软岩大变形隧道支护的刚柔性拱架的制作方法

本实用新型涉及软岩大变形隧道支护工程领域，具体是一种软岩大变形隧道支护的刚柔性拱架。

背景技术：

软岩大变形隧道支护目前是一项国际性的难题。针对软岩大变形隧道，支护拱架目前有两种理念，一种是加强初期支护拱架的强度、刚度，采取“硬抗”的方法来控制围岩变形；另一种是采取柔性支护的方法，允许围岩有一定的变形，先释放一定的应力，而后再抗的方法。因第一种“硬抗”的理念在世界各地包括国内多条隧道采用后，产生的不良后果较多，费用成本较大，故现在普遍推行第二种支护理念，即“先让后抗”的支护理念，柔性拱架也结合该理念而应运而生。目前柔性支护拱架虽有众多，但因接头滑动处不能很好地受力，使支护效果降低，或滑动处受喷射混凝土作用卡死而无法滑动，或因围岩压力方向与滑动头滑动方向不一造成滑动困难，而起不到先让的效果，致使初支变形开裂，降低支护效果。

为此，需研究一种可真正能压缩变形的支护拱架来适应围岩的各种变形。软岩大变形隧道的支护拱架要求有以下特点：（1）强柔性，这是因为软岩隧道的初期围岩压力太大，在这一阶段阻止围岩进一步变形收敛必然要求支护结构具有大刚度和高强度，导致支护结构的造价太高，所以要有强柔性来适应这种变形收敛。（2）高可压缩性。软岩隧道变形收敛量大，但当其变形达到一个较大值时，围岩压力才会有明显的降低，降至支护结构能承受的范围，这就要求支护结构有较高的可压缩性。（3）边支边让。软岩的力学性能研究证明，在无围压压缩状态下，软岩表现出较强的弹脆性，软岩破坏以后，强度有很大的降低，而当围压比较大时，软岩的塑性就明显增强，软岩屈服以后，强度降低不明显。这就说明一定的围岩压能够改善软岩变形破坏过程，使软岩在变形破坏的过程中强度不能有太大的降低，体现在支护结构上，就要求支护结构在支护过程中自始至终都能给围岩以支撑，提拱一定的支撑力，使围岩在变形破坏过程中强度不能有太大的降低，减少作用于支护结构上的围岩压力。（4）增阻性。支护结构必须具有增阻性，即具有支护抗力随变形的增大而增大的特性，特别是在软岩隧道变形破坏后期，支护结构的增阻性应更强，支护结构的刚度能迅速提高，以达到最终阻止围岩变形破坏的目的。（5）有限的可压缩性。软岩隧道在变形过程中，围岩的破坏区不断增大，当围岩破坏区扩展到一定范围时，围岩压力不再随软岩隧道的变形破坏而减小，而是增大。因此，此时的支护结构的可压缩性也应达到极限，这样支护结构能够及时阻止围岩进一步变形破坏，从保证隧道断面满足工程使用上的要求角度出发，支护结构也必须具有有限的可压缩性。

鉴于以上特征，需发明一种可符合该项技术特征的拱架来适应软岩变形的隧道支护。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种符合上述技术特征的拱架来适应软岩变形的隧道支护，具体是一种软岩大变形隧道支护的刚柔性拱架。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：软岩大变形隧道支护的刚柔性拱架，包括内层闭合拱架和外层间断拱架，

所述内层闭合拱架包括若干节内层拱架单元，外层间断拱架包括若干节外层拱架单元，内层拱架单元和外层拱架单元之间一一对应，且每个外层拱架单元均通过至少两个可伸缩式结构支撑于相应的内层拱架单元外侧，且外层拱架单元和内层拱架单元之间还设有为可伸缩式结构提供预压力的预压结构；

相邻内层拱架单元之间相互连接闭合形成内层闭合拱架，相邻外层拱架单元之间存在间距且支撑于隧道内壁，内层闭合拱架和外层间断拱架之间的间隙填充有压缩材料层。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述可伸缩式结构为高强弹簧或类弹簧装置。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述预压结构为预压锚固筋。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述可伸缩式结构与预压结构为间隔设置。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，每个高强弹簧两侧均设有预压锚固筋。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，每组外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构的数量不完全相等。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，每组外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构的分布不完全等间距。

