软岩隧洞仰拱抗浮与抗裂缓冲支护结构、施工方法及隧洞

本发明属于软岩隧洞工程领域，尤其涉及一种软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式缓冲支护结构、施工方法及隧洞。

背景技术：

1、在软岩隧洞工程中，由于赋存环境中的高地应力与软弱围岩的强流变特性，仰拱上浮与开裂等灾害在施工期屡见不鲜，同时给工程的长期性能保持与安全运维造成巨大隐患，尤其是高速铁路隧道、公路隧道等对于轨道、路面标高控制严格的隧洞工程。传统支护技术中多以强支护为指导思想，典型的如高强预应力锚杆(锚索)、高早强注浆加固、桩基加固、基底换填、仰拱加深(增大曲率)等。一方面，传统强支护技术面临成本高昂、耗时久、注浆困难、操作空间受限等问题。一方面，随着时间的发展，仰拱的长期变形依然难以得到有效控制。近年来，让压支护在软岩隧洞工程中得到越来越多的重视，如让压锚杆(锚索)、环向分段让压型初期支护、缓冲层支护等，其中让压锚杆(锚索)等多用于拱部围岩的让压支护，在衬砌结构封闭成环后，让压形变空间受限。环向分段让压型初期支护所设置的让压单元对初期支护的整体稳定性有一定损害，在应对层状软岩隧洞工程的非对称大变形时，难以按照设计预期进行均匀环向收缩、让压。实践与研究表明，缓冲层支护对于仰拱抗浮与抗裂的控制可以发挥重要作用，如zl202010935301.9专利中泡沫混凝土缓冲层，但大体积泡沫混凝土施工时存在一定的消泡和长时间养护的问题，缓冲支护作用的及时性得不到保障。专利zl202120345114.5所设计的缓冲结构，仅考虑了竖向的缓冲支护作用，未充分考虑仰拱非均匀上浮时，在横向上所面临的张拉应力作用。另外不容忽视的一点是，仰拱缓冲层结构设计与拱部缓冲层存在显著区别，仰拱缓冲层的让压力学特性除应满足围岩长期挤压变形的挑战外，还应当考虑路面行车等动力荷载作用所引起的不均匀沉降。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供的一种软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式缓冲支护结构、施工方法及隧洞，以至少解决上述技术问题。

2、本发明为了实现上述目的，采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明公开了一种软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式缓冲支护结构，从隧洞仰拱的底部向隧洞内层依次为第一管式阵列组合梯度吸能层、仰拱初期支护层、仰拱二次衬砌层、第一片石混凝土层、第二管式阵列组合梯度吸能层、第二片石混凝土层；

4、所述的第一管式阵列组合梯度吸能层包括多层第一吸能管，每层第一吸能管包括若干沿隧道轴向布置的第一吸能管，多层第一吸能管的直径从下往上，依次逐渐减小；同时多层第一吸能管内的多孔轻质材料密度从下往上，依次逐渐增大；

5、所述的第二管式阵列组合梯度吸能层也包括多层第二吸能管，每层第二吸能管包括若干沿隧道横向布置的第二吸能管，多层第二吸能管的直径从下往上，依次逐渐减小；同时多层第二吸能管内的多孔轻质材料密度从下往上，依次逐渐增大。

6、进一步的，所述的第一吸能管、第二吸能管均由高密度聚乙烯波纹管和填充在高密度聚乙烯波纹管内部的多孔轻质材料组成。

7、进一步的，上述的多孔轻质材料可以为多孔轻质材料为聚氨酯、陶粒混凝土、泡沫混凝土或地质聚合物泡沫轻质土。

8、进一步的，在第二管式阵列组合梯度吸能层的顶部还铺设有横向贯穿式连接筋，并与初期支护钢架、锁脚锚管焊接固定连接。

9、进一步的，上述吸能管的管径在50～110mm范围内，层数可以选择在2～4层，以泡沫混凝土轻质材料为例，泡沫混凝土在管体内的密度在250～650kg/m3。

10、本发明通过管式阵列组合梯度吸能层，可为软岩隧洞工程仰拱的上浮与抗裂变形控制提供良好的缓冲支护，同时通过梯度设计，可兼顾行车等动力荷载作用诱发的沉降。

11、第二方面，本发明提供一种隧洞工程，其仰拱采用上述缓冲支护结构。

12、第三方面，本发明还提供了一种软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式缓冲支护结构施工方法，如下：

