一种隧洞岩爆洞段的衬砌结构的制作方法

文档序号:15578840发布日期:2018-09-29 06:17

本发明属于水电工程领域,具体涉及一种隧洞岩爆洞段的衬砌结构。



背景技术:

随着水电工程及地下工程的不断发展,隧道建设正在朝着大跨度、大埋深的方向发展,尤其是在高山峡谷地区的深埋隧洞中,地质构造复杂,地应力水平较高,高地温、涌水等地质灾害的风险进一步加大,其中以岩爆灾害尤为突出。岩爆一般是指大埋深隧洞坚硬围岩受到地应力释放及开挖扰动的影响而产生应力重分布,其径向约束卸除,切向应力骤然增加,内部储存的弹性应变能急剧释放,产生爆裂松脱、剥落、弹射现象,在施工过程中岩爆的发生难以预测。岩爆一般发生在掌子面及附近围岩,严重威胁作业人员及施工设备的安全,制约施工进度,岩爆是世界性的地下工程难题。

目前常用的岩爆防治措施包括主动措施和被动措施。主动措施包括超前孔、应力释放孔、喷高压水、空眼注水等;被动支护措施有喷射混凝土、打设预应力锚杆及安装格栅钢拱架。结合隧洞功能要求,必要时在采用该被动支护措施后再进行隧洞的二次衬砌,减小岩爆的危害和风险,但仍然存在如下缺陷:

1.对于地应力较大、灾害等级较高的岩爆,二次衬砌承载能力有限,无法直接承担。

2.对于施工期间地应力释放比例较小,隧洞运行期间地应力将进一步释放的情况,在运行期间会对衬砌逐步施加地应力荷载,而当地应力荷载量级较大时,二次衬砌承载能力有限,无法直接承担,存在衬砌结构破坏的风险。

3.传统结构中,因为结构件刚度相对较大,对围岩变形约束会较大,反而会提高岩爆发生前能量积聚的量级,加剧岩爆程度。

因此,目前常用的隧洞岩爆防治措施方案没有彻底解决高地应力岩爆隧洞长期运行的结构安全问题。



技术实现要素:

针对上述问题,本发明旨在提供一种可有效地抑制岩爆的发生,改善围岩变形约束条件,保证隧洞长期安全运行的隧洞岩爆洞段的衬砌结构。

本发明解决问题的技术方案是:一种隧洞岩爆洞段的衬砌结构,包括环绕岩爆洞段内壁设置的初期支护层、环绕初期支护层内壁设置的钢筋混凝土衬砌层,沿岩爆洞段全断面布置有自钢筋混凝土衬砌层穿透初期支护层的灌浆孔,沿灌浆孔灌浆形成有固结围岩层,自钢筋混凝土衬砌层穿透固结围岩层设有应力释放孔,在钢筋混凝土衬砌层与初期支护层之间设有弹性垫层。

由于弹性垫层的设置,使得整体的衬砌结构具有较大的屈服特性,可吸收较大的动能,尤其使得具有高地应力的顶拱区域具有了一定的形变能力,刚度无突变,呈阶梯变化。弹性垫层结合应力释放孔,主动给岩体提供不同方向的变形空间,使其内部的高应力得到有效的释放,从而减弱岩爆程度。

