一种具有缓冲性能隧道支护衬砌及施工方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种具有缓冲性能隧道支护衬砌及施工方法。

背景技术：

随着隧道与地下工程的大量建设，“深”、“长”、“险”、“大”已成为当前隧道工程的主要特点，高地应力环境也带来一系列问题。主要表现在：一、硬岩岩爆问题，随着穿越大埋深、高地应力条件下的长隧道逐年增多，我国地下工程岩爆呈频发趋势；二、软岩大变形问题，该类岩体具有强度低、性状差、遇水易软化等特点，地下洞室建设过程中大变形灾害问题突出，严重危及地下洞室的施工及运营安全。

截至目前，针对铁路、公路工程施工中出现的岩爆及软岩隧道大变形问题，虽然开展了众多相关研究，但并未形成一套行之有效的技术保障体系，在愈发复杂多变的工程施工条件下，传统的支护结构受到了极大的挑战，同时，高寒地区铁路、公路隧道容易产生冻胀危害；现有隧道加固支护结构和施工方法，不能有效适应隧道岩爆、冻胀或软岩大变形引起的形状改变，不能有效释放隧道造成岩爆、冻胀或软岩大变形的额外载荷。

现有的隧道支护为便于安装和制作，在环向方向上是拼接形成的，在受到隧道岩壁的压力时，拼接的位置极易发生变形或断裂，从而使隧道支护失去支护能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够适应隧道发生岩爆、冻胀或软岩大变形引起形状变化，并能够缓解释放隧道形状变化产生的压力，并且在施工成型后能够提高支护性能的隧道支护衬砌及施工方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种具有缓冲性能隧道支护衬砌，包括位于隧道岩壁内且与其拱形相匹配的支护体，所述支护体包括由外至内设置的外层支护体、中层支护体和内层支护体，所述中层支护体与内层支护体环向的两端均与隧道仰拱固定；所述外层支护体包括柔性网，所述柔性网与隧道岩壁接触，并借助多根间隔设置的减压锚杆与隧道岩壁固定；所述减压锚杆一端嵌入隧道岩壁内，另一端与柔性网固定；所述中层支护体包括钢架、钢性网和中层减压装置；所述钢架包括型钢；所述型钢沿隧道轴向等间距设置有多个，且沿隧道环向是多个型钢单元体依次拼接形成的拱形结构；所述钢性网固定于相邻的两型钢之间；所述中层减压装置包括位于相邻两型钢单元体之间的第一减压机构，以及位于相邻的两型钢之间的第二减压机构；所述第一减压机构包括第一壳体、第一顶块和第一弹性件；所述第一壳体与第一顶块分别固定于两型钢单元体的对接端，且第一壳体与第一顶块沿隧道环向凹凸配合且滑动连接；所述第一弹性件位于第一壳体内且介于第一顶块端部与第一壳体底部之间，所述第一弹性件能够在第一顶块向第一壳体内滑动时起到缓冲阻碍作用；所述第二减压机构包括第二壳体、第二顶块和第二弹性件；所述第二壳体长度方向两端分别固定于轴向对应的一组型钢单元体的端部，所述第二顶块长度方向的两端分别固定于另一组轴向对应的两型钢单元体的端部，所述第二壳体与第二顶块沿隧道环向凹凸配合且滑动连接；所述第二弹性件位于第二壳体内且介于第二顶块端部与第二壳体底部之间，所述第二弹性件能够在第二顶块向第二壳体内滑动时起到缓冲阻碍作用；所述内层支护体包括支护板和内层减压装置；所述支护板由多个波纹板沿隧道环向和轴向依次拼接形成；所述内层减压装置位于环向相邻的两波纹板之间；所述内层减压装置包括对接壳、对接块和第三弹性件，所述对接壳与对接块分别固定于两波纹板对接端，所述对接壳与对接块沿隧道环向凹凸配合且滑动连接；所述第三弹性件位于对接壳内且介于对接块端部与对接壳底部之间，所述第三弹性件能够在对接块向对接壳内滑动时起到缓冲阻碍作用。

