一种大变形隧道围岩让压支护体系及其支护方法与流程

本发明涉及隧道结构领域，具体而言，涉及一种大变形隧道围岩让压支护体系及其支护方法。

背景技术：

软弱围岩隧道常面临高地压、大变形等问题，对隧道围岩和支护结构大变形控制带来挑战，现行规范根据围岩级别，普遍采用系统锚杆、加强型钢拱架、加厚喷射混凝土以及加大预留变形量的支护措施，但其变形能力和承载能力远不能满足隧道大变形控制要求。除此之外，现有的隧道支护体系的让压锚杆还存在强度偏低、界面容易错动、造价偏高等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种大变形隧道围岩让压支护体系，旨在改善现有围岩让压支护体系不能满足隧道大变形控制要求的问题。

本发明的另一目的是提供了一种大变形隧道围岩让压支护体系的支护方法，这种支护方法的可在在保证软弱围岩不坍塌的情况下，实现较大程度让压，工程造价低。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种大变形隧道围岩让压支护体系，包括依次设置的钢拱架层、发泡初衬、防水层和钢筋混凝土二衬，所述钢拱架靠近隧道围岩设置，所述钢拱架靠近所述隧道围岩的一面设置有若干锚杆，所述锚杆支护在所述隧道围岩上。

进一步地，所述锚杆为直径20～30mm的hrb400钢筋，其长度为5～10m，相邻两个所述锚杆之间的间距2～3m。

进一步地，所述发泡初衬的厚度20～60cm。

进一步地，所述防水层的厚度为3～10cm。

进一步地，所述钢筋混凝土二衬厚度为50～150cm。

本发明还提供了一种上述的大变形隧道围岩让压支护体系的支护方法，包括以下步骤：

s1，基于隧道围岩的地质条件，计算隧道施工参数；

s2，根据选定的隧道开挖方法，分步开挖隧道；

s3，基于所述隧道施工参数，依次施作锚杆、钢拱架层、发泡初衬以及防水层；其中，按照重量份数计，所述发泡初衬的原料包括废弃矿粉560～670份、硅酸盐水泥75～125份、生石灰200～300份、碱液430～540份、过氧化氢9.5～19份、铝粉0.95～1.9份以及石膏20～50份；

s4，当测量的让压变形量符合所述隧道施工参数时，基于所述隧道施工参数，施作钢筋混凝土二衬。

进一步地，基于隧道围岩的地质条件，计算隧道施工参数的步骤包括：

s11，基于隧道围岩的地质条件，采用理论计算方法获取围岩压力、围岩变形量和锚杆支护参数以及让压变形量；

s12，基于所述围岩压力、所述让压变形量以及实验测试得到的发泡初衬变形模量，确定发泡初衬的配合比、强度、喷射厚度以及防水层的厚度；

s13，基于所述围岩压力，确定钢筋混凝土二衬的结构参数。

进一步地，所述废弃矿粉包括活性化尾矿微粉和矿渣粉，其中，所述活性化尾矿微粉和矿渣粉的质量比为1：30～70。

进一步地，所述防水层为重组竹结构叠合层，其制备方法为：采用冷压工艺，将竹材碾碎加工成竹丝束，将浸渍树脂的竹丝束干燥到含水率12％～15％后，装模并在50～80mpa的高压下成型，将模具锁定后，送入与隧道尺寸相当的固化道固化胶合。

进一步地，所述石膏的密度在685～1250kg/m³、28d立方体抗压强度在4.5～15mpa。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

首先本发明采用了稀疏锚杆、钢拱架层以及发泡初衬的结构，可以在保证软弱围岩不坍塌的情况下，实现较大程度让压；该结构可以节省整个隧道构建系统的锚杆用量，有利于节省工期，节约造价。其次，本发明使用发泡初衬，不仅可以及时支护软弱围岩，又可实现工业固废资源化利用，亦可随着围岩变形而压缩破坏实现让压，且发泡初衬采用发泡地聚合物，比传统喷射混凝土自重减少50％以上，更有利于减少二衬原材料用量，有效降低工程造价。再者，本发明的防水层采用的是重组竹结构叠合层，其既可作为防水层，又可作为第二道让压支护系统。本发明提供的支护方法适用于cd、crd、全断面等多种地质条件下不同开挖方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式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是本发明提供的大变形隧道围岩让压支护体系的结构示意图。

图中标记：1-钢拱架层；2-发泡初衬；3-防水层；4-钢筋混凝土二衬；5-锚杆。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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设备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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

由图1所示，本发明提供了一种大变形隧道围岩让压支护体系，包括依次设置的钢拱架层1、发泡初衬2、防水层3和钢筋混凝土二衬4，所述钢拱架层靠近隧道围岩设置，所述钢拱架层靠近所述隧道围岩的一面设置有若干锚杆5，所述锚杆5支护在所述隧道围岩上。

具体地，在本实施例中，所述发泡初衬2可以是现有的泡沫混凝土喷射而成的发泡初衬2，这种结构的初衬相比于非泡沫的传统混凝土喷射而成的初衬而言，质地更轻，且具备减振效果。防水层3可由防水板组成，其可通过粘结性涂料连接在初衬上，使其具备良好的防水效果，有利于支护结构的耐久性。

