层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构的制作方法

1.本实用新型涉及隧道工程技术领域，特别地，涉及一种层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构。


背景技术：

2.现阶段的相关规范中，不考虑围岩地质特征，无差别要求全断面设置初期支护，导致在部分地质条件下过度支护，造成建筑材料资源的浪费和高额的建造成本。


技术实现要素：

3.本实用新型提供了一种层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，以解决现有技术中不考虑围岩地质特征进行无差别全断面初期支护造成材料资源浪费的技术问题。
4.本实用新型采用的技术方案如下：
5.一种层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，适用于iii～
ⅴ
级层状岩体地层，所述隧道初次衬砌结构包括：
6.型钢喷射混凝土初次衬砌结构，用于设置于层状岩体对隧道结构的第一荷载区域的围岩范围内，所述型钢喷射混凝土初次衬砌结构的型钢脚部为梁拱脚趾，用于作为支撑以承载上部梁拱传递的围岩荷载；
7.钢筋网喷射混凝土初次衬砌结构，用于设置于层状岩体对隧道结构的第二荷载区域的围岩范围内。
8.作为上述技术方案的进一步改进，所述隧道初次衬砌结构还包括系统锚杆，所述系统锚杆用于匹配设置于所述型钢喷射混凝土初次衬砌结构的衬砌区域。
9.作为上述技术方案的进一步改进，所述隧道初次衬砌结构还包括型钢扩大脚趾，连接于所述梁拱脚趾的外侧以增加与岩层的接触面积进而减小基底应力。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述隧道初次衬砌结构还包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚杆和/或用于稳定脚部型钢的锁脚锚管。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述隧道初次衬砌结构还包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚杆和用于稳定脚部型钢的锁脚锚管，所述锁脚锚杆的设置角度外偏向岩层内，所述锁脚锚管的设置角度外偏向岩层内，进而将所述型钢喷射混凝土初次衬砌结构的型钢承受的岩体压力分散至岩体内。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述隧道初次衬砌结构包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚杆，所述锁脚锚杆的设置角度外偏向岩层内，或者，所述隧道初次衬砌结构包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚管，所述锁脚锚管的设置角度外偏向岩层内。
13.作为上述技术方案的进一步改进，所述隧道初次衬砌结构还包括超前注浆小导管，用于呈预设角度的穿透至少两层岩层以增大浆液的在层间间隙的渗透范围。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述隧道初次衬砌结构还包括仰拱型钢拱架，用于承受岩体底部隆起产生的荷载。
15.作为上述技术方案的进一步改进，所述仰拱型钢拱架包括相连接的i型仰拱型钢钢架和ⅱ型仰拱型钢钢架，所述i型仰拱型钢钢架的弧长和所述ⅱ型仰拱型钢钢架弧长不同，任意两组相邻的所述仰拱型钢拱架的i型仰拱型钢钢架和ⅱ型仰拱型钢钢架呈交替布设进而形成不对称结构。
16.本实用新型具有以下有益效果：本隧道初次衬砌结构对层状岩体下的隧道第一荷载区域即主要受荷区域的围岩范围设置型钢喷射混凝土初次衬砌结构，在第二荷载区域即荷载极小或无荷载作用、变形小的围岩范围仅设置钢筋网喷射混凝土初次衬砌结构，避免岩体风化或地下水浸湿降低岩体强度并充分利用了围岩支撑作用，形成了分区差异化的隧道全断面结构体系，避免了过度支护造成的建筑材料资源浪费以及高额建造成本，实现建筑材料消耗的减少，工程建设成本的降低，促进隧道工程建设的低碳排放。
17.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
18.构成本技术的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
19.图1是本实用新型优选实施例应用于iii～
ⅴ
级围岩水平层状地层的结构示意图；
20.图2是本实用新型优选实施例应用于iii～
ⅴ
级围岩倾斜层状地层的结构示意图；
21.图3是本实用新型优选实施例应用于iii～
ⅴ
级围岩水平层状地层的结构受力分析图；
22.图4是本实用新型优选实施例的梁拱脚趾结构示意图；
