专利名称：隧道支护方法、隧道支护结构及隧道的制作方法
技术领域：
本发明涉及土木建筑施工技术，尤其涉及一种适用于高地应力软岩层的隧道支护方法、隧道支护结构及隧道。
背景技术：
地应力是指岩体在天然状态下的内在应力。当隧道纵向穿过地应力软弱围岩地层时，若围岩的单轴抗压强度(Rb)和最大主应力(oh,max)的比值，即Rb/oh,max在4 7范围内时，称为高地应力；当Rb/ σ h,_ < 4时，称为极高地应力。隧道施工过程中，预先需根据岩体的具体情况确定每次沿纵向挖掘长度，即将整个隧道分成多段隧道通道顺次挖掘；在施工时，先按照该挖掘长度挖掘出第一段隧道通道， 然后在这第一段隧道通道中实施支护，完成后，可自第一段隧道通道的末端继续沿纵向挖掘出第二段隧道通道，在第二段隧道通道上实施支护，完成后，再在第二段隧道通道的末端沿纵向挖掘出第三段隧道通道，如此循环下去，直至完成最后一段隧道通道的支护施工后， 多段隧道通道便形成了一条完整的隧道。其中，隧道支护工序是为了防止隧道在开挖后坍塌、而在挖掘出每段隧道通道之后必须及时进行的施工，且支护工艺的设计只有与该处岩层的具体地质条件相适应，才能起到良好的抗变形、抗坍塌的效果。但是，在现有技术中，在高地应力、甚至极高地应力软岩层地质条件下挖掘隧道时，所采用的是与普通地应力岩层条件下相同的支护工艺，具体为步骤I、密贴隧道通道的表面建立一榀刚性初期支护；具体过程是采用与隧道通道表面的断面形状相同的拱形型钢钢架从内侧支撑隧道通道，即，拱形型钢钢架的外缘与隧道通道的周向表面紧密贴合，然后再在拱形钢架上喷射混凝土。步骤2、基于上述刚性初期支护实施二次衬砌；即，在刚性初期支护内侧施作模筑混凝土衬砌，以形成与隧道通道形状相似的、且沿隧道通道纵向延伸的平滑的隧道表面。现有技术中的支护工艺采用直接密贴隧道通道表面建立刚性初期支护的方式，使得在隧道通道外围的岩层中的高应力作用下，经常造成初期支护中混凝土开裂、剥落，及拱形型钢钢架扭曲变形；拱形型钢钢架的变形会侵占下一步二次衬砌的空间，造成无法继续实施二次衬砌，从而不得不拆掉已建的刚性初期支护、重新建立新的刚性初期支护；这样， 便使工程成本和施工风险大幅增加。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种隧道支护方法、隧道支护结构及隧道，避免围岩的高地应力造成初期支护剥落、变形挤占二次衬砌的空间，从而实现无需重建初期支护，保证隧道施工的顺利进行，该方法尤其适用于高地应力软岩层的隧道施工。本发明的第一个方面是提供一种隧道支护方法，包括步骤一、密贴已挖掘出的隧道通道的周向表面建立至少一榀用于支撑所述隧道通道的柔性支护，并在所述隧道通道表面喷射混凝土，以与至少一个所述柔性支护共同形成覆盖于所述隧道通道表面的柔性支护层；步骤二、在所述柔性支护层内侧建立至少一榀刚性初期支护，在所述刚性初期支护的前侧面和/或后侧面喷射混凝土，以与所述刚性初期支护共同形成刚性支护层，并使所述刚性支护层与所述柔性支护层之间形成预设间隙；步骤三、静置第一变形时间；步骤四、基于所述刚性支护层修建二次衬砌。优选地，在所述步骤四之前，还包括对所述柔性支护层与所述刚性支护层之间的预设间隙进行注浆回填。