基于溶腔位置的隧道支護結構的制作方法

本實用新型涉及一種基于溶腔位置的隧道支護結構。
背景技術：
：作為公路建設和鐵路建設的重要組成部分，山嶺隧道已經在我國獲得了大規模的發展。其中不少隧道穿越或者臨近溶腔，雖然國內外都對隧道穿越巖溶的安全性這一問題給予了高度的重視，但是此類事故依然不斷發生。特別是我國巖溶地貌分布復雜，溶腔分布極不規則且難以探測，對隧道建設安全造成極大危害。溶腔中水的存在也對隧道的施工造成重大的安全隱患，深入研究穿越溶腔的隧道加強支護結構與處治方法具有十分重要的意義。通過對現有的技術文獻檢索發現，雖然已有大量關于穿越巖溶地層的隧道加強支護結構與處治方法的專利文獻，如中國發明專利申請號CN201420783205.7，發明名稱：一種巖溶隧道復合型支護結構，其沒有對巖溶隧道安全性進行評價而采取有針對性的措施，以及發明專利申請號CN201510490047.5，發明名稱：一種巖溶隧道巖溶安全厚度計算方法，其所提供的安全厚度方法完全基于理論計算，將巖溶隧道與溶腔簡化為結構力學模型，而實際隧道穿越巖溶是一種地層結構模型，所計算出來的結果與實際不符，另外還有發明專利申請號CN201120178851.7，發明名稱：橫貫隧道式溶腔穩固處理體系，其只考慮了橫貫隧道式溶腔，并沒有全面考慮不同位置溶腔的隧道加強支護結構與處治方法。技術實現要素：針對現有技術存在的不足，本發明要解決的技術問題是提供一種基于溶腔位置的隧道加強處治方法與支護結構，設計合理，考慮全面且施工速度快，實用效果好，根據溶腔不同位置選擇合適的隧道加強支護結構及處治方法，能徹底解決巖溶區隧道的安全施工及安全運行問題。就方法而言：本發明的一種基于溶腔位置的隧道加強處治方法，包括以下步驟：S1.確定巖溶區溶腔的位置、形態以及溶腔與隧道的最近距離L；S2.確定隧道巖溶區安全厚度H；S3.判斷隧道受巖溶區溶腔影響的安全性，通過S1所探測得到的溶腔與隧道的最近距離L與安全厚度H相比較，L>H，則隧道安全；L≤H，則隧道不安全；S4.根據隧道安全性采取不同的隧道支護結構：S4.1.隧道安全：則根據現場監控量測，隧道支護結構包括初期支護、二次襯砌和超前支護；S4.2.隧道不安全：分為兩種情況：S4.2.1.隧道與溶腔無貫通：在步驟S4.1的基礎上，在隧道與溶腔之間依次鉆孔、安裝鋼花管和鋼花管內灌漿；S4.2.2.隧道與溶腔貫通：在步驟S4.1的基礎上，設置與施工隧道支護結構和溶腔連接為一體的雙層回填復合結構；進一步地，步驟S2包括：S2.1.幾何建模：根據S1中得到的巖溶區溶腔的形態及范圍、隧道的開挖輪廓以及盡量減小隧道與溶腔之間相互影響，取隧道開挖輪廓距巖溶區底板安全厚度為M，建立幾何模型；S2.2.參數取值，根據工程地質勘查報告、原位試驗及室內試驗、設計圖紙進行圍巖及隧道襯砌各方面的取值，參數包括：各層巖土體的壓縮模量Es，孔隙比e，天然重度γ，泊松比μ，粘聚力c，摩擦角φ，隧道襯砌的厚度D、彈性模量E、泊松比μ、重度γ；S2.3.最小安全厚度的確定，計算中將隧道開挖輪廓距溶腔最近點作為起始點，然后向溶腔頂板或底板每隔一定的距離取一個特征點，以此得到隧道與溶腔之間圍巖各關鍵點應力及位移曲線，依據各關鍵點應力及位移曲線的變化段可求出對應的中間區巖層厚度d，用S2.1中幾何建模所取的隧道開挖輪廓距溶腔底板最近距離為L減去所計算出來的中間區巖層厚度d得出隧道巖溶區安全厚度H,即H＝L-d。進一步地，步驟S4.2.1中鋼花管穿過溶腔并向溶腔外伸出，且鋼花管伸出溶腔外的長度為溶腔與隧道距離L的15-25％進一步地，步驟S4.2.2中的雙層回填復合結構根據溶腔位置不同而不同，包括隧道頂部雙層回填復合結構、隧道中部雙層回填復合結構和隧道底部雙層回填復合結構，其中：隧道頂部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面上方的防滲砼護拱和布設在防滲砼護拱正上方的砂礫回填緩沖層；隧道中部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面左、右兩側的防滲砼砼護墻和布設在防滲砼砼護墻外側的砂礫回填緩沖層；隧道底部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面下方的防滲砼砼護底和布設在防滲砼護底下方的碎石墊層，所述防滲砼護底和碎石墊層填充于隧道開挖斷面下方的溶腔內。