一种复合式缓冲吸能隧道让压支护体系

1.本发明涉及交通及采矿隧道支护领域，特别涉及一种复合式缓冲吸能隧道让压支护体系。


背景技术：

2.随着我国交通及采矿隧道领域的建设越来越多，在隧道建设过程中，由于地质情况复杂和隧道开挖后，围岩应力重新分布，产生蠕变变形现象，常会引起大变形。这种变形不仅会造成巨大的经济损失，还会对隧道施工及运营安全带来巨大的危害。传统的刚性支护方法和理念在高地应力、软弱围岩条件下的作用越来越小。例如：木栅隧道位于中国台湾北部第二高速公路上，隧道穿越台北市南郊的木栅山区，全长1875m，为三车道公路隧道，该隧道在通过谭湾大断层时，发生了大变形，拱顶下沉150cm以上，边墙内挤70cm。究其原因，该隧道初期变形采用了常规的喷锚支护，导致隧道发生了严重的大变形，带来了巨大的经济损失和安全隐患。为解决隧道围岩蠕变产生的变形，隧道支护体系是我们必须所要解决的问题。
3.传统的刚性支护体系在隧道围岩蠕变变形中的作用越来越弱，对于隧道围岩蠕变变形问题，一种新的隧道支护体系有待发明。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种复合式缓冲吸能隧道让压支护体系，复合式缓冲吸能隧道让压支护体系由初期支护、压缩吸能层、钢筋混凝土衬砌结构组成，复合式缓冲吸能隧道让压支护体系不仅可以承受隧道围岩传来的荷载，还具有与隧道围岩协调变形的能力，形成一种“刚-柔-刚耦合支护体系”。与传统支护体系相比，让压限阻、缓冲吸能效果明显，能有效解决隧道施工中变形问题和运营过程中围岩蠕变问题。
5.为此，本发明采用了以下技术方案：
6.一种复合式缓冲吸能隧道让压支护体系，包括多个沿隧道纵向排列的工字初期支护，初期支护外依次设有压缩吸能层和钢筋混凝土衬砌结构；初期支护包括多个工字型钢段组成的两个工字型钢拱架，每个工字型钢拱架上的工字型钢段之间通过纵向加强连接板连接，纵向加强连接板端部插入凹槽钢板内，纵向加强连接板上留有纵向加强连接板处预留定位螺栓孔，凹槽钢板设有凹槽钢板处纵向加强连接板定位螺栓孔，凹槽钢板通过纵向加强连接板定位螺栓分别与纵向加强连接板、工字型钢段固定连接；相邻的初期支护的工字型钢段分别安装在纵向加强连接板两端。
7.所述的纵向加强连接板沿隧道环向等间距布置。
8.每榀初期支护上的纵向加强连接板之间固定连接有内外两层环向钢筋。
9.压缩吸能层采用可压缩吸能性质的材料，对钢筋混凝土衬砌结构起到保护作用。
10.两个工字型钢拱架组成一个闭合结构的初期支护，两个工字型钢拱架端部固定有法兰板，法兰板通过钢拱架定位螺栓固定安装在让压构件上，所述的让压构件包括上下两
层连接钢面板，连接钢面板上留有钢拱架与连接钢面板间预留螺栓孔，通过钢拱架定位螺栓与法兰板连接；
11.连接钢面板上在法兰板周围设有连接钢面板处栓钉剪力键；工字型钢段设有钢拱架腹板处栓钉剪力键；每榀工字型钢段上均喷射混凝土，喷射混凝土的厚度将工字型钢段和让压构件包含在内；
12.相邻初期支护的让压构件依次连接，让压构件的连接钢面板上留有让压构件连接钢板处预留螺栓孔，相邻的连接钢面板通过让压构件连接钢板、让压构件连接钢板螺栓依次连接；
13.上下连接钢面板内设有多层中隔钢板，形成多层结构，层之间设有梯形钢板。