优选地，在本发明的较佳实施例中，所述按照重量份数计，所述发泡初衬2的原料包括废弃矿粉560～670份、硅酸盐水泥75～125份、生石灰200～300份、碱液430～540份、过氧化氢9.5～19份、铝粉0.95～1.9份以及石膏20～50份。其制备步骤包括：将上述原料按照配比混合并搅拌均匀，机械搅拌时间90s～120s，通过喷射的方式喷射到钢拱架层1上即可形成发泡初衬2。

具体地，在本实施例中，废弃矿粉一般的处理是用于掩埋，不仅造成了资源的浪费，还会污染环境。废弃矿粉的一般成分为cao、sio2、al2o3以及mgo等，其可部分替代水泥用作建筑材料，用以减少水泥的用量，另一方面又实现了工业固废资源化利用。而在硅酸盐水泥、石膏作为填充剂的加入，则有益于加强发泡初衬2的强度，提高支护体系的承受性能。而生石灰、碱液、过氧化氢、铝粉彼此之间会发生化学反应生成气体，使发泡初衬2具备泡沫结构，该泡沫结构是具有良好的吸能减震性能，能够有效地将地震波的能量传到防水层3、二衬等结构上，实现较大程度让压。且该泡沫结构可随着围岩变形而压缩破坏实现让压，改善了现有围岩让压支护体系不能满足隧道大变形控制要求的问题。除此之外，正是因为发泡初衬2的原料之间会发生反应，进一步加强了各个成分之间的交联程度，进一步提高了发泡初衬2的强度与抗断裂性能。且本发明的初衬采用发泡地聚合物，比传统喷射混凝土自重减少50％以上，更有利于减少二衬原材料用量，有效降低工程造价

更为优选地，所述按照重量份数计，所述发泡初衬2的原料包括废弃矿粉585～635份、硅酸盐水泥95～115份、生石灰235～275份、碱液475～515份、过氧化氢11～15份、铝粉1.2～1.6份、石膏25～35份。在上述比例下制备形成的发泡初衬2强度以及让压能力更佳。

更为优选地，在本发明一较佳实施例中，所述按照重量份数计，所述发泡初衬2的原料包括废弃矿粉615份、硅酸盐水泥105份、生石灰255份、碱液500份、过氧化氢12.5份、铝粉1.4份、石膏31份。在上述比例下制备形成的发泡初衬2强度以及让压能力可达到更好的平衡。

进一步地，所述废弃矿粉包括活性化尾矿微粉和矿渣粉，其中，所述活性化尾矿微粉和矿渣粉的质量比为1：30～70。优选地，所述活性化尾矿微粉和矿渣粉的质量比为1：45～55；更为优选地，质量比为1:50。按照上述比例添加到水泥上，可提高发泡初衬2原料的流动性以及减少发泡初衬2的凝固时间，节约能耗，提高生产效率，在强度达标的情况下选用上述比例最佳。需要说明的是，本发明选用的是400目活性化尾矿微粉和s95级或s105级矿渣粉，保证精细的颗粒度可提高流动性，让原料混合均匀，并加快发泡初衬2的凝固时间。

进一步地，所述碱液为氢氧化钠或水玻璃碱液，ph值为11.5～12.5。更为优选地，所述碱液为水玻璃碱液，其密度，粘结力强，在反应的同时还可提高原料之间的交联程度，提高发泡初衬2的强度。

进一步地，所述石膏的密度在685～1250kg/m³、28d立方体抗压强度在4.5～15mpa。石膏需具备一定的密度，用于提高发泡初衬2的强度。

进一步地，所述发泡初衬2的厚度为20～60cm。更为优选地，所述发泡初衬2的厚度为40～55cm，需要有一定的厚度确保发泡初衬2随着围岩变形而压缩破坏实现让压。

进一步地，在上述实施例的基础上，因为使用的是本发明提供的发泡初衬2，因此锚杆5的数量可以进行相应减少。所述述锚杆5为直径20～30mm的hrb400钢筋，其长度为5～10m，相邻两个所述锚杆5之间的间距2～3m。节省隧道支护系统的锚杆5用量，不仅有利于节省工期，还可节约造价，且该强度的锚杆5还可为隧道提供支护作用。

优选地，在本发明的较佳实施例中，所述防水层3为重组竹结构叠合层，其制备方法为：采用冷压工艺，将竹材碾碎加工成竹丝束，将浸渍树脂的竹丝束干燥到含水率12％～15％后，装模并在50～80mpa的高压下成型，将模具锁定后，送入与隧道尺寸相当的固化道固化胶合。

具体地，在本实施例中，所述模具的形状隧道衬砌或管片的形状相似，因而制成的竹片的结构也类似预制隧道衬砌或管片，其可根据工程隧道尺寸工厂化预制。将竹材制成竹片后，将6～8片竹片组成一环，每片宽1～1.5m，各片、各环之间设膨胀橡胶止水带，且采用螺栓连接。因重组竹叠合结构的致密结构，其既可作为防水层3，又可作为第二道让压支护系统。

