一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构及方法

摘要

本发明提供了一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构及施工方法，它包括完整围岩，所述完整围岩之间夹杂有围岩塑性区，所述完整围岩和围岩塑性区的内侧壁设置有二衬，并在两者之间设置有间隙；所述间隙内部靠近完整围岩和围岩塑性区的内侧壁上设置有碎屑物仓体，所述碎屑物仓体内部设置有流质碎屑层，所述碎屑物仓体和二衬之间的间隙设置有陶粒仓体和充水胎体。根据隧洞不同位置的受力情况和岩体变形，用装有不同填充物的仓体按如上下、左右、前后等堆叠方式进行支护，在支撑了围岩的同时，若发生岩体变形便可利用仓体内填充物的流动性进行压力卸载，最大限度地结合并利用了不同材料的优势。

权利要求

1.一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构的施工方法，所述分仓式衬砌卸压支护结构包括完整围岩（1），所述完整围岩（1）之间夹杂有围岩塑性区（2），所述完整围岩（1）和围岩塑性区（2）的内侧壁设置有二衬（12），并在两者之间设置有间隙；

该结构是考虑在隧道围岩与二衬之间的预留变形量处，填充若干个不同类型的仓体，形成流质填充物的缓冲保护层，使均匀支护结构受力，使得二衬受力均匀；

所述施工方法包括以下步骤：

Step1：材料准备：准备压力传感器（13）、自动卸压阀（6）、压强表（7）、橡胶胎体（17）、钢拱架、废弃流质碎屑物、陶粒和胎体内流体（18）；

Step2：制作填充包裹：将所选废弃流质碎屑物装入柔性包裹袋（15）中，并在外包裹土工布袋（16），完成碎屑物仓体（4）；在充水胎体（5）外包上一层胎体保护层（9），从胎体流体输入口处充入填充胎体内流体（18），并保证气密性良好；将充水胎体（5）与自动卸压阀（6）和排水管（8）连接后，设定好自动卸压阀（6）的阈值，往橡胶胎体（17）中注水完成充水胎体；

将所选陶粒装进土工布袋（16）中扎牢，完成陶粒仓体（10）；

Step3：根据岩体性质，进行数值模拟确定围岩长期蠕变变形量，对其进行围岩开挖卸荷后隧洞受力模拟分析，得到隧道开挖后围岩塑性区（2）和完整围岩（1）分布情况，确定每个仓体的安装位置；

Step4：根据实际情况，选择合适开挖方式进行开挖隧洞；清理围岩上大于3cm处的尖角；

Step5：在隧洞开挖完成后，根据隧道的具体情况选择不同的仓体摆放方式，针对围岩塑性区（2）变形荷载较大区域，即需安装包裹物仓体的指定位置打入短锚，用于固定安装碎屑物仓体（4）和陶粒仓体，在受力较小的完整围岩布设自身承载力较小的充水胎体（5）；

Step6：将所有流质包裹物仓体预先固定在二衬结构顶部，将仓体和二衬钢拱架同时安装，钢拱架安装完成后，监测钢拱架应力应变情况；钢拱架下端采用深埋，并架设锁脚锚杆，以焊接相连；钢拱架与衬砌流质包裹体自然支撑，对围岩进行支护，使用高压注浆浇筑混凝土，形成二次衬砌；

Step7：监测充水胎体（5）内压强变化，当胎体受压荷载大于P3，其中P3为自动卸压阀阈值，自动释放水体卸除压力，直到荷载稳定在P3时；

所述碎屑物仓体（4）包括包裹袋（15），所述包裹袋（15）采用柔性囊体缝制而成密闭的包裹袋；所述包裹袋（15）的外部套装有土工布袋（16），所述包裹袋（15）内部填充有由隧洞开挖产生的废弃流质碎屑物；

所述充水胎体（5）采用柔性的橡胶胎体（17）制成，所述橡胶胎体（17）内部填充胎体内流体（18），所述充水胎体（5）的一端连接有自动卸压阀（6），另一端安装有压强表（7）；

所述充水胎体（5）的表层套有一层胎体保护层（9），所述充水胎体（5）上连接有排水管（8）。

2.根据权利要求1所述一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构的施工方法，其特征在于：所述包裹物仓体周边二衬结构上每距一段距离开设通孔（11），所述通孔（11）用于卸压、注浆或排水。

3.根据权利要求1所述一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构的施工方法，其特征在于：所述二衬（12）和流质缓冲层（14）之间设置有多个压力传感器（13）。

