深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构。


背景技术：

2.隧道仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，通俗解释为向上仰的拱。考虑到施工过程中的安全问题，人们长久以来对于隧道及围岩稳定性的研究更多的集中在拱顶和边墙部位，从而达到针对性地防治塌方、落石等工程灾害的目的，然而对隧道仰拱的变形及稳定性却少有关注。据统计，全国共有6256条病害隧道，损坏率高达49.9％。在这些病害隧道中，由于隧道仰拱隆起变形产生的病害约为554座，总里程约为121.405km。隧道仰拱部位的稳定性问题对于隧道运营阶段尤为重要，在隧道施工建设以及投入运营的前期，威胁隧道安全的主要是塌方、突水涌泥、岩爆、衬砌开裂及失稳等灾害，但是在隧道漫长的服役期限内，仰拱的强度、刚度以及稳定性是隧道的正常运营以及车辆的安全运行的重要保障。尤其是在高速铁路在我国乃至世界上全面、快速建设的今天，高速运行的列车对轨道线路的平顺性和稳定性提出了更高的要求，大规模的深长隧道不可避免地穿越不良地质和软弱围岩地区，这对隧道的安全建设以及长期的正常的运营提出了更多新的挑战。
3.目前的隧道仰拱技术中，仰拱结构稳定性不足，会导致隧道的底板一旦失稳破坏将严重威胁列车的运行安全，并且需要花费大量的人力物力进行返工整治，因此，保证隧道仰拱充分稳定具有十分重要的工程价值和现实意义。因此，如何确保隧道穿越软弱围岩段时，不会因为地层压力大，地质条件差，围岩变形量大等造成仰拱变形、开裂甚至坍塌的现象，从而在保证隧道安全快速施工的同时，节省运营期的资金投入是隧道仰拱施工急需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述问题而提供深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明的深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构，包括：
7.仰拱架体，所述仰拱架体至少包括下层仰拱初支结构以及上层仰拱初支结构，所述上层仰拱初支结构设置在所述下层仰拱初支结构上方；
8.锚管，所述锚管打入所述下层仰拱初支结构下方的隧道围岩内并且所述锚管伸出于隧道围岩之外的一端与所述下层仰拱初支结构之间固定连接，所述锚管的数量为多个并均匀布置在所述下层仰拱初支结构下方，所述锚管上设有体积膨胀机构，通过向所述锚管内灌注浆料以通过浆料灌注时产生的压力驱动所述体积膨胀机构伸出于所述锚管之外、继而增加所述锚管体积；
9.以及横向扩展加固机构，所述横向扩展加固机构设置在所述仰拱架体两侧，所述横向扩展加固机构至少包括：
10.第一层扩展加固机构，所述第一层扩展加固机构设置在所述下层仰拱初支结构下方，所述第一层扩展加固机构打入隧道围岩内固定并与所述锚管之间固定连接；
11.第二层扩展加固机构，所述第二层扩展加固机构设置在所述下层仰拱初支结构两侧并用以支撑所述下层仰拱初支结构；
12.以及第三层扩展加固机构，所述第三层扩展加固机构设置在所述上层仰拱初支结构两侧并用以支撑所述上层仰拱初支结构。
13.优选的，所述下层仰拱初支结构的下方位于隧道围岩与所述下层仰拱初支结构、所述下层仰拱初支结构、所述锚管、所述体积膨胀机构、所述第一层扩展加固机构、所述第二层扩展加固机构以及所述第三层扩展加固机构之间的空隙填充有混凝土,所述下层仰拱初支结构的内弧面内测填充有混凝土。