本发明的第二个方面是提供一种隧道支护结构，包括覆盖在已挖掘出的隧道通道的周向表面的柔性支护层，所述柔性支护层由至少一榀、密贴于所述隧道通道的周向表面的柔性支护及混凝土覆盖层组成；设置在所述柔性支护层内侧的、与所述柔性支护形成有预设间隙的刚性支护层， 所述刚性支护层由至少一榀刚性初期支护及形成在所述刚性初期支护前侧和/后侧的混凝土层加固层组成；在所述刚性支护层的表面固定设置有二次衬砌，所述二次衬砌横截面形状与所述刚性初期支护相匹配并沿纵向延伸。优选地，在上述隧道支护结构中，还包括填充在所述柔性支护层和刚性支护层之间的预设间隙中的水泥浆层。本发明的又一个方面是提供一种隧道，包括首尾顺序连接在一起的、二段以上的隧道通道，每段所述隧道通道的内侧均设置有如上任一所述的隧道支护结构。本发明提供的隧道支护方法、隧道支护结构及隧道，通过分别建立柔性支护层和刚性支护层、并形成预设间隙的方式，能够允许围岩产生一定的变形，从而围岩中的高地应力得到释放，减小了刚性初期支护的受力，因而，保证了刚性初期支护不会变形，避免了因刚性初期支护侵占二次衬砌空间而必须重建刚性初期支护的工序，降低了施工成本和施工风险。
图I是本发明隧道支护方法实施例的流程图；图2是本发明隧道支护方法实施例中隧道通道横截面结构示意图；图3是本发明隧道支护方法实施例中已建立柔性支护的隧道通道横截面结构示意图；图4a是本发明隧道支护方法实施例中柔性支护与刚性初期支护之间位置关系示意4b是经第一变形时间后柔性支护与刚性初期支护之间位置关系示意图；图4c是图4b中的隧道通道经注浆回填后的横截面结构示意图；图5是本发明隧道支护结构实施例的横截面结构示意图； 图6是本发明隧道实施例的纵向结构示意图。
具体实施例方式本发明中所述的“纵向”是指隧道通道延伸的方向，多个隧道通道沿纵向首尾连接形成隧道，当然，隧道可以是直的、也可以是弯的；“前”是指隧道随挖掘的进行而推进的方向；隧道通道的任一横截面与隧道通道表面相交而得到的曲线为周向曲线，多个互相平行的周向曲线沿纵向排列形成隧道通道的“周向表面”，多个“周向表面”沿纵向排列形成“隧道通道”的整个表面。为了更好地理解本发明的技术方案，首先对隧道建设过程进行简单描述。在隧道建设工程实施前，会在方案设计过程中明确工程实施的主要参数及所需设备，其中包括，确定隧道的总长、每段隧道通道的长度及个数、隧道通道的开挖轮廓线的形状及尺寸，以及榀间距(相邻两支护位置沿隧道纵向的距离)等。在隧道的整个施工过程中，可以采用顺次施工方案，先挖掘出一段既定长度的隧道通道，在该隧道通道上顺次完成支护施工步骤，然后再基于该段隧道通道进行下一段隧道通道的挖掘和支护，如此一直持续至完成既定数量的隧道通道。另外在要求施工工期很短时，可以采用平行施工方案，即，在挖掘出第一段隧道通道后，在该第一段隧道通道上实施支护施工步骤的同时，也在该第一段隧道通道的末端继续挖掘第二段隧道通道，待挖掘出第二段隧道通道后，再在该第二段隧道通道上实施支护施工步骤，而同时，也进行第三段隧道通道的挖掘施工，如此继续，实现挖掘与支护的同时进行，以提高施工效率。虽然在平行施工方案中，在同一时刻的不同隧道通道中进行的是挖掘和支护的不同步骤，但是，就某一隧道通道来说，其支护工序的实施过程与顺次施工方案中在隧道通道中的支护工序是一样的，本发明主要针对支护工序实施步骤所提出的改进技术方案。图I是本发明隧道支护方法实施例的流程图；本发明一实施例提供一种隧道施工方法，请参照图1，包括步骤201、请参照图2和图3，密贴已挖掘出的隧道通道20的周向表面建立至少一榀用于支撑隧道通道20的柔性支护21，并在隧道通道20表面喷射混凝土，以与至少一个柔性支护21共同形成覆盖于隧道通道20表面的柔性支护层。