可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系及工艺的制作方法

本发明涉及隧道支护技术领域，尤其涉及一种可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系及工艺。

背景技术：

当前，随着世界各地城市现代化进程的加快，城市地面交通压力越来越大，交通堵塞、环境污染等问题日益突出，给人民生活质量带来了诸多不利影响。在此背景下，通过修建各种各样的隧道或地下工程(城市地铁、公路隧道、铁路隧道、水下隧道、市政隧道等)，可节约地表资源，且环保节能，是缓解上述问题的有效途径之一。而且，随着当今经济与科技的发展，我国各个地区修建隧道的数量与规模也是逐年提高。比如，在未来20年我国将建设上万公里公路、铁路隧道，特长隧道将超过2000公里。

当隧道开挖后，及时施作安全高效的支护体系，是隧道施工及运营安全的重要保障。传统的隧道支护体系常包括以下构件：锚杆、锚索、喷射混凝土、模注混凝土衬砌、钢筋网等，但普遍存在以下问题：

①由于现场隧道施工工作面狭小，且上述支护构件种类繁多、施作工艺繁琐，严重制约了隧道施工进度；

②由于各构件均需现场施作，耗时较长，难以对开挖后的围岩提供及时可靠的支护阻力；

③当隧道埋深较大，地应力水平较高时，传统的支护构件不具备定量让压功能，难以及时释放围岩中积聚的高应变能，导致所需支护阻力及支护成本较高；

④常规喷射混凝土及模注混凝土衬砌易产生表面开裂破损现象，削弱了支护体系整体强度；

⑤传统模注混凝土衬砌需依赖人工绑扎钢筋，生产工艺复杂、钢筋绑扎精度低、劳动强度大，且易出现偷工减料现象，难以对衬砌施工质量进行精准控制；

⑥传统喷射混凝土在施工过程中，易产生大量喷射粉尘，对现场施工环境及工人身体健康产生不利影响；

针对上述系列问题，本发明提出了一种可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系及工艺，可予以有效解决。

技术实现要素：

针对隧道传统系列支护手段中面临的施作工艺繁琐、施工进度慢、围岩支护不及时、无法让压吸能、支护成本高、劳动强度大、易开裂破损、施工质量难以精准控制及作业环境恶化等系列问题，本发明提出了一种可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系及工艺，实现了隧道支护结构的装配式施作，避免了支护结构现场施作过程，降低支护施作劳动强度，提高了隧道施工进度及支护施作质量；同时，该种预应力约束充填衬砌支护体系在保证较高支护强度前提下，还可吸收围岩内部应变能，使支护体系适度变形以降低支护成本；此外还可有效避免常规混凝土支护开裂破坏，提高支护体系整体强度，且具有降低支护构件重量、避免构件腐蚀、环保高效等优势。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系，包括多个沿隧道环向设置的约束充填衬砌单体，且相邻的约束充填衬砌单体之间设有约束让压套筒，约束让压套筒与约束充填衬砌单体拼接相连；每个所述的约束充填衬砌单体包括约束壳，所述的约束壳内部为充填体ⅰ；所述的约束壳外弧表面侧与隧道围岩接触，内弧表面侧朝向隧道内部空间；约束壳外弧表面与内弧表面均匀间隔开设有多个相同位置的螺栓孔，沿外弧、内弧表面相同位置螺栓孔部位穿过安装有预应力锚栓；约束壳内弧表面侧还开设有若干锚索孔，锚索孔内部安装有自锁式让压托盘，预应力锚索依次穿过自锁式让压托盘及约束壳外弧表面并伸入隧道围岩内部进行安装固定；所述的预应力锚栓与约束壳内弧、外弧表面垂直，并施加有预应力，可对约束壳及内部充填体ⅰ产生径向挤压，使预应力锚栓、约束壳、充填体ⅰ三者共同形成复合承载结构，共同抵抗外部隧道围岩压力作用；当外部隧道围岩压力超过所述约束让压套筒及自锁式让压托盘设定的让压值时，所述的约束让压套筒在约束充填衬砌单体挤压作用下可环向内缩，使整个衬砌支护体系沿隧道环向实现让压吸能，同时所述的自锁式让压托盘在预应力锚索挤压作用下可径向内缩，使整个衬砌支护体系沿隧道径向实现让压吸能。

