一种三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构及施工方法

1.本发明涉及一种隧道围岩支护结构，具体涉及一种三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构及施工方法。


背景技术：

2.随着以川藏铁路工程和滇中引水工程等为代表的新一轮西部基础设施的建设开发，及资源开采持续向深部进军，我国将建设大量深埋高应力隧(巷)道工程。深埋高应力硬岩隧(巷)道工程将频繁遭遇岩爆灾害，如贯穿秦岭的引汉济渭工程秦岭隧洞、贯穿天山的新疆abh输水隧洞工程和锦屏二级水电站引水隧洞工程等均频繁遭遇岩爆灾害。现有研究认为，岩爆是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的动力现象，可分为应变岩爆和矿震岩爆。硬岩岩爆和软岩大变形是深埋高应力隧道工程频繁遭遇的两种灾害，相比于软岩大变形，硬岩岩爆具有更高的突发性、随机性和危害性等特征，因而其带来的灾害更大、损失更为严重，如损毁支护结构和掘进设备，带来重大经济损失，延滞隧道工程建设时间，甚至造成人员伤亡等。
3.根据岩爆破坏深度、沿隧洞纵向破坏长度、块体平均弹射速率和声响特征等的不同，可对岩爆灾害进行等级划分，分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆。对于轻微岩爆和中等岩爆，现有支护结构即能进行较好地控制，如采用传统刚性锚杆、布置环向钢拱架、在钢拱架背后架设沿纵向方向的钢筋排等。而对于强烈岩爆和极强岩爆而言，传统刚性支护难以起到很好的控制效果，强烈的岩爆往往会造成锚杆断裂、钢拱架扭曲甚至整体垮塌、岩块发生动力弹射造成人员伤亡等，因此，应强调支护结构对岩爆的适应性和吸能特征，即能够吸收破裂块体的大部分动能，而非单纯依靠强力去抵御，基于此，新型吸能支护应运而生，典型如吸能锚杆等，它具有吸能、自身能够发生滑移大变形且具有一定支护强度等特征。
4.现有吸能锚杆基本原理是在锚杆钻孔孔底或孔口或孔外设置滑移装置或屈服构件，实现锚杆沿轴向的滑移或收缩，适应围岩的大变形，可采用结构滑移式大变形或构件大收缩或材料自身大变形的形式。然而，单纯依靠这类大变形锚杆在控制强烈岩爆及极强岩爆方面效果不佳，究其原因在于强烈岩爆发生后，往往是锚杆周边整体围岩发生脱落、弹射崩出，造成锚杆尾部悬空从而失去支护效力。因此，对于强烈岩爆甚至极强岩爆，为防止破裂岩块的冲击灾害，新型支护结构的提出显得迫在眉睫。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构，以解决现有支护结构在控制强烈岩爆及极强岩爆动力冲击效果不佳的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构，包括紧贴岩壁架设的柔性钢筋网、多级恒阻大变形锚杆、环向薄钢带、纵向薄钢带、环向钢拱架、纵向厚钢带；
7.所述环向钢拱架、环向薄钢带环绕内壁，等间隔交替沿隧道轴向设置；所述环向钢拱架包括环向钢拱架片和环向让压构件，环向钢拱架片与环向让压构件交替连接形成环形结构；所述环向让压件为可缩式缓冲结构；
8.所述纵向薄钢带、纵向厚钢带等间隔交替沿隧道轴向设置，与环向钢拱架、环向薄钢带形成网状结构；所述纵向厚钢带与环向钢拱架的交叉处固定连接；所述纵向薄钢带和环向薄钢带的交叉处设置有贯穿入围岩内部的多级恒阻大变形锚杆。
9.本发明所述三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构中的“三柔”体现为柔性钢筋网、多级恒阻大变形锚杆和环向让压构件，“两刚”则体现为将钢拱架进行纵向相连的纵向厚钢带和纵环相连的薄钢带。
10.进一步，所述柔性钢筋网采用交叉编织的方式制成。
11.进一步，所述多级恒阻大变形锚杆深入围岩内部，由至少三个恒阻器、孔外螺栓和螺纹钢杆体构成；孔外螺栓依次穿过螺母、垫片、环向薄钢带、纵向薄钢带、柔性钢筋网，然后深入围岩内部与恒阻器依次连接；钻孔剩余空间由锚固剂填充，锚杆钻孔布设于环向薄钢带和纵向薄钢带交叉处。
