隧洞衬砌结构的制作方法

本实用新型涉及隧洞支护技术领域，尤其涉及一种适用于在高地应力条件下的隧洞衬砌结构以及一种隧洞衬砌结构施工工艺。

背景技术：

随着西部水利工程、水电工程和交通工程发展，将修建越来越多的隧道工程。在西部特殊的地质和地形条件下，高地应力问题常常困扰着隧道工程的设计和开挖支护施工，并可能影响到隧道围岩的长期稳定。高地应力条件下，隧洞工程存在围岩大变形和后期变形的情况，并且现有支护结构不能很好的适应围岩的大变形和后期变形。高地应力条件常常导致围岩的大变形，围岩大变形的定义，一种方法是根据变形的绝对量值和相对量值来确定是否发生了大变形，根据变形是否超过了初期支护预留的变形量值来判断是否大变形；另一种方法是根据大变形的力学机制来定义，由剪应力产生的岩体剪切变形发生错动、断裂分离破坏，岩体向临空面产生大的挤压变形，则确定为岩体大变形。

隧洞后期变形原因包括三种，一种是由于围岩强度应力比不够，围岩在地应力的作用下，围岩承受的外力大于自身强度，持续的向洞内挤压变形；另一种是围岩断层、裂隙、节理等结构面组合形成的块体，在外力作用下的进一步发展，块体安全裕度不够，导致向洞内变形；第三种是，围岩在地下水的作用下，持续膨胀变形侵占隧洞净空断面。围岩的后期变形，给隧洞的后续施工和正常运行带来很大的危害，比如，可能导致衬砌开裂、衬砌漏水，甚至影响隧洞整体围岩稳定，必须对原被损坏的衬砌进行加固，并再次增加衬砌的刚度强度。

目前，现有的隧洞衬砌一般采用锚喷支护+衬砌的结构型式。对于高地应力区隧洞的支护理念常分为两种，其一是以释放围岩大变形为主，其二是以尽量控制围岩大变形为主：

如果以释放围岩大变形为主，在初期锚喷支护后不及时二次衬砌支护，任围岩继续变形，待围岩变形稳定后再二次衬砌。但是这种支护理念存在两个问题：第一，如果二次衬砌等待的时间过长，则影响后续工程施工，影响工期；第二，如果初期支护强度不够，二次衬砌支护又不及时，可能导致围岩失稳，影响工程安全。

如果以控制围岩大变形为主，在初期锚喷支护后及时进行二次衬砌支护，及时抑制围岩的继续大变形，但是当围岩强度应力比较低或围岩剪胀效应明显或雨水膨胀时，二次衬砌支护不能适应围岩的大变形和后期大变形，或者其支护强度很难抵抗由于上述原因导致的围岩大变形，因此常常导致二次衬砌的开裂破坏，导致衬砌失效。

因此，在高地应力区隧洞采用以释放围岩大变形或以控制围岩大变形的支护方式均存在较大的弊端。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是：针对高地应力条件下存在围岩大变形的情况，继而导致现有的支护结构无法适用的问题，提出一种既能释放围岩大变形，又能及时二次衬砌支护围岩的新型隧洞衬砌结构及其施工工艺，可确保隧洞围岩稳定和施工安全，做到安全可靠、经济合理。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：隧洞衬砌结构，包括隧洞，在隧洞内部设置有内衬砌，所述内衬砌与隧洞的内壁面之间形成缓冲区，并且在缓冲区的下部填充有砾砂，在缓冲区的上部位于砾砂上方填充有砾石；在内衬砌上分别设置有贯穿的注浆孔和泄压孔，所述注浆孔与砾石所在的缓冲区对应，所述泄压孔与砾砂所在的缓冲区对应。

进一步的是：在泄压孔内设置有用于封堵泄压孔的堵头，所述堵头可开启。

进一步的是：所述隧洞的横截面呈圆形或椭圆形，所述缓冲区呈环形，所述砾砂填充在环形缓冲区的下半圆环内，所述碎石填充在环形缓冲区的上半圆环内。

进一步的是：所述注浆孔设置在环形缓冲区的上半圆环的顶部对应的120°夹角范围内。

进一步的是：所述碎石直径为20mm～40mm，所述砾砂直径为2mm～4mm。

进一步的是：所述泄压孔从填充有砾砂的一端至另一端为倾斜向下设置。

进一步的是：还包括锚杆，所述锚杆的一端深入到岩体内部，锚杆的另一端从隧洞的内壁面穿出后伸入到缓冲区内或者锚杆的另一端从隧洞的内壁面穿出并穿过缓冲区后伸入到内衬砌内。

