[发明专利]一种增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆

说明书

一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，包括与钢架相连的约束杆杆体，约束杆杆体侧壁上开设有若干注浆孔，约束杆杆体末端设置有螺母与止浆塞，螺母与止浆塞之间设置有钢垫板和橡胶垫，约束杆杆体的一侧设置有排气管，该排气管穿过钢垫板、橡胶垫和止浆塞。本发明采用的约束杆与钢架相连，为初期支护结构增加附加的“铰约束”，增强初期支护结构的稳定性，能有效约束初期支护结构在较小的围岩压力下产生“曲杆”失稳破坏问题。与传统的系统锚杆相比，本发明采用了大直径、大尺度的约束杆，注浆后锚固力大幅度提高，有效地限制钢架的沉降收敛变形。

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆。

背景技术

我国是一个多山并且地质条件极其复杂的国家，山区面积占2/3以上。随着国民经济的持续快速发展，交通基础工程的大规模建设，在公路、铁路的建设过程中需要修筑大量隧道，所涉及的工程地质条件也更加复杂。当隧道穿越软弱松散地层时，由于围岩的自稳性差或施工技术方案与支护措施不当，隧道初期支护结构在施工期间极易出现大变形甚至发生失稳破坏，具体表现为初期支护开裂、掉块，钢架扭曲、折断，频繁拆换拱，以及二衬开裂、破坏，隧道拱脚下沉，仰拱上隆开裂等工程病害。

造成上述问题的原因，大体上可以归结为以下几个方面。首先，由于工程地质条件的多样性，复杂性和不确定性，以及我国目前普遍存在的地质勘察的薄弱性和粗糙性，导致隧道围岩分级划分出错，支护设计不符合实际情况。其次，对不同类型软弱围岩的变形模式、破坏形式的形成机理认识不清，特别是对高地应力或围岩压力的分布、大小变化等缺少成熟的理论指导，多数认识仍停留在经验判识阶段，在具体实践层面对高地应力软弱围岩的大变形，普遍采用先让后抗设计支护原则，即先用不同的方法进行应力释放，如采用可伸缩的柔性支护，超前应力释放导洞，预留沉降量等，然后进行强支护，如两层或三层钢架强支护。另外，对于初期支护的开裂和侵限，国内外学者普遍认为是由于高地应力和设计、施工技术方案与支护措施不当引起的，多采用不断增加初期支护结构强度和刚度的方案，无人关注隧道支护结构的稳定性，而从现场情况分析，初期支护结构的开裂、钢架扭曲、折断和侵限破坏是标准的受力结构失稳模态。

在隧道初期支护结构稳定性方面，隧道内常用的系统锚杆并无明显的增强效应。在作用效果方面，隧道内的系统锚杆，如常用的砂浆锚杆和中空注浆锚杆虽然在提高围岩力学性能，改善围岩受力状态，加固围岩和维护围岩稳定方面有着积极作用，但是诸多研究表明，系统锚杆的作用仅在硬岩(坚硬岩、较硬岩)中表现明显，而在软弱地层中的增强效应并不显著，且系统锚杆的施工会造成隧道支护时机的延误。在工艺技术方面，系统锚杆与钢架并不相连，并不能对钢架的受力变形及稳定性起到约束作用。同时，系统锚杆杆体直径较小，与浆体接触面积小，隧道现场多采用风枪进行钻孔，孔径较小，孔内注浆量小，形成的锚固体往往抗拔力低，锚固力不足。并且，隧道内系统锚杆注浆多采用普通硅酸盐水泥浆液，该种水泥浆液强度增长速度缓慢，往往在下一进尺的爆破过程中，未达到终凝状态，不能及时有效地发挥作用。因此，在软弱地层中取消系统锚杆的做法，目前基本已成为共识。

综合分析上述软岩隧道大变形机理及隧道支护措施，还存在以下不足之处：

(1)对于软岩大变形隧道的发生机理认识并不透彻、不统一。多从初期支护强度、刚度不足方面进行着手，并未关注初期支护结构的稳定性。

(2)系统锚杆对于软岩隧道初期支护的稳定性并无明显贡献，且注浆后不能及时有效地发挥作用。隧道现有支护手段并不能显著增强初期支护结构的稳定性，亟需一种新型的支护措施，以实现增加隧道初期支护结构稳定性的目的。

发明内容

为解决现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，该约束杆通过高强快硬锚固砂浆实现快速提供锚固强度的目的；通过与钢架连接，为钢架增加附加的“铰约束”，约束初期支护结构在较小的围岩压力下产生“曲杆”失稳破坏的问题。