本实用新型所述的软岩大变形隧道支护的刚柔性拱架，采用双层结构的刚柔性拱架能较好的适应各种围岩变形，真正实现了软岩大变形地层隧道开挖的“先让后抗”，在围岩变形初期，其支护力相对较小，但当围岩变形发生后，随着围岩变形的增大，拱架的反支撑力也会逐渐增大，有效地约束围岩出现无限制变形。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型所述软岩大变形隧道支护的刚柔性拱架的结构示意图。

图2为内层闭合拱架和外层间断拱架之间的连接放大图。

图中：1-内层闭合拱架，2-外层间断拱架，3-可伸缩式结构，4-预压结构，5-压缩材料层，6-仰拱拱架。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细的说明。

软岩大变形隧道支护的刚柔性拱架，包括内层闭合拱架1和外层间断拱架2，

所述内层闭合拱架1包括若干节内层拱架单元，外层间断拱架2包括若干节外层拱架单元，内层拱架单元和外层拱架单元之间一一对应，且每个外层拱架单元均通过至少两个可伸缩式结构3支撑于相应的内层拱架单元外侧，且外层拱架单元和内层拱架单元之间还设有为可伸缩式结构3提供预压力的预压结构4；

相邻内层拱架单元之间相互连接闭合形成内层闭合拱架1，相邻外层拱架单元之间存在间距且支撑于隧道内壁，内层闭合拱架1和外层间断拱架2之间的间隙填充有压缩材料层5。

具体的，所述可伸缩式结构3为高强弹簧或类弹簧装置。所述类弹簧装置为具有可伸缩功能的装置。

进一步的，所述预压结构4为预压锚固筋。

具体实施时，可以将可伸缩式结构3与预压结构4为间隔设置。或者优选的如图2所示的，每个高强弹簧两侧均设有预压锚固筋。

具体应用时，每组外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构3的数量不完全相等。即根据实际隧道断面的情况，从满足工程使用要求的角度出发，有针对性的对部分外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构3数量设计较多，其他部分的外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构3数量设计较少且数量相等。

或者是，每组外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构3的分布不完全等间距。即根据实际隧道断面的情况，从满足工程使用要求的角度出发，有针对性的对部分外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构3密集设计，其他部分的外层拱架单元和内层拱架单元之间的可伸缩式结构3零散设计，且一组内的外层拱架单元和内层拱架单元之间相邻可伸缩式结构3之间的间距可以相等，也可以不等。

具体使用时，隧道开挖轮廓按围岩变形特征，提前预留出足够的变形量，支护拱架采用内外双层拱架，内层闭合拱架1采用闭合成环的形式，用以提供刚性支撑力，外层间断拱架2采用断开的拱架，以适应围岩变形压缩时拱架能够受压变形，化解围岩的初始应变能。内层闭合拱架1间采用高强弹簧或类弹簧装置，用以对外层拱架提供一定的支撑反力，并随着压缩量的增大，反力也相应增大。在安装拱架前，提前采用预压锚固筋对高强弹簧进行预压，以对围岩提供初始支撑力，避免围岩无约束变形，降低围岩强度。内层闭合拱架1与仰拱拱架6相连，完成安装闭合并用锚杆固定后，解除高强弹簧的预压约束，对外层间断拱架2进行挂网喷射混凝土，之后在压缩材料层5填充可压缩材料（如类似活动板房的板材、薄铁皮夹石岩棉等），再对内层闭合拱架1挂网喷射混凝土，形成完成的初支体系。当初支里面的岩体变形时，首先压缩高强弹簧，同时弹簧也对其提供一定的反力，当弹簧被压缩到不能压缩后则由内层闭合拱架1直接提供支撑，这样就使围岩变形始终在受约束的状态下发生，有效地降低围岩的应变能，充分保护围岩的力学强度，改善围岩的承载能力，避免隧道围岩刚性压迫拱架进而造成拱架因变形过大而失稳造成塌方等灾害，同时也避免了初支开裂侵限换拱的问题，极大地保证了隧道施工安全，提高施工效率。高强弹簧的数量可根据弹簧力和围岩变形压力来设置数量。弹簧也可根据围岩变形位置来有针对性的设置，不一定是全环设置。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。