进一步的，所述的约束让压套筒为一沿隧道轴向具有相同横截面的筒状结构，长度与约束充填衬砌单体宽度一致；所述的筒状结构包括约束波纹壳，约束波纹壳内部为充填体ⅱ；所述的约束波纹壳在靠近隧道围岩侧及隧道内部空间侧分别沿隧道环向设置为波浪式的起伏结构；所述的充填体ⅱ的强度低于所述的充填体ⅰ的强度。

进一步的，所述的自锁式让压托盘为一体成型的筒状结构，其包括靠近隧道内部空间侧的外端部位ⅰ和靠近隧道围岩侧的内端部位ⅱ；所述的外端部位ⅰ的外圈表面为圆柱形，内圈部位设有锥形槽，锥形槽内部设有锁片，通过利用锁片及锥形槽可用于预应力锚索在靠近隧道内部空间侧端部的固定；所述的内端部位ⅱ的外壁在沿自锁式让压托盘轴向设置为波浪式的起伏结构；圆筒状结构的内端部位ⅱ的壁厚小于外端部位ⅰ的壁厚。

进一步的，位于每个约束充填衬砌单体的约束壳的外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓杆体为中空状，待现场多个约束充填衬砌单体与约束让压套筒拼接完成后，可利用中心部位的预应力锚栓进行衬砌壁后注浆，填充衬砌外弧表面与隧道围岩表面之间缝隙，使作用在衬砌外弧表面的围岩压力更均匀，避免产生应力集中现象。

进一步的，所述的中空状的预应力螺栓杆体在靠近约束壳内弧表面侧端部安装有止浆阀，当打开止浆阀时可通过中心部位的预应力锚栓外端部位进行注浆，待衬砌壁后注浆完成后，可将其关闭，避免产生注浆浆液外流现象。

进一步的，所述的约束壳、约束波纹壳、自锁式让压托盘、预应力锚索、预应力锚栓的材质包括但不限于gfrp材料、钢材。

进一步的，所述的充填体ⅰ、充填体ⅱ通过分别在约束壳、约束波纹壳内部充填浇筑的方式进行制作，充填体ⅰ材料包括但不限于混凝土、碎石+水泥浆液充填体，充填体ⅱ材料包括但不限于泡沫混凝土。

进一步的，所述的约束壳及约束波纹壳的制作方式包括但不限于模具直接浇筑成型、焊接拼装、机械连接组装方式。

进一步的，所述的多个约束充填衬砌单体与约束让压套筒的拼接方式包括但不限于螺栓连接、插销式连接、榫连接方式，约束充填衬砌单体与约束让压套筒在隧道环向与轴向拼接接面处设有止水带。

进一步的，在所述的约束壳及约束波纹壳的沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧设有一个开口；该开口与一个密封盖配合。

本发明还提供了可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系的具体加工及安装工艺，包括以下步骤：

步骤1：根据隧道断面尺寸及支护设计要求，分别加工制作满足要求的约束壳及约束波纹壳，并分别在其沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧做开口处理；

步骤2：沿衬砌单体约束壳的外弧表面与内弧表面相同位置圆孔部位，安装预应力锚栓，并进行一次预紧；

步骤3：沿步骤1中约束壳及约束波纹壳的一侧开口部位，分别利用充填材料进行内部充填，形成充填体ⅰ与充填体ⅱ；

步骤4：待充填体ⅰ与充填体ⅱ凝固后，在其开口部位侧进行抹面找平处理，并利用与约束壳、约束波纹壳相同材质材料制作的密封盖封闭该侧开口；

步骤5：对预应力锚栓，进行二次预紧，使其对约束壳及内部充填体ⅰ产生有效径向挤压；

步骤6：重复上述步骤1～5，完成多个约束充填衬砌单体及约束让压套筒的制作；

步骤7：将上述制作完好的多个约束充填衬砌单体及约束让压套筒移至工程现场；

步骤8：待隧道开挖后，按设计位置沿围岩表面施打锚索钻孔；

步骤9：将约束充填衬砌单体移至围岩表面，使约束充填衬砌单体的锚索孔与围岩锚索钻孔对齐，利用锚索钻机及自锁式让压托盘安装预应力锚索，实现约束充填衬砌单体的初步固定；