初期支护层、弹性垫层、钢筋混凝土衬砌层,三者结合作为柔性支护可吸收围岩的部分能量,降低岩块的运动趋势,并使围岩处于三向应力状态,减小岩爆风险及岩爆的危害。

进一步的,所述弹性垫层设置于顶拱区域。由于高地应力集中区主要分布于顶拱区域,因此能够提供柔性支护的弹性垫层主要设置于该区域。

优选的,所述弹性垫层分布于顶拱圆心角θ为(0°,180°)的顶拱区域内。

更优选的,所述弹性垫层分布于顶拱圆心角θ为(0°,120°)的顶拱区域内。

进一步的,在断面上,弹性垫层环绕顶拱区域连续布置或间隔布置;沿岩爆洞段轴线方向,弹性垫层连续布置或间断布置。

具体的,所述弹性垫层材料为聚氨酯软木。

优选的,所述应力释放孔设置于顶拱圆心角θ为(0°,180°)的顶拱区域内,或者顶拱圆心角θ为(0°,120°)的顶拱区域内。

进一步的,所述应力释放孔的分布区域与弹性垫层分布区域重合的区域,应力释放孔设置密度大;应力释放孔的分布区域与弹性垫层分布区域不重合的区域,应力释放孔设置密度小。

进一步的,自钢筋混凝土衬砌层穿透初期支护层设有排水孔,所述排水孔环绕钢筋混凝土衬砌层内壁全断面布置。

排水孔兼具一定的应力释放孔的功能,排水孔与应力释放孔连通,压力水渗入围岩缝隙,改变岩石的干脆特性,释放部分应力。

具体的,所述初期支护层包括沿岩爆洞段内壁设置的挂网钢筋、沿岩爆洞段全断面布置的预应力锚杆、环绕岩爆洞段内壁喷射的混凝土层、以及环绕岩爆洞段内壁设置的马蹄形格栅钢拱架。

初期支护层的做法与现有技术的支护结构相同。

本发明的显著效果是:隧洞运行期间,弹性垫层及钢筋混凝土衬砌层参与承担部分地应力释放荷载,钢筋混凝土衬砌层、排水孔、应力释放孔等抑制了岩爆的发展。所形成的整体柔性支护结构改善了围岩变形约束条件,既具有主动削弱岩爆强度,又具有被动承担岩爆静动力荷载和山岩压力的作用,可避免后期岩爆造成隧洞围岩失稳及衬砌的开裂破坏,具有较好的后期岩爆防治效果,可保证隧洞长期安全运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明衬砌结构断面示意图。

图中:1-岩爆洞段,2-山体,3-高地应力集中区,4-固结围岩层,5-灌浆孔,6-应力释放孔,7-排水孔,8-初期支护层,9-弹性垫层,10-钢筋混凝土衬砌层。

具体实施方式

如图1所示,一种隧洞岩爆洞段的衬砌结构,包括环绕岩爆洞段1内壁设置的初期支护层8、环绕初期支护层8内壁设置的钢筋混凝土衬砌层10。

所述初期支护层8包括沿岩爆洞段1内壁设置的挂网钢筋、沿岩爆洞段1全断面布置的预应力锚杆、环绕岩爆洞段1内壁喷射的混凝土层、以及环绕岩爆洞段1内壁设置的马蹄形格栅钢拱架。

沿岩爆洞段1全断面布置有自钢筋混凝土衬砌层10穿透初期支护层8的灌浆孔5。沿灌浆孔5灌浆形成有固结围岩层4。

自钢筋混凝土衬砌层10穿透固结围岩层4设有应力释放孔6。所述应力释放孔6设置于顶拱圆心角θ为(0°,180°)的顶拱区域内,或者顶拱圆心角θ为(0°,120°]的顶拱区域内。

在钢筋混凝土衬砌层10与初期支护层8之间设有弹性垫层9。所述弹性垫层9材料为聚氨酯软木。聚氨酯软木材料的弹性模量为2.0MPa左右。在断面上,弹性垫层9环绕顶拱区域连续布置或间隔布置。沿岩爆洞段1轴线方向,弹性垫层9连续布置或间断布置。

由于高地应力集中区3主要分布于顶拱区域,因此所述弹性垫层9分布于顶拱圆心角θ为(0°,180°)的顶拱区域内。更优选的,所述弹性垫层9分布于顶拱圆心角θ为(0°,120°]的顶拱区域内。所述应力释放孔6的分布区域与弹性垫层9分布区域重合的区域,应力释放孔6设置密度大。应力释放孔6的分布区域与弹性垫层9分布区域不重合的区域,应力释放孔6设置密度小。

自钢筋混凝土衬砌层10穿透初期支护层8设有排水孔7。所述排水孔7环绕钢筋混凝土衬砌层10内壁全断面布置。

施工时,在山体2内开挖地下洞室,遇到岩爆洞段1后进行初期支护,采用包括设置挂网钢筋、喷射混凝土、打设预应力锚杆及安装格栅钢架等措施,形成初期支护层8。然后进行弹性垫层9定位及施工,以及钢筋混凝土衬砌层10的施工,同时预埋灌浆孔5定位需要的PVC管(或者钢管),预埋应力释放孔6定位需要的PVC管,预埋排水孔7定位需要的PVC管,这几个管子需要穿透钢筋混凝土衬砌层10。灌浆孔5扫孔后灌浆施工,固结灌浆强度达到要求后形成固结围岩层4。最后在预定位的排水孔7、应力释放孔6位置处的岩体内钻孔施工。

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