13、(1)按设计轮廓线或设计要求开挖仰拱后，清理仰拱底部宕渣和凸石、抽干底部积水；

14、(2)钻设锁脚锚管，完成注浆加固；

15、(3)沿隧道轴向铺设仰拱初期支护第一管式阵列组合梯度吸能层，按照自中间向两边、自下而上的原则，依次铺设第一吸能管；

16、(4)施做仰拱初期支护；铺设仰拱型钢钢架或格栅钢架，并通过l型螺纹钢筋与锁脚锚管焊接连接，提高初期支护与锁脚锚管的整体性；

17、(5)施做仰拱二次衬砌，制作二次衬砌钢筋笼、二次衬砌混凝土弧形模板及侧边挡板，浇筑二次衬砌混凝土；待仰拱二次衬砌混凝土按设计要求养护完成后拆模；

18、(6)浇筑仰拱种第一片石混凝土层；

19、(7)沿隧道横向铺设仰拱初期支护第二管式阵列组合梯度吸能层，按照自下而上的原则，依次铺设第二吸能管；

20、(8)在第二管式阵列组合梯度吸能层的顶部铺设横向贯穿式连接筋，并与初期支护钢架、锁脚锚管焊接固定连接；

21、(9)浇筑仰拱顶部的第二片石混凝土。

22、上述本发明的有益效果如下：

23、(1)装配化：管式阵列组合梯度吸能层由预制好的轻质多孔材料充填高密度聚乙烯波纹管铺装而成，因此可以实现装配化建造，节约工期的同时，可保障仰拱缓冲支护结构力学性能的一致性。

24、(2)梯度化设计：通过填充不同密度的轻质多孔材料，从而控制管式阵列组合吸能层的缓冲吸能力学性能，自下而上填充密度逐渐增大，有助于缓冲支护结构同时满足仰拱底部缓冲变形需求与上部路面结构对路基刚性的需求，同时节约物料成本。

25、(3)适应性强，通过调整轻质多孔材料密度以及充填管结构的管壁厚度、阵列组合排布方式，实现仰拱缓冲支护结构让压特性的快速调整，对各类地层条件的适应性强。

26、(4)抗浮与抗裂，通过轴向布置的第一吸能层与横向布置的第二吸能层联合缓冲支护，可同时实现对仰拱上浮与开裂的变形控制。

技术特征：

1.一种软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式支护结构，其特征在于，从隧洞仰拱的底部向隧洞内层依次为第一管式阵列组合梯度吸能层、初期支护层、二次衬砌层、第一片石混凝土层、第二管式阵列组合梯度吸能层、第二片石混凝土层；

2.如权利要求1所述的软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式支护结构，其特征在于，所述的第一吸能管、第二吸能管均由高密度聚乙烯波纹管和填充在高密度聚乙烯波纹管内部的多孔轻质材料组成。

3.如权利要求1所述的软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式支护结构，其特征在于，多孔轻质材料为聚氨酯、陶粒混凝土、泡沫混凝土或聚合物泡沫轻质土。

4.如权利要求1所述的软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式支护结构，其特征在于，在第二管式阵列组合梯度吸能层的最顶部还铺设有横向贯穿式连接筋，并与初期支护钢架、锁脚锚管焊接固定连接。

5.如权利要求1所述的软岩隧洞工程仰拱抗浮与抗裂装配式支护结构，其特征在于，所述的第一吸能管、第二吸能管的管径在50～110mm范围内。

6.如权利要求1所述的软岩隧洞仰拱抗浮与抗裂装配式支护结构，其特征在于，所述的第一管式阵列组合梯度吸能层的层数选择在2～4层。

7.如权利要求1所述的软岩隧洞仰拱抗浮与抗裂装配式支护结构，其特征在于，所述的第二管式阵列组合梯度吸能层的层数选择在2～4层。

8.如权利要求1-7任一所述的软岩隧洞仰拱抗浮与抗裂支护结构的施工方法，如下：

9.一种隧洞，其特征在于，其仰拱采用权利要求1-8任一所述的软岩隧洞仰拱抗浮与抗裂缓冲支护结构。

技术总结
本发明公开了一种软岩隧洞仰拱抗浮与抗裂缓冲支护结构、施工方法及隧洞，缓冲支护结构包括仰拱初期支护、第一管式阵列组合梯度吸能层、仰拱二次衬砌、第二管式阵列组合梯度吸能层。管式阵列组合梯度吸能层由多孔轻质材料充填聚乙烯波纹管逐个摆放构成，自下而上轻多孔轻质材料密度逐渐增大、波纹管管径逐渐减小，管体两端通过构造钢筋与初期支护及锁脚锚管外露端部连接，第一管式阵列组合梯度吸能层管体沿隧道轴向布置，第二管式阵列组合梯度吸能层沿隧道横向布置。本发明通过管式阵列组合梯度吸能层，可为软岩隧洞工程仰拱上浮与抗裂变形控制提供良好的缓冲支护，同时通过梯度吸能设计，可兼顾行车等动力荷载作用诱发的沉降变形。

技术研发人员：舒晓云,陈卫忠,徐正宣,谭贤君,王栋,田洪铭,张朝轩
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16