基于溶腔位置的隧道加强处治方法与支护结构与流程

本发明涉及一种基于溶腔位置的隧道加强处治方法与支护结构。
背景技术：
：作为公路建设和铁路建设的重要组成部分，山岭隧道已经在我国获得了大规模的发展。其中不少隧道穿越或者临近溶腔，虽然国内外都对隧道穿越岩溶的安全性这一问题给予了高度的重视，但是此类事故依然不断发生。特别是我国岩溶地貌分布复杂，溶腔分布极不规则且难以探测，对隧道建设安全造成极大危害。溶腔中水的存在也对隧道的施工造成重大的安全隐患，深入研究穿越溶腔的隧道加强支护结构与处治方法具有十分重要的意义。通过对现有的技术文献检索发现，虽然已有大量关于穿越岩溶地层的隧道加强支护结构与处治方法的专利文献，如中国发明专利申请号CN201420783205.7，发明名称：一种岩溶隧道复合型支护结构，其没有对岩溶隧道安全性进行评价而采取有针对性的措施，以及发明专利申请号CN201510490047.5，发明名称：一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其所提供的安全厚度方法完全基于理论计算，将岩溶隧道与溶腔简化为结构力学模型，而实际隧道穿越岩溶是一种地层结构模型，所计算出来的结果与实际不符，另外还有发明专利申请号CN201120178851.7，发明名称：横贯隧道式溶腔稳固处理体系，其只考虑了横贯隧道式溶腔，并没有全面考虑不同位置溶腔的隧道加强支护结构与处治方法。技术实现要素：针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于溶腔位置的隧道加强处治方法与支护结构，设计合理，考虑全面且施工速度快，实用效果好，根据溶腔不同位置选择合适的隧道加强支护结构及处治方法，能彻底解决岩溶区隧道的安全施工及安全运行问题。就方法而言：本发明的一种基于溶腔位置的隧道加强处治方法，包括以下步骤：S1.确定岩溶区溶腔的位置、形态以及溶腔与隧道的最近距离L；S2.确定隧道岩溶区安全厚度H；S3.判断隧道受岩溶区溶腔影响的安全性，通过S1所探测得到的溶腔与隧道的最近距离L与安全厚度H相比较，L>H，则隧道安全；L≤H，则隧道不安全；S4.根据隧道安全性采取不同的隧道支护结构：S4.1.隧道安全：则根据现场监控量测，隧道支护结构包括初期支护、二次衬砌和超前支护；S4.2.隧道不安全：分为两种情况：S4.2.1.隧道与溶腔无贯通：在步骤S4.1的基础上，在隧道与溶腔之间依次钻孔、安装钢花管和钢花管内灌浆；S4.2.2.隧道与溶腔贯通：在步骤S4.1的基础上，设置与施工隧道支护结构和溶腔连接为一体的双层回填复合结构；进一步地，步骤S2包括：S2.1.几何建模：根据S1中得到的岩溶区溶腔的形态及范围、隧道的开挖轮廓以及尽量减小隧道与溶腔之间相互影响，取隧道开挖轮廓距岩溶区底板安全厚度为M，建立几何模型；S2.2.参数取值，根据工程地质勘查报告、原位试验及室内试验、设计图纸进行围岩及隧道衬砌各方面的取值，参数包括：各层岩土体的压缩模量Es，孔隙比e，天然重度γ，泊松比μ，粘聚力c，摩擦角φ，隧道衬砌的厚度D、弹性模量E、泊松比μ、重度γ；S2.3.最小安全厚度的确定，计算中将隧道开挖轮廓距溶腔最近点作为起始点，然后向溶腔顶板或底板每隔一定的距离取一个特征点，以此得到隧道与溶腔之间围岩各关键点应力及位移曲线，依据各关键点应力及位移曲线的变化段可求出对应的中间区岩层厚度d，用S2.1中几何建模所取的隧道开挖轮廓距溶腔底板最近距离为L减去所计算出来的中间区岩层厚度d得出隧道岩溶区安全厚度H,即H＝L-d。进一步地，步骤S4.2.1中钢花管穿过溶腔并向溶腔外伸出，且钢化管伸出溶腔外的长度为溶腔与隧道距离L的15-25％进一步地，步骤S4.2.2中的双层回填复合结构根据溶腔位置不同而不同，包括隧道顶部双层回填复合结构、隧道中部双层回填复合结构和隧道底部双层回填复合结构，其中：隧道顶部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面上方的防渗砼护拱和布设在防渗砼护拱正上方的砂砾回填缓冲层；隧道中部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面左、右两侧的防渗砼砼护墙和布设在防渗砼砼护墙外侧的砂砾回填缓冲层；隧道底部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面下方的防渗砼砼护底和布设在防渗砼护底下方的碎石垫层，所述防渗砼护底和碎石垫层填充于隧道开挖断面下方的溶腔内。