一种吸能稳压隧道支护结构及其实施方法

1.本发明属于隧道支护技术领域，更具体地说，是涉及一种吸能稳压隧道支护结构及其实施方法。


背景技术：

2.隧道在开挖后，岩体应力释放，围岩会发生持续的变形，变形传递至支护体系，进而支护结构承担围岩变形反力。当隧道围岩变形压力较大，超过支护体系承载力时，支护结构就会发生失稳破坏。由于隧道围岩自身具有一定的承载能力，这时候就需要通过调整支护结构施作时机和支护刚度，以便降低支护结构承受的围岩荷载。
3.目前，实现上述充分发挥围岩自承载能力的措施主要有以下几种：
4.(1)采用吸能让压锚杆或锚索对围岩进行支护。该方法支护效果较好，但现场需要进行大量转孔作业，安装不便，影响施工、造价高。
5.(2)采用可变性的钢拱架接头，该方案可以使得初期支护钢拱架随围岩一起变形，但由于钢拱架在施作后会喷射混凝土，而混凝土不具有可变形能力，因此效果受到制约。即使配合高压缩性混凝土一起使用，也会导致环向刚度降低，安全难以得到保障。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种吸能稳压隧道支护结构及其实施方法，旨在解决现有技术中存在的上述技术问题施工不便，施工效果存在制约，有安全隐患的技术问题。
[0007][0008]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种吸能稳压隧道支护结构，包括：
[0009]
拱架；
[0010]
形变体，一端与所述拱架连接，另一端与隧道围岩接触；所述形变体用于在发生持续变形时，提供恒定的支护反力；
[0011]
隔离结构层，与所述拱架连接；用于在所述拱架与所述隧道围岩之间形成独立空间；且所述形变体位于所述独立空间内；
[0012]
弹性结构层，填充于所述独立空间内；
[0013]
注浆孔，与所述拱架与隧道围岩之间的空间连通。
[0014]
优选地，所述形变体包括：
[0015]
第一椭圆环，为弹性结构体，所述第一椭圆环的长轴沿隧道径向布设；所述第一椭圆环一端与所述隧道围岩连接，另一端与所述拱架连接；
[0016]
第二椭圆环，为弹性结构体，所述第二椭圆环与所述第一椭圆环连接，所述第二椭圆环的长轴沿隧道环向布设；所述第二椭圆环的长轴与所述第一椭圆环的短轴相重合。
[0017]
优选地，所述形变体还包括：
[0018]
承压体，与所述第一椭圆环的一端连接，用于与所述隧道围岩接触；
[0019]
固定底座，与所述第一椭圆环背离所述承压体的一端连接，所述固定底座用于与所述拱架连接。
[0020]
优选地，所述固定底座为u形板体，所述u形板体通过连接结构与所述拱架可拆卸连接。
[0021]
优选地，所述第二椭圆环与所述第一椭圆环连接位置所处的平面与所述第二椭圆环的长轴所处的平面相重合。
[0022]
优选地，所述弹性结构层为弹性注浆结构。
[0023]
优选地，所述隔离结构层为钢筋网结构。
[0024]
本发明还提供一种吸能稳压隧道支护结构的实施方法，包括以下步骤：
[0025]
步骤1、在拱架上对称安装若干数量的形变体；
[0026]
步骤2、安装完成后，在所述拱架的上缘布设隔离结构层；所述隔离结构层用于阻止喷射混凝土进入隧道围岩与所述拱架之间的独立空间；
[0027]
步骤3、在布设隔离结构层的同时，在隧道顶部和两侧分别预留若干注浆孔；
[0028]
步骤4、向所述隔离结构层和所述拱架喷射混凝土，待喷射混凝土初凝后，使用弹性注浆材料，从注浆孔进行注浆
[0029]
优选地，在步骤1中，所述形变体在所述拱架安装就位前或安装就位后安装；安装于隧道顶部的所述形变体的刚度大小大于安装于隧道两侧的所述形变体的刚度大小。