14.压缩吸能层位于初期支护和钢筋混凝土衬砌结构之间，压缩吸能层采用可压缩吸能性质的材料，对钢筋混凝土衬砌结构起到保护作用。；钢筋混凝土衬砌结构应具有良好的安全性和耐久性，以此来保证隧道运营的安全稳定。
15.所述的整个让压构件沿隧道纵向合理布置在隧道拱顶、拱肩、拱腰和拱底等位置，具体布设位置根据实际工程情况具体而定。
16.所述的让压构件内部的梯形钢板和中隔钢板的具体尺寸和数量可根据实际工程进行调整，可叠加多层进行布置。
17.所述的相邻让压构件通过让压构件连接钢板和让压构件连接钢板螺栓进行连接，每排三个螺栓，每个让压构件左右各一排。
18.所述的让压构件上下连接钢面板上各布置若干个连接钢面板处栓钉剪力键，具体数量可根据让压构件尺寸和具体工程情况确定。
19.所述的工字型钢段下部焊接一块尺寸相同的法兰板，将工字型钢段受到的荷载均匀传给让压构件。
20.所述的工字型钢段通过法兰板和钢拱架定位螺栓进行连接。每排两个，共布置两排。
21.所述的工字型钢段的腹板内外两侧均匀布置若干个钢拱架腹板处栓钉剪力键，以便于喷射混凝土进行更好的连接，防止其接触面间出现剪切滑移现象。钢拱架腹板处栓钉剪力键具体数量根据实际工程和工字型钢段尺寸确定。
22.所述的凹槽钢板均匀焊接在工字型钢段内侧，且上下两块凹槽钢板左右两侧各预留一排两个凹槽钢板处纵向加强连接板定位螺栓孔。
23.所述的纵向加强连接板通过纵向加强连接板定位螺栓插入到凹槽钢板中，以此进行固定，从而将每榀工字型钢段进行连接固定，使整个结构成为一体。
24.所述的纵向加强连接板根据实际工程沿隧道环向等间距布置，且其尺寸也应根据实际情况进行布置。
25.所述的每榀工字型钢段之间采用喷射混凝土进行填充，喷射混凝土应将工字型钢段和让压构件包含在内，具体厚度根据实际工程确定。
26.所述的压缩吸能层位于初期支护和钢筋混凝土衬砌结构之间，可选用压缩吸能的材料，在受到隧道围岩和初期支护传来的荷载时，能与其发生协调变形，有效保护钢筋混凝土衬砌结构，释放地应力，解决隧道围岩蠕变问题。
27.所述的钢筋混凝土衬砌结构应满足隧道运营要求。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.在受到隧道围岩传来的荷载，整个初期支护中工字型钢段首先受到荷载，然后通过法兰板将荷载均匀传递给让压构件，让压构件沿上下连接钢面板法向发生压缩变形，且承受一定荷载，随着荷载持续增加，初期支护和压缩吸能层一起承受隧道围岩传来的荷载，与隧道发生协调变形，对钢筋混凝土衬砌结构起到了很好的保护作用，直到让压构件和压缩吸能层压缩吸能结束。整个复合式缓冲吸能隧道让压支护体系让压限阻、缓冲吸能过程结束。然后整个复合式缓冲吸能隧道让压支护体系，包括初期支护、压缩吸能层、钢筋混凝土衬砌结构形成具有一定刚度的组合体系，继续承受隧道围岩传来的荷载，在长时间荷载作用下，对隧道起到良好的支护作用。整个复合式缓冲吸能隧道让压支护体系边支护边让压，让压限阻、缓冲吸能效果明显，形成一种“刚-柔-刚耦合支护理念”，有效解决隧道施工过程中变形问题和运营过程中围岩蠕变问题。
附图说明
30.图1是本发明的初期支护的整体结构图；
31.图2是本发明的钢拱架上凹槽结构示意图；
32.图3是本发明的工字型钢段连接示意图；
33.图4是本发明的让压构件整体结构示意图；
