本發明專利技術涉及適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統及其支護方法，系統包括隧道初期支護結構和二次襯砌，所述隧道初期支護結構包括深入至穩定巖體的錨固支護結構、緊密貼附于圍巖內壁的第一保護層、和位于所述第一保護層內側的泡沫混凝土填充層，所述泡沫混凝土填充層內側設有二次襯砌；所述第一保護層由沿隧道徑向厚度相同的混凝土噴層和若干可壓縮墊塊構成。混凝土層被可壓縮墊塊分隔，使混凝土層的整體柔性大大加強，更能充分顯示出初襯的柔性支護的特征，避免軟巖大變形時所造成的初襯破裂，配合泡沫混凝土填充層、錨固支護結構以及二襯的綜合作用，使支護系統的整體性更好。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于公路隧道施工
，尤其涉及適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統及其支護方法。
技術介紹
隧道是圍巖與支護結構的綜合體。隧道開挖破壞了地層的初始應力平衡，產生圍巖應力釋放和洞室變形，過量變形將導致圍巖松動甚至坍塌。在開挖后的洞室周邊，施作鋼、混凝土等支撐物，向洞室周邊提供抗力，控制圍巖變形，這種開挖后隧道內的支撐體系，稱為隧道的支護。在隧道開挖后,先及時施作與圍巖密貼的外層柔性支護(一般為噴錨支護)，容許圍巖產生一定的變形，而又不致于造成松動壓力的過度變形。這種支護為初期支護，也稱為初襯。待圍巖變形基本穩定以后再施作內層襯砌(一般是模筑的)，也稱二次襯砌。二次襯砌保證了隧道在運營使用中永久穩定、安全，同時也增加了隧道的安全儲備。圍巖在柔度較大的外層支護條件下，可產生較大的形變，釋放了大部分的變形能；因而能使后設的二次襯砌減小受力。二次襯砌施作以后，又會對原先處于二維受力狀態的初襯產生徑向抗力，從而改善初襯的受力條件。在軟巖隧道施工中，由于軟巖具有流變特性，傳統的支護體系往往存在以下缺點：1、圍巖隨時間的推移產生較大的變形，而傳統的初襯都是沿圍巖表層整體噴射的混凝土層，其變形能力有限，很容易發生掉塊、脫落、擠碎等顯現，造成初期支護的破裂。2、由于初襯結構的上述缺陷，在軟巖支護結構設計中，二次襯砌的設計不僅需要承受軟弱圍巖的流變壓力，還要考慮初襯破裂造成的初襯支護性能損失，因而二次襯砌的結構設計往往更加保守，極大的增加了工程成本。3、傳統的設計方法更多的是對二次襯砌的結構進行相應的改進，來應對圍巖的不均勻變形；這一設計理念認為，在圍巖變形的作用下，由于圍巖的變形擠壓作用，初襯的混凝土噴層會因掉塊、脫離、擠碎等嚴重受損，失去了相應的支護作用，因此將二次襯砌作為承載圍巖徑向壓力的主要結構。這種情況有意忽視初襯結構的作用，犧牲了初襯作為永久性承載結構這一功能。
技術實現思路
本專利技術的目的是為克服上述現有技術的不足，提供適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統及其支護方法。為了達成上述目的，本專利技術采用如下技術方案：適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統，包括隧道初期支護結構和二次襯砌，所述隧道初期支護結構包括深入至穩定巖體的錨固支護結構、緊密貼附于圍巖內壁的第一保護層和位于所述第一保護層內側的泡沫混凝土填充層，所述泡沫混凝土填充層內側設有所述二次襯砌；所述第一保護層由混凝土噴層和若干可壓縮墊塊構成,所述混凝土噴層和所述可壓縮墊塊沿隧道徑向厚度相同。