14.优选的，所述下层仰拱初支结构为弧形的仰拱初支钢架、且所述下层仰拱初支结构的弧形的仰拱初支钢架的外弧面朝向下方。
15.优选的，所述上层仰拱初支结构为弧形的仰拱初支钢架、且所述上层仰拱初支结构的弧形的仰拱初支钢架的外弧面朝向下方。
16.优选的，所述锚管内壁为四棱柱型内壁结构。
17.优选的，所述体积膨胀机构为结构相同的两组并对称设置在所述锚管内部，每组所述体积膨胀机构均包括：
18.滑动导向凹槽，所述滑动导向凹槽开设在所述锚管内部的侧表面上；
19.滑动导向孔，所述滑动导向孔开设在所述锚管侧壁上并与所述滑动导向凹槽之间相连通；
20.弧形滑动支撑块，所述弧形滑动支撑块滑动于所述滑动导向凹槽内，所述弧形滑动支撑块的外弧面朝向所述锚管内部方向并反向于所述滑动导向孔所在方向；
21.以及体积膨胀插杆，所述体积膨胀插杆一端连接在所述弧形滑动支撑块的内弧面上、另一端滑动于所述滑动导向孔内，所述体积膨胀插杆通过所述滑动导向孔伸出所述锚管以插入或顶紧在隧道围岩上。
22.优选的，所述体积膨胀机构还包括初始定位机构，所述初始定位机构包括：
23.定位连接耳，所述定位连接耳一端连接在所述弧形滑动支撑块上、另一端连接在所述锚管内壁上；
24.其中，在向所述锚管内关注浆料时、通过浆料灌注产生的压力驱动所述体积膨胀机构中的所述弧形滑动支撑块移动、继而拉断所述定位连接耳与所述弧形滑动支撑块之间的连接。
25.优选的，所述第一层扩展加固机构为均匀分布在所述仰拱架体下方的多组，每组所述第一层扩展加固机构均包括：
26.第一预埋锚杆，所述第一预埋锚杆横向打入所述仰拱架体两侧的隧道围岩内，所述第一预埋锚杆为对称分布的两组，两组所述第一预埋锚杆位于同一轴线上；
27.第一连接豁槽，所述第一连接豁槽开设在所述第一预埋锚杆上朝向所述锚管的一端部处；
28.第一加固杆件，所述第一加固杆件设置在两组所述第一预埋锚杆之间，所述第一加固杆件的两端分别伸入两组所述第一预埋锚杆上对应的所述第一连接豁槽内，所述第一
加固杆件与对应位置的所述锚管之间焊接连接；
29.以及第一弧形固定压盖，所述第一弧形固定压盖压盖在所述第一预埋锚杆上表面并将所述第一加固杆件压紧固定在所述第一连接豁槽内，所述第一弧形固定压盖与所述第一预埋锚杆之间通过螺栓紧固连接。
30.优选的，所述第二层扩展加固机构为结构相同的多组，多组所述第二层扩展加固机构均匀的对称分布在所述仰拱架体的两侧，每组所述第二层扩展加固机构均包括：
31.第二预埋锚杆，所述第二预埋锚杆横向打入所述仰拱架体两侧的隧道围岩内；
32.第二连接豁槽，所述第二连接豁槽开设在所述第二预埋锚杆上朝向所述仰拱架体的一端部处；
33.第二加固杆件，所述第二加固杆件一端固定连接在所述下层仰拱初支结构上、另一端伸入所述第二预埋锚杆上的所述第二连接豁槽内；
34.以及第二弧形固定压盖，所述第二弧形固定压盖压盖在所述第二预埋锚杆上表面并将所述第二加固杆件压紧固定在所述第二连接豁槽内，所述第二弧形固定压盖与所述第二预埋锚杆之间通过螺栓紧固连接。
35.优选的，所述第三层扩展加固机构为结构相同的多组，多组所述第三层扩展加固机构均匀的对称分布在所述仰拱架体的两侧，每组所述第三层扩展加固机构均包括：
36.第三预埋锚杆，所述第三预埋锚杆横向打入所述仰拱架体两侧的隧道围岩内；
37.第三连接豁槽，所述第三连接豁槽开设在所述第三预埋锚杆上朝向所述仰拱架体的一端部处；
38.第三加固杆件，所述第三加固杆件一端固定连接在所述上层仰拱初支结构上、另一端伸入所述第三预埋锚杆上的所述第三连接豁槽内；