说明书

一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构及方法

技术领域

[0001] 本发明主要针对隧洞的衬砌支护和变形卸压及施工方法，实现在支护隧洞的同时可以根据隧洞不同位置的受力情况和岩体变形进行安全经济地卸压，适用于各类隧洞和渠道等需支护的结构。

背景技术

[0002] 传统的衬砌是在隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。为了防止围岩变形会坍塌，通常采用喷涂混凝土和钢筋支护的措施，一旦岩体发生变形，力便传递到洞壁，增加洞壁破坏的风险，若有细微的破坏便可能造成巨大的损失和危险，且钢筋等材料价格较高，大规模采用钢筋支护要投入更多的成本。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构及施工方法，该结构主要针对隧洞的衬砌支护和变形卸压，根据隧洞不同位置的受力情况和岩体变形，用装有不同填充物的仓体按如上下、左右、前后等堆叠方式进行支护，在支撑了围岩的同时，若发生岩体变形便可利用仓体内填充物的流动性进行压力卸载，最大限度地结合并利用了不同材料的优势，即使部分仓体破坏也不影响整体效果，填充物充满仓体间的缝隙又可加强衬砌的支护效果，既提高了安全系数又缩小了投入成本。

[0004] 为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构，它包括完整围岩，所述完整围岩之间夹杂有围岩塑性区，所述完整围岩和围岩塑性区的内侧壁设置有二衬，并在两者之间设置有间隙；所述间隙内部靠近完整围岩和围岩塑性区的内侧壁上设置有碎屑物仓体，所述碎屑物仓体内部设置有流质碎屑层，所述碎屑物仓体和二衬之间的间隙设置有陶粒仓体和充水胎体。

[0005] 所述碎屑物仓体包括包裹袋，所述包裹袋采用柔性囊体缝制而成密闭的包裹袋；所述包裹袋的外部套装有土工布袋，所述包裹袋内部填充有由隧洞开挖产生的废弃流质碎屑物。

[0006] 所述充水胎体采用柔性的橡胶胎体制成，所述橡胶胎体内部填充胎体内流体，所述充水胎体的一端连接有自动卸压阀，另一端安装有压强表。

[0007] 所述充水胎体的表层套有一层胎体保护层，所述充水胎体上连接有排水管。

[0008] 所述完整围岩和围岩塑性区与二衬的间隙之间设置有预留变形腔体，所述预留变形腔体内设置有若干个流质包裹物仓体，并形成一层流质缓冲层。

[0009] 所述每个包裹物仓体周边二衬结构上每距一段距离开设卸压/注浆孔/排水管。

[0010] 所述二衬和流质缓冲层之间设置有多个压力传感器。

[0011] 任意一项所述多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构的施工方法，它包括以下步骤：

[0012] Step1：材料准备：准备压力传感器、自动卸压阀、压强表、橡胶胎体、钢拱架、废弃流质碎屑物、陶粒和胎体内流体；

[0013] Step2：制作填充包裹：将所选废弃流质碎屑物装入柔性包裹袋中，并在外包裹土工布袋，完成碎屑物仓体；在充水胎体外包上一层胎体保护层，从胎体流体输入口处充入填充胎体内流体，并保证气密性良好；将充水胎体与自动卸压阀和排水管连接后，设定好自动卸压阀的阈值，往橡胶胎体中注水完成充水胎体；将所选陶粒装进土工布袋中扎牢，完成陶粒仓体；

[0014] Step3：根据岩体性质，进行数值模拟确定围岩长期蠕变变形量，对其进行围岩开挖卸荷后隧洞受力模拟分析，得到隧道开挖后围岩塑性区和完整围岩分布情况，确定每个仓体的安装位置；

[0015] Step4：根据实际情况，选择合适开挖方式进行开挖隧洞；清理围岩上大于3cm处的尖角；

[0016] Step5：在隧洞开挖完成后，根据隧道的具体情况选择不同的仓体摆放方式，针对围岩塑性区变形荷载较大区域，即需安装包裹物仓体的指定位置打入短锚，用于固定安装碎屑物仓体和陶粒仓体，在受力较小的完整围岩布设自身承载力较小的充水胎体；

[0017] Step6：将所有流质包裹物仓体预先固定在二衬结构顶部，将仓体和二衬钢拱架同时安装，钢拱架安装完成后，监测钢拱架应力应变情况；钢拱架下端采用深埋，并架设锁脚锚杆，以焊接相连；钢拱架与衬砌流质包裹体自然支撑，对围岩进行支护，使用高压注浆浇筑混凝土，形成二次衬砌；