步骤10：将初步固定后的多个约束充填衬砌单体与约束让压套筒进行拼接相连，拼接相连完成后对预应力锚索进行张拉施加预应力，完成衬砌主体结构的施作；

步骤11：利用约束充填衬砌单体外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓进行衬砌壁后注浆；

步骤12：注浆完成后，关闭中心部位的预应力锚栓止浆阀，完成本发明该种可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系的施作。

本发明的有益效果为：

1)本发明该种隧道预应力约束充填衬砌支护体系为预制装配式结构，在隧道施工前即可将各支护构件提前制作完毕，运输到现场后只需拼装即可，可节约传统支护构件所需的现场施作时间，大大提高现场隧道的施工进度。

2)本发明该种装配式衬砌支护体系，可在现场隧道开挖后立即施作，可对开挖初期的隧道围岩及时提供较强的支护阻力，避免围岩进一步产生变形破坏。

3)本发明该种衬砌支护体系，由于具备让压吸能功能，可吸收围岩内部积聚的应变能，适应围岩的大变形破坏，避免支护体系过早破坏，并可对围岩提供持续稳定的支护阻力，可满足深部高地应力及极软岩地层的隧道支护需求。

4)本发明该种衬砌支护体系表面为约束壳，约束壳材质为钢材或gfrp等材料，具有较高抗拉强度，可对内部充填体进行套箍约束，有效解决常规混凝土支护易出现的开裂破坏等问题。

5)本发明利用约束壳及充填体，可充分发挥约束壳抗拉及充填体抗压的力学性能优势，实现两者力的共生；同时，借助预应力锚栓，施加预应力，可对约束壳及充填体进行径向挤压，可使三者形成复合型承载整体。与常规混凝土支护相比，可进一步提高衬砌的承载强度。

6)本发明所采用的约束壳、约束波纹壳、自锁式让压托盘、预应力锚索、预应力锚栓等构件可批量化直接生产，可严格控制各部分构件尺寸规格，在进行该种衬砌预制生产制作时，仅需拼装安装后即可浇筑，可解决常规模注混凝土衬砌施作过程人工绑扎钢筋笼引起的劳动强度大、工艺繁琐、钢筋制作及绑扎精度难以精准控制等不足，还可避免常规混凝土衬砌现场模具浇筑或偷工减料等问题，有效降低工人劳动强度，提升衬砌施作质量。

7)本发明充填体可直接利用隧道开挖渣石材料进行制作。具体的，比如可直接在约束壳内部采用“一次填充隧道开挖渣石、二次水泥浆液充注凝固”方式进行制作，可实现隧道开挖渣石的二次利用，高效环保，还可降低支护材料成本。

8)本发明该种衬砌支护体系构件材质为gfrp材料时，可有效降低衬砌整体重量，节约衬砌运输及安装成本，降低工人劳动强度消耗，还可有效避免衬砌腐蚀现象。

9)本发明该种衬砌支护体系，由于为预制装配式结构，可避免传统喷射混凝土施作引起的粉尘污染、作业环境恶化等问题，为现场施工人员身心健康提供了保障。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例隧道预应力约束充填衬砌支护体系安装完成后的横断面结构示意图；

