一种拼接式波纹管拱支护结构及其支护方法

本发明属于山岭隧道的初期支护领域，具体为一种拼接式波纹管拱支护结构及其支护方法；具体涉及一种适用于高地应力软岩大变形隧道的拼接式波纹管拱支护结构及其支护方法。

背景技术：

1、高地应力软岩的存在可能对隧道结构设计、施工和后期运维产生严重影响，如兰渝铁路多座隧道的大变形导致初期衬砌侵限，以致不得不拆除重建；南昆铁路家竹箐隧道、凉风垭隧道、乌鞘岭隧道的高地应力软岩段也给隧道设计和施工带来了极大困难。

2、目前，针对高地应力软岩大变形的工程措施主要有：(1)被动支护技术，如改进型的刚性支架；(2)主动支护技术，如高强度的预应力锚索；(3)软岩改性技术，如注浆；(4)让压技术，如超前导洞应力释放；(5)联合支护技术，如主被动联合支护技术。

3、其中，让压变形控制技术能有效调整围岩应力状态，降低施加在支护结构上的压力，因此，让压变形技术在工程实践中得到了广泛应用。目前的让压变形技术主要有超前应力释放技术、多层延期支护技术、可让压式结构(如可压缩式钢架、衬砌结构及锚杆结构)。同时，也出现了泡沫混凝土、陶粒土等新型让压支护材料。但既有让压式结构具有造价高、施工过程复杂等缺点。

4、此外，在隧道变形过大的情况下，喷射混凝土可能因剪切而剥落，危及施工人员的生命安全；可伸缩式锚杆的造价高、抗剪强度低；隧道变形导致的围岩位移可能降低注浆材料的黏结性能；岩体力学性质、地应力大小等条件的不同也将导致高地应力软岩隧道呈现不同程度的大变形，针对不同程度的大变形目前常需采取不同的支护措施，即目前的高地应力软岩隧道支护技术的适用性较低。因此，设计出一种适用性强、造价低的支护体系是目前高地应力软岩隧道所亟需解决的问题。

5、本发明为一种可应用于高地应力软岩隧道的初期支护结构体系，具有易安装、强自稳、可压缩、后期易加强等优点。

技术实现思路

1、本发明的目的是为高地应力软岩大变形隧道提供一种新的支护方法，拼接式波纹管拱施工简单便捷，能快速为掌子面掘进提供安全作业空间，确保隧道施工的快速推进。拼接式波纹管拱支护方法可通过管片间的滑移允许围岩的径向变形，从而释放围岩应力，所允许的径向变形量可通过管片数量、环向连接件的最大允许滑移量等进行调节，其方法最终可形成“管拱”、“管拱+钢架”，“管拱+加固注浆圈”、“管拱+钢架+加固注浆圈”等支护结构形式，不影响后期防水措施、二次衬砌等常规工序的施工，旨在解决目前高地应力软岩大变形隧道支护措施造价高、适用性低的缺点。