进一步的技术方案在于：所述减压锚杆上设有顶板、减压件和螺母；所述顶板于柔性网内侧并与其接触；所述螺母与减压锚杆螺纹连接；所述减压件位于顶板与螺母之间。

进一步的技术方案在于：所述型钢为“工”字形，所述钢性网端部与型钢的腹板固定。

进一步的技术方案在于：邻两型钢的腹板之间固定有多个支撑梁，且第二壳体与第二顶块均借助支撑梁与相邻的两型钢固定。

进一步的技术方案在于：所述支撑梁上等间距固定有多个加强筋，所述加强筋为环形结构，且与钢性网固定。

进一步的技术方案在于：相邻的两波纹板于隧道环向拼接端固定有第一法兰，所述对接壳与对接块分别固定于对应位置的第一法兰上；相邻的两波纹板于隧道轴向拼接位置设有工字钢，且波纹板借助第二法兰与工字钢连接并用螺栓固定，且第二法兰上于螺栓位置开设有沿隧道环向的长孔。

进一步的技术方案在于：所述波纹板的外侧波纹凹陷处固定有带孔的导水管，所述导水管外表面上覆有透水层。

进一步的技术方案在于：所述导水管内部穿设有加热带。

一种具有缓冲性能隧道支护衬砌的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤s1：安装外层支护体，在开挖后的隧道岩壁上安装柔性网，并穿设减压锚杆将柔性网固定于隧道岩壁上，安装一段距离后进行喷浆处理形成外保护层；

步骤s2：于隧道底部浇筑仰拱后安装中层支护体，先安装钢架与第一减压机构，将第一减压机构中的第一壳体与第一顶块分别固定于每一型钢单元体两端，再安装钢架，钢架中每一型钢环向两端均与隧道仰拱固定，每一型钢单元体拼接成一环型钢过程中，由两侧至顶部方式拼接，且第一弹性体置于第一壳体内后，再将第一顶块与第一壳体配合安装；

步骤s3：安装第二减压机构与钢性网，将第二壳体的两端分别固定于轴向相邻的两型钢单元体端部，并将第二弹性件置于第二壳体内，第二顶块配合安装与第二壳体内后，将第二顶块的两端分别与向相邻的两型钢单元体端部固定，每安装一段距离后将钢性网固定于钢架上，并进行喷浆处理形成中保护层；

步骤s4：安装内层支护体，将内层减压装置中的对接壳与对接块分别固定于每一型波纹板环向两端，波纹板拼装形成支护板过程中，先进行环向拼装，且每一环波纹板的两端均与隧道仰拱固定，每一环波纹板拼接过程中，由两侧至顶部方式拼接，且需将第三弹性件置于对接壳内，再使对接壳与对接块配合连接；一环波纹板拼接完成后进行轴向拼接，安装一段距离后在支护板与中保护层之间进行注浆形成内保护层。

进一步的技术方案在于：在步骤s4中，拼接波纹板过程中，于波纹板外侧波谷内安装覆有透水层且带孔的导水管，并于导水管内部穿设加热带。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

安装于隧道岩壁内且与其形状相匹配的外层支护体、中层支护体和内层支护体，其中，外层支护体中的柔性网能够很好的适应隧道开挖后冻胀及岩爆造成的隧道初期变形；中层支护体中的钢架与钢性网能够为隧道支护提供强力支撑的骨架；内层支护体中的支护板能够进一步提升隧道支护整体的支护性能；

中层支护体中的第一减压机构，能够在钢架在受到隧道岩壁产生的压力时，第一顶块向壳体内滑动并压缩第一弹性件，使得该压力得到释放和缓冲，钢架便能够适应隧道发生岩爆、冻胀或软岩大变形引起形状变化，使钢架依然具有支护性能；

中层支护体中的第二减压机构，不仅能够提高轴向相邻两型钢的连接强度和稳定性，并且与第一减压机构配合使用能够承受更强的压力，在后期施工完成后配合型钢和型钢之间混凝土结构形成的支护，在受到隧道岩壁产生的压力时，第二顶块向第二定壳内滑动并压缩第二弹性件，与第一减压机构配合使该压力得到释放和缓冲，使得中层支护体能够适应隧道发生岩爆、冻胀或软岩大变形引起形状变化，使其依然具有支护性能；