进一步的是：所述注浆孔在沿隧洞的轴线方向上间隔地设置有多列，每列注浆孔包括多个间隔地设置在隧洞的同一横截面上的注浆孔；所述泄压孔在沿隧洞的轴线方向上间隔地设置有多列，每列泄压孔包括至少两个设置在隧洞的同一横截面上的泄压孔，并且在同一列泄压孔内位于隧洞两侧分别设置有至少一个泄压孔。

另外本实用新型还提供一种隧洞衬砌结构施工工艺，其采用上述本实用新型所述的隧洞衬砌结构，包括如下步骤：

A：在隧洞开挖后，进行锚杆支护；

B：进行内衬砌施工，以形成相应的缓冲区；同时预留相应的注浆孔和泄压孔；

C：从隧洞的轴线方向，先向缓冲区内填充砾砂，然后再向缓冲区内填充砾石；

D：在隧洞开挖工程末期，通过注浆孔向缓冲区内灌浆，以形成混凝土混合层。

进一步的是：在步骤B和步骤C之间，在泄压孔内设置有用于封堵泄压孔的堵头；在步骤C和步骤D之间，可选择性地开启堵头。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的隧洞衬砌结构，可在围岩发生较大变形后通过排出一定量的砾砂，以增大缓冲区的空隙，进而可及时的进行泄压，因此可以适用于高地应力以及可能出现围岩大变形的情况，并且可有效的保护内衬砌不被破坏；另外，在围岩发生大变形并趋于稳定后，还可进一步向缓冲区内灌注混凝土，进而可将缓冲区形成一层混凝土混合层，可进一步提高对围岩的支护强度，确保隧洞的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型中隧洞横截面呈圆形结构的横截面示意图；

图2为图1中局部区域A的放大示意图；

图3为图1中B-B截面的剖视图；

图4为本实用新型所述隧洞衬砌结构施工工艺流程中A步骤后的示意图；

图5为本实用新型所述隧洞衬砌结构施工工艺流程中B步骤后的示意图；

图6为本实用新型所述隧洞衬砌结构施工工艺流程中C步骤后的示意图；

图7为本实用新型所述隧洞衬砌结构施工工艺流程中D步骤后的示意图；

图中标记为：隧洞1、内衬砌2、缓冲区3、砾砂4、砾石5、注浆孔6、泄压孔7、堵头8、锚杆9、混凝土混合层10、夹角θ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

本实用新型所述的隧洞衬砌结构，包括隧洞1，在隧洞1内部设置有内衬砌2，所述内衬砌2与隧洞的内壁面之间形成缓冲区3，并且在缓冲区3的下部填充有砾砂4，在缓冲区3的上部位于砾砂4上方填充有砾石5；在内衬砌2上分别设置有贯穿的注浆孔6和泄压孔7，所述注浆孔6与砾石所在的缓冲区对应，所述泄压孔7与砾砂4所在的缓冲区对应。

其中，所谓填充在缓冲区3下部的砾砂4，指的是粒径相对较小的细石料，具体的砾砂41的粒径大小应当满足使其能够较容易的从泄压孔7中排出；而上述砾石5，则是指的粒径相对较大的粗石料，主要用于在缓冲区3内提供支撑力，以通过砾石5由内衬砌2为隧洞的内壁面提供一定的支撑力；当然，砾石5一方面应当满足便于填充入缓冲区3内，另一方面还应当满足不可从泄压孔7以及从注浆孔6中排出，即砾石7的粒径应当大于泄压孔7以及注浆孔6的孔径。另外，在填充砾石5后，由于砾石5体积较大，而且通常不规则，因此在砾石5之间还会形成较大的缝隙，这也更利于后期通过注浆孔6向缓冲区3内灌注混凝土，以使混凝土与砾石5充分混合并形成结构强度较高且稳定的混凝土混合层10；当然，灌注的混凝土也可流入到下方填充砾砂的缓冲区内，与相应的砾砂4混合凝固后在相应的缓冲区内形成混凝土混合层10。