2、本发明提供了一种拼接式波纹管拱支护结构，包括环向连接件、波纹管片、钢架、纵向连接筋和喷射混凝土；

3、所述波纹管片设有若干组，每组波纹管片设有通过单件环向连接件相互连接的至少一件；

4、所述钢架设有相互间隔设置的多件，单件钢架的外侧与单组波纹管片相连，单件钢架的内侧与纵向连接筋相连；

5、所述纵向连接筋与隧道走向平行且被喷射混凝土覆盖；

6、所述喷射混凝土将环向连接件、波纹管片、钢架及纵向连接筋覆盖。

7、可选的，在单件波纹管片的两端设有螺栓孔，而在环向连接件设有滑槽。

8、可选的，所述滑槽设置为盲槽结构。

9、可选的，相邻波纹管片之间的间距设置为小于等于30cm。

10、本发明还提供了一种拼接式波纹管拱支护方法，应用如上述所述的拼接式波纹管拱支护结构进行支护，具体包括以下步骤：

11、步骤一、根据高地应力软岩隧道的地质情况及隧道净空要求，确定隧道断面形状及尺寸；基于隧道断面形状及尺寸确定初期支护预留变形量及支护措施；

12、步骤二、预制波纹管片及环向连接件；

13、步骤三、采用1-a→1-b→1-c→1-d→1-e→1-f的顺序对波纹管片进行拼装，采用2-a→2-b→2-c→2-d→2-e的顺序对环向连接件进行安装；

14、步骤四、管拱拼接完成后，通过卷尺测量相邻管片端的净距，观察螺栓工作状态、拼接式波纹管片的变形判定管拱工作状态，进而确定是否进一步采取内部加强措施。

15、可选的，所述初期支护预留变形量通过管片数量、环向连接件的最大允许滑移量及管片长度参数进行调节；

16、所述内部加强措施包括后期是否采用工字钢及其型号、后期是否采用注浆锚杆注浆等措施。

17、可选的，预制波纹管件及环向连接件的过程具体如下：

18、通过对拼接式波纹管片的结构尺寸进行试算，确定环向连接件的允许滑移量、管段数及长度；

19、基于确定后的环向连接件的允许滑移量、管段数及长度，对波纹管片及环形连接件进行设计及预制。

20、可选的，对波纹管片进行拼装的具体过程为：

21、安设隧道拱底对应的波纹管片；

22、按照拱脚→边墙→拱肩→拱顶的顺序对称拼接剩余波纹管片；

23、其中，上部管片安装前，需调整上部管片下端与下部管片上端的间距，再通过螺栓将管段环向连接件固定在上下管片的连接处。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、(1)本发明所提供的拼接式波纹管片支护结构，其波纹钢管片间仅通过螺栓连接、施工简单、安装快，能快速创造安全的作业空间，从而具有易安装、便施工等特点。

26、(2)本发明所提供的拼接式波纹管拱支护结构，通过在相邻两件波纹管片之间设置环向连接件，相邻两件波纹管片间的移动可允许围岩产生径向变形并释放应力，相邻两件波纹管片端最终接触达到拼接式波纹钢管拱的最大承载力；拼接管片间可容许的滑移距离及滑移所需的阻力可通过连接螺栓的紧固扭矩等进行调节；以使其具有可压缩、易调节的特点。

27、(3)因高地应力软岩隧道开挖后，围岩具有流变特性；本发明中的波纹管片外侧波峰可有效保证其与围岩的接触，而外侧波谷可用作高地应力软岩的变形挤入空间，利于围岩应力释放。此外，管片间的滑移可允许围岩发生径向变形，进一步释放围岩应力；以使其具有利释放、易接触的特点。

28、(4)拼接后的波纹管拱具有较强的稳定性。高地应力释放后，围岩变位、软岩孔隙率增大、强度急剧降低。待洞室变形稳定或支护体系达到其极限压缩后，在拼接式波纹管片内侧开孔，施作注浆锚杆向管拱外侧围岩松动圈进行注浆加固以形成承载环；当支护体系强度不足时，可在管拱内侧波谷处环向铺设型钢钢架等常规初期支护结构以稳定洞室；以使其具有强稳定、易加强的特点。

29、(5)波纹管片的抗弯能力强，管拱能承受的围岩压力较大。管拱的工作状态可通过相邻波纹管片端部的相对位移、螺栓位移及变形、管片变形等进行肉眼判定。此外，钢材结构的屈服强度高、发生破坏时的变形较大，即管拱在受力至破坏过程中所容许的围岩变形大；以使其具有高屈服、易判定的特点。

30、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

技术特征：

1.一种拼接式波纹管拱支护结构，其特征在于，包括环向连接件(1)、波纹管片(2)、注浆锚杆(3)、钢架(4)、纵向连接筋(5)和喷射混凝土(6)、连接螺栓(7)；

2.根据权利要求1所述的拼接式波纹管拱支护结构，其特征在于，在单件波纹管片(2)的两端设有螺栓孔(8)，而在环向连接件(1)设有滑槽(9)。

3.根据权利要求2所述的拼接式波纹管拱支护结构，其特征在于，所述滑槽(9)设置为盲槽结构。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的拼接式波纹管拱支护结构，其特征在于，相邻波纹管片(2)之间的间距设置为小于等于30cm。

5.一种拼接式波纹管拱支护方法，其特征在于，应用如权利要求4所述的拼接式波纹管拱支护结构进行支护，具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的拼接式波纹管拱支护方法，其特征在于，所述初期支护预留变形量通过管片数量、环向连接件的最大允许滑移量及管片长度参数等进行调节；

7.根据权利要求5所述的拼接式波纹管拱支护方法，其特征在于，预制波纹管件及环向连接件的过程具体如下：

8.根据权利要求5所述的拼接式波纹管拱支护方法，其特征在于，对波纹管片进行拼装的具体过程为：

技术总结本发明提供了一种拼接式波纹管拱支护结构及其支护方法，属于山岭隧道的初期支护领域；拼接式波纹管拱支护结构，包括环向连接件、波纹管片、钢架、纵向连接筋和喷射混凝土；所述波纹管片设有若干组，每组波纹管片设有通过单件环向连接件相互连接的至少一件；所述钢架设有相互间隔设置的多件，单件钢架的外侧与单组波纹管片相连，单件钢架的内侧与纵向连接筋相连；所述纵向连接筋与隧道走向平行且被喷射混凝土覆盖；所述喷射混凝土将环向连接件、波纹管片、钢架及纵向连接筋覆盖。其波纹钢管片间仅通过螺栓连接、施工简单、安装快，能快速创造安全的作业空间，从而具有易安装、便施工等特点。技术研发人员：刘浩,潘奕衡,高新强受保护的技术使用者：重庆交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18