进一步地，所述防水层3的厚度为3～10cm，更为优选地，所述防水层3的厚度为5～10cm，确保有一定的厚度进行防水。

进一步地，钢筋混凝土二衬4厚度为50～150cm。更为优选地，所述钢筋混凝土二衬4厚度为85～135cm，确保二衬具有一定的承载隧道压力的厚度。

本发明还提供了一种上述的大变形隧道围岩让压支护体系的支护方法，包括以下步骤：

s1，基于隧道围岩的地质条件，计算隧道施工参数。

进一步地，基于隧道围岩的地质条件，计算隧道施工参数的步骤包括：

s11，基于隧道围岩的地质条件，采用理论计算方法获取围岩压力、围岩变形量和锚杆5支护参数以及让压变形量。需要说明是，上述的理论计算方法为现有的隧道结构力学计算，再此就不进行赘述。

s12，基于所述围岩压力、所述让压变形量以及实验测试得到的发泡初衬2变形模量，确定发泡初衬2的配合比、强度、喷射厚度以及防水层3的厚度。根据不同的隧道围岩类型，选择发泡初衬2的原料配比、厚度，有利于构建性能更佳的支护体系。

s13，基于所述围岩压力，确定钢筋混凝土二衬4的结构参数。确保钢筋混凝土二衬4具有制成围岩压力的承载力。

s2，根据选定的隧道开挖方法，分步开挖隧道。需要说明的是，现有的开挖方法包括传统的矿山法、隧道掘进机法、盾构法、明挖法等，可依据隧道围岩的类型，进行开挖方法的选择，在此不进行限制。

s3，基于所述隧道施工参数，依次施作锚杆5、钢拱架层1、发泡初衬2以及防水层3；其中，按照重量份数计，所述发泡初衬2的原料包括废弃矿粉560～670份、硅酸盐水泥75～125份、生石灰200～300份、碱液430～540份、过氧化氢9.5～19份、铝粉0.95～1.9份以及石膏20～50份。

优选地，按照重量份数计，所述发泡初衬2的原料包括废弃矿粉585～635份、硅酸盐水泥95～115份、生石灰235～275份、碱液475～515份、过氧化氢11～15份、铝粉1.2～1.6份、石膏25～35份。在上述比例下制备形成的发泡初衬2强度以及让压能力更佳。

更为优选地，在本发明一较佳实施例中，所述按照重量份数计，所述发泡初衬2的原料包括废弃矿粉615份、硅酸盐水泥105份、生石灰255份、碱液500份、过氧化氢12.5份、铝粉1.4份、石膏31份。在上述比例下制备形成的发泡初衬2强度以及让压能力可达到更好的平衡。

s4，当测量的让压变形量符合所述隧道施工参数时，基于所述隧道施工参数，施作钢筋混凝土二衬4。

本发明提供的一种大变形隧道围岩让压支护体系及支护方法，不仅结构简单，构建方法简单，且可以在保证软弱围岩不坍塌的情况下，实现较大程度让压，改善了现有围岩让压支护体系不能满足隧道大变形控制要求的问题。且本发明采用的发泡初衬比传统喷射混凝土自重减少50％以上，更有利于减少二衬原材料用量，有效降低了锚杆以及二衬的厚度，减少了工程造价。

实施例1

本发明提供一种大变形隧道围岩让压支护体系，其可运用在隧道围岩为v级围岩、极软岩的情况下。

(1)在隧道围岩为v级围岩、极软岩时，根据应力测试结果资料，区内水平地应力值为16.11～27.79mpa，线路走向与区域构造线大致平行，最大主应力近似垂直于线路走向。

(2)根据上述围岩压力，采用直径25mmhrb400钢筋作为隧道系统的锚杆5，锚杆5长7.5m，纵、横向间距2.5m，锚固料强度20mpa，锚固段2.5m，张拉预应力100kn；而钢拱架层1则采用间距0.5m的i20b工字钢拱架，经计算这两层具有40cm让压变形量。

(3)根据上述围岩压力，初步设计需要喷射的发泡初衬2厚度为30cm。其中，按照重量份数计，所述发泡初衬2的原料包括废弃矿粉615份、硅酸盐水泥105份、生石灰255份、碱液500份、过氧化氢12.5份、铝粉1.4份、石膏31份。根据实验室测得的上述发泡初衬2的让压变形量约30mm。

(4)根据上述围岩压力，初步设计5cm厚度的重组竹结构叠合层，经计算得到其的让压变形量约10mm。

(5)最后根据根据上述围岩压力，设计钢筋混凝土二衬4采用c35混凝土，厚度为800mm；其中，沿隧道纵向布置的钢筋选用直径25mm的hrb400钢筋，间距为200mm；沿隧道断面布置的钢筋选用直径12mm的hrb400钢筋，间距为250mm，而箍筋i级钢筋的直径则为8mm，间距为400*500mm。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，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。