进一步地，步骤S4.2.2中设置隧道内排水结构，隧道内排水结构包括由双层无防布和EVA构成的复合式防水板、加密环向盲管和横向排水管。就支护结构而言，本发明的基于溶腔位置的隧道支护结构，包括位于隧道周向的初期支护、二次衬砌和超前支护，其特征在于：还包括位于隧道与溶腔之间的双层回填复合结构。进一步地，所述双层回填复合结构包括隧道顶部双层回填复合结构、隧道中部双层回填复合结构和隧道底部双层回填复合结构，其中：隧道顶部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面上方的防渗砼护拱和布设在防渗砼护拱正上方的砂砾回填缓冲层；隧道中部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面左、右两侧的防渗砼砼护墙和布设在防渗砼砼护墙外侧的砂砾回填缓冲层；隧道底部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面下方的防渗砼砼护底和布设在防渗砼护底下方的碎石垫层，所述防渗砼护底和碎石垫层填充于隧道开挖断面下方的溶腔内。进一步地，还包括隧道内排水结构，所述隧道内排水结构包括复合式防水板、加密环向盲管和横向排水管，所述复合式防水板位于隧道内壁上，所述加密环向盲管位于复合式防水板的内壁上，所述横向排水管位于隧道内的底部。进一步地，所述复合式防水板包括双层无防布和EVA层。进一步地，还包括从隧道穿至溶腔的钢花管，所述钢化管穿透溶腔并伸至溶腔外，且钢化管伸出溶腔外的长度为溶腔与隧道距离L的15-25％。本发明的有益效果：1、本发明的基于溶腔位置的隧道加强处治方法与支护结构，计算方法合理、考虑全面、设计合理、施工速度快、使用效果好，根据隧道不同的安全状况采用不同的支护方法和结构；2、本发明的基于溶腔位置的隧道加强处治方法与支护结构，根据溶腔位置选择对应的支护结构，能有效的解决穿越岩溶区隧道的施工及安全运营问题。附图说明图1为本发明隧道安全时支护结构示意图；图2为本发明隧道不安全且无贯通时支护结构示意图；图3为本发明隧道不安全且贯通时支护结构示意图；图4为本发明隧道不安全且贯通时防排水结构示意图；附图标记：1-溶腔、2-隧道、3-初期支护、4-二次衬砌、5-超前支护、6-钢花管、7-防渗砼护拱、8-砂砾回填缓冲层、9-防渗砼护墙、10-防渗砼护底、11-碎石垫层、12-复合式防水板、13-环向盲管、14-横向排水管。具体实施方式以某隧道为例，该隧道为西部大通道——长沙-重庆高速公路武隆至水江段建设条件最复杂的控制性工程之一，右洞长7120m，左洞长7097.897m，设计为分离式双洞隧道，隧道穿越构造溶蚀侵蚀中低山脉山脉顶部为宽缓的构造溶蚀峰丛洼地地貌。实施例1本实施例为基于溶腔位置的隧道加强处治方法，该方法包括以下步骤：S1.确定岩溶区溶腔的位置、形态以及溶腔与隧道的最近距离L。具体地，依据工程地质勘查报告，同时对现场进行地质雷达探测确定岩溶区溶腔的位置、形态、规模和延伸方向等，本实例中，探明溶腔位于隧道拱顶上方与左侧边墙处，顶部溶腔高5.5m，纵向4.5m，横向可见长度约8m，溶腔走向与隧道走向垂直，溶腔与隧道贯通，即L<0；左侧边墙溶腔走向与隧道走向平行，岩溶区与隧道无贯通且岩溶区距离隧道10.8m,即左侧溶腔与隧道之间的L＝10.8m。S2.确定隧道岩溶区安全厚度H，依据工程条件建立有限元数值模型，然后对其进行弹塑性分析计算，以计算结果为基础对安全厚度岩层变形状态进行分析，最后根据围岩的稳定情况来确定安全厚度。具体步骤如下：S2.1.