進一步地，步驟S4.2.2中設置隧道內排水結構，隧道內排水結構包括由雙層無防布和EVA構成的復合式防水板、加密環向盲管和橫向排水管。就支護結構而言，本發明的基于溶腔位置的隧道支護結構，包括位于隧道周向的初期支護、二次襯砌和超前支護，其特征在于：還包括位于隧道與溶腔之間的雙層回填復合結構。進一步地，所述雙層回填復合結構包括隧道頂部雙層回填復合結構、隧道中部雙層回填復合結構和隧道底部雙層回填復合結構，其中：隧道頂部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面上方的防滲砼護拱和布設在防滲砼護拱正上方的砂礫回填緩沖層；隧道中部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面左、右兩側的防滲砼砼護墻和布設在防滲砼砼護墻外側的砂礫回填緩沖層；隧道底部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面下方的防滲砼砼護底和布設在防滲砼護底下方的碎石墊層，所述防滲砼護底和碎石墊層填充于隧道開挖斷面下方的溶腔內。進一步地，還包括隧道內排水結構，所述隧道內排水結構包括復合式防水板、加密環向盲管和橫向排水管，所述復合式防水板位于隧道內壁上，所述加密環向盲管位于復合式防水板的內壁上，所述橫向排水管位于隧道內的底部。進一步地，所述復合式防水板包括雙層無防布和EVA層。進一步地，還包括從隧道穿至溶腔的鋼花管，所述鋼花管穿透溶腔并伸至溶腔外，且鋼花管伸出溶腔外的長度為溶腔與隧道距離L的15-25％。本發明的有益效果：1、本發明的基于溶腔位置的隧道支護結構，計算方法合理、考慮全面、設計合理、施工速度快、使用效果好，根據隧道不同的安全狀況采用不同的支護方法和結構；2、本發明的基于溶腔位置的隧道支護結構，根據溶腔位置選擇對應的支護結構，能有效的解決穿越巖溶區隧道的施工及安全運營問題。附圖說明圖1為本發明隧道安全時支護結構示意圖；圖2為本發明隧道不安全且無貫通時支護結構示意圖；圖3為本發明隧道不安全且貫通時支護結構示意圖；圖4為本發明隧道不安全且貫通時防排水結構示意圖；附圖標記：1-溶腔、2-隧道、3-初期支護、4-二次襯砌、5-超前支護、6-鋼花管、7-防滲砼護拱、8-砂礫回填緩沖層、9-防滲砼護墻、10-防滲砼護底、11-碎石墊層、12-復合式防水板、13-環向盲管、14-橫向排水管。具體實施方式以某隧道為例，該隧道為西部大通道——長沙-重慶高速公路武隆至水江段建設條件最復雜的控制性工程之一，右洞長7120m，左洞長7097.897m，設計為分離式雙洞隧道，隧道穿越構造溶蝕侵蝕中低山脈山脈頂部為寬緩的構造溶蝕峰叢洼地地貌。實施例1本實施例為基于溶腔位置的隧道加強處治方法，該方法包括以下步驟：S1.確定巖溶區溶腔的位置、形態以及溶腔與隧道的最近距離L。具體地，依據工程地質勘查報告，同時對現場進行地質雷達探測確定巖溶區溶腔的位置、形態、規模和延伸方向等，本實例中，探明溶腔位于隧道拱頂上方與左側邊墻處，頂部溶腔高5.5m，縱向4.5m，橫向可見長度約8m，溶腔走向與隧道走向垂直，溶腔與隧道貫通，即L<0；左側邊墻溶腔走向與隧道走向平行，巖溶區與隧道無貫通且巖溶區距離隧道10.8m,即左側溶腔與隧道之間的L＝10.8m。S2.確定隧道巖溶區安全厚度H，依據工程條件建立有限元數值模型，然后對其進行彈塑性分析計算，以計算結果為基礎對安全厚度巖層變形狀態進行分析，最后根據圍巖的穩定情況來確定安全厚度。具體步驟如下：S2.1.