[发明专利]高地应力软岩大变形初期支护体系

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种高地应力软岩大变形初期支护体系。

背景技术

目前，越来越多的隧道工程穿越大范围高地应力软岩地层，隧道建设过程中大变形灾害问题凸显，严重危及了隧道施工及运营安全。高地应力软岩隧道围岩自承能力差，开挖后变形速度快，难以控制，常常会出现失稳、坍塌现象，施作的初期支护开裂、侵限，导致施工进尺缓慢，建成的二次衬砌经过一段时间后出现底鼓、边墙下沉、衬砌开裂现象，这样不仅增加了施工工作量，而且还造成了很大的损失。

因此，上述工况的施工会通过设置钢拱架来控制围岩变形。钢拱架分为刚性钢拱架和可缩式钢拱架。刚性钢拱架适合在围岩变形量不大或地应力不高的情况下使用。刚性钢拱架的接头处采用螺栓连接和焊接，如果采用刚性钢拱架作为高地应力软岩隧道的初期支护体系，在高地应力作用下，作用在拱架上的荷载不能得到有效释放，在施工过程中发现，分部开挖断面上中下台阶交接处（钢拱架接头）初期支护变形严重，接头处整体性较差，初期支护侵入二衬空间，不得不拆换拱架，严重影响了施工安全和进度。钢架会出现扭曲变形甚至折断，喷射混凝土层崩裂，使初期支护承载能力逐步丧失，导致成型断面缩小，直至坍塌。

采用可缩式钢拱架可以允许围岩产生适度的大变形，目前已有的可缩式钢拱架是利用钢拱架伸缩缝接头间的摩擦吸收围岩变形释放的能量，达到应力释放的目的。但这种可缩式钢拱架刚度相对较小，接头易损坏，不设喷混凝土纵向缝时接头处喷混凝土易压碎、崩裂，降低了喷混凝土的整体承载能力；设纵向缝时，由于未封闭，围岩易从纵向缝处挤出，甚至形成碎屑流，导致支护背后形成空腔诱发塌方，结构失稳。

综上所述，目前针对一般软岩隧道的支护方式对于复杂地质条件下的大变形软岩隧道可能不适用，不能有效控制隧道的大变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种高地应力软岩大变形初期支护体系，适用于复杂地质条件下的高地应力软岩隧道施工，能有效控制隧道的大变形。

本发明所采用的技术方案为：

高地应力软岩大变形初期支护体系，包括纵向平行布置的多环H型钢钢拱架，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接钢筋或槽钢连接，其特征在于：

将单榀钢拱架环向分隔为多个节段，节点处通过承插式钢拱架接头连接；

相邻两榀钢拱架对应节点之间的初期支护喷混凝土层中留有纵向沟槽，纵向沟槽中设置有可压缩钢管。

承插式钢拱架接头包括U形底座和U形底座内对称设置的两个凸柱，两个凸柱与U形底座之间的空隙形成H形的插槽；

单榀钢拱架相邻节段之间通过承插式钢拱架接头连接，一侧H型钢与U形底座的底板焊接固定，另一侧H型钢插入U形底座的H形插槽中。

承插式钢拱架接头的U形底座侧板上设置有钢拱架接头上的螺栓槽。

单榀钢拱架环向分隔为六个节段，节点分别位于拱顶、两侧拱肩和两侧拱腰上的台阶处。

纵向沟槽中的可压缩钢管轴向垂直于隧道轴线垂直，轴向长度等于初期支护的厚度。

可压缩钢管设置1-3排，轴向两侧设置有钢板并通过焊接方式固接；

拱腰处的可压缩钢管设置2-3排，拱顶和拱肩处的可压缩钢管设置1-2排。

可压缩钢管最外侧一侧的钢板与承插式钢拱架接头通过焊接方式固接。

本发明具有以下优点：

1、本发明利用初期支护体系内植入的钢管既可提供抗力，也可在高地应力作用下产生压缩变形来释放部分地应力，实现了边抗边让，且成本低，安全高效，方便施工。

2、通过预设变形槽，变形槽内植入可压缩钢管，解决了仅设可缩式接头，导致喷混凝土层不能适应变形出现崩裂、掉块的问题。

3、本发明中单榀钢拱架之间采用承插式接头连接，使H型钢钢拱架既可以有一定的变形量，也有较大的刚度，可提供强有力的支撑体系。一方面，该接头使钢拱架具有可缩性，可以实现应力释放，减少作用在衬砌上的荷载；另一方面，与螺栓连接相比，承插式接头使钢架上下两段之间的连接部分重叠，其整体性更好，方便安装，并可有效改善接头处扭曲现象。

4、根据所需要提供的抗力、变形量来动态调节钢管的尺寸、层数、根数以及预设纵向槽数量、钢架接头个数等参数，可以使初期支护体系适应更大的变形量，使围岩可释放更多的能量。

5、在纵向沟槽中植入钢管还具有“挡土”作用，可有效防止衬砌变形时围岩从预设纵向沟槽中挤出。

附图说明

图1为本发明的结构布置图。

图2为本发明的结构示意图。