管片衬砌环与锚索的组合结构及其施工方法与流程

本发明属于涉及盾构隧道类，具体涉及一种管片衬砌环与锚索的组合结构及其施工方法。

背景技术：

管片衬砌环是一种广泛应用于盾构(TBM)隧道的结构型式，一般在隧道掘进前由工厂化预制成管片衬砌块，在盾构机内拼装成环，然后推出盾尾，承受隧道的各种荷载。管片衬砌环在外部荷载作用下，会使环向各块之间处于压紧状态，在外部围岩约束作用下，使管片衬砌环成为封闭稳定的承载结构。

从上述盾构隧道的作用状态可以看出，管片衬砌环是一种稳定结构，隧道拼装成环后早期刚度较大，适应围岩变形的范围较小。现有盾构隧道遇到围岩变形量较大时的处理方案是：盾构机扩挖掘进，管片衬砌拼装成环，衬砌后扩挖的空隙采用填充物填充，待衬砌壁后空隙填充物凝固后，在管片衬砌结构的内壁向外布置多个沿其圆周径向设置的锚杆，形成管片衬砌与锚杆的组合结构，具体如附图1所示。其原理为：将封闭成环的管片衬砌切割成开口的管片结构，围岩变形时用于约束管片的锚杆受力，进而抑制围岩变形，达到释放地层挤压应力的目的，但是在实际应用过程中存在以下问题：

完整的管片衬砌环刚度较大，允许变形量很小，而锚杆只有在出现较大变形时才能充分发挥作用，因此，既有技术方案中需把原来封闭成环的管片衬砌切割成开口结构，才能使管片衬砌环发生较大变形使锚杆发挥作用，虽然后期现浇封闭开口部位，但破坏了原有衬砌环的整体性，不利于隧道的长期运营安全。特别是，由于在管片开口部位未采用混凝土封闭前，管片结构是一个未封闭的结构，因此无法发挥管片本身的支护力，而仅依靠锚杆进行围岩支护，不能充分体现锚杆与管片结构共同受力的初衷，甚至有可能因为锚杆的支护力不足，引起结构发生整体垮塌。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种管片衬砌环与锚索的组合结构，有效控制围岩变形，又能确保盾构隧道的整体性。

本发明提供了一种管片衬砌环与锚索的组合结构，包括设置于围岩内部的管片衬砌环，管片衬砌环由多个管片块拼接而成；其特征在于：在所述的管片衬砌环的内壁向外均匀布置多个锚索，所述锚索两端分别与管片块内壁和围岩固定连接；相邻管片块之间存在间隙。

所述管片衬砌环外壁和围岩内壁之间设置有存在内部空隙的散体材料层。

所述的锚杆沿管片衬砌结构的圆周径向设置。

所述管片块上预制有锚索孔。

所述锚索的一端通过锚固件与管片块内壁固定连接。

所述散体材料层采用豆粒石。所述豆粒石的粒径范围为5-10mm，所述豆粒石从管片衬砌环上预留的注浆孔吹入，其豆径大小应便于施工。

所述的散体材料层厚度满足散体材料层的挤压变形量大于管片块在锚索张拉力作用下向外的变形量。

本发明提供了一种管片衬砌环与锚索的组合结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

a.掘进开挖盾构隧道，将管片衬砌块拼装预制成管片衬砌环；

b.管片衬砌环随着盾构机的推进而推出盾尾，进入隧道

c.管片衬砌环壁后与围岩之间由于扩挖形成的空隙由散体材料层6填充；

d.在隧道内侧从预留的锚索孔处，沿着隧道径向向外部围岩钻孔施工锚索，并在隧道内进行张拉，然后通过锚固件固定；

e.当围岩地层变形稳定后，向管片衬砌环壁后注浆，将散体材料层中的空隙回填密实。

所述步骤d还包括张拉锚索使管片块向外扩张，管片块环向之间的接缝间隙增大到，可围岩变形预留变形余量，从而保障隧道衬砌结构的安全。

本发明相比现有技术不需要切开管片环就能发挥作用，利用锚索的拉伸施加预紧力，可以加固围岩，减少围岩变形量，同时实现管片块之间间隙的扩张，在管片环上预留了围岩进一步变形的空间，为后期挤压提供空间，保证了片衬砌结构的整体性。同时管片衬砌环和围岩之间设置有存在空隙的散体材料层，进一步为围岩的变形提供空间。本发明适用于围岩变形大的采用管片衬砌的隧道，包括地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、水工隧道等。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明结构局部示意图a；