本实用新型中对于上述砾砂4和砾石5的粒径大小并没有严格限制，只要其满足与相应的泄压孔7以及注浆孔6等孔径大小的相关要求即可。一般来说，当泄压孔7以及注浆孔6的孔径设置为某一特定值D时：砾砂4的粒径至少应当小于D，一般情况下优选其低于0.1D的值；而相应的砾石5的粒径一般只需要大于D值即可。一般情况下，设置所述碎石5的直径为20mm～40mm，所述砾砂4的直径为2mm～4mm，即可满足要求。

本实用新型所述的隧洞衬砌结构，在围岩发生变形后，将会挤压缓冲区3，进而使得缓冲区3的空间变小，此时位于缓冲区内的砾砂4由于受到挤压将通过泄压孔7被部分排出，直到缓冲区3内的受力情况重新达到平衡。考虑到上述排出砾砂的过程为被动进行，因泄压孔7并未被封堵，因此一般只有在缓冲区3内部空间发生变形时，才会自动排出砾砂，而且其排出砾砂的量很难控制；因此，为了实现主动的控制砾砂4从泄压孔7内排出量，进一步可在泄压孔7内设置有用于封堵泄压孔7的堵头8，所述堵头8可开启。这样，在需要排出部分砾砂时，只需要开启相应的堵头8即可，并且可根据需要，随时将开启并泄放了一定量的砾砂后，重新由堵头8将泄压孔7进行封堵，以避免砾砂被泄放过多而造成对隧洞内壁面的支护力过低的情况发生。

上述本实用新型中的隧洞衬砌结构，其理论上可适用于各种形状结构的隧洞，一般情况下设置隧洞1的横截面呈圆形或椭圆形，其中附图1中所示即为设置隧洞1的横截面呈圆形的情况，相应的内衬砌2和缓冲区3也设置成环形，此时可将砾砂4填充在环形缓冲区3的下半圆环内，同时将砾石5填充在环形缓冲区3的上半圆环内；当然，也可将砾砂填充在更低部分的缓冲区3内，相应的只要保证泄压孔7能够排出相应量的砾砂即可。更具体的，参照附图1中所示，一般将注浆孔6设置在环形缓冲区3的上半圆环的顶部对应的夹角θ范围内，通常该夹角θ可取120°；而对于泄压孔7，一般将其设置在隧洞的两侧，并且位于砾砂4与砾石5接触面以下一定距离处，以保证在泄压孔7上方有足够的砾砂4可以排出，以满足在围岩发生较大变形时起到足够的泄压效果。当然，在上述隧洞1的横截面呈圆形的情况下，还可在内衬砌2的最低部设置一泄压孔7，这样设置的目的是可以通过该泄压孔7实现将缓冲区3内部的砾砂4完全排出；可在后续灌注混凝土时，通过混凝土的压力将砾砂4大量甚至全部排出，从而将使得在缓冲区3内完全由混凝土和砾石5形成的混凝土混合层10，以此提高该层的结构强度。

另外，为了便于泄压孔7能顺利的排出填充的砾砂4，参照附图2中所示，优选将所述泄压孔7从填充有砾砂4的一端至另一端为倾斜向下设置；这样只要砾砂进入到泄压孔7内以后，将顺着倾斜向下设置的泄压孔7排出，避免了砾砂在泄压孔7内堵塞的情况发生。

当然，不失一般性，本实用新型中的隧洞衬砌结构也可设置有锚杆9支护结构，锚杆9的设置方式可为现有的常规设置方式，例如可参照附图1中所示，根据不同结构的隧洞，相应的间隔设置多根锚杆9。考虑到本实用新型中设置有缓冲区3和内衬砌2结构；因此当锚杆9的一端深入到岩体内部后，锚杆9的另一端可以从隧洞的内壁面穿出后伸入到缓冲区3内或者锚杆9的另一端从隧洞的内壁面穿出并穿过缓冲区3后伸入到内衬砌2内；其中附图中所示的是锚杆9伸入到缓冲区3内的情况。

另外，参照附图3中所示，在沿隧洞的轴线方向上，所述注浆孔6间隔地设置有多列，每列注浆孔包括多个间隔地设置在隧洞的同一横截面上的注浆孔6，所述泄压孔7也可在沿隧洞的轴线方向上间隔地设置有多列，每列泄压孔7包括至少两个设置在隧洞的同一横截面上的泄压孔7，并且在同一列泄压孔内位于隧洞两侧分别设置有至少一个泄压孔7；之所以在隧洞的两侧分别设置有至少一个泄压孔7，其目的主要是为了便于顺利的排出砾砂。至于具体的泄压孔7和注浆孔6的数量、间距等，均可根据实际情况而定。