图2为图1中a-a剖面的左视图；

图3为图2中b-b剖面的横断面结构示意图；

图4为图1中预应力锚索部位的局部放大结构示意图；

图5为图4中预应力锚索部位的俯视平面示意图；

图6为图1中约束让压套筒部位的局部放大结构示意图；

图7为图3中5(c)处预应力锚栓部位的局部放大结构示意图；

图8为图1中5(d)处预应力锚栓部位的局部放大结构示意图；

其中：1-约束充填衬砌单体；2-约束让压套筒；3-约束壳；4-充填体ⅰ；5-预应力锚栓；6-自锁式让压托盘；7-预应力锚索；8-约束波纹壳；9-充填体ⅱ；10-止浆阀；11-锁片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对隧道传统系列支护手段中面临的施作工艺繁琐、施工进度慢、围岩支护不及时、无法让压吸能、支护成本高、劳动强度大、易开裂破损、施工质量难以精准控制及作业环境恶化等系列问题，本发明提出了一种可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系及工艺，实现了隧道支护结构的装配式施作，避免了支护结构现场施作过程，降低支护施作劳动强度，提高了隧道施工进度及支护施作质量；同时，该种预应力约束充填衬砌支护体系在保证较高支护强度前提下，还可吸收围岩内部应变能，使支护体系适度变形以降低支护成本；此外还可有效避免常规混凝土支护开裂破坏，提高支护体系整体强度，且具有降低支护构件重量、避免构件腐蚀、环保高效等优势。以一种可让压吸能的gfrp材料的隧道预应力约束充填衬砌支护体系的具体加工及安装工艺为例，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系，包括多个沿隧道环向设置的约束充填衬砌单体1，且相邻的约束充填衬砌单体1之间设有约束让压套筒2，约束让压套筒2与约束充填衬砌单体1拼接相连；每个所述的约束充填衬砌单体1包括约束壳3，所述的约束壳3内部为充填体ⅰ4；所述的约束壳3外弧表面侧与隧道围岩接触，内弧表面侧朝向隧道内部空间；约束壳3外弧表面与内弧表面均匀间隔开设有多个相同位置的螺栓孔，沿外弧、内弧表面相同位置螺栓孔部位穿过安装有预应力锚栓5；约束壳3内弧表面侧还开设有若干锚索孔，锚索孔内部安装有自锁式让压托盘6，预应力锚索7依次穿过自锁式让压托盘6及约束壳3外弧表面并伸入隧道围岩内部进行安装固定；所述的预应力锚栓5与约束壳3内弧、外弧表面垂直，并施加有预应力，可对约束壳3及内部充填体ⅰ4产生径向挤压，使预应力锚栓5、约束壳3、充填体ⅰ4三者共同形成复合承载结构，共同抵抗外部隧道围岩压力作用；当外部隧道围岩压力超过所述约束让压套筒2及自锁式让压托盘6设定的让压值时，所述的约束让压套筒2在约束充填衬砌单体1挤压作用下可环向内缩，使整个衬砌支护体系沿隧道环向实现让压吸能，同时所述的自锁式让压托盘6在预应力锚索7挤压作用下可径向内缩，使整个衬砌支护体系沿隧道径向实现让压吸能。

进一步的，所述的约束让压套筒2为一沿隧道轴向具有相同横截面的筒状结构，长度与约束充填衬砌单体宽度一致；所述的筒状结构包括约束波纹壳8，约束波纹壳8内部为充填体ⅱ9；所述的约束波纹壳8在靠近隧道围岩侧及隧道内部空间侧分别沿隧道环向设置为波浪式的起伏结构；所述的充填体ⅱ9的强度低于所述的充填体ⅰ4的强度。

进一步的，所述的自锁式让压托盘6为一体成型的筒状结构，筒状结构的壁厚沿自锁式让压托盘6的轴向设置为变截面形式；筒状结构在靠近隧道内部空间侧的外端部位ⅰ的外圈表面为圆柱形，内圈部位设有锥形槽，锥形槽内部设有锁片11，通过利用锁片11及锥形槽可用于预应力锚索7在靠近隧道内部空间侧端部的固定；筒状结构在靠近隧道围岩侧的内端部位ⅱ的外壁在沿自锁式让压托盘6轴向设置为波浪式的起伏结构；筒状结构的内端部位ⅱ的壁厚小于外端部位ⅰ的壁厚。

