侵入隧道凈空的現(xiàn)象。當在含膨脹性礦物的地層中開挖隧道時，巖石遇水或吸濕之后產生膨脹，其量值可能遠大于巖石的彈塑性及碎脹變形量之和，由此產生的膨脹性變形壓力成為誘發(fā)軟巖隧道支護破壞的一個重要原因。隧道開挖后，圍巖遇水作用會發(fā)生物理化學反應，引起體積膨脹和力學性能的變化，在隧道周邊圍巖形成了遇水膨脹區(qū)和穩(wěn)定區(qū)兩個不同的區(qū)域。遇水膨脹區(qū)圍巖的天然裂隙結構、應力調整引起的圍巖裂隙為軟巖及膨脹性礦物提供了吸水通道，加劇了圍巖的膨脹變形，最終產生大變形，導致隧道結構體的破壞。
[0006]“擠壓型大變形”發(fā)生于圍巖松弛階段，其變形機理與“松散型大變形”和“膨脹型大變形”相差較大，并且變形過程極為復雜，國內外大量的專家與學者對這一課題進行了大量的研究，但擠壓型軟巖大變形隧道的修建仍是世界性難題。其中，具有高應力背景的軟弱圍巖變形稱為“擠壓型”變形，即高應力條件的軟弱圍巖變形為擠壓型大變形。
[0007]國際巖石力學學會(簡稱ISRM)“隧道擠壓性巖石專業(yè)委員會”對圍巖擠壓性作了如下定義擠壓型”是指圍巖具有時效的大變形;其變形具有明顯的優(yōu)勢部位和方向，可發(fā)生在施工階段，也可能會延續(xù)較長時間。變形的本質是巖體內的剪應力超限而引起的剪切蠕動，這些變形主要可以歸納為以下幾種特點:第一、變形的速度快;第二、變形量大;第三、變形持續(xù)的時間長;第四、變形有明顯的優(yōu)勢部位和方向。目前，擠壓型大變形隧道比較認可的破壞機理有如下三種:完全剪切破壞、彎曲破壞和剪力及滑動張裂破壞。
[0008]軟巖(即軟弱圍巖)發(fā)生塑性變形的概率非常高，常引起隧道的凈空變小，影響正常的隧道施工和使用。由于軟弱圍巖本身的地質性質結構松散，并且穩(wěn)定性極差，這就決定了它在隧道建設中必然會產生一定程度的變形。由于軟弱圍巖穩(wěn)定性較差的原因，在隧道開挖后，使原有的地應力平衡遭到了破壞，從而導致圍巖發(fā)生變形。在施工的過程中，如果選用的方法不當，不但會引起工程建設初期支護結構的變形，甚至會引起隧道的塌方等安全事故。
[0009]綜上，在高地應力作用下，軟巖大變形導致大梁隧道底板隆起，初支變形失效、侵限等現(xiàn)象，開挖后圍巖應力巨大，對支護體系的強度、剛度要求極高;支護體系弱了，被圍堰應力短時間內擠壓破壞，變形侵限，帶來拆換重做的結果，安全風險極高；同時，變形量大、發(fā)展迅速且持續(xù)不收斂，施作完成的支護體系，因變形量控制不好造成侵限的情況非常普遍，嚴重危及施工安全及工程質量。因而，針對高地應力下軟巖變形特征，需對初期支護方案進行優(yōu)化調整。
【實用新型內容】
[0010]本實用新型所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其結構簡單、設計合理且施工簡便、使用效果好，能滿足高地應力軟弱圍巖隧道的初期支護需求。
[0011]為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是:一種高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征在于:包括多榀對所施工高地應力軟弱圍巖隧道的隧道洞進行支護的格柵鋼架和多榀對隧道洞的拱墻進行支護的型鋼套拱，多榀所述格柵鋼架的結構均相同且其沿隧道縱向延伸方向由后向前進行布設，多榀所述型鋼套拱的結構均相同且其沿隧道縱向延伸方向由后向前進行布設；多榀所述格柵鋼架呈均勻布設，且多榀所述型鋼套拱呈均勻布設，前后相鄰兩榀所述型鋼套拱之間的間距為前后相鄰兩榀所述格柵鋼架之間間距的M倍，其中M為正整數且M=l、2或3;每榀所述型鋼套拱均支撐于一榀所述格柵鋼架內側。
[0012]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:前后相鄰兩榀所述格柵鋼架之間的間距為0.4m?0.6m。
[0013]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:所述格柵鋼架包括對隧道洞的拱墻進行支護的格柵拱架;所述型鋼套拱的形狀與格柵拱架的形狀相同，且每榀所述型鋼套拱均支撐于一榀所述格柵拱架內側。
[0014]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:所述格柵拱架的左右兩側拱腳底部均設置有一個呈水平布設的支撐鋼板。