中层支护体中的钢性网，能够提高钢架中型钢之间的连接强度和稳定性，并且在后期施工完成后能提高型钢之间混凝土结构的支护强度；

内层支护体中的内层减压装置，能够在支护板受到隧道岩壁压力时对接块向对接壳内滑动并压缩第三弹性件，使得支护板能够适应隧道发生岩爆、冻胀或软岩大变形引起形状变化，使其保证具有支护性能；

中层减压装置与内层减压装置均为各自支护体的环向拼接位置，在受到隧道岩壁的压力时，能够使该拼接位置得到缓冲，避免拼接的位置发生变形或断裂，使隧道支护失去支护能力；

一种具有缓冲性能隧道支护衬砌的施工方法，能够便于该隧道支护安装，且能够提高支该隧道支护的支护性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明所述外层支护体机构示意图；

图3是本发明所述中层支护体结构示意图；

图4是本发明所述中层减压装置结构示意图；

图5是本发明所述中层减压装置剖面结构示意图；

图6是本发明所述内层支护体结构示意图；

图7是本发明所述中内层减压装置结构示意图；

图8是本发明所述中内层减压装置剖面结构示意图；

图9是本发明所述减压锚杆结构示意图；

图10是本发明所述导水管结构示意图。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1：

如图1～图8所示，一种具有缓冲性能隧道支护衬砌，包括位于隧道岩壁1内且与其拱形相匹配的支护体，所述支护体包括由外至内设置的外层支护体2、中层支护体3和内层支护体4，所述中层支护体3与内层支护体4环向的两端均与隧道仰拱固定；所述外层支护体2包括柔性网5，所述柔性网5与隧道岩壁1接触，并借助多根间隔设置的减压锚杆6与隧道岩壁1固定；所述减压锚杆6一端嵌入隧道岩壁1内，另一端与柔性网5固定。

如图2所示，外层支护体2重的柔性网5为钢丝网，减压锚杆6穿过柔性网5并打入隧道岩壁1内，将柔性网5固定于隧道岩壁1上。

安装于隧道岩壁1内且与其形状相匹配的外层支护体2、中层支护体3和内层支护体4，其中，外层支护体2中的柔性网5能够很好的适应隧道开挖后冻胀及岩爆造成的隧道初期变形；中层支护体3中的钢架7与钢性网8能够为隧道支护提供强力支撑的骨架；内层支护体4中的支护板10能够进一步提升隧道支护整体的支护性能。

如图3-图5所示，所述中层支护体3包括钢架7、钢性网8和中层减压装置9；所述钢架7包括型钢12；所述型钢12沿隧道轴向等间距设置有多个，且沿隧道环向是多个型钢单元体依次拼接形成的拱形结构；所述钢性网8固定于相邻的两型钢12之间；所述中层减压装置9包括位于相邻两型钢单元体之间的第一减压机构13，以及位于相邻的两型钢12之间的第二减压机构14；所述第一减压机构13包括第一壳体131、第一顶块132和第一弹性件133；所述第一壳体131与第一顶块132分别固定于两型钢单元体的对接端，且第一壳体131与第一顶块132沿隧道环向凹凸配合且滑动连接；所述第一弹性件133位于第一壳体131内且介于第一顶块132端部与第一壳体131底部之间，所述第一弹性件133能够在第一顶块132向第一壳体131内滑动时起到缓冲阻碍作用；所述第二减压机构14包括第二壳体141、第二顶块142和第二弹性件143；所述第二壳体141长度方向两端分别固定于轴向对应的一组型钢单元体的端部，所述第二顶块142长度方向的两端分别固定于另一组轴向对应的两型钢单元体的端部，所述第二壳体141与第二顶块142沿隧道环向凹凸配合且滑动连接；所述第二弹性件143位于第二壳体141内且介于第二顶块142端部与第二壳体141底部之间，所述第二弹性件143能够在第二顶块142向第二壳体141内滑动时起到缓冲阻碍作用。