39.以及第三弧形固定压盖，所述第三弧形固定压盖压盖在所述第三预埋锚杆上表面并将所述第三加固杆件压紧固定在所述第三连接豁槽内，所述第三弧形固定压盖与所述第三预埋锚杆之间通过螺栓紧固连接。
40.在上述技术方案中，本发明提供的深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构，具有以下有益效果：
41.以本装置的隧道仰拱结构，不仅施工简单快捷，还具有良好的稳定性，在保证施工速度的同时，提升仰拱稳定性，不会因为地层压力大，地质条件差，围岩变形量大等造成仰拱变形、开裂甚至坍塌的现象，从而在保证隧道安全快速施工的同时，还能保证仰拱稳定性，节省运营期的资金投入。
附图说明
42.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本发明实施例提供的深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构的结构示意图；
44.图2为本发明实施例提供的深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构的第一层扩展加固机构的结构示意图；
45.图3为本发明实施例提供的深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构的第二层扩展加
固机构的结构示意图；
46.图4为本发明实施例提供的深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构的第三层扩展加固机构的结构示意图；
47.图5为本发明实施例提供的深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构的横向扩展加固机构的结构示意图。
48.附图标记说明：
49.1、下层仰拱初支结构；2、上层仰拱初支结构；3、锚管；4、滑动导向凹槽；5、滑动导向孔；6、弧形滑动支撑块；7、体积膨胀插杆；8、定位连接耳；9、第一预埋锚杆；10、第一连接豁槽；11、第一加固杆件；12、第一弧形固定压盖；13、第二预埋锚杆；14、第二连接豁槽；15、第二加固杆件；16、第二弧形固定压盖；17、第三预埋锚杆；18、第三连接豁槽；19、第三加固杆件；20、第三弧形固定压盖。
具体实施方式
50.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
51.请参阅图1-5，深埋软岩隧道仰拱隆起变形控制结构，其特征在于，包括：
52.仰拱架体，仰拱架体至少包括下层仰拱初支结构1以及上层仰拱初支结构2，上层仰拱初支结构2设置在下层仰拱初支结构1上方；
53.锚管3，锚管3打入下层仰拱初支结构1下方的隧道围岩内并且锚管3伸出于隧道围岩之外的一端与下层仰拱初支结构1之间固定连接，锚管3的数量为多个并均匀布置在下层仰拱初支结构1下方，锚管3上设有体积膨胀机构，通过向锚管3内灌注浆料以通过浆料灌注时产生的压力驱动体积膨胀机构伸出于锚管3之外、继而增加锚管3体积，继而进一步通过锚管3结合体积膨胀机构使围岩加固，提升上层仰拱稳定性；
54.以及横向扩展加固机构，横向扩展加固机构设置在仰拱架体两侧，通过横向扩展加固机构在仰拱架体两侧，借助横向扩展加固机构与仰拱架体两侧的隧道围岩间的连接固定，在仰拱架体的侧方位对仰拱架体进行进一步的加固支撑，提升仰拱架体的稳定性，继而提升整体的仰拱架体的支撑强度和稳定性，横向扩展加固机构至少包括：