图3是本发明结构局部示意图b；

其中，1—管片衬砌环；2—围岩；3—间隙；4—锚索孔；5—锚索；6—散体材料层；7—锚固件，8-管片块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种管片衬砌环与锚索的组合结构，包括设置于围岩2内部的管片衬砌环1，管片衬砌环1由多个管片块8拼接而成；管片衬砌环1为封闭的隧道结构。所述的管片衬砌环1的内壁向外均匀布置多个锚索5，所述锚索5两端分别与管片块8内壁和围岩2固定连接；所述的锚索5从隧道内侧穿过管片块8，并锚固于围岩2内，在隧道内进行锚索5张拉。

如图2所示，所述相邻管片块8之间存在间隙3。锚索5的张拉力可根据控制变形要求及管片块8与块之间的接缝张开量控制。所述管片衬砌环1外壁和围岩2内壁之间设置有存在内部空隙的散体材料层6。管片衬砌外盾构扩挖形成的空隙填充豆粒石等性质类似的材料，其性质为散体状态可压缩变形，空隙密实后强度较高。所述豆粒石的粒径范围为5-10mm。

所述的锚杆沿管片衬砌环1的圆周径向设置，均匀锚固于管片衬砌环1外部的围岩2内，保证围岩2和管片衬砌环1受力的均匀传递。

所述管片块8上预制有锚索孔4，便于现场施工。所述锚索5的一端通过锚固件7与管片块8内壁固定连接，保证锚索5和管片块8的稳定连接。所述的散体材料层6厚度满足散体材料层6的挤压变形量与管片块8在锚索张拉力作用下向外的变形量相同。

本发明通过锚索5的张拉预紧，使环向管片块8间有一定的间隙3，达到锚索5管片结构抑制围岩2变形的同时还预留一定的围岩2变形空间。隧道掘进开挖后，拼装管片块8衬砌成环。管片衬砌环1随盾构机的推进而推出盾尾，管片衬砌环1外扩挖的空隙可填充豆粒石等空隙较大的散体材料。在管片衬砌环1内侧向围岩2地层中钻孔施工锚索5，并在隧道内沿圆周径向进行锚索5张拉，并在衬砌内侧固定。通过锚索5与管片衬砌环1形成的组合结构，一方面达到加固围岩2，减小围岩2变形的目的；同时通过径向张拉锚索5，环向管片块8向外扩张，管片块8与块之间的间隙3增大，还可以为围岩2变形预留了变形空间，保护结构安全。根据围岩2变形情况，可在管片结构上先预留锚索孔4，方便现场施工。采用本发明可不用切开管片环，且锚索5可施加预紧力，加固围岩2，控制围岩2变形，同时为围岩2变形在管片衬砌环1向预留了变形空间，达到了控制围岩2变形的同时，保护了管片衬砌结构。

本发明的施工过程包括以下步骤：

1、盾构隧道掘进开挖，拼装预制的管片衬砌块成环，形成盾构隧道管片衬砌环结构。

2、管片衬砌环1随着盾构机的推进而推出盾尾，管片衬砌环11壁后由于扩挖形成的空隙由散体材料层6填充，散体材料层6的材料可以选择豆粒石等材料，其性质为散体状态可压缩变形，空隙密实后强度较高。

3、在隧道内侧从预留的锚索孔4处，沿着隧道径向向外钻孔施工锚索5，并在隧道内进行张拉，然后通过锚固件7固定。通过锚索5的张拉，可使管片块8向外扩张，管片块8环向之间的接缝间隙3从d1增大到d2，可为围岩2变形预留变形余量，从而保障隧道衬砌结构的安全。

4、当围岩2地层变形稳定后，可将衬砌壁后注浆，将散体材料层6中的空隙回填密实。

5、隧道施工完成后，预张拉的锚索5一方面可以加固围岩2，减少围岩2变形，另一方面，当围岩2进一步变形时，可以通过管片环向之间的接缝间隙3从d2减小到d1，为围岩2变形提供了空间，释放地层挤压应力，减小作用于管片上的围岩2压力，确保了隧道衬砌环结构的安全。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。