另外，本实用新型还提供一种隧洞衬砌结构施工工艺，参照附图4至附图7中所示，以隧洞1的横截面呈圆形的情况为例，所述隧洞衬砌结构施工工艺通过采用上述本实用新型所述的隧洞衬砌结构，包括如下步骤：

A：在隧洞1开挖后，进行锚杆支护；该步完成后的即为附图4中所示情况；

B：进行内衬砌2施工，以形成相应的缓冲区3；同时预留相应的注浆孔6和泄压孔7；该步完成后的即为附图5中所示情况；

C：从隧洞1的轴线方向，先向缓冲区3内填充砾砂4，然后再向缓冲区3内填充砾石；该步完成后的即为附图6中所示情况；

D：在隧洞开挖工程末期，通过注浆孔6向缓冲区3内灌浆，以形成混凝土混合层10；该步完成后的即为附图7中所示情况。

其中锚杆支护的施工可与现有技术相同，既在隧洞开挖后，及时的进行锚喷支护，如设置锚杆9，进行素喷混凝土等施工；进行锚杆支护的目的，主要是对围岩起到初期支护，以便及时对围岩起到支护效果，并为后续施工提供一定的安全保障。在锚杆支护后，及时砌筑内衬砌2，通过内衬砌2起到及时的二次衬砌支护；当然，二次衬砌支护对围岩的支护力需要向缓冲区3内填充相应的砾砂4和砾石5后才能起到支护效果。在填充好相应的砾砂4和砾石5后，整个隧洞的支护则为锚杆9和内衬砌3的组合支护形式；此时已经可以提供较好的支护效果，之后可继续进行后续施工。随着支护时间的增加，围岩有可能发生一定的变形甚至较大变形，若设置有堵头8以将泄压孔7进行封堵时，则缓冲区3以及内衬砌2的受力将随着围岩的变形而增大，为了避免造成对内衬砌2的破坏，可每间隔一段时间，如每间隔一天进行相应的观测，同时根据实际情况适当的开启泄压孔7的堵头8以排出部分砾砂，以达到降低缓冲区以及内衬砌2受力的目的。当然，如果在观测时，确认围岩变形较小或者缓冲区3以及内衬砌2的受力较低时，则可无需排出砾砂。

另外，不失一般性，本实用新型所述的隧洞衬砌结构施工工艺，一般在实际施工时，是呈阶段性的逐段进行隧洞掘进开挖，既每开挖一定距离的隧洞后，及时对该段进行锚杆支护和砌筑内衬砌2；因此在从隧洞的轴线方向上，缓冲区3将为开口状态，这样可通过该开口侧向缓冲区3内填充相应的砾砂4和砾石5；当然对于砾砂4和砾石5的填充，也可在砌筑内衬砌2的同时进行。最后，在隧洞开挖完成后，可将隧洞轴线方向上位于缓冲区3的两侧进行封堵。

最后，在整个隧洞开挖工程末期，再通过注浆孔6向缓冲区3内灌浆，以形成混凝土混合层10；此时混凝土混合层10则可以配合内衬砌3形成强度更高的支护结构，可确保隧洞的支护更加稳固。其中，所谓隧洞开挖工程末期，一般是在整个隧洞的施工期基本结束时，因此时隧洞开挖已经完成，因此对围岩岩体的扰动较小，而且由于围岩也已经经过足够长时间的变形，因此其相对较为稳定，在之后再发生较大围岩变形的情况较小，因此可对缓冲区3进行固结，并且通过形成相应的混凝土混合层10还可进一步提高对围岩的支护强度。

当然，当在步骤B和步骤C之间，在泄压孔7内设置有用于封堵泄压孔7的堵头8时；在步骤C和步骤D之间，可选择性地开启堵头8，即可根据实际情况，确定是否开启相应的堵头7以进行排砂。

另外，在步骤D中，当向缓冲区3内灌注混凝土时，可开启所有泄压孔7内的堵头8，此时，借助灌注混凝土的压力，可将相应的可以排出的部分砾砂排出，以由混凝土以及砾石5填充相应的空隙；以此提高混凝土混合层10的结构强度。