中层支护体3中的钢架7上的每一型钢12的环向两端均与隧道底部仰拱固定；第一弹性件133与第二弹性件143可以为弹簧、橡胶或者弹簧与橡胶的复合体；若第一弹性件133与第二弹性件143中含橡胶材质时，需在第一壳体131与第二壳体141上开设释放孔，以适应第一弹性件133与第二弹性件143的形状变化；钢性网8可以为钢筋焊接形成的网状结构。

中层支护体3中的第一减压机构13，能够在钢架7在受到隧道岩壁1产生的压力时，第一顶块132向第一壳体131内滑动并压缩第一弹性件133，使得该压力得到释放和缓冲，钢架7便能够适应隧道发生岩爆、冻胀或软岩大变形引起形状变化，使钢架7依然具有支护性能；中层支护体3中的第二减压机构14，不仅能够提高轴向相邻两型钢12的连接强度和稳定性，并且与第一减压机构13配合使用能够承受更强的压力，在后期施工完成后配合型钢12和型钢12之间混凝土结构形成的支护，在受到隧道岩壁1产生的压力时，第二顶块142向第二定壳内滑动并压缩第二弹性件143，与第一减压机构13配合使该压力得到释放和缓冲，使得中层支护体3能够适应隧道发生岩爆、冻胀或软岩大变形引起形状变化，使其依然具有支护性能；中层支护体3中的钢性网8，能够提高钢架7中型钢12之间的连接强度和稳定性，并且在后期施工完成后能提高型钢12之间混凝土结构的支护强度。

如图6-图8所示，内层支护体4包括支护板10和内层减压装置11；所述支护板10由多个波纹板101沿隧道环向和轴向依次拼接形成；所述内层减压装置11位于环向相邻的两波纹板101之间；内层减压装置11包括对接壳111、对接块112和第三弹性件113，所述对接壳111与对接块112分别固定于两波纹板101对接端，所述对接壳111与对接块112沿隧道环向凹凸配合且滑动连接；所述第三弹性件113位于对接壳111内且介于对接块112端部与对接壳111底部之间，所述第三弹性件113能够在对接块112向对接壳111内滑动时起到缓冲阻碍作用。

波纹板101在轴向拼接时非完全固定，使轴向相邻的两波纹板101能够在环向方向上错动，具体的可以采用于连接法兰上开设长孔117并用螺栓固定；第三弹性件113可以为弹簧、橡胶或者弹簧与橡胶的复合体；若第三弹性件113中含橡胶材质时，需在对接壳111上开设释放孔，以适应第三弹性件113的形状变化。

内层支护体4中的内层减压装置11，能够在支护板10受到隧道岩壁1压力时对接块112向对接壳111内滑动并压缩第三弹性件113，使得支护板10能够适应隧道发生岩爆、冻胀或软岩大变形引起形状变化，使其保证具有支护性能。

中层减压装置9与内层减压装置11均为各自支护体的环向拼接位置，在受到隧道岩壁的压力时，能够使该拼接位置得到缓冲，避免拼接的位置发生变形或断裂，使隧道支护失去支护能力。

本实施例的具体施工方法包括以下步骤：

步骤s1：安装外层支护体2，在开挖后的隧道岩壁1上安装柔性网5，并穿设减压锚杆6将柔性网5固定于隧道岩壁1上，安装一段距离后，于安装好的柔性网5上喷混凝土形成外保护层；

步骤s2：

安装中层支护体3，先在隧道底部浇筑仰拱后，依次安装第一减压机构13、钢架7、第二减压机构14和钢性网8；

安装第一减压机构13时，将第一壳体131与第一顶块132分别固定于每一型钢单元体两端，并将第二弹性件143置于第二壳体141内；

安装钢架7时，每一型钢单元体拼接成一环型钢12过程中，由环向两端至顶部方式拼接，且于环向两端的型钢单元体均与隧道仰拱固定，相邻两型钢单元体在拼接过程中，将第一顶块132嵌入安装于第一壳体131内；

安装第二减压机构14时，将第二壳体141的两端分别固定于轴向相邻的两型钢单元体端部，第二顶块142配合安装与第二壳体141内后，将第二顶块142的两端分别与向相邻的两型钢单元体端部固定；