[0018] Step7：监测充水胎体内压强变化，当胎体受压荷载大于P3，其中P3为自动卸压阀阈值，自动释放水体卸除压力，直到荷载稳定在P3时。

[0019] 本发明有如下有益效果：

[0020] 1、本发明创新性地提出一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构，该结构是考虑在隧道围岩与二衬之间的预留变形量处，填充若干个不同类型的仓体，形成流质填充物的缓冲保护层，可使均匀支护结构受力，使得二衬受力均匀，解决衬砌结构受力不均匀性显著的问题。

[0021] 2、本发明所提出的分仓支护结构可以给围岩提供的指定支反力，并且其大小可由自动卸压阀根据实际工程情况调节。

[0022] 3、本发明所提出的分仓支护结构可在围岩蠕变过程中给岩体提供指定的支护力，从而显著降低其塑性区扩张，使得围岩最终蠕变量大幅降低；

[0023] 4、本发明可在隧洞开挖后直接安装流质充填层施加二衬，取消初衬锚杆支护，减少初衬对隧洞的围岩的扰动，可抑制临空面位移和塑性区向围岩深部发育。

[0024] 5、本发明可减少隧洞支护施工工艺，大大节约施工工期，降低初衬钢筋、混凝土用量和拱架截面面积，可节30% 40%相关钢材用量，降低整体的施工成本。~

[0025] 6、本发明采用多种填充物的仓体通过不同堆叠方式进行排布，可根据隧洞内围岩不同位置的受力情况进行灵活搭配，提高安全系数。

[0026] 7、本发明采用多种填充物的仓体独立排布，如若发生个别仓体破坏的情况，对其他仓体几乎没有影响，整体稳定性强，提高隧洞稳定安全系数。

附图说明

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0028] 图1为本发明涉及技术的一种仓体上下堆叠方式示意图。

[0029] 图2为本发明所涉及技术的一种仓体左右堆叠方式示意图。

[0030] 图3为本发明所涉及技术的一种仓体前后堆叠方式示意图。

[0031] 图4为本发明所涉及的碎屑物仓体示意图。

[0032] 图5为本发明所涉及的陶粒仓体示意图。

[0033] 图6为本发明所涉及的充水胎体示意图。

[0034] 图中：完整围岩1，围岩塑性区2，流质碎屑层3，碎屑物仓体4，充水胎体5，自动卸压阀6，压强表7，排水管8，胎体保护层9，陶粒仓体10，卸压/注浆孔/排水管11，二衬12，压力传感器13，流质缓冲层14，包裹袋15，土工布袋16，橡胶胎体17，胎体内流体18，导线19，陶粒20。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

[0036] 实施例1：

[0037] 参见图1-6，一种多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构，它包括完整围岩1，所述完整围岩1之间夹杂有围岩塑性区2，所述完整围岩1和围岩塑性区2的内侧壁设置有二衬12，并在两者之间设置有间隙；所述间隙内部靠近完整围岩1和围岩塑性区2的内侧壁上设置有碎屑物仓体4，所述碎屑物仓体4内部设置有流质碎屑层3，所述碎屑物仓体4和二衬12之间的间隙设置有陶粒仓体10和充水胎体5。通过采用上述衬砌卸压支护结构，能够对特定区域进行有针对性的支护，流质碎屑层3在围岩变形前期可相互独立的给对应区域提供指定支反力，当围岩变形荷载较大时，各个仓体可通过多种方式卸除围岩荷载，首先通过仓体内流质充填物向两侧挤压流动消耗一部分围岩荷载；此外胎体内压强通过自动泄压阀排出水体卸除。

[0038] 进一步的，每个碎屑物仓体4、陶粒仓体10和充水胎体5可各个独立工作互不影响，如若发生个别充水胎体5仓体破坏的情况，对其它仓体支护效果几乎没有影响，整体稳定性强，提高隧洞稳定安全系数。

[0039] 进一步的，所述的碎屑物仓体4装填开挖的工程废料，其目的在于其具有一定强度能为隧道提供支护作用。

[0040] 进一步的，所述碎屑物仓体4包括包裹袋15，所述包裹袋15采用柔性囊体缝制而成密闭的包裹袋；所述包裹袋15的外部套装有土工布袋16，所述包裹袋15内部填充有由隧洞开挖产生的废弃流质碎屑物。所述的采用多种填充物的仓体，通过不同堆叠方式进行排布，可根据隧洞内围岩不同位置的受力情况进行灵活搭配，提高安全系数。所述的碎屑物仓体最外层用土工布袋16包裹，其目的在于防止围岩中存在尖锐物体扎破柔性袋。

