一种用于敞开式TBM施工的衬砌结构的制作方法

本技术属于用于长大隧道tbm施工，尤其涉及一种用于敞开式tbm施工的衬砌结构。

背景技术：

1、在山岭长大隧道建设中敞开式tbm已经得到普遍应用，其施工技术日益成熟，尤其是针对ii级、iii级、iv级、v级稳定性好坚硬地层能充分发挥其快速掘进的优势，但是对于软弱围岩、断层破碎地层适用性较差。

2、在敞开式tbm施工隧道中，经常遇到软弱围岩、断层、岩爆等不良地层等施工问题，但是由于tbm的结构和施工特性，其受困与软弱围岩、断层、岩爆等不良地层后的处理难度要远大于钻爆法施工隧道，不仅会造成工期延误，还可能使敞开式tbm受损，甚至可能造成tbm施工失败。以往tbm软弱围岩、断层破碎带、岩爆地层施工实施如中处理问题一般比较困难，也有被迫改成钻爆法成洞的沉痛教训。

3、在敞开式tbm施工隧洞中遇到软弱围岩、断层、岩爆等不良地层时，通常会遇到卡机、坍塌，尤其是左右侧撑靴部位易造成tbm撑靴受力不均、出现打滑。在软弱围岩、断层、岩爆等不良地层掘进时通常根据其软弱程度和破碎程度选用钢筋排、强支护强行通过、组装钢拱架支护、化学灌浆加固+强支护、化学灌浆加固+组合钢拱架、超前管棚注浆加固+强支护、超前管棚注浆加固+组合式钢拱架、化学灌浆加固+超前管棚注浆加固等相结合的支护措施通过，但是以上支护措施耗时长，容易造成tbm盾壳卡机的风险，同时支护施工完成后不能及时的喷射混凝土至设计厚度，不能及时的封闭裸露围岩，初期支护不能承受围岩压力存在二次坍塌的风险。同时敞开式tbm在强烈岩爆区，无法抵御岩爆产生的飞石对人员的伤害和机械的设备的损害，往往需要停机待避，影响tbm的施工工期，鉴于以上敞开式tbm在软弱、断层、岩爆等不良地层的支护方式，还需要进一步的研究。

4、结合新疆某22.13km级特长隧道，地处高寒高海拔地区，隧道采用“3洞+4竖井”设计方案，中导洞采用敞开式tbm法掘进，设计开挖直径8430mm，总机长度285m，采用2台敞开式tbm掘进21.464km，依次穿越中风化花岗斑岩、大理岩夹砂质板岩、花岗岩，穿越4条断裂带，将敞开式tbm与压注式有效结合，采用一次初期支护为模筑混凝土代替上述背景中支护方式，快速的穿越了fw-14断层破碎带，克服了敞开式tbm在软弱围岩、断层地段初期支护后不能及时喷射混凝土封闭裸露围岩所造成的坍塌、撑靴打滑等风险，提高了敞开式tbm的掘进功效。

技术实现思路

1、本实用新型提供了一种用于敞开式tbm施工的衬砌结构，重在解决敞开式tbm穿越软岩大变形、岩爆、断层破碎带等不良地层存在的坍塌、撑靴打滑、卡机、岩爆飞石伤人及损伤设备等问题。

2、本实用新型通过下述技术方案实现：

3、一种用于敞开式tbm施工的衬砌结构，其特征在于：包括：初期支护，紧贴于tbm开挖岩面设置，在混凝土未凝固之前始终保持恒定压力以抵抗围岩压力和水压力，紧贴岩层，不给岩层的松弛留有余地 ，从而起到及时的支撑岩层的作用，一直到混凝土凝固不释放压力，所以围岩很难产生松弛和下沉；二次衬砌，设置于初期支护内侧，横截面为拱形，二次衬砌进一步巩固了隧道，延长了隧道的使用寿命，并美化了隧道内部的环境；弧形仰拱块，设置于二次衬砌的两拱脚之间，弧形仰拱块的上端面作为人和车辆经过隧道的路面；排水系统，设置于初期支护与二次衬砌之间，避免岩层中的地下水等水份通过初期支护后进一步的渗入二次衬砌而影响隧道的安全性及使用性。

4、需要指出的是，所述初期支护为抗渗等级≥p8且抗冻等级≥f300的模筑混凝土，抗渗且抗冻的模筑混凝土使得初次支护能够快速铺筑，使支撑岩层更加的及时，进一步的避免了围岩的松弛和下沉，也同时避免了高湿低温的环境对初期支护带来的破坏，一次初期支护采用模筑混凝土与敞开式穿越软岩、断层等不良地质组合支护方式相比，其强度、密度和平整度指标显著提高，一次初期支护模筑混凝土一次性成型整体质量好、表面平整度好，所述二次衬砌为钢筋混凝土，二次衬砌采用钢筋混凝土的施工方式确保了隧道整体的强度以及使用寿命。

5、优选的，所述初期支护模筑混凝土为钢纤维混凝土，初期支护采用钢纤维模筑混凝土同常规敞开式tbm穿越软岩、断层等不良地质组合支护方式相比，减小了初期支护工作量，降低了人工成本，节约了传统支护方式中钢拱架、连接钢筋、钢筋网、喷射混凝土和锚杆等材料的费用。

6、进一步地，所述钢纤维混凝土由水泥、粉煤灰、硅灰、粗骨料、细骨料、钢纤维和减水剂按照配合比参配而成，钢纤维混凝土选用以上组分混合而成，在保证了工程质量的同时，还减少了常规敞开式tbm喷射混凝土、化学灌浆带来的洞内粉尘污染和油水污染，提高了洞内的空气质量，节约了油污处理费用，实现了隧道绿色施工。