即，在按照预先设计好的开挖轮廓线沿纵向挖掘出既定长度的隧道通道20后，及时在隧道通道20内的任一个或互相平行的两个以上横截面处，分别建立柔性支护21，并使柔性支护21的外侧紧密贴合并支撑在隧道通道20的表面，其中，柔性支护21的形状可与隧道通道20相同，以使柔性支护21与隧道通道20的贴合更紧密，而柔性支护21沿纵向的长度可以为10 30 (mm)。设置好柔性支护21后，可向柔性支护21之间或柔性支护21的前和/或后方的隧道通道20表面喷射混凝土，形成的混凝土覆盖层的厚度可以与柔性支护21的厚度相等，这样混凝土覆盖层与设置于其间的柔性支护21组成同等厚度的柔性支护层，该柔性支护层覆盖住整个隧道通道20的表面。当然，喷射混凝土的厚度也可以为其它值，并不一定要求与柔性支护21的厚度相同。步骤202、请参照图4a，在柔性支护层内侧建立至少一榀刚性初期支护22，在刚性初期支护22的前侧面和/或后侧面喷射混凝土，以与刚性初期支护共同形成刚性支护层， 并使刚性支护层与上述柔性支护层之间形成预设间隙3。刚性初期支护的数量可以少于该段隧道通道20中柔性支护21的数量，且位置也不需要与柔性支护21 —一对应，但需先保证刚性初期支护22与柔性支护层之间形成预设间隙3 ;优选地，刚性初期支护22可以设置在相邻两个柔性支护21之间的某一横截面中；具体地，柔性支护21与刚性初期支护22的形状可以相同，如都为拱形，其沿纵向的长度可以大于或等于柔性支护21沿纵向的长度； 并可在刚性初期支护22之间及位于隧道通道20的起始端或末端处的刚性初期支护22的前侧面或后侧面(当设置多榀刚性初期支护时)，或是一榀刚性初期支护22的前侧面和后侧面上喷射混凝土(当只设置一榀刚性初期支护时)，以使所有刚性初期支护22通过混凝土加固层连接形成刚性支护层。其中，喷射形成的混凝土加固层的厚度可以与刚性初期支护22相同，这样，当柔性支护层的表面为平滑表面时，刚性支护层与柔性支护层之间形成的预设间隙3可以为均匀等厚的间隙；当然，刚性支护层中的混凝土加固层可以与刚性初期支护22的厚度不同，则形成不均匀的预设间隙3。优选地，一般的高应力软岩层可以将预设间隙3设置在30cm 50cm的范围内。本发明方案中，所述柔性支护应该理解为是相对于刚性初期支护来说，具有较小的刚度。至于柔性支护和刚性初期支护的具体结构则均可以直接采用本领域中常用支护结构，例如，本实施例中柔性支护21可以采用具有较好柔性的格栅钢架，可通过格栅钢架的选材及所喷射的混凝土的比例来获得不同的刚度；刚性初期支护可以是任何刚度相对较大的钢架结构，例如型钢制成的钢架(本实施例中采用H175钢架)，当然，也可利用木质材料或其它有机材料制成与隧道通道20的横截面轮廓相匹配的拱形支撑来作为柔性支护21 ； 刚性初期支护22可采用型钢制成的钢架，只要二者之间存在刚度差即可，本发明对此不作特别限定。步骤203、静置第一变形时间；在建立完刚性初期支护22后静置的第一变形时间的过程中，围岩11中的高地应力会压迫柔性支护21，使得围岩11与柔性支护21在预设间隙3内一起变形，占据部分预设间隙3。刚性初期支护22刚刚建立完毕后的预设间隙3如图4a所示，待第一变形时间过去后的预设间隙3有可能发生如图4b所示意的变形现象。