几何建模：根据S1中得到的岩溶区溶腔的形态及范围、隧道的开挖轮廓以及尽量减小隧道与溶腔之间相互影响，取隧道开挖轮廓距岩溶区底板安全厚度为M＝30m，建立几何模型；S2.2.参数取值，根据工程地质勘查报告、原位试验及室内试验、设计图纸进行围岩及隧道衬砌各方面的取值，参数包括：各层岩土体的压缩模量Es，孔隙比e，天然重度γ，泊松比μ，粘聚力c，摩擦角φ，隧道衬砌的厚度D、弹性模量E、泊松比μ、重度γ；本实施例中参数取值为：地面至地下36m范围内为土层，土层的弹性模量E＝0.1MPa，天然重度γ＝17.8kN/m3，泊松比ν＝0.33，粘聚力C＝20kPa，摩擦角φ＝15°，土层下为砂质灰岩，围岩弹性模量＝1.2MPa，天然重度γ＝20kN/m3，泊松比ν＝0.3，粘聚力C＝150kPa，摩擦角φ＝27°；隧道支护弹性模量E＝30GPa，重度γ＝20kN/m3，泊松比ν＝0.2，D＝26cm。S2.3.最小安全厚度的确定，计算中将隧道开挖轮廓距岩溶区最近点作为起始点，然后向溶腔底板每隔一定的距离取一个特征点，以此得到隧道与岩溶区之间围岩各关键点应力及位移曲线，以隧道与岩溶区间围岩各关键点到隧道开挖轮廓线距离为横坐标，以上述有限元法计算出来的各关键点位移及应力值为纵坐标分别绘制出溶腔位于拱顶上方、溶腔位于左侧边墙规律曲线。根据此规律得出溶腔位于隧道拱顶上方和左侧边墙时的中间区岩层厚度d＝16.4m、d＝17.3m，然后，用第二步中几何建模所取的隧道与岩溶区安全厚度M减去所计算出来的中间区岩层厚度即可得出岩溶区位于隧道拱顶上方和左侧边墙时最小安全厚度H＝30m-16.4m＝13.6m、H＝30m-17.3m＝12.7m。S3.判断隧道受岩溶区溶腔影响的安全性，通过S1所探测得到的溶腔与隧道的最近距离L与安全厚度H相比较，L>H，则隧道安全；L≤H，则隧道不安全；本实施例中隧道拱顶上方溶腔与隧道贯通，L<0,隧道不安全；隧道左侧边墙溶腔与隧道距离L＝10.8m≤H＝11.9m，隧道不安全。S4.根据隧道安全性采取不同的隧道支护结构：S4.1.隧道安全：则根据现场监控量测，隧道支护结构包括初期支护、二次衬砌和超前支护；S4.2.隧道不安全：分为两种情况：S4.2.1.隧道与溶腔无贯通：在步骤S4.1的基础上，在隧道与溶腔之间依次钻孔、安装钢花管6和钢花管6内灌浆；本实施例中，隧道左侧的溶腔与隧道无贯通，本实例中，初期支护采用全环工I18型钢钢架，全环工I18型钢钢架的结构与隧道断面结构相对应，且由多个节段连续拼装组成。二次衬砌采用热轧无缝钢管，型号为φ108mm×6mm(公称直径×壁厚)、L-15m/根，按照57根/环、环向间距30cm、拱部为120°布置，外插角3，搭接长度4-5m，每根钢管轴向与隧道中线方相一致，每根钢管的管壁上钻20mm的溢浆孔、间距20cm、呈梅花型布置，并压注水泥砂浆，全环工I18型钢钢架的纵向间距为0.6m。在隧道与溶腔之间钻孔时的深度为12.8m、直径89mm，按梅花形布置。根据钻孔的形式选择与钻孔匹配的钢花管6钻进，钢花管6垂直布置，钢花管6端头嵌入岩溶区底板以下2m，即钢花管6穿过溶腔后在向外伸出2m，钢化管伸出溶腔外的长度为溶腔与隧道距离L的15-25％。钢花管6注浆按梅花型布置，间距取为2m×2m。注浆管壁上预留注浆孔，孔径10-16mm，孔间距为15-20mm，尾部1-1.5m范围不留注浆孔，作为止浆段。上述注浆的材料采用水泥砂浆，水泥采用膨胀水泥。具体注浆参数根据现场试验确定，本实例中水灰比取1︰1，注浆压力0.5MPa～1.0MPa，注浆区为松散塌体孔隙率较大，扩散半径取2.0m。注浆机使用GZJB型液压双液注浆机。注浆后进行注浆效果检查，采用ZH-20型岩石钻孔取芯机对岩溶区内塌渣进行取芯，根据芯样判断注浆固结效果。如果注浆固结效果没达到方案设计要求，则进行重新补注浆。S4.2.2.