34.图5是本发明的纵向加强连接板整体结构示意图；
35.图6是本发明的单个让压构件结构示意图；
36.图7是本发明的让压构件与工字型钢段连接示意图；
37.图8是本发明的环向钢筋焊接结构示意图；
38.图9是本发明的压缩吸能层结构示意图；
39.图10是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
40.如图1所示，一种复合式缓冲吸能隧道让压支护体系，包括多个沿隧道纵向排列的工字初期支护18，初期支护18外依次设有压缩吸能层19和钢筋混凝土衬砌结构20；
41.每个初期支护18包括多个工字型钢段1组成的两个工字型钢拱架，每个工字型钢拱架上的工字型钢段1之间通过纵向加强连接板2连接，纵向加强连接板2端部插入凹槽钢板3内，凹槽钢板3分别与纵向加强连接板2、工字型钢段1固定连接；相邻的初期支护18的工字型钢段1分别安装在纵向加强连接板2两端；
42.两个工字型钢拱架组成一个闭合结构的初期支护18，两个工字型钢拱架端部固定有法兰板7，法兰板7固定安装在让压构件上；
43.相邻初期支护18的让压构件依次连接。
44.所述的让压构件包括上下两层连接钢面板10。上下两层所述的连接钢面板10之间设有多层中隔钢板8，形成多层结构，层之间设有梯形钢板9。
45.所述的连接钢面板10上，在法兰板7周围设有连接钢面板处栓钉剪力键6；工字型钢段 1设有钢拱架腹板处栓钉剪力键5；每榀工字型钢段1上喷射混凝土，喷射混凝土应将工字型钢段1和让压构件包含在内。
46.每榀初期支护18上的纵向加强连接板2之间固定连接有内外两层环向钢筋22。
47.具体的，每榀工字型钢段1通过纵向加强连接板2、凹槽钢板3和纵向加强连接板定位螺栓4进行连接，凹槽钢板3焊接在工字型钢段1腹板内外两侧。每一块凹槽钢板3上各布置一排两个凹槽钢板3处凹槽钢板处纵向加强连接板定位螺栓孔13。以此将每榀工字型钢段1 进行固定连接，保持初期支护18所必须的整体稳定性，防止在受到隧道围岩21传来的荷载时，出现连接不稳，导致整体结构失效的情况。本实施例以让压构件放在隧道拱腰位置为例，将每榀工字型钢段1放在每个让压构件中部，使整体结构受力更加合理。隧道围岩21将荷载传给工字型钢段1，工字型钢段1将荷载通过法兰板7均匀的传递给让压构件。让压构件具有一定的可压缩性，可以实现边支护边让压的效果。既能够承受隧道围岩21传来的荷载，又能与隧道发生协调变形，让压限阻吸能效果明显，同时对压缩吸能层19和钢筋混凝土衬砌结构20起到保护作用，同时在纵向加强连接板2间铺设内外两层环向钢筋22。
48.如图2所示，每榀工字型钢段1腹板内外两侧均匀焊接若干块凹槽钢板3，且每块凹槽钢板3上预留两个凹槽钢板处纵向加强连接板定位螺栓孔13用来固定纵向加强连接板2，以此来实现每榀工字型钢段1之间的连接。且工字型钢段1腹板内外两侧均匀布置若干个钢拱架腹板处栓钉剪力键5，整个工字型钢段1通过钢拱架腹板处栓钉剪力键5与喷射混凝土进行更好的连接，防止工字型钢段1与喷射混凝土的接触面出现水平相互滑移，起到抗剪作用，使得整个结构的受力状态更加合理。
49.如图3所示，每榀工字型钢段1通过工字型钢段1上预先焊接的凹槽钢板3，将纵向加强连接板2插入到凹槽钢板3通过纵向加强连接板定位螺栓4进行连接。现场施工方便，且连接牢靠。