[0015]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:所述格柵拱架的左右兩側均通過多根鎖腳錨管進行錨固。
[0016]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:還包括多個分別位于多榀所述型鋼套拱正下方且對隧道洞的底部進行支護的隧道底部鋼架，所述隧道底部鋼架的兩端分別與型鋼套拱的兩個拱腳緊固連接;每榀所述型鋼套拱均與位于其正下方的隧道底部鋼架組成對隧道洞進行支護的全環(huán)型鋼架。
[0017]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:所述隧道洞底部鋪有一層厚度為20cm?30cm的混凝土墊層，所述隧道底部鋼架位于所述混凝土墊層上。
[0018]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:還包括第一噴射混凝土支護結構;所述第一噴射混凝土支護結構包括由噴射在隧道洞內壁上的混凝土形成的第一混凝土噴射層，且多榀所述格柵鋼架均固定于第一混凝土噴射層內，多榀所述型鋼套拱均位于第一混凝土噴射層內側。
[0019]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:所述第一混凝土噴射層的厚度為28cm?32cm;所述型鋼套拱為由工字鋼彎曲形成的拱架。
[0020]上述高地應力軟弱圍巖隧道格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系，其特征是:還包括第二噴射混凝土支護結構和多道對多榀所述型鋼套拱與多個所述隧道底部鋼架進行連接的縱向連接鋼筋，多道所述縱向連接鋼筋均沿隧道縱向延伸方向進行布設，且多道所述縱向連接鋼筋沿隧道洞的開挖輪廓線由左至右進行布設;所述第一噴射混凝土支護結構和所述第二噴射混凝土支護結構均為采用混凝土濕噴方法對隧道洞進行全斷面噴射形成的混凝土噴射層，多榀所述型鋼套拱、多個所述隧道底部鋼架和多道所述縱向連接鋼筋均固定于所述第二噴射混凝土支護結構內。
[0021 ]本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0022]1、結構簡單、設計合理且加工制作及安裝布設方便，投入施工成本較低。
[0023]2、施工簡便且施工效率較高。
[0024]3、使用效果好且實用價值高，能滿足高地應力軟弱圍巖隧道的初期支護需求，與型鋼鋼架支護體系與格柵鋼架支護體系相比，具有明顯優(yōu)勢。其中，在高地應力軟巖隧道支護中，型鋼鋼架支護體系對沉降及水平位移的約束作用較強，尤其在支護設立初期，其變形控制較好;但隨著時間推移，型鋼鋼架支護體系變形在支護設立兩個月后(至二襯施做前)仍無明顯收斂趨勢，且過程中多次呈現(xiàn)臺階式升漲趨勢。相應地，型鋼鋼架支護體系所承受圍巖壓力較大，且鋼架內部應力較大;二次襯砌施作后，圍巖變形仍在持續(xù)，二襯結構也將承擔部分圍巖壓力。而格柵鋼架支護體系屬于柔性支護體系，其支護設立7d后拱頂變形累計值較大，支護形變明顯且發(fā)展迅速，能較好地釋放高地應力條件下圍巖應力和變形，但其支護結構內力及形變將急劇增加且不能收斂。本實用新型在格柵鋼架支護設立7d后增設型鋼套拱，作為后期抵抗變形的剛性支護，其變形時態(tài)曲線呈現(xiàn)明顯的收斂趨勢，從而能有效彌補格柵鋼架支護體系的缺陷。斷面圍巖與初期支護間接觸壓力的實測最大值位于拱頂處，滿足鋼材的抗拉、抗壓的極限強度要求，因而格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護體系能有效控制變形，并能有效保證隧道結構安全。綜上，本實用新型先柔后剛，其結構受力比較合理，能夠及時提供抗力，更加適應高地應力軟巖隧道施工過程中變形的時效性的特點，同時節(jié)約鋼材材料、成本低，是一種合理、有效的控變防塌措施。
[0025]綜上所述，本實用新型結構簡單、設計合理且施工簡便、使用效果好，能滿足高地應力軟弱圍巖隧道的初期支護需求。
[0026]下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型的結構不意圖。
[0028]附圖標記說明:
[0029]I一隧道洞；2—格棚.拱架；3—型鋼套拱；
[0030]4 一隧道底部鋼架；5—混凝土噴射層；6—