幾何建模：根據S1中得到的巖溶區溶腔的形態及范圍、隧道的開挖輪廓以及盡量減小隧道與溶腔之間相互影響，取隧道開挖輪廓距巖溶區底板安全厚度為M＝30m，建立幾何模型；S2.2.參數取值，根據工程地質勘查報告、原位試驗及室內試驗、設計圖紙進行圍巖及隧道襯砌各方面的取值，參數包括：各層巖土體的壓縮模量Es，孔隙比e，天然重度γ，泊松比μ，粘聚力c，摩擦角φ，隧道襯砌的厚度D、彈性模量E、泊松比μ、重度γ；本實施例中參數取值為：地面至地下36m范圍內為土層，土層的彈性模量E＝0.1MPa，天然重度γ＝17.8kN/m3，泊松比ν＝0.33，粘聚力C＝20kPa，摩擦角φ＝15°，土層下為砂質灰巖，圍巖彈性模量＝1.2MPa，天然重度γ＝20kN/m3，泊松比ν＝0.3，粘聚力C＝150kPa，摩擦角φ＝27°；隧道支護彈性模量E＝30GPa，重度γ＝20kN/m3，泊松比ν＝0.2，D＝26cm。S2.3.最小安全厚度的確定，計算中將隧道開挖輪廓距巖溶區最近點作為起始點，然后向溶腔底板每隔一定的距離取一個特征點，以此得到隧道與巖溶區之間圍巖各關鍵點應力及位移曲線，以隧道與巖溶區間圍巖各關鍵點到隧道開挖輪廓線距離為橫坐標，以上述有限元法計算出來的各關鍵點位移及應力值為縱坐標分別繪制出溶腔位于拱頂上方、溶腔位于左側邊墻規律曲線。根據此規律得出溶腔位于隧道拱頂上方和左側邊墻時的中間區巖層厚度d＝16.4m、d＝17.3m，然后，用第二步中幾何建模所取的隧道與巖溶區安全厚度M減去所計算出來的中間區巖層厚度即可得出巖溶區位于隧道拱頂上方和左側邊墻時最小安全厚度H＝30m-16.4m＝13.6m、H＝30m-17.3m＝12.7m。S3.判斷隧道受巖溶區溶腔影響的安全性，通過S1所探測得到的溶腔與隧道的最近距離L與安全厚度H相比較，L>H，則隧道安全；L≤H，則隧道不安全；本實施例中隧道拱頂上方溶腔與隧道貫通，L<0,隧道不安全；隧道左側邊墻溶腔與隧道距離L＝10.8m≤H＝11.9m，隧道不安全。S4.根據隧道安全性采取不同的隧道支護結構：S4.1.隧道安全：則根據現場監控量測，隧道支護結構包括初期支護、二次襯砌和超前支護；S4.2.隧道不安全：分為兩種情況：S4.2.1.隧道與溶腔無貫通：在步驟S4.1的基礎上，在隧道與溶腔之間依次鉆孔、安裝鋼花管6和鋼花管6內灌漿；本實施例中，隧道左側的溶腔與隧道無貫通，本實例中，初期支護采用全環工I18型鋼鋼架，全環工I18型鋼鋼架的結構與隧道斷面結構相對應，且由多個節段連續拼裝組成。二次襯砌采用熱軋無縫鋼管，型號為φ108mm×6mm(公稱直徑×壁厚)、L-15m/根，按照57根/環、環向間距30cm、拱部為120°布置，外插角3，搭接長度4-5m，每根鋼管軸向與隧道中線方相一致，每根鋼管的管壁上鉆20mm的溢漿孔、間距20cm、呈梅花型布置，并壓注水泥砂漿，全環工I18型鋼鋼架的縱向間距為0.6m。在隧道與溶腔之間鉆孔時的深度為12.8m、直徑89mm，按梅花形布置。根據鉆孔的形式選擇與鉆孔匹配的鋼花管6鉆進，鋼花管6垂直布置，鋼花管6端頭嵌入巖溶區底板以下2m，即鋼花管6穿過溶腔后在向外伸出2m，鋼花管伸出溶腔外的長度為溶腔與隧道距離L的15-25％。鋼花管6注漿按梅花型布置，間距取為2m×2m。注漿管壁上預留注漿孔，孔徑10-16mm，孔間距為15-20mm，尾部1-1.5m范圍不留注漿孔，作為止漿段。上述注漿的材料采用水泥砂漿，水泥采用膨脹水泥。具體注漿參數根據現場試驗確定，本實例中水灰比取1︰1，注漿壓力0.5MPa～1.0MPa，注漿區為松散塌體孔隙率較大，擴散半徑取2.0m。注漿機使用GZJB型液壓雙液注漿機。注漿后進行注漿效果檢查，采用ZH-20型巖石鉆孔取芯機對巖溶區內塌渣進行取芯，根據芯樣判斷注漿固結效果。如果注漿固結效果沒達到方案設計要求，則進行重新補注漿。S4.2.2.