55.第一层扩展加固机构，第一层扩展加固机构设置在下层仰拱初支结构1下方，第一层扩展加固机构打入隧道围岩内固定并与锚管3之间固定连接；
56.第二层扩展加固机构，第二层扩展加固机构设置在下层仰拱初支结构1两侧并用以支撑下层仰拱初支结构1；
57.以及第三层扩展加固机构，第三层扩展加固机构设置在上层仰拱初支结构2两侧并用以支撑上层仰拱初支结构2。
58.综上所述，以本装置的隧道仰拱结构，不仅施工简单快捷，还具有良好的稳定性，在保证施工速度的同时，提升仰拱稳定性，不会因为地层压力大，地质条件差，围岩变形量大等造成仰拱变形、开裂甚至坍塌的现象，从而在保证隧道安全快速施工的同时，还能保证仰拱稳定性，节省运营期的资金投入。
59.进一步的，下层仰拱初支结构1的下方位于隧道围岩与下层仰拱初支结构1、下层仰拱初支结构1、锚管3、体积膨胀机构、第一层扩展加固机构、第二层扩展加固机构以及第
三层扩展加固机构之间的空隙填充有混凝土,下层仰拱初支结构1的内弧面内测填充有混凝土。也即由下层仰拱初支结构1、下层仰拱初支结构1、锚管3、体积膨胀机构、第一层扩展加固机构、第二层扩展加固机构以及第三层扩展加固机构结合填充有混凝土，形成整体的隧道仰拱结构，继而能够更好的进行隧道仰拱的稳定性提升，继而也更好的达到对深埋软岩隧道的仰拱隆起变形进行更好的控制。
60.进一步的，下层仰拱初支结构1为弧形的仰拱初支钢架、且下层仰拱初支结构1的弧形的仰拱初支钢架的外弧面朝向下方，以形成仰拱结构。
61.进一步的，上层仰拱初支结构2为弧形的仰拱初支钢架、且上层仰拱初支结构2的弧形的仰拱初支钢架的外弧面朝向下方，以形成仰拱结构。
62.进一步的，锚管3内壁为四棱柱型内壁结构，继而能够方便安装体积膨胀机构。
63.进一步的，体积膨胀机构为结构相同的两组并对称设置在锚管3内部，每组体积膨胀机构均包括：
64.滑动导向凹槽4，滑动导向凹槽4开设在锚管3内部的侧表面上；
65.滑动导向孔5，滑动导向孔5开设在锚管3侧壁上并与滑动导向凹槽4之间相连通；
66.弧形滑动支撑块6，弧形滑动支撑块6滑动于滑动导向凹槽4内，弧形滑动支撑块6的外弧面朝向锚管3内部方向并反向于滑动导向孔5所在方向；
67.以及体积膨胀插杆7，体积膨胀插杆7一端连接在弧形滑动支撑块6的内弧面上、另一端滑动于滑动导向孔5内，体积膨胀插杆7通过滑动导向孔5伸出锚管3以插入或顶紧在隧道围岩上。
68.具体的，在将锚管3打入隧道围岩内部之后进行浆料灌注，继而通过在浆料灌注的过程中，对锚管3内的弧形滑动支撑块6产生推力，继而驱动弧形滑动支撑块6在滑动导向凹槽4内滑动，继而带动体积膨胀插杆7通过滑动导向孔5伸出锚管3以插入或顶紧在隧道围岩上，而更多的情况是体积膨胀插杆7无法插入或无法完全插入隧道围岩内，但是体积膨胀插杆7伸出锚管3并顶紧在隧道围岩上也是提升锚管3向外侧推压的力，继而提升锚管3对围岩的加固效果。
69.进一步的，体积膨胀机构还包括初始定位机构，初始定位机构包括：
70.定位连接耳8，定位连接耳8一端连接在弧形滑动支撑块6上、另一端连接在锚管3内壁上；
71.其中，在向锚管3内关注浆料时、通过浆料灌注产生的压力驱动体积膨胀机构中的弧形滑动支撑块6移动、继而拉断定位连接耳8与弧形滑动支撑块6之间的连接。