进一步的，位于每个约束充填衬砌单体1的约束壳3的外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓5杆体为中空状，待现场多个约束充填衬砌单体与约束让压套筒拼接完成后，可利用中心部位的预应力锚栓5(d)进行衬砌壁后注浆，填充衬砌外弧表面与隧道围岩表面之间缝隙，使作用在衬砌外弧表面的围岩压力更均匀，避免产生应力集中现象。

进一步的，所述的中空状的预应力螺栓5(d)杆体在靠近约束壳3内弧表面侧端部安装有止浆阀10，当打开止浆阀10时可通过中心部位的预应力锚栓5(d)外端部位进行注浆，待衬砌壁后注浆完成后，可将其关闭，避免产生注浆浆液外流现象。

进一步的，所述的约束壳3、约束波纹壳8、自锁式让压托盘6、预应力锚索7、预应力锚栓5的材质为gfrp材料，除此之外其材质还可为钢材等。

进一步的，所述的充填体ⅰ4、充填体ⅱ9通过分别在约束壳3、约束波纹壳8内部充填浇筑的方式进行制作，充填体ⅰ4材料为混凝土，此外其材料还可为碎石+水泥浆液充填体，充填体ⅱ9材料为泡沫混凝土。

进一步的，所述的约束壳3及约束波纹壳8的制作方式包括但不限于模具直接浇筑成型、焊接拼装、机械连接组装方式。

进一步的，所述的多个约束充填衬砌单体1与约束让压套筒2的拼接方式为榫连接，此外其连接方式还可为插销式连接、螺栓连接，约束充填衬砌单体1与约束让压套筒2在隧道环向与轴向拼接接面处设有止水带。

进一步的，在所述的约束壳3及约束波纹壳8的沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧设有一个开口；该开口与一个密封盖配合。

本发明还提供了可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系的具体加工及安装工艺，包括以下步骤：

步骤1：根据隧道断面尺寸及支护设计要求，分别加工制作满足要求的约束壳3及约束波纹壳8，并分别在其沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧做开口处理；

步骤2：沿衬砌单体约束壳3的外弧表面与内弧表面相同位置圆孔部位，安装预应力锚栓5，并进行一次预紧；

步骤3：沿步骤1中约束壳3及约束波纹壳8的一侧开口部位，分别利用充填材料进行内部充填，形成充填体ⅰ4与充填体ⅱ9；

步骤4：待充填体ⅰ4与充填体ⅱ9凝固后，在其开口部位侧进行抹面找平处理，并利用与约束壳3、约束波纹壳8相同材质材料制作的密封盖封闭该侧开口；

步骤5：对预应力锚栓5，进行二次预紧，使其对约束壳3及内部充填体ⅰ4产生有效径向挤压；

步骤6：重复上述步骤1～5，完成多个约束充填衬砌单体1及约束让压套筒2的制作；

步骤7：将上述制作完好的多个约束充填衬砌单体1及约束让压套筒2移至工程现场；

步骤8：待隧道开挖后，按设计位置沿围岩表面施打锚索钻孔；

步骤9：将约束充填衬砌单体1移至围岩表面，使约束充填衬砌单体1的锚索孔与围岩锚索钻孔对齐，利用锚索钻机及自锁式让压托盘6安装预应力锚索7，实现约束充填衬砌单体1的初步固定；

步骤10：将初步固定后的多个约束充填衬砌单体1与约束让压套筒2进行拼接相连，拼接相连完成后对预应力锚索7进行张拉施加预应力，完成衬砌主体结构的施作；

步骤11：利用约束充填衬砌单体1外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓5(d)进行衬砌壁后注浆；

步骤12：注浆完成后，关闭中心部位的预应力锚栓5(d)止浆阀10，完成本发明该种可让压吸能的隧道预应力约束充填衬砌支护体系的施作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。