步骤204、请参照图5，基于刚性支护层修建二次衬砌23。即，在刚性支护层的内侧表面实施模筑混凝土衬砌，以形成完整的一段隧道通道，同时还达到了使隧道通道的表面平滑、美观的效果。本实施例提供的隧道支护方法，通过分别建立柔性支护层和刚性支护层、并形成预设间隙的方式，能够允许围岩产生一定的变形，从而围岩中的高地应力得到释放，减小了刚性初期支护的受力，因而，保证了刚性初期支护不会变形，避免了因刚性初期支护侵占二次衬砌空间而必须重建刚性初期支护的工序，降低了施工成本和施工风险；尤其利于提高在高地应力岩层地区的隧道施工的安全性和效率。由上述实施例中步骤一可知，同一段隧道通道20中可以设置一榀、两榀或更多榀柔性支护21。其具体建立过程可以采用一次挖掘出隧道通道20，然后在隧道通道20内依次建立一榀或多榀柔性支护；但是，当隧道通道20较长、其内需设置多个柔性支护21时，尤其是地质条件更差一些时，这样一次挖掘出较长的一段隧道通道20就可能造成挖掘过程中的塌陷，为彻底消除这种潜在的塌陷隐患，可以采用将一段隧道通道20进一步划分为多个分段，每次只挖掘出隧道通道20的一段分段的方案，下面对该方案进行详细说明。上述实施例中，密贴已挖掘出的隧道通道20的周向表面建立至少一榀用于支撑隧道通道20的柔性支护的过程可以为，密贴已挖掘出的隧道通道20的周向表面建立至少三榀用于支撑隧道通道20的柔性支护21，具体地，其过程可以为
沿纵向挖掘出隧道通道20的第一段分段，密贴隧道通道20的第一段分段的周向表面建立一榀柔性支护21 ；基于隧道通道20的第一段分段的末端重复上述过程，直到挖掘完隧道通道20的最后一段分段，并密贴隧道通道20的最后一段分段的周向表面建立一榀柔性支护21。本方案通过将隧道通道划分为多个的分段、每次只挖掘一个分段的方式，大大减少了每次沿纵向的挖掘长度，同时又可形成同一段隧道通道内设置多榀柔性支护的结构， 进一步提高了本隧道支护方法的安全性。请参照图4c和图5，在基于刚性初期支护22完成二次衬砌23步骤前，还包括对柔性支护层与刚性支护层之间的预设间隙3进行注浆回填，即用水泥浆填充预设间隙3中尚未被柔性支护21变形挤占的空间。其中，水泥浆的水灰比可以在O. 6 I
0.8 I范围内选择，注浆压力可以在O. I O. 2MP范围内选择；另外，还可在该水泥浆内添加速凝剂，以将凝固时间控制在一小时之内。通过注浆回填可使柔性支护与刚性初期支护形成一体结构，从而达到更好的支护效果。本发明另一实施例提供一种隧道支护结构，请参照图4a、图5和图6，包括覆盖在已挖掘出的隧道通道20的周向表面的柔性支护层，该柔性支护层由至少一榀、密贴于隧道通道20的周向表面的柔性支护21及混凝土覆盖层212组成；优选地，柔性支护层可以包括至少三榀的、沿隧道通道20的纵向排列的柔性支护21 ；设置在柔性支护层内侧的、与该柔性支护层形成有预设间隙3的刚性支护层，该刚性支护层由至少一榀刚性初期支护22及形成在刚性初期支护22前侧和/或后侧的混凝土加固层222组成；当隧道通道20的刚性支护层中只包括一榀刚性初期支护22时，刚性初期支护22的前侧和后侧可以均为混凝土加固层222，当刚性支护层包括三个以上刚性初期支护22时，相邻的刚性初期支护22之间可通过混凝土加固层222连接，为于最前端和最末端的刚性初期支护的前侧和后侧也可为混凝土加固层22。