隧道與溶腔貫通(L<0)：在步驟S4.1的基礎上，設置與施工隧道支護結構和溶腔連接為一體的雙層回填復合結構；雙層回填復合結構根據溶腔位置不同而不同，包括隧道頂部雙層回填復合結構、隧道中部雙層回填復合結構和隧道底部雙層回填復合結構，其中：隧道頂部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面上方的防滲砼護拱和布設在防滲砼護拱正上方的砂礫回填緩沖層；隧道中部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面左、右兩側的防滲砼砼護墻和布設在防滲砼砼護墻外側的砂礫回填緩沖層；隧道底部雙層回填復合結構包括布設在隧道開挖面下方的防滲砼砼護底和布設在防滲砼護底下方的碎石墊層，所述防滲砼護底和碎石墊層填充于隧道開挖斷面下方的溶腔內。上述的防滲砼為鋼纖維膨脹砼，其配制包括原材料的選定和配合比選擇，原材料的選定和配合比選擇遵循使混凝土中的孔隙率降低，提高其密實率、抗滲性和耐腐蝕性，使支護結構滿足抗滲的要求，并保證不降低混凝土強度的原則。本實例中，原材料的選定為：①水泥選用425普通硅酸鹽水泥；②細骨料為河沙，含泥量小于2％；③粗骨料最大粒徑為10mm，含泥量不超過1％；④水采用飲用水；⑤鋼纖維為剪切型，長度為25-30mm，等效直徑為0.3-0.8mm，長徑比為40-100；⑥膨脹劑為PNC早強型。砼護拱、砼護墻及砼墊層施工配合比的選擇見表1。表1鋼纖維膨脹混凝土配合比(kg/m3)水泥細骨料粗骨料水鋼纖維膨脹劑400740910195(a1)80(b2)60步驟S4.2.2中設置隧道內排水結構，隧道內排水結構包括由雙層無防布和EVA構成的復合式防水板、加密環向盲管和橫向排水管。需要說明的是，S4.2.2中也可以加入鉆孔、裝鋼花管6并注漿，以提高隧道與溶腔貫通時對隧道的支護強度。實施例2本實施例為基于溶腔位置的隧道支護結構，包括位于隧道2周向的初期支護3、二次襯砌4和超前支護5，還包括位于隧道2與溶腔1之間的雙層回填復合結構。所述雙層回填復合結構包括隧道頂部雙層回填復合結構、隧道中部雙層回填復合結構和隧道底部雙層回填復合結構，其中：隧道頂部雙層回填復合結構包括布設在隧道2開挖面上方的防滲砼護拱7和布設在防滲砼護拱7正上方的砂礫回填緩沖層8；隧道中部雙層回填復合結構包括布設在隧道2開挖面左、右兩側的防滲砼砼護墻9和布設在防滲砼砼護墻外側的砂礫回填緩沖層8；隧道底部雙層回填復合結構包括布設在隧道2開挖面下方的防滲砼砼護底10和布設在防滲砼護底下方的碎石墊層11，所述防滲砼護底10和碎石墊層11填充于隧道2開挖斷面下方的溶腔1內。具體施工過程為：依次在隧道外設置二次襯砌、初期支護以及超前支護后，在溶腔與初期支護之間的圍巖層中鉆孔，在鉆孔內設置有鉆孔匹配的鋼花管，隨后通過注漿孔往鋼花管內注入水泥砂漿，從而達到加固圍巖層的目的；當隧道與溶腔貫通時，具體施工過程為：首先依次在隧道外設置二次襯砌、初期支護以及超前支護，隨后在溶腔與初期支護之間設置雙層回填復合結構，雙層回填復合結構采用砼護結構為氣密性好的混凝土層，砂礫回填緩沖層對砼護結構進行穩固。綜上所述，該結構的支護系統，能根據隧道與溶腔不同的位置關系，選擇不同的支護結構，既能節約成本，又能滿足不同條件下的隧道支護需求。為了提高隧道排水能力，還包括隧道內排水結構，所述隧道內排水結構包括復合式防水板12、加密環向盲管13和橫向排水管14，所述復合式防水板12位于隧道內壁上以防止圍巖層向隧道內滲水，所述加密環向盲管13位于復合式防水板12的內壁上用于將水導致橫向排水管14，所述橫向排水管14位于隧道內的底部將水導致隧道外。所述復合式防水板包括雙層無防布和EVA層。進一步地，還包括從隧道穿至溶腔的鋼花管6，鋼花管6內注漿，進一步提高了隧道的支護強度，鋼花管6穿透溶腔并伸至溶腔外，且鋼花管伸出溶腔外的長度為溶腔與隧道距離L的15-25％，加強鋼花管6在巖溶區內的安裝強度，提高了鋼花管對隧道的支護能力。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點,對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。當前第1頁1 2 3