隧道与溶腔贯通(L<0)：在步骤S4.1的基础上，设置与施工隧道支护结构和溶腔连接为一体的双层回填复合结构；双层回填复合结构根据溶腔位置不同而不同，包括隧道顶部双层回填复合结构、隧道中部双层回填复合结构和隧道底部双层回填复合结构，其中：隧道顶部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面上方的防渗砼护拱和布设在防渗砼护拱正上方的砂砾回填缓冲层；隧道中部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面左、右两侧的防渗砼砼护墙和布设在防渗砼砼护墙外侧的砂砾回填缓冲层；隧道底部双层回填复合结构包括布设在隧道开挖面下方的防渗砼砼护底和布设在防渗砼护底下方的碎石垫层，所述防渗砼护底和碎石垫层填充于隧道开挖断面下方的溶腔内。上述的防渗砼为钢纤维膨胀砼，其配制包括原材料的选定和配合比选择，原材料的选定和配合比选择遵循使混凝土中的孔隙率降低，提高其密实率、抗渗性和耐腐蚀性，使支护结构满足抗渗的要求，并保证不降低混凝土强度的原则。本实例中，原材料的选定为：①水泥选用425普通硅酸盐水泥；②细骨料为河沙，含泥量小于2％；③粗骨料最大粒径为10mm，含泥量不超过1％；④水采用饮用水；⑤钢纤维为剪切型，长度为25-30mm，等效直径为0.3-0.8mm，长径比为40-100；⑥膨胀剂为PNC早强型。砼护拱、砼护墙及砼垫层施工配合比的选择见表1。表1钢纤维膨胀混凝土配合比(kg/m3)水泥细骨料粗骨料水钢纤维膨胀剂400740910195(a1)80(b2)60步骤S4.2.2中设置隧道内排水结构，隧道内排水结构包括由双层无防布和EVA构成的复合式防水板、加密环向盲管和横向排水管。需要说明的是，S4.2.2中也可以加入钻孔、装钢花管6并注浆，以提高隧道与溶腔贯通时对隧道的支护强度。实施例2本实施例为基于溶腔位置的隧道支护结构，包括位于隧道2周向的初期支护3、二次衬砌4和超前支护5，还包括位于隧道2与溶腔1之间的双层回填复合结构。所述双层回填复合结构包括隧道顶部双层回填复合结构、隧道中部双层回填复合结构和隧道底部双层回填复合结构，其中：隧道顶部双层回填复合结构包括布设在隧道2开挖面上方的防渗砼护拱7和布设在防渗砼护拱7正上方的砂砾回填缓冲层8；隧道中部双层回填复合结构包括布设在隧道2开挖面左、右两侧的防渗砼砼护墙9和布设在防渗砼砼护墙外侧的砂砾回填缓冲层8；隧道底部双层回填复合结构包括布设在隧道2开挖面下方的防渗砼砼护底10和布设在防渗砼护底下方的碎石垫层11，所述防渗砼护底10和碎石垫层11填充于隧道2开挖断面下方的溶腔1内。具体施工过程为：依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支护后，在溶腔与初期支护之间的围岩层中钻孔，在钻孔内设置有钻孔匹配的钢花管，随后通过注浆孔往钢花管内注入水泥砂浆，从而达到加固围岩层的目的；当隧道与溶腔贯通时，具体施工过程为：首先依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支护，随后在溶腔与初期支护之间设置双层回填复合结构，双层回填复合结构采用砼护结构为气密性好的混凝土层，砂砾回填缓冲层对砼护结构进行稳固。综上所述，该结构的支护系统，能根据隧道与溶腔不同的位置关系，选择不同的支护结构，既能节约成本，又能满足不同条件下的隧道支护需求。为了提高隧道排水能力，还包括隧道内排水结构，所述隧道内排水结构包括复合式防水板12、加密环向盲管13和横向排水管14，所述复合式防水板12位于隧道内壁上以防止围岩层向隧道内渗水，所述加密环向盲管13位于复合式防水板12的内壁上用于将水导致横向排水管14，所述横向排水管14位于隧道内的底部将水导致隧道外。所述复合式防水板包括双层无防布和EVA层。进一步地，还包括从隧道穿至溶腔的钢花管6，钢花管6内注浆，进一步提高了隧道的支护强度，钢化管6穿透溶腔并伸至溶腔外，且钢化管伸出溶腔外的长度为溶腔与隧道距离L的15-25％，加强钢花管6在岩溶区内的安装强度，提高了钢化管对隧道的支护能力。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。当前第1页1 2 3