在刚性支护层的表面固定设置有二次衬砌23，二次衬砌23的横截面形状与刚性支护层相匹配并沿纵向延伸。在本实施例中，隧道通道20的横截面形状可以为方形、多边形或拱形；隧道通道 20的形状与柔性支护21的形状可以相同，以使两者更好的紧密贴合，防止围岩11上的碎岩颗粒散落；刚性初期支护22可以与柔性支护21相同或不同；优选地，柔性支护21和刚性初期支护22同隧道通道20的横截面形状一样，都为弧度相同的拱形，且柔性支护21的刚度小于刚性初期支护22，以保证在围岩11中的高地应力作用下柔性支护21可以产生变形以释放地应力，但刚性初期支护22不会变形，以不挤占二次衬砌的空间。在具体实施时，柔性支护21可以采用木质材料制成的拱形支架，或是质地较软的钢筋组合而成的拱形钢架，优选地，可以采用本领域中常用的格栅钢架；而刚性初期支护22则一般选优刚度较高的型钢钢架，例如可采用H175制造出的型钢钢架，并可在该型钢钢架上喷射混凝土。本实施例的隧道支护结构，由于柔性支护层与刚性支护层之间的预设间隙3可以为柔性支护提供变形空间，从而达到了通过围岩连同柔性支护的共同变形以尽量释放围岩内的高地应力的目的，避免了围岩的高地应力造成刚性初期支护变形，保证了二次衬砌顺利实施，降低了工程成本，且与现有技术相比，该支护结构更稳定可靠、风险更低。
进一步地,如图5所示,上述隧道支护结构中还包括填充在柔性支护层和刚性支护层之间的预设间隙3中的水泥浆层31。该水泥浆层 31可使柔性支护层和刚性支护层形成更为稳定的整体，以使支护结构更好地发挥作用。本发明又一实施例提供一种隧道，请参照图4a和图5，包括首尾顺序连接在一起的、二段以上的隧道通道20，每段隧道通道20的内侧均设置有上述任一实施例中的隧道支护结构。隧道支护结构的具体结构与上述实施例类似，在此不再赘述。另外，在本发明中，隧道通道、隧道通道的每个分段、柔性支护及刚性初期支护沿纵向的长度均可根据具体工况来通过计算确定；并可利用上述参数进一步计算确定榀间距，以及柔性支护、刚性支护的数量。榀间距是指相邻的两榀柔性支护或刚性初期支护之间的距离，榀间距的具体值可以为相邻的两柔性支护(刚性初期支护)的前侧面或后侧面之间的距离；在整个隧道中，柔性支护或刚性初期支护的榀间距可以为定值，即柔性支护或刚性初期支护为等间隔分布，当然，也可因具体地质状况的特殊性，将不同隧道通道20中的柔性支护和/或刚性支护相对于所在的隧道通道的位置设置各不同，这样，榀间距则各不相等，但无论哪种情况，均可以采用本实施例提供的隧道支护结构。本实施例提供的隧道，通过设置柔性支护层、刚性支护层，并使两者之间形成预设间隙的方式，使柔性支护可以产生变形以释放围岩11中的高地应力，减小了刚性初期支护的受力，避免了因刚性初期支护变形而必须拆掉重建的情况发生，可以降低施工成本；另外，采用该支护结构的隧道具有更好的稳定性，安全性更高。最后应说明的是以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
权利要求
1.一种隧道支护方法，其特征在于，包括步骤一、密贴已挖掘出的隧道通道的周向表面建立至少一榀用于支撑所述隧道通道的柔性支护，并在所述隧道通道表面喷射混凝土，以与至少一个所述柔性支护共同形成覆盖于所述隧道通道表面的柔性支护层；步骤二、在所述柔性支护层内侧建立至少一榀刚性初期支护，在所述刚性初期支护的前侧面和/或后侧面喷射混凝土，以与所述刚性初期支护共同形成刚性支护层，并使所述刚性支护层与所述柔性支护层之间形成预设间隙；步骤三、静置第一变形时间；步骤四、基于所述刚性支护层修建二次衬砌。