可壓縮墊塊用變形吸收施工過程中的形變壓力，泡沫混凝土層用力吸收長期形變壓力，保證隧道的長期穩定性。可壓縮墊塊和泡沫混凝土層協同作用，保證軟巖隧道在整個生命周期內的穩定性。傳統初襯中整個混凝土噴層作為一個整體，剛度較大，但變形能力差。當隧道軟弱圍巖產生較大變形時，初襯在巨大的形變壓力下很容易出現開裂破壞，軟弱圍巖在失去了混凝土噴層的保護后，會進一步發生圍巖巖體的掉塊、崩落等現象，進而成為隧道支護體系中的薄弱環節，隧道的穩定性嚴重受損。在混凝土噴層之間鋪設可壓縮墊塊，代替了的傳統的整體式混凝土噴層結構形式。可壓縮墊塊的強度低于噴射混凝土，變形能力遠大于噴射混凝土，當圍巖發生大變形時，可壓縮墊塊首先被擠壓壓縮來吸收圍巖變形。這一過程中，一方面，混凝土噴層由于被可壓縮墊塊所分隔，混凝土環向的擠壓作用大大被削弱，因而不會由于擠壓作用而產生破壞；另一方面，由于可壓縮墊塊具有一定的塑性，雖然經受較大的擠壓變形，仍然能保證墊塊本身的完整性。因此，采用這種混凝土噴層與可壓縮墊塊交錯布置的方式，可以有效的增加初襯的變形能力，當圍巖發生大變形時，仍然能保持初襯的完整性，有效的防止了圍巖巖體的進一步破損，能充分發揮圍巖巖體自身的自穩性能，提高支護效果和支護能力。利用泡沫混凝土的低彈吸能特性，在二次襯砌施工之后，進一步吸收圍巖的長期流變特性產生的形變壓力，減小二次襯砌的受力，增加二次襯砌的長期穩定性。進一步的，所述可壓縮墊塊的強度范圍為8-12MPa，提供穩定支護力的應變為20％-40％。當可壓縮墊塊的應變達到20％-40％時，仍然能提供穩定的支護力。可壓縮墊塊可以用橡膠、泡沫混凝土等制成。進一步的，在軟巖支護區域內，所述可壓縮墊塊沿隧道軸向貫通,在所述第一保護層的橫截面處，所述可壓縮墊塊在空間上將所述混凝土噴層分隔。進一步的，所述可壓縮墊塊的寬度為10-30cm。可壓縮墊塊的設計尺寸在這個數值范圍之內，能有效的發揮支護體系的承載性能，工程造價也在合理的范圍之內，實現安全性和經濟性的協調統一。進一步的，可壓縮墊塊的個數n根據圍巖大變形的預測值進行估算： n = D 0.4 * d ]]>其中D為圍巖環向變形預測值，d為可壓縮墊塊寬度。對于圍巖環向變形預測值，可以通過數值模擬確定。進一步的，所述可壓縮墊塊在隧道拱頂、拱肩和/或拱腰處布置。進一步的，所述錨固支護結構為恒阻大變形錨桿和/或恒阻大變形錨索，采用這種錨固結構可以在隨隧道圍巖發生大變形時，仍然保持較高的工作阻力,能夠在圍巖大變形條件下仍然具有很好的支護作用以保證隧道的穩定。在所述隧道的拱腳處設有鎖腳錨索，進一步保證拱腳處的結構穩定性。進一步的，所述泡沫混凝土中添加增稠劑，所述增稠劑由下述組分的原料按重量配比制成：硅粉：60-100份；膨潤土：40-70份；有機高分子粘結劑：0.3-1份。所述增稠劑的重量占泡沫混凝土中水泥重量的8％-15％。使用這個比例的增稠劑，可以使泡沫混凝土的性能達到最佳。進一步的，所述有機高分子粘結劑為：聚丙烯酸、羥丙甲基纖維素、黃原膠或聚丙烯酰胺。為了保證現場施工質量，特研制了現澆泡沫混凝土專用增稠劑，使得現場泡沫混凝土孔隙均勻，一次性澆筑高度達1m以上，使所澆筑的泡沫混凝土輕質高強的性能更加突出，具有更佳的力學性能。