12.更进一步，所述多级恒阻大变形锚杆中的螺纹钢杆体置于恒阻器中，前一个螺纹钢杆体与后一个恒阻器端头预留螺纹连接；孔外部分通过孔外螺栓连接第一个恒阻器，螺栓依次贯穿螺母、垫片、环向薄钢带、纵向薄钢带和柔性钢筋网，直至旋入第一个恒阻器的预留螺纹槽；孔底螺纹钢杆体加工成楔形便于刺穿锚固剂，减小锚杆安装阻力。
13.进一步，所述环向让压构件包括套筒和置于套筒中的圆杆，所述套筒和圆杆的头端均连接有钢垫板；套筒内壁设置有用于缓冲的凸棱；钢垫板与环向钢拱架片端头固定连接。
14.进一步，所述环向钢拱架与纵向厚钢带的交叉处焊接固定；环向钢拱架和纵向厚钢带均通过锁脚锚杆固定于岩壁上。为了防止纵向厚钢带妨碍环向钢拱架的安装，待强岩爆段所有断面环向钢拱架安装完毕后再架设纵向厚钢带，也可以通过缩短纵向厚钢带的形式，即每2榀环向钢拱架之间设置一组纵向厚钢带。为了提高纵向厚钢带的稳定性，还通过锁脚锚杆将纵向厚钢带固定于岩壁上。
15.进一步，所述环向薄钢带与纵向薄钢带交叉处的环向薄钢带设置为凸起状以绕过纵向薄钢带。
16.进一步，所述环向薄钢带和纵向薄钢带均通过锁脚锚杆固定于岩壁上。环向薄钢带和纵向薄钢带交叉处在多级恒阻大变形锚杆安装前通过焊接相连接以提高钢带的整体稳定性，并预留锚杆孔。
17.进一步，所述支护结构安装完毕后喷射混凝土，其厚度需确保所有的支护结构被覆盖，且对最内层支护结构(即纵向厚钢带)的覆盖厚度不小于5cm。
18.本发明第二方面提供第一方面所述的三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构的施工方法，包括以下步骤：
19.步骤一：全站仪放样，找出锚杆孔位置并钻孔，确保钻孔轴线与隧道洞壁垂直；
20.步骤二：铺设柔性钢筋网；
21.步骤三：架设纵向薄钢带，将纵向薄钢带用锁脚锚杆固定于岩壁上；
22.步骤四：架设环向薄钢带，在架设前，在与纵向薄钢带交叉处加工成凸起，以便绕
过纵向薄钢带，将环向薄钢带用锁脚锚杆固定于岩壁上，在交叉处，将纵向薄钢带和环向薄钢带采用焊接相连；
23.步骤五：组装多级恒阻大变形锚杆，在锚杆安装前，需在锚杆钻孔中塞入锚固剂，在喷射混凝土前需每日一次复紧；
24.步骤六：安装环向钢拱架，并用锁脚锚杆固定；
25.步骤七：在环向钢拱架片之间的端头安装环向让压构件；
26.步骤八：架设纵向厚钢带，并用锁脚锚杆固定于岩壁上，在纵向厚钢带和环向钢拱架交叉处采用焊接方式相连接；
27.步骤九：喷射混凝土，确保覆盖住所有支护结构，并对纵向厚钢带的覆盖层不小于5cm。
28.本发明的有益效果是：
29.(1)本发明通过上述三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构，采用三种柔性支护和两层刚性支护(“三柔”包括柔性钢筋网、多级恒阻大变形锚杆和环向让压构件，“两刚”包括纵向厚钢带、纵环相接的薄钢带)；其中，柔性支护结构对岩爆破碎岩块的冲击动能进行了有效吸收，实现了对强岩爆破碎岩块动力冲击的缓冲并防止碎片弹射、崩出；刚性支护使得整个支护结构具有抵抗强度，并提高了整体支护结构的刚度，防止钢拱架垮塌、锚杆尾部悬空，能够实现隧道硬岩强岩爆冲击的有效控制，并有效降低隧道施工过程强岩爆或极强岩爆发生时造成安全事故的概率。
30.(2)本发明中柔性支护和刚性支护交替融合成一个支护整体，柔性和刚性结构之间互相协同作用，达到了“刚柔并济”的效果。
附图说明
31.图1为三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护纵向剖面图。
32.图2为柔性钢筋网示意图。
33.图3为b-b横剖面图。
34.图4为多级恒阻大变形锚杆示意图。
35.图5为环向和纵向薄钢带纵向剖面图。
36.图6为a-a横剖面图。
37.图7为环向让压构件示意图。
38.图8为环向钢拱架、环向让压构件和纵向厚钢带布置纵向剖面图。
39.图9为安装完毕后的立体支护示意图(喷射混凝土未绘出)。