50.如图4所示，相邻让压构件通过上下让压构件连接钢板11和上下让压构件连接钢板螺栓 12沿隧道纵向进行连接。每个让压构件上下连接钢面板10左右两侧各布置一排三个让压构件连接钢板处预留螺栓孔15。施工现场不需要进行焊接，现场施工方便，连接牢靠，整个结构受力状态更加合理。
51.如图5所示，纵向加强连接板2上下面的左右两侧各预留一排两个纵向加强连接板处预留定位螺栓孔14用于与凹槽钢板3进行连接，从而实现将每榀工字型钢段1进行连接。
52.如图6所示，每个让压构件上下连接钢面板左右两侧布置若干个连接钢面板处栓钉剪力键6。防止让压构件上下连接钢面板10与喷射混凝土接触面发生滑移，使得整体结构能够更好的承受荷载，结构受力更加合理。
53.如图7所示，让压构件与工字型钢段1通过上下法兰板7和钢拱架定位螺栓17进行连接，法兰板7焊接在工字型钢段1，且位于每个让压构件的中部，使得结构受力更加合理，工字型钢段1将荷载均匀传给让压构件，从而实现边支护边让压，达到很好的缓冲吸能效果。
54.如图8所示，在纵向加强连接板2间铺设内外双层环向钢筋22，环向钢筋22焊接在纵向加强连接板上2上，环向钢筋22间采用焊接连接方式。有利于提高喷射混凝土的抗剪和抗弯强度，提高混凝土的抗冲切能力，有利于提高混凝土的整体性。
55.如图9所示，压缩吸能层采用可压缩吸能性质的材料，受到隧道围岩和初期支护传来的荷载过程中19具有良好的缓冲吸能作用，对钢筋混凝土衬砌结构起到保护作用，使得整个支护体系受力更加合理，有效释放地应力，解决隧道围岩蠕变问题。
56.整个复合式缓冲吸能隧道让压支护体系形成了一种“刚-柔-刚耦合支护体系”。首先在受到隧道围岩21传来的荷载时，初期支护18开始承受围岩荷载，其中在工字型钢段1腹板内外两侧布置若干个钢拱架腹板处栓钉剪力键5，使其与喷射混凝土更好的连接为一个整体，防止其接触面间发生剪切滑移现象。然后工字型钢段1通过法兰板7将荷载均匀传递给让压构件，让压构件开始抵抗工字型钢段1传来的荷载，让压构件上下刚面板上布置的若干个连接钢面板处栓钉剪力键6使其与喷射混凝土更好的进行连接，防止其相互接触面出现相对剪切滑移现象，当荷载持续增大时，内部梯形钢板9开始发生变形，在上下连接钢面板10法向方向开始压缩，同时，压缩吸能层19也受到初期支护18传来的荷载压缩吸能层采用可压缩吸能性质的材料，压缩吸能效果明显，对钢筋混凝土衬砌结构起到保护作用，有效释放地应力，解决隧道围岩蠕变问题。在长时间荷载作用下，让压构件和压缩吸能层19让压限阻，缓冲吸能过程结束初期支护18和压缩吸能层19对钢筋混凝土衬砌结构20起到很好的保护作用。钢筋混凝土衬砌结构20应具有密实、表面平整光滑、曲线圆顺，满足设计强度，防水及耐久性要求，同时保证隧道运营过程的安全稳定整个复合式缓冲吸能隧道让压支护体系的让压限阻、缓冲吸能过程结束，。此时初期支护18、压缩吸能层19和钢筋混凝土衬砌结构20 继续承担隧道围岩21传来的荷载，整个过程缓冲吸能效果明显，支护体系受力合理，有效释放地应力，能有效解决隧道施工过程中变形问题和运营过程中围岩蠕变问题。
57.注明：本发明以圆形隧道为例，故初期支护设置为环形。其他形式的隧道仍适用于本复合式缓冲吸能隧道让压支护体系。