[0030]
优选地，所述形变体在产生形变过程中保持刚度不变。
[0031]
本发明提供的一种吸能稳压隧道支护结构及其实施方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种吸能稳压隧道支护结构及其实施方法，可实现在吸收隧道围岩变形能的同时，提供可靠恒定的支护反力。利用最内层的弹性结构层吸收隧道围岩的变形能量，可以有效保证施工安全，充分发挥隧道围岩自身承载能力。对预防隧道坍塌和后续开裂均具有很好的效果。该方案还具有实施方便，对现场施工干扰小，成本可控的特点。隔离结构层的设置，用于为弹性结构层的填充预留独立空间，以及避免喷射混凝土影响形变体的作用。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明实施例提供的一种吸能稳压隧道支护结构的结构示意图；
[0034]
图2为本发明实施例提供的一种吸能稳压隧道支护结构中拱架与形变体之间连接关系的示意图；
[0035]
图3为本发明实施例提供的一种吸能稳压隧道支护结构中拱架、形变体、隔离结构层三者之间连接关系的示意图；
[0036]
图4为本发明实施例提供的一种吸能稳压隧道支护结构的平面结构示意图。
[0037]
图中：1、拱架；2、形变体；21、第一椭圆环；22、第二椭圆环；23、承压体；24、固定底座；3、隔离结构层；4、弹性结构层；5、注浆孔；6、隧道围岩。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039]
请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的一种吸能稳压隧道支护结构进行说明。所述一种吸能稳压隧道支护结构，包括：拱架1、形变体2、隔离结构层3、弹性结构层4以及注浆孔5，形变体2一端与拱架1连接，另一端与隧道围岩6接触；形变体2用于在发生持续变形时，提供持续恒定的支护反力；隔离结构层3与拱架1连接；用于在拱架1与隧道围岩6之间形成独立空间；且形变体2位于独立空间内；注浆孔5与拱架1与隧道围岩6之间的空间连通；弹性结构层4填充于独立空间内。
[0040]
本发明提供的一种吸能稳压隧道支护结构，与现有技术相比，可实现在吸收隧道围岩6变形能的同时，提供可靠恒定的支护反力。利用最内层的弹性结构层4吸收隧道围岩6的变形能量，可以有效保证施工安全，充分发挥隧道围岩6自身承载能力。对预防隧道坍塌和后续开裂均具有很好的效果。该方案还具有实施方便，对现场施工干扰小，成本可控的特点。隔离结构层3的设置，用于为弹性结构层4的填充预留独立空间，以及避免喷射混凝土影响形变体2的作用。
[0041]
在一些实施例中，请一并参阅图1至图4，形变体2包括第一椭圆环21以及第二椭圆环22，第一椭圆环21为弹性结构体，第一椭圆环21的长轴沿隧道径向布设；第一椭圆环21一端与隧道围岩6连接，另一端与拱架1连接；第二椭圆环22为弹性结构体，第二椭圆环22与第一椭圆环21连接，第二椭圆环22的长轴沿隧道环向布设；第二椭圆环22的长轴与第一椭圆环21的短轴相重合。第一椭圆环21为外层结构，第二椭圆环22为内层结构。在受到隧道围岩6压力时，第一椭圆环21发生压缩变形，长轴变短，短轴变长。第一椭圆环21的刚度会随着压缩变形增大而逐渐降低。
[0042]