40.图10为三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构安装流程图。
41.图标：1-环向钢拱架；2-环向让压构件；3-环向薄钢带；4-螺母；5-垫片；6-螺纹钢杆体；7-恒阻器；8-锚固剂；9-孔外螺栓；11-多级恒阻大变形锚杆；12-纵向薄钢带；13-纵向厚钢带；14-锁脚锚杆；15-钢垫板；16-圆杆；17-柔性钢筋网；18-套筒；19-螺纹状凸棱。
具体实施方式
42.下面结合具体实施例对本发明的内容进一步说明，本发明的内容完全不限于此实施例。
43.图1为本发明的三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护系统纵向剖面图，该支护系统从岩壁向隧道中心依次包括柔性钢筋网17、纵向薄钢带12、环向薄钢带3、环向钢拱架1、环向让压构件2和纵向厚钢带13，还包括深入围岩内部的多级恒阻大变形锚杆11，在所有的支护结构安装完毕后，最内层喷射混凝土(图1中未绘出)。三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构中的“三柔”体现为柔性钢筋网17、多级恒阻大变形锚杆11和环向让压构件2，“两刚”则体现为将钢拱架进行纵向相连的纵向厚钢带13和纵向薄钢带12。
44.为了实现第一层柔性支护，在紧贴岩壁处架设柔性钢筋网17，其结构如图2所示，为了增强钢筋网的韧性和承压能力，采用交叉编织的方式，间距为20cm，钢丝直径8～14mm，柔性钢筋网的主要作用是一方面将岩爆破裂后的碎石兜住，防止弹射伤人伤物，另一方面是与喷射混凝土胶结，增强喷射混凝土的韧性。
45.为了实现第二层柔性支护，在围岩内部安装多级恒阻大变形锚杆11，剖面图(即图1的b-b剖面)如图3所示，锚杆依次穿过螺母4、垫片5、环向薄钢带3、纵向薄钢带12，锚杆钻孔布设于环向薄钢带3和纵向薄钢带12交叉处，环向薄钢带3和纵向薄钢带12均贴紧压实柔性钢筋网17，环向薄钢带3在交叉处加工成凸起以便跨过纵向薄钢带12，如图3和图5所示。
46.多级恒阻大变形锚杆结构如图4所示，整根锚杆由孔外螺栓9、孔内螺纹钢杆体6和恒阻器7组成。螺纹钢杆体6一端刻有螺纹、另一端安装入恒阻器7中，恒阻器左侧预留螺纹槽。在组装锚杆前，孔外螺栓9、螺母4和垫片5为独立部件，螺纹钢杆体6装入恒阻器7中组成一个独立部件，依靠螺纹钢杆体6预留的螺纹与恒阻器7预留的螺纹槽实现整根锚杆的组装。一根完整的多级恒阻大变形锚杆至少由三节恒阻器7和螺纹钢杆体6组成，以分散岩爆的冲击动能。孔底部分的螺纹钢杆体加工成楔形便于刺穿锚固剂，钻孔剩余空间由锚固剂8填充。多级恒阻大变形锚杆11的主要作用是耗散岩爆冲击时的大部分动能。
47.柔性钢筋网17的主要作用是兜住碎石，防止碎石崩出弹射伤人伤物，并与喷射混凝土胶结增强喷层的韧性；多级恒阻大变形锚杆11的主要作用是耗散岩爆冲击的大部分动能，但依然会造成围岩向隧道内鼓出，由此造成钢拱架的扭曲，甚至整体垮塌。因此，为了实现第三层柔性支护，在每片环向钢拱架1之间插入环向让压构件2，如图6所示(即图1的a-a横剖面)，钢拱架1连接钢垫板15，钢垫板15再连接环向让压构件2，环向钢拱架1和环向让压构件2交替布置，最终闭合成环。每片钢拱架通过锁脚锚杆14固定于隧道周边岩壁上。
48.环向让压构件如图7所示，环向让压构件包括套筒18和置于套筒18中的圆杆16，所述套筒和圆杆的头端均连接有钢垫板15；套筒内壁设置有用于缓冲的凸棱；钢垫板15与环向钢拱架片端头焊接以固定连接。当围岩发生岩爆时，由于柔性钢筋网17和多级恒阻大变形锚杆11的缓冲作用，岩块弹射速率大大降低，破碎岩块呈现向隧道空间以较低速率的挤压态势，当挤压力作用于环向钢拱架1时，钢拱架向隧道内挤压，从而作用于环向让压构件2上。钢垫板15挤压圆杆16向套筒18内运动，并与套筒18内的螺纹状凸棱19发生摩擦作用产生抵抗力以实现缓冲，使环向钢拱架1具有一定刚度和抵抗力。环向让压构件2的主要作用是使得环向钢拱架1亦具有一定的变形能力，并继续耗散岩爆产生的剩余能量。
