一种耐冻型拼装式隧道初期支护结构及施工方法与流程

本发明涉及工程技术领域，具体而言，涉及一种用于高纬度、高海拔地区的耐冻型拼装式隧道初期支护结构及施工方法。

背景技术：

我国寒区面积分布广泛，约占国土面积的70％，主要分布在北部高纬度和西部高海拔地区。随着西部大开发的进一步推进，我国铁路和公路网正从东往西，从南向北发展，而这些地区都属于高纬度或高海拔地区，是季节性冻土区，在这些地方修建隧道将面临着冻害的威胁，隧道衬砌受围岩里地下水冻融循环的影响，裂缝环生，大大减小了隧道的使用寿命和安全性。

目前，对于隧道冻害普遍采取以防为主即在衬砌上设置外贴式或中隔式保温层的方法。外贴式保温层方便更换，但保温效果不理想且耐久性差，难以保证衬砌及围岩处于地温状态；中隔式保温层为一次性保温层，虽保温效果较外贴壁好，但一旦保温层破坏，将无法检修更换，造成冻害加剧。如何有效解决隧道冻害问题，是交通建设进军高纬度、高海拔地区的关键。

技术实现要素：

本发明的目的包括提供一种耐冻型拼装式隧道初期支护结构及施工方法，其能够有效地改善高纬度、高海拔季节性冻土区隧道防冻害效果差的技术问题，这样的耐冻型拼装式隧道初期支护结构具有结构简单、操作便利、拼装速度快的特点，具有显著的经济效益。

本发明的另一目的包括提供一种基于耐冻型拼装式隧道初期支护结构的施工方法，其能够方便、快捷地完成隧道初期支护，保障了施工进度和施工质量。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

耐冻型拼装式隧道初期支护结构用于支护围岩，其包括:

持力层、弹性可压缩结构和充气气囊；

持力层与围岩之间具有间隙空间，充气气囊和弹性可压缩结构均设置在间隙空间中；

充气气囊充气后与弹性可压缩结构共同填充密实间隙空间。

使用时，隧道开挖后，将持力层设置在隧道中，在持力层掌子面侧安放充气气囊，向气囊充气后使持力层、围岩及充气气囊形成封闭空间，鉴于爆破开挖面的不平整状态及隧道运营期间围岩力地下水的冻融循环，将可压缩材料压入持力层内表面与开挖面形成的空间填充密实。如此循环，完成该单次进尺的初期支护施作。其中，持力层用于整体受力和支撑，充气气囊用于端头密封；弹性可压缩结构实现整体耐冻和自我让压。

冬季低温环境下，高纬度、高海拔季节性冻土区围岩里的地下水结冰膨胀，挤压位于持力层与围岩之间填充密实的弹性可压缩结构，弹性可压缩结构受压导致体积缩小。夏季围岩气温升高，冰块融化成水自动排走，弹性可压缩结构恢复原状。弹性可压缩结构很好地转移了原先冻融循环中地下水结冰后的施加给衬砌的膨胀压力，变防冻为抗冻。该发明解决了高纬度、高海拔地区隧道防冻害效果差，检修成本高的问题，可为高纬度、高海拔隧道抗冻害设计与施工提供技术指导和借鉴。

在本发明的一种实施例中：

上述持力层包括多个相互拼接的装配单元；多个装配单元围合形成封闭的环状结构。

在本发明的一种实施例中：

上述弹性可压缩结构包括多个弹性小球。

在本发明的一种实施例中：

上述多个弹性小球具有不同规格；

不同规格的弹性小球按照预设的级配设置。

在本发明的一种实施例中：

上述弹性小球由橡胶材料制成。

在本发明的一种实施例中：

上述持力层为大刚度双曲拱持力层。

在本发明的一种实施例中：

上述持力层的侧壁设置有贯穿的填充口；

弹性可压缩结构通过填充口设置在间隙空间里。

在本发明的一种实施例中：

上述还包括压力装置；

压力装置将弹性可压缩结构填充到间隙空间中充气气囊外的间隙，并填充密实。

一种施工方法，其基于上述任一项的耐冻型拼装式隧道初期支护结构，施工方法包括如下步骤：

将持力层设置在隧道里，且持力层与围岩之间具有间隙空间；

将充气气囊和弹性可压缩结构均设置在间隙空间中；

充气气囊充气后与弹性可压缩结构共同填充密实间隙空间。

这样的施工方法能够保障耐冻型拼装式隧道初期支护结构的结构稳定和质量可靠，从而得到具有自我吸收冻胀力、抗冻性能好、耐久性佳、自变形能力强的支护结构。

在本发明的一种实施例中：

上述结合隧道设计尺寸、预留变形量、开挖面平整度，确定装配单元的具体尺寸和数量；

工厂统一制造弹性可压缩结构及充气气囊；

在隧道洞口将检查合格的充气气囊固定于装配单元端头侧，隧道开挖后，装配单元按先下后上的方式进行拼装，封闭成环形成持力层；向充气气囊充气加压，充气气囊、持力层及围岩形成密闭空间，利用压力装置将弹性可压缩材料压入密闭空间，填充密实，封闭填充口，完成支护结构的施工；