第二椭圆环22与第一椭圆环21连接位置所处的平面与第二椭圆环22的长轴所处的平面相重合。当第一椭圆环21受压变形时短轴变长就会带动第二椭圆环22长轴变长。第二椭圆环22受到第一椭圆环21的拉力。第二椭圆环22长轴的变长会使第二椭圆环22的刚度变大。第一椭圆环21与第二椭圆环22在隧道围岩6的压力作用下的刚度变化是相反的。第一椭圆环21刚度变小，第二椭圆环22刚度变大。可以通过对第一椭圆环21、第二椭圆环22的参数大小的调节，实现形变体2在变形过程中保持刚度不变的情况。从而实现形变体2在发生持续变形时，仍能提供持续恒定的支护反力。
[0043]
在一些实施例中，形变体2还包括承压体23以及固定底座24，承压体23与第一椭圆环21的一端连接，用于与隧道围岩6接触；固定底座24与第一椭圆环21背离承压体23的一端连接，固定底座24用于与拱架1连接。
[0044]
承压体23为板体结构，板体结构的中间位置与第一椭圆环21连接，更具体的是，连接位置与第一椭圆环21长轴相重合。
[0045]
固定底座24为u形板体，u形板体通过连接结构与拱架1可拆卸连接。连接结构为螺栓结构。固定底座24的端面中间位置与第一椭圆环21连接，更具体的是，连接位置与第一椭圆环21长轴相重合。
[0046]
在一些实施例中，请一并参阅图1至图4，弹性结构层4为弹性注浆结构。
[0047]
在一些实施例中，请一并参阅图1至图4，隔离结构层3为钢筋网结构。钢筋网结构的致密程度保证可以阻挡喷射混凝土的进入隧道围岩6与拱架1之间形成的独立空间。方便后续弹性注浆材料由注浆孔5注入独立空间内。隔离结构层3的设置使喷射混凝土无法填充安装有形变体2的空间，进而在隧道围岩6内侧形成了一个仅有形变体2的空间。在该空间的背离隧道围岩6的端面是由拱架1和喷射混凝土层构成的传统初支结构体系。保证隧道支护体系的环向刚度和整体性。
[0048]
通过预留的注浆孔5，对独立空间进行注浆，填充弹性注浆材料，通过形变体2和弹性注浆材料层(弹性结构层4)共同作用，在为隧道围岩6提供变形量发生空间的同时，提供持续可靠的支护反力。
[0049]
本发明提供的一种吸能稳压隧道支护结构，可以在保障环向刚度和安全性的前提下，改变和控制径向刚度及其变形量，实现在吸收隧道围岩6变形能的同时，提供可靠恒定的支护反力。
[0050]
本发明还提供一种吸能稳压隧道支护结构的实施方法，请一并参阅图1至图4，包括以下步骤：
[0051]
s1、在拱架1上对称安装若干数量的形变体2；
[0052]
拱架1为工字钢拱架。形变体2由内外两层椭圆环结构组成。
[0053]
在步骤s1中，形变体2在拱架1安装就位前或安装就位后安装；同一断面内对称分布的几个形变体2的大小、外形尺寸和刚度可以不同，具体根据隧道断面形式和隧道围岩6情况而定。
[0054]
安装于隧道顶部的形变体2的刚度大小大于安装于隧道两侧的形变体2的刚度大小。
[0055]
形变体2在产生形变过程中保持刚度不变。
[0056]
s2、安装完成后，在拱架1的上缘布设隔离结构层3；隔离结构层3用于阻止喷射的混凝土进入隧道围岩6与拱架1之间的独立空间；
[0057]
在工字钢拱架的上缘布设一层钢筋网，钢筋网的致密程度保证可以阻挡喷射的混凝土的进入为宜。从而在隧道围岩6与拱架1之间形成一圈空隙空间(独立空间)，用于后续弹性注浆材料的填充。
[0058]
s3、在布设隔离结构层3的同时，在隧道顶部和两侧分别预留若干注浆孔5；预留的注浆孔5用于弹性注浆材料的注浆。
[0059]
s4、向隔离结构层3和拱架1喷射混凝土，待喷射的混凝土初凝后，使用弹性注浆材料，从注浆孔5进行注浆。弹性注浆材料凝固后形成弹性结构层4。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。