49.为了防止同一横断面内的环向钢拱架1发生倾倒，并具有较高的抵抗能力，采用纵向厚钢带13将环向钢拱架1连接起来，如图6和图8所示。纵向厚钢带13位于所有支护结构的最内层(除喷射混凝土外)，并位于每片环向钢拱架1的中间位置，采用焊接的方式将环向钢拱架1和纵向厚刚度13连接，并采用锁脚锚杆14将纵向厚钢带固定于岩壁上，为了防止纵向
厚钢带13妨碍环向钢拱架1的安装，待强岩爆段所有断面环向钢拱架安装完毕后再架设纵向厚钢带，也可以通过缩短纵向厚钢带的形式，即每2榀环向钢拱架之间设置一组纵向厚钢带。纵向钢带13的架设提高了每个横断面钢拱架的刚度和抵抗力，能够有效防止单个断面内钢拱架的倾倒。
50.为了防止锚杆螺母4和垫片5失效(本发明中取消了传统锚杆安装时所需的托盘，而是采用垫片5的形式)，将环向薄钢带3和纵向薄钢带12的交叉处进行焊接相连，且焊接工作需在锚杆安装前完成，环向薄钢带3和纵向薄钢带12还通过锁脚锚杆14固定于岩壁上，如图5所示，如此提高了锚墩(螺母4和垫片5统称为锚墩)的整体刚度和稳定性，防止岩爆发生后锚杆尾部悬空。此外，为了防止螺母4的松脱，在喷射混凝土之前，可进行每日一次的螺母复紧。
51.安装完毕后的立体支护示意图如图9所示(最内层的喷射混凝土未绘出)，从图9可直观看出三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构中“三柔”和“两刚”的实现方式。
52.本实施例中的三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构的安装步骤如图10所示，具体如下：
53.步骤一：全站仪放样，找出锚杆孔位置并钻孔，确保钻孔轴线与隧道洞壁垂直；
54.步骤二：铺设柔性钢筋网17；
55.步骤三：架设纵向薄钢带12，将纵向薄钢带用锁脚锚杆14固定于岩壁上；
56.步骤四：架设环向薄钢带3，在架设前，在与纵向薄钢带交叉处加工成凸起，以便绕过纵向薄钢带，将环向薄钢带用锁脚锚杆14固定于岩壁上，在交叉处，将纵向薄钢带12和环向薄钢带3采用焊接相连；
57.步骤五：组装并安装锚杆11、垫片5、螺母4和螺栓9，并拧紧螺母4，在锚杆安装前，需在锚杆钻孔中塞入锚固剂8，在喷射混凝土前需每日一次复紧；
58.步骤六：安装环向钢拱架1，并用锁脚锚杆14固定；
59.步骤七：在环向钢拱架1端头焊接钢板15，在钢板之间安装环向让压构件2；
60.步骤八：架设纵向厚钢带13，并用锁脚锚杆14固定于岩壁上，在纵向厚钢带13和环向钢拱架1交叉处采用焊接方式相连接；
61.步骤九：喷射混凝土，确保覆盖住所有支护结构，并对纵向厚钢带13的覆盖层不小于5cm。
62.由本实施例可看出，本发明提出的三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构工序较多、施工较为复杂、成本较高，因此适用于强岩爆与极强岩爆段的隧道围岩支护，对于轻微岩爆及中等岩爆段采用现行传统方法(如传统刚性锚杆、刚性衬砌、纵向钢筋排和喷射混凝土等)即可取得较为理想的支护效果；由于本发明提出的三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构存在隧道现场焊接工作，因此不适用于含瓦斯的隧(巷)道围岩支护；本发明提出的三柔两刚型隧道强岩爆防冲击支护结构适用于岩爆发生前的防冲击支护，对于岩爆发生后的隧道支护结构修复亦不适用。
63.本实施例中的环向薄钢带4、纵向薄钢带12可用w型钢带替换，纵向厚钢带13可用轻型工字钢替换。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，外侧或外层指靠近隧道岩壁侧、内侧或内层指靠近隧道中心侧；“第一层柔性”、“第二层柔性”、“第三层柔性”、“第一层刚性”和“第二层刚
性”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
65.由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。