一種適用于軟巖隧道的支護系統的支護方法，包括以下步驟：步驟1：對于隧道開挖一進尺中需要進行初期支護的部分，在圍巖內側沿隧道縱向固定若干可壓縮墊塊；步驟2：避開可壓縮墊塊部位向圍巖內側噴射混凝土噴層，所述混凝土噴層的厚度與所述可壓縮墊塊的厚度相同，所述混凝土噴層和所述可壓縮墊塊共同構成第一保護層；步驟3：向所述第一保護層的內側噴射泡沫混凝土填充層；步驟4：在隧道的設定部位，沿隧道徑向施做若干錨固支護結構；步驟5：在所述泡沫混凝土填充層內側，施做二次襯砌。步驟1中，所述可壓縮墊塊在隧道拱頂、拱肩、拱腰處布置，相鄰可壓縮墊塊之間的間距根據圍巖破碎情況布置。本專利技術的有益效果是：1.混凝土層被可壓縮墊塊分隔，使混凝土層的整體柔性大大加強，更能充分顯示出初襯的柔性支護的特征，避免軟巖大變形時所造成的初襯破裂，配合泡沫混凝土填充層、錨
固支護結構以及二襯的綜合作用，使支護系統的整體性更好。2.初襯作用的充分發揮，可以減少二次襯砌對荷載承受能力的相關要求，使得二次襯砌的設計可以更加經濟，極大的節約了工程造價。3泡沫混凝土填充層可以很好的吸收軟弱圍巖的長期流變變形，減小二次襯砌的形變壓力，有利于隧道的長期穩定。4.充分發揮初襯的永久性支護的特點，更符合圍巖巖體的力學特性。附圖說明本文檔來自技高網...
【技術保護點】
適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統，其特征在于：包括隧道初期支護結構和二次襯砌，所述隧道初期支護結構包括深入至穩定巖體的錨固支護結構、緊密貼附于圍巖內壁的第一保護層和位于所述第一保護層內側的泡沫混凝土填充層，所述泡沫混凝土填充層內側設有所述二次襯砌；所述第一保護層由混凝土噴層和若干可壓縮墊塊構成,所述混凝土噴層和所述可壓縮墊塊沿隧道徑向厚度相同。
【技術特征摘要】
1.適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統，其特征在于：包括隧道初期支護結構和二次襯砌，所述隧道初期支護結構包括深入至穩定巖體的錨固支護結構、緊密貼附于圍巖內壁的第一保護層和位于所述第一保護層內側的泡沫混凝土填充層，所述泡沫混凝土填充層內側設有所述二次襯砌；所述第一保護層由混凝土噴層和若干可壓縮墊塊構成,所述混凝土噴層和所述可壓縮墊塊沿隧道徑向厚度相同。2.根據權利要求1所述的適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統，其特征在于：所述可壓縮墊塊的強度范圍為8-12MPa，提供穩定支護力的應變為20％-40％。3.根據權利要求1所述的適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統，其特征在于：在軟巖支護區域內，所述可壓縮墊塊沿隧道軸向貫通。4.根據權利要求3所述的適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統，其特征在于：所述可壓縮墊塊的寬度為10-30cm。5.根據權利要求3或4所述的適用于軟巖大變形隧道的協調變形支護系統，其特征在于：可壓縮墊塊的個數n根據圍巖大變形的預測值進行估算： n = D 0.4 * d ]]>其中D為圍巖環向變形預測值，d為可壓縮墊塊寬度。6.根據權利要求1所述的適用于軟巖大變形隧...
【專利技術屬性】
技術研發人員：田洪銘，陳衛忠，譚賢君，伍國軍，于洪丹，趙武勝，
申請(專利權)人：中國科學院武漢巖土力學研究所，
類型：發明
國別省市：湖北;42
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