[0041] 进一步的，所提出的分仓支护结构可以给围岩提供指定支反力，并且其大小可由自动卸压阀根据实际工程情况调节。

[0042] 进一步的，所述预设的自动卸压阀，其目的在于当充水胎体所受压力，到达阈值时自动排出胎体中的一部分水，从而卸除荷载。

[0043] 进一步的，所述充水胎体5采用柔性的橡胶胎体17制成，所述橡胶胎体17内部填充胎体内流体18，所述充水胎体5的一端连接有自动卸压阀6，另一端安装有压强表7。其目的在于传递包裹所受荷载到隧道其他部位，避免局部荷载过大。

[0044] 进一步的，所述充水胎体5的表层套有一层胎体保护层9，所述充水胎体5上连接有排水管8。

[0045] 进一步的，所述完整围岩1和围岩塑性区2与二衬12的间隙之间设置有预留变形腔体，所述预留变形腔体内设置有若干个流质包裹物仓体，并形成一层流质缓冲层14。

[0046] 进一步的，所述每个包裹物仓体周边二衬结构上每距一段距离开设卸压/注浆孔/排水管11。

[0047] 进一步的，所述二衬12和流质缓冲层14之间设置有多个压力传感器13。通过所述的压力传感器13。通过

[0048] 进一步的，后期监测过程中，如果发现胎体支护力太小，可以给胎体补充填充物，提高胎内压强，并且调节卸压阀的阈值。

[0049] 进一步的，所述使用陶粒仓体，其目的在于陶粒具有一定强度，可以为隧道提供支护作用，当荷载过大时，陶粒会被压碎，陶粒迫使同时也是卸除荷载的过程，并且陶粒质量轻，便于搬运。

[0050] 进一步的，所述设置的卸压/注浆孔/排水管11，其目的在于用于让连接充水胎体的排水管排水，并在后期通过该孔高压注浆。

[0051] 实施例2：

[0052] 任意一项所述多种填充物的分仓式衬砌卸压支护结构的施工方法，它包括以下步骤：

[0053] Step1：材料准备：准备压力传感器13、自动卸压阀6、压强表7、橡胶胎体17、钢拱架、废弃流质碎屑物、陶粒和胎体内流体18；

[0054] Step2：制作填充包裹：将所选废弃流质碎屑物装入柔性包裹袋15中，并在外包裹土工布袋16，完成碎屑物仓体4；在充水胎体5外包上一层胎体保护层9，从胎体流体输入口处充入填充胎体内流体18，并保证气密性良好；将充水胎体5与自动卸压阀6和排水管8连接后，设定好自动卸压阀6的阈值，往橡胶胎体17中注水完成充水胎体；将所选陶粒装进土工布袋16中扎牢，完成陶粒仓体10；

[0055] Step3：根据岩体性质，进行数值模拟确定围岩长期蠕变变形量，对其进行围岩开挖卸荷后隧洞受力模拟分析，得到隧道开挖后围岩塑性区2和完整围岩1分布情况，确定每个仓体的安装位置；

[0056] Step4：根据实际情况，选择合适开挖方式进行开挖隧洞；清理围岩上大于3cm处的尖角；

[0057] Step5：在隧洞开挖完成后，根据隧道的具体情况选择不同的仓体摆放方式，针对围岩塑性区2变形荷载较大区域，即需安装包裹物仓体的指定位置打入短锚，用于固定安装碎屑物仓体4和陶粒仓体，在受力较小的完整围岩布设自身承载力较小的充水胎体5；

[0058] Step6：将所有流质包裹物仓体预先固定在二衬结构顶部，将仓体和二衬钢拱架同时安装，钢拱架安装完成后，监测钢拱架应力应变情况；钢拱架下端采用深埋，并架设锁脚锚杆，以焊接相连；钢拱架与衬砌流质包裹体自然支撑，对围岩进行支护，使用高压注浆浇筑混凝土，形成二次衬砌；

[0059] Step7：监测充水胎体5内压强变化，当胎体受压荷载大于P3，其中P3为自动卸压阀阈值，自动释放水体卸除压力，直到荷载稳定在P3时。

[0060] 本发明的工作原理为：

[0061] 技术是考虑在隧道围岩与二衬之间的预留变形量处，设置若干个流质包裹物仓体，形成一层流质缓冲层，该利用流质充填物较好的流动性、可压缩性、抗震和良好隔绝性功能特点，在围岩的变形过程中，碎屑物仓体和陶粒仓体主要起到支护作用，充水胎体起到将围岩压力均化的作用，防止局部压力过大损坏二衬。当围岩将碎屑物包裹挤压变形时，力传递至充水胎体，充水胎体承受压力达到阈值时，泄压阀会自动将水排出，达到卸压的目的。陶粒仓体初期起到支护作用，压力过大时陶粒破坏，同时也起到卸压目的。

[0062] 上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。