72.具体的，通过定位连接耳8，使锚管3在未使用时或者打入围岩内过程中，保持弧形滑动支撑块6位置固定，使体积膨胀插杆7保持在锚管3内部，继而不会影响到锚管3打入围岩内的操作。在需要启动体积膨胀机构时，则在灌注的浆料给弧形滑动支撑块6压力时将驱动弧形滑动支撑块6移动，继而拉断定位连接耳8与弧形滑动支撑块6之间的连接，因此定位连接耳8与弧形滑动支撑块6之间的连接采用小断面的连接形式，在没有外力情况下保证弧形滑动支撑块6的位置固定的同时，还能在灌注的浆料的过程中的外力作用下被拉断，具体的则根据连接截面尺寸等方式进行匹配。
73.进一步的，第一层扩展加固机构为均匀分布在仰拱架体下方的多组，每组第一层扩展加固机构均包括：
74.第一预埋锚杆9，第一预埋锚杆9横向打入仰拱架体两侧的隧道围岩内，第一预埋锚杆9为对称分布的两组，两组第一预埋锚杆9位于同一轴线上；
75.第一连接豁槽10，第一连接豁槽10开设在第一预埋锚杆9上朝向锚管3的一端部处；
76.第一加固杆件11，第一加固杆件11设置在两组第一预埋锚杆9之间，第一加固杆件11的两端分别伸入两组第一预埋锚杆9上对应的第一连接豁槽10内，第一加固杆件11与对应位置的锚管3之间焊接连接；
77.以及第一弧形固定压盖12，第一弧形固定压盖12压盖在第一预埋锚杆9上表面并将第一加固杆件11压紧固定在第一连接豁槽10内，第一弧形固定压盖12与第一预埋锚杆9之间通过螺栓紧固连接。也即第一加固杆件11与对应位置的锚管3之间固定连接，并且第一加固杆件11连接在打入仰拱架体两侧的隧道围岩内的第一预埋锚杆9上，继而使锚管3通过与第一加固杆件11的连接提升其位置稳定性。
78.进一步的，第二层扩展加固机构为结构相同的多组，多组第二层扩展加固机构均匀的对称分布在仰拱架体的两侧，每组第二层扩展加固机构均包括：
79.第二预埋锚杆13，第二预埋锚杆13横向打入仰拱架体两侧的隧道围岩内；
80.第二连接豁槽14，第二连接豁槽14开设在第二预埋锚杆13上朝向仰拱架体的一端部处；
81.第二加固杆件15，第二加固杆件15一端固定连接在下层仰拱初支结构1上、另一端伸入第二预埋锚杆13上的第二连接豁槽14内；
82.以及第二弧形固定压盖16，第二弧形固定压盖16压盖在第二预埋锚杆13上表面并将第二加固杆件15压紧固定在第二连接豁槽14内，第二弧形固定压盖16与第二预埋锚杆13之间通过螺栓紧固连接。
83.具体的，通过在第二加固杆件15的连接支撑下，结合第二预埋锚杆13的支撑稳定性，来提升下层仰拱初支结构1的位置稳定性，继而能够增强仰拱整体稳定性。
84.进一步的，第三层扩展加固机构为结构相同的多组，多组第三层扩展加固机构均匀的对称分布在仰拱架体的两侧，每组第三层扩展加固机构均包括：
85.第三预埋锚杆17，第三预埋锚杆17横向打入仰拱架体两侧的隧道围岩内；
86.第三连接豁槽18，第三连接豁槽18开设在第三预埋锚杆17上朝向仰拱架体的一端部处；
87.第三加固杆件19，第三加固杆件19一端固定连接在上层仰拱初支结构2上、另一端伸入第三预埋锚杆17上的第三连接豁槽18内；
88.以及第三弧形固定压盖20，第三弧形固定压盖20压盖在第三预埋锚杆17上表面并将第三加固杆件19压紧固定在第三连接豁槽18内，第三弧形固定压盖20与第三预埋锚杆17之间通过螺栓紧固连接。
89.具体的，通过在第三加固杆件19的连接支撑下，结合第三预埋锚杆17的支撑稳定性，来提升上层仰拱初支结构2的位置稳定性，继而能够增强仰拱整体稳定性。
90.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明
权利要求保护范围的限制。