2.根据权利要求I所述的隧道支护方法，所述密贴已挖掘出的隧道通道的周向表面建立至少一榀用于支撑所述隧道通道的柔性支护的过程为，密贴已挖掘出的所述隧道通道的周向表面建立至少三榀用于支撑所述隧道通道的柔性支护，其特征在于，密贴已挖掘出的所述隧道通道的周向表面建立至少三榀用于支撑所述隧道通道的柔性支护的过程为沿纵向挖掘出所述隧道通道的第一段分段，密贴所述隧道通道的第一段分段的周向表面建立一榀柔性支护；基于所述隧道通道的所述第一段分段的末端重复上述过程，直到挖掘完所述隧道通道的最后一段分段，并密贴所述隧道通道的最后一段分段的周向表面建立一榀柔性支护。
3.根据权利要求I或2所述的隧道支护方法，其特征在于，在所述步骤四之前，还包括对所述柔性支护层与所述刚性支护层之间的预设间隙进行注浆回填。
4.一种隧道支护结构，其特征在于，包括覆盖在已挖掘出的隧道通道的周向表面的柔性支护层，所述柔性支护层由至少一榀、 密贴于所述隧道通道的周向表面的柔性支护及混凝土覆盖层组成；设置在所述柔性支护层内侧的、与所述柔性支护形成有预设间隙的刚性支护层，所述刚性支护层由至少一榀刚性初期支护及形成在所述刚性初期支护前侧和/或后侧的混凝土层加固层组成；在所述刚性支护层的表面固定设置有二次衬砌，所述二次衬砌横截面形状与所述刚性支护层相匹配并沿纵向延伸。
5.根据权利要求4所述的隧道支护结构，其特征在于，所述柔性支护层包括至少三榀的、沿所述隧道通道的纵向排列的柔性支护。
6.根据权利要求4或5所述的隧道支护结构，其特征在于，还包括填充在所述柔性支护层和刚性支护层之间的预设间隙中的水泥浆层。
7.根据权利要求4或5所述的隧道支护结构，其特征在于，所述柔性支护和所述刚性初期支护均为拱形。
8.根据权利要求7所述的隧道支护结构，其特征在于，所述柔性支护为拱形的格栅钢架，所述刚性初期支护为拱形的型钢钢架，所述柔性支护的刚度小于所述刚性初期支护的刚度。
9.一种隧道，包括首尾顺序连接在一起的、二段以上的隧道通道，其特征在于，每段所述隧道通道的内侧均设置有如权利要求4-8任一所述的隧道支护结构。
全文摘要
本发明提供一种隧道支护方法、隧道支护结构及隧道。隧道支护方法包括密贴隧道通道的周向表面建立至少一榀柔性支护，并喷射混凝土，以与柔性支护共同形成覆盖于隧道通道表面的柔性支护层；在柔性支护层内侧建立至少一榀刚性初期支护，在刚性初期支护的前侧面和/或后侧面喷射混凝土，以形成刚性支护层，并使刚性支护层与柔性支护层之间形成预设间隙；经第一变形时间后，基于刚性支护层修建二次衬砌。本发明提供的隧道支护方法，能够允许围岩产生一定的变形，从而围岩中的高地应力得到释放，减小了刚性初期支护的受力，保证了刚性初期支护不会变形，避免了因刚性初期支护侵占二次衬砌空间而必须重建刚性初期支护的工序，降低了施工成本。
文档编号E21D11/10GK102606169SQ20121007174
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者任诚敏, 何志军, 张梅, 张民庆, 杨斌, 王庆林, 肖广智, 陈仕猛, 马伟斌, 黄鸿健 申请人:铁道部工程管理中心