开挖下一个循环，安装相应的支护结构。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

耐冻型拼装式隧道初期支护结构的持力层用于整体受力和支撑，充气气囊用于端头密封；弹性可压缩结构实现整体耐冻和自我让压。冬季低温环境下，高纬度、高海拔季节性冻土区围岩里的地下水结冰膨胀，挤压位于持力层与围岩之间填充密实的弹性可压缩结构，弹性可压缩结构受压引起体积缩小。夏季围岩气温升高，冰块融化成水自动排走，弹性可压缩结构恢复原状。弹性可压缩结构很好地转移了原先冻融循环中地下水结冰后的施加给衬砌的膨胀压力，变防冻为抗冻。该发明解决了高纬度、高海拔地区隧道防冻害效果差，检修成本高的问题，可为高纬度、高海拔隧道抗冻害设计与施工提供技术指导和借鉴。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的耐冻型拼装式隧道初期支护结构的第一结构示意图；

图2为本发明实施例提供的耐冻型拼装式隧道初期支护结构的第二结构示意图；

图3为本发明实施例提供的耐冻型拼装式隧道初期支护结构的第三结构示意图；

图4为本发明实施例提供的耐冻型拼装式隧道初期支护结构的第四结构示意图。

图标：10-耐冻型拼装式隧道初期支护结构；100-持力层；110-装配单元；120-填充口；200-弹性可压缩结构；300-充气气囊；400-间隙空间；20-围岩；21-开挖面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由于高纬度或高海拔地区是季节性冻土区，在这些地方修建隧道将面临着冻害的威胁，隧道衬砌受围岩里地下水冻融循环的影响，裂缝环生，大大减小了隧道的使用寿命和安全性。目前，对于隧道冻害普遍采取以防为主即在衬砌上设置外贴式或中隔式保温层的方法。外贴壁式保温层方便更换，但保温效果不理想且耐久性差，难以保证衬砌及围岩处于地温状态；中隔式保温层为一次性保温层，虽保温效果较外贴壁好，但一旦保温层破坏，将无法检修更换，造成冻害加剧。

实施例1

为了克服上述问题，在下面的实施例中提供一种耐冻型拼装式隧道初期支护结构10。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种耐冻型拼装式隧道初期支护结构10的结构示意图。从图1中可以看出一种耐冻型拼装式隧道初期支护结构10用于支护围岩20，其包括持力层100、弹性可压缩结构200和充气气囊300。

持力层100与围岩20之间具有间隙空间400，充气气囊300和弹性可压缩结构200均设置在间隙空间400中；

充气气囊300充气后与弹性可压缩结构200共同填充密实间隙空间400。

使用时，隧道开挖后，将持力层100设置在隧道中，在持力层100掌子面侧安放充气气囊300，向充气气囊300充气后使持力层100、围岩20及充气气囊300形成封闭空间，鉴于爆破开挖面21的不平整状态及隧道运营期间围岩20力地下水的冻融循环，将弹性可压缩结构200压入持力层100内表面与开挖面21形成的空间填充密实。如此循环，完成该单次进尺的初期支护施作。其中，持力层100用于整体受力和支撑，充气气囊300用于端头密封；弹性可压缩结构200实现整体耐冻和自我让压。

冬季低温环境下，高纬度、高海拔季节性冻土区围岩20里的地下水结冰膨胀，挤压位于持力层100与围岩20之间填充密实的弹性可压缩结构200，弹性可压缩结构200受压缩小。夏季围岩20气温升高，冰块融化成水自动排走，弹性可压缩结构200恢复原状。弹性可压缩结构200很好地转移了原先冻融循环中地下水结冰后的施加给衬砌的膨胀压力，变防冻为抗冻。该发明解决了高纬度、高海拔地区隧道防冻害效果差，检修成本高的问题，可为高纬度、高海拔隧道抗冻害设计与施工提供技术指导和借鉴。同时，这样的耐冻型拼装式隧道初期支护结构10也可以用在非高寒的一般隧道中。

请继续参照图1至图4，以了解耐冻型拼装式隧道初期支护结构10的更多细节。

需要说明的是，在本实施例中，充气气囊300设置在持力层100的端部，且充气气囊300将该端部与围岩20之间的间隙填充密实。

进一步的，在本实施例中，上述持力层100包括多个相互拼接的装配单元110；多个装配单元110围合形成封闭的环状结构。可选的，首先在工厂按尺寸加工持力层100的装配单元110，到施工现场后再由下到上顺序安装装配单元110，形成封闭环形的持力层100。可选的，上述持力层100为大刚度双曲拱持力层100。

可选的，上述弹性可压缩结构200包括多个弹性小球。在本实施例中，上述弹性小球由橡胶材料制成。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，弹性可压缩结构200还可以是膨胀弹性元件，这里仅仅是一个示例，只要弹性可压缩结构200能够自我吸收冻胀力、抗冻性能好、耐久性佳、自变形能力强的特点即可。同样的，在本发明的其他实施例中，弹性小球可以是由其他具有弹性力的材料制成，这里不做过多的限定。