7、需要说明的是，所述排水系统包括：环向排水管为直径d的软式透水管，其中d≥50mm，间隔一定距离l分段紧贴于初期支护内壁表面敷设，其中l≥10m，面向初期支护的一侧的管壁至少设有一个孔，环向排水管用于收集岩层中渗透初期支护的水份；复合防水层，敷设于环向排水管远离初期支护的一侧，在未设有环向排水管的位置直接敷设于初期支护内侧，复合防水层避免了尚未流进环向排水管的水份渗透至二次衬砌的问题；纵向排水管，为直径d’的pe双壁波纹管，其中d’≥50mm，设有两根，设于弧形拱形块与二次衬砌的两端拱脚的接触处且延伸至整个施工段，通过三通与所述环向排水管连通，环向排水管收集到的水份受重力影响而自然流向二次衬砌的两端拱脚内侧的纵向排水管，再由纵向排水管将水份排向外界。

8、进一步地，所述复合防水层包括：土工布，紧贴于环向排水管远离初期支护的一侧敷设，在没有环向排水管的位置直接紧贴于初期支护内侧敷设，防水板，紧贴于所述土工布敷设，土工布与防水板的组合在保证了防水性能的同时，不仅降低了施工的材料成本，还方便安装，大大节约了施工的时间成本。

9、优选的，所述纵向排水管被复合防水层反包n圈，其中n≥1，复合防水层反包纵向排水管避免纵向排水管直接接触二次衬砌，在避免未被环向排水管收集的水份在复合防水层外侧流向底部而在复合防水层边缘浸湿二次衬砌的同时，还避免了纵向排水管外壁在环境温湿度较高时产生的冷凝水浸湿二次衬砌。

10、优选的，所述弧形仰拱块的上端面为平面且下端面为圆弧面，所述弧形仰拱块采用三腔空腹式结构，在预制场集中预制，三腔空腹结构在保证强度的同时，不仅节约了原材料，还减轻了弧形仰拱块的重量，使得这一预制件更好的运输和安装，所述弧形仰拱块靠近二次衬砌拱脚的两端间隔距离长度为x米的上下端均设有y组的二衬钢筋预留孔，二衬钢筋预留孔的设置避免了在弧形仰拱块的上端面作为隧道的路面使用时出现强度不足而再在表面铺设钢筋混凝土的问题，可直接通过二衬钢筋预留孔向弧形仰拱块中添设钢筋以增加其强度，所述弧形仰拱块的顶面设有至少一对注浆孔，其中x、y均为不为零的自然数。

11、优选的，所述弧形仰拱块左右两端中心位置各设有z个泄水孔，所述泄水孔通过横向排水管与设置在纵向排水管上的三通连通，且与弧形仰拱块靠近二次衬砌拱脚两侧的腔室连通，其中z为不为零的自然数，泄水孔将纵向排水管与靠近二次衬砌拱脚两侧的腔室连通，当纵向排水管中水量较大时，纵向排水管中的水份流向二次衬砌拱脚两侧的腔室，多个腔室相连形成涵沟式结构，能够将水份排向隧道外。

12、优选的，所述注浆孔贯穿弧形仰拱块且关于初次衬砌中心与弧形仰拱块上端面的垂线镜像对称，任意一个注浆孔的轴线的延长线和所述垂线的延长线相交，注浆孔的设置用于填补弧形仰拱块与其下方的初次衬砌的空隙，避免弧形仰拱块在实际使用时出现松动甚至塌陷的问题。

13、进一步地，所述弧形仰拱块的下端面通过仰拱块底部回填与初期支护连接，通过注浆孔注入的填充物连成片形成了仰拱块底部回填这一结构。

14、需要说明的是，所述仰拱块底部回填为通过注浆孔注入的高强细石混凝土，仰拱块底部回填会承受弧形拱仰块与初次衬砌之间的较大的挤压力，如果采用普通水泥，仰拱块底部回填较易损坏，维修需要中断此路段的使用并重新支模注浆，付出很大的经济与时间成本，故采用高强细石混凝土避免出现频繁维修。

15、本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

16、1、施工安全性高，敞开式tbm掘进完成后立即安装钢模板注入高性能钢纤维混凝土，在混凝土未凝固之前始终保持恒定压力以抵抗围岩压力和水压力，紧贴岩层，不给岩层的松弛留有余地 ，从而起到及时的支撑岩层的作用，一直到混凝土凝固不释放压力，所以围岩很难产生松弛和下沉，同时由于混凝土紧贴在围岩上，所受的地层压力相当均匀，因而结构轴向力增加，弯矩减少，对于混凝土结构受力安全有利；

17、2、施工质量可靠，一次初期支护采用模筑混凝土与敞开式穿越软岩、断层等不良地质组合支护方式相比，其强度、密度和平整度指标显著提高，一次初期支护模筑混凝土一次性成型整体质量好、表面平整度好，二次衬砌施作时一次初期支护基准面好，防水板铺设、二次衬砌施工难度降低，能显著提升二次衬砌施工质量；

18、3、节约工程造价，一次初期支护采用钢纤维模筑混凝土同常规敞开式tbm穿越软岩、断层等不良地质组合支护方式相比，减小了初期支护工作量，降低了人工成本，节约了钢拱架、连接钢筋、钢筋网、喷射混凝土、锚杆等材料的费用；

19、4、环保节能，一次初期支护钢纤维模筑混凝土代替型钢拱架、钢筋网片、锚杆、超前加固等，减少了钢材使用量，达到了节能减排的目的，同时减少了常规敞开式tbm喷射混凝土、化学灌浆带来的洞内粉尘污染和油水污染，提高了洞内的空气质量，节约了油污处理费用，实现了隧道绿色施工。