安装钢性网8时，每安装一段距离的第一减压机构13、钢架7和第二减压机构14后，将钢性网8固定于钢架7上，于安装好的钢性网8上喷混凝土形成中保护层；

步骤s3：安装内层支护体4，先安装内层减压装置11再安装支护板10

安装内层减压装置11时，将对接壳111与对接块112分别固定于每一型波纹板101环向两端，且将第三弹性件113置于对接壳111内；

安装支护板10时，先进行环向拼装，每一环波纹板101拼接时，由环向两端至顶部方式拼接，且两端的波纹板101均与隧道仰拱固定，拼接过程中使对接块112嵌入安装于对接壳111内；一环波纹板101拼接完成后进行轴向拼接；安装一段距离后在支护板10与中保护层之间进行注入混凝土形成内保护层。

上述步骤中混凝土的作用是使得该层支护体封闭，对隧道岩壁产生支撑和加固的作用，并且能够使外侧支护体、中层支护体与内层支护形成整体的支护体系，对隧道起到强力支护的作用。

在步骤s2中，将第一减压机构13中的第一壳体131与第一顶块132分别固定于每一型钢单元体两端，在将型钢单元体拼接成型钢12过程中第一减压机构13也能够完成安装，其安装过程便捷高效，能够快速形成中层支护体3，使其起到支护作用；在步骤s4中，将内层减压装置11中的对接壳111与对接块112分别固定于每一型波纹板101环向两端，在将波纹板101相互拼接过程中，能够便于内层减压装置11的安装其安装过程便捷高效，能够快速形成内层支护体4，使其起到支护作用。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图9所示，减压锚杆6上设有顶板601、减压件602和螺母603；所述顶板601于柔性网5内侧并与其接触；所述螺母603与减压锚杆6螺纹连接；所述减压件602位于顶板601与螺母603之间；顶板601用于使柔性网5与隧道岩壁1贴合，减压件602可以在隧道发生变形时起到缓冲作用，减压件602可以为可以为弹簧、橡胶或者弹簧与橡胶的复合体。

型钢12为“工”字形，所述钢性网8端部与型钢12的腹板固定；在喷浆处理后钢性网8与混凝土形成高强度支护，并且钢性网8位于混凝土中层位置，起到更好的支护效果。

如图4所示，相邻两型钢12的腹板之间固定有多个支撑梁701，且第二壳体141与第二顶块142均借助支撑梁701与相邻的两型钢12固定；使的第二壳体141与第二顶块142有了支撑体，能够对抗更强的压力，而且支撑梁701也能强化轴向相邻两型钢12的连接强度。

如图4所示，支撑梁701上等间距固定有多个加强筋702，所述加强筋702为环形结构，且与钢性网8固定，在施工完成后，与混凝土结合提高支撑梁701与混凝土的连接强度。

如图6和图7所示，相邻的两波纹板101于隧道环向拼接端固定有第一法兰114，所述对接壳111与对接块112分别固定于对应位置的第一法兰114上；相邻的两波纹板101于隧道轴向拼接位置设有工字钢115，且波纹板101借助第二法兰116与工字钢115连接并用螺栓固定，且第二法兰116上于螺栓位置开设有沿隧道环向的长孔117；第一法兰114能够更好的使对接壳111与对接块112与波纹板101固定；工字钢115能够强化支护板10的支护强度。

如图10所示，波纹板101的外侧波纹凹陷处固定有带孔的导水管118，所述导水管118外表面上覆有透水层119，且导水管118内部穿设有加热带120；导水管118用于将隧道岩壁1渗下的水排走，透水层119为土工布，防止导水管118上的孔被堵塞；加热带120能够防止导水管118内的水冻结，造成导水管118堵塞不能将水及时排走，造成隧道岩壁1发生冻涨现象；导水管118两端端借助管路与隧道底部两侧的排水槽连通。

实施例3：

在实施例2的基础上，在步骤s4中，拼接波纹板101过程中，于波纹板101外侧波谷内安装覆有透水层119且带孔的导水管118，并在安装导水管118时在其内部穿设加热带120。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。