进一步的，在本实施例中，上述多个弹性小球具有不同规格；不同规格的弹性小球按照预设的级配设置。级配设置的弹性小球能够更好地填充持力层100、围岩20、充气气囊300之间的缝隙使其形成密闭空间。

进一步的，上述持力层100的侧壁设置有贯穿的填充口120；弹性可压缩结构200通过填充口120设置在间隙空间400里。

可选的，耐冻型拼装式隧道初期支护结构10还包括压力装置(未图示)；压力装置将弹性可压缩材料填充到间隙空间400中充气气囊300外的间隙，并填充密实。

使用时，首先在工厂按尺寸加工持力层100，并预留填充口120，形成用于拼装的装配单元110，制作具有一定级配的弹性可压缩结构200和充气气囊300。

现场安装与施工：在隧道洞口将充气气囊300固定于拼装单元端头侧，隧道开挖后，利用安装机械按照由下到上顺序安装装配单元110，形成封闭环，向气囊充气加压，使持力层100、围岩20、充气气囊300形成密闭空间，利用压力装置将足够量的弹性可压缩材料压入密闭空间，填充密实，封闭填充口120，完成该单次进尺的初期支护施作。进行下一进尺的开挖工作，安装该进尺的支护单元，如此循环，完成整个隧道的施工。

在现场使用过程中，该结构具有自我吸收冻胀力、抗冻性能好、耐久性佳、自变形能力强的优点。与传统的设置保温层防冻方式的支护结构相比，其具体功能和优点如下：

(1)抗冻能力：季节性冻土对隧道衬砌的破坏形式主要是冻融循环破坏，冬季低温环境下，围岩20里的地下水结冰膨胀，挤压位于持力层100与围岩20之间填充密实的弹性可压缩结构200，弹性可压缩结构200受压缩小。夏季围岩20气温升高，冰块融化，弹性可压缩结构200恢复原状。弹性可压缩结构200很好地转移了原先冻融循环中地下水结冰后的施加给衬砌的膨胀压力，变防冻为抗冻。

(2)自变形能力：足够量的弹性可压缩结构200可将开挖面21超挖部分填充密实，一方面使双曲拱的持力层100、弹性可压缩结构200以及围岩20形成受力整体，从而使支护结构尽快受力，避免了注浆等步骤；另一方面隧道开挖后围岩20形变压力可由弹性可压缩结构200承担，弹性可压缩结构200受压进一步挤密，实现开挖后围岩20的应力释放。

(3)施工速度：工厂制作，现场组装，对于隧道这种单掌子面循环作业工程，可以大幅度降低支护结构施工所占用的时间，显著提高施工速度。现场安装可以采用大型机械施工，速度快、效率高，对人员需求少，安全风险小，符合当前绿色、环保建造技术主流。

(4)建造成本：装配单元110、弹性可压缩结构200、充气气囊300均可在工厂统一制造完成。与防冻保温层相比，弹性可压缩结构200及充气气囊300原料来源广泛，造价较低，且耐久性好。而且现场安装不需要喷射混凝土，可以明显改善掌子面的作业环境，降低所需风量，节约成本。

实施例2

本实施例提供一种施工方法(未图示)，其基于实施一的耐冻型拼装式隧道初期支护结构，施工方法包括如下步骤：

将持力层设置在隧道里，且持力层与围岩之间具有间隙空间；

将充气气囊和弹性可压缩结构均设置在间隙空间中；

充气气囊充气后与弹性可压缩结构共同填充密实间隙空间。

这样的施工方法能够保障耐冻型拼装式隧道初期支护结构的结构稳定和质量可靠，从而得到具有自我吸收冻胀力、抗冻性能好、耐久性佳、自变形能力强的支护结构。

具体的，包括以下步骤：

结合隧道设计尺寸、预留变形量、开挖面平整度，确定装配单元的具体尺寸和数量；

工厂统一制造弹性可压缩结构及充气气囊；

在隧道洞口将检查合格的充气气囊固定于装配单元端头侧，隧道开挖后，装配单元按先下后上的方式进行拼装，封闭成环形成持力层；向充气气囊充气加压，充气气囊、持力层及围岩形成密闭空间，利用压力装置将弹性可压缩结构压入密闭空间，填充密实，封闭填充口，完成支护结构的施工；

开挖下一个循环，安装相应的支护结构。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

耐冻型拼装式隧道初期支护结构的持力层用于整体受力和支撑，充气气囊用于端头密封；弹性可压缩结构实现整体耐冻和自我让压。冬季低温环境下，高纬度、高海拔季节性冻土区围岩里的地下水结冰膨胀，挤压位于持力层与围岩之间填充密实的弹性可压缩结构，弹性可压缩结构受压缩小。夏季围岩气温升高，冰块融化成水自动排走，弹性可压缩结构恢复原状。弹性可压缩结构很好地转移了原先冻融循环中地下水结冰后的施加给衬砌的膨胀压力，变防冻为抗冻。该发明解决了高纬度、高海拔地区隧道防冻害效果差，检修成本高的问题，可为高纬度、高海拔隧道抗冻害设计与施工提供技术指导和借鉴。

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