23.图5是本实用新型优选实施例的超前注浆小导管使用状态参考图；
24.图6是本实用新型优选实施例的仰拱型钢结构分布图；
25.1、型钢喷射混凝土初次衬砌结构 2、钢筋网喷射混凝土初次衬砌结构 3、梁拱脚趾 4、仰拱型钢拱架 5、系统锚杆 6、锁脚锚杆 7、超前注浆小导管 8、围岩临空面 9、法兰盘 10、型钢扩大脚趾 11、锁定锚杆 12、i型仰拱型钢钢架 13、ii型仰拱型钢钢架
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
27.参照图1至图6，本实施例的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，适用于iii～
ⅴ
级层状岩体地层，隧道初次衬砌结构包括：
28.型钢喷射混凝土初次衬砌结构1，用于设置于层状岩体对隧道结构的第一荷载区域的围岩范围内，型钢喷射混凝土初次衬砌结构1的型钢脚部为梁拱脚趾3，用于作为支撑以承载上部梁拱传递的围岩荷载；
29.钢筋网喷射混凝土初次衬砌结构2，用于设置于层状岩体对隧道结构的第二荷载区域的围岩范围内。
30.其中，隧道中层状岩体对隧道的荷载分布可通过现有计算方法隧道围岩整体稳定
性及常规支护结构条件下的结构承载及变形特征值进行计算分析，以获得荷载区域分布情况，本实施例中第一荷载区域为层状岩体对隧道结构的主要荷载区域，第二荷载区域则为围岩载荷小、变形小、不具有向临空面位移趋势并具有支撑作用的围岩范围；
31.需要说明的是，第一荷载区域为一整体区域，因此第一荷载区域范围内允许存在无荷载或荷载极小的范围，进一步的，第一荷载区域中型钢喷射混凝土初次衬砌结构1的脚部应当选取剪应力、剪应变较小区域作为梁拱脚趾3位置；
32.如图1所示，为一实施例中本结构应用于iii～
ⅴ
级围岩水平层状地层的结构示意图；
33.如图2所示，为一实施例中本结构应用于iii～
ⅴ
级围岩倾斜层状地层的结构示意图；
34.可见，根据不同倾角下隧道结构主要荷载区域不同，型钢喷射混凝土初次衬砌结构1及钢筋网喷射混凝土初次衬砌结构2的设置位置不同；
35.可以理解的是，本隧道初次衬砌结构对层状岩体下的隧道第一荷载区域即主要受荷区域的围岩范围设置型钢喷射混凝土初次衬砌结构1，在第二荷载区域即荷载极小或无荷载作用、变形小的围岩范围仅设置钢筋网喷射混凝土初次衬砌结构2，避免岩体风化或地下水浸湿降低岩体强度并充分利用了围岩支撑作用，形成了分区差异化的隧道全断面结构体系，避免了过度支护造成的建筑材料资源浪费以及高额建造成本，实现建筑材料消耗的减少，工程建设成本的降低，促进隧道工程建设的低碳排放。
36.进一步的，隧道初次衬砌结构还包括系统锚杆5，本实施例的系统锚杆5用于匹配设置于型钢喷射混凝土初次衬砌结构1的衬砌区域，无需对隧道断面全区域设置，满足结构支撑强度和要求的同时，进一步减少建筑材料消耗，降低成本。
37.本实施例中，隧道初次衬砌结构还包括型钢扩大脚趾10，用于连接于梁拱脚趾3的外侧以增加与岩层的接触面积进而减小基底应力，以提高脚部的承载面积和承载力，降低对基底承载力的要求，避免脚部发生较大变形引发拱架失稳。
38.本实施例中，隧道初次衬砌结构还包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚杆6和/或用于稳定脚部型钢的锁脚锚管，参考图1或图2，本实施例中以锁脚锚杆6为例，锁脚锚杆6的设置角度外偏向岩层内，进而将型钢喷射混凝土初次衬砌结构1的型钢承受的岩体压力分散至岩体内以将型钢承受的拱部岩体压力分散于两侧岩体内。
39.可以理解的是，锁脚锚杆6其设置数量、直径根据岩体的整体性及岩体强度适应性设置。
40.本实施例中，隧道初次衬砌结构还包括超前注浆小导管7，用于呈预设角度的穿透至少两层岩层，通过控制超前注浆小导管7的钻设角度，并使其穿透两层及以上的岩层，以增大浆液在层间间隙的渗透范围，增强岩层层间黏聚力，增强层状岩体的整体承载能力。
41.本实施例中，隧道初次衬砌结构还包括仰拱型钢拱架4，用于承受仰拱底部岩体隆起产生荷载；需要说明的是，可根据二次衬砌仰拱结构内力是否满足承载要求为标准确定仰拱初次衬砌是否设置仰拱型钢拱架4。
42.具体的，仰拱型钢拱架4包括相连接的i型仰拱型钢钢架12和ⅱ型仰拱型钢钢架13，i型仰拱型钢钢架12和ⅱ型仰拱型钢钢架13的连接位置包括法兰盘9，i型仰拱型钢钢架12的弧长和ⅱ型仰拱型钢钢架13弧长不同，任意两组相邻的仰拱型钢拱架4的i型仰拱型钢
钢架12和ⅱ型仰拱型钢钢架13呈交替布设，形成不对称结构，使拱部或仰拱部位的型钢法兰盘9连接节点前后不对称布设，避免形成连续的承载力薄弱截面。
43.实施例一
44.本实施例根据一典型工况下隧道断面参数，并依照优选实施例设计隧道初次衬砌结构；
45.基于现有技术设计该典型工况下的隧道轮廓，本实施例的隧道断面类型：单心圆衬砌断面；隧道断面参数如表1所示；
46.参数名参数值隧道结构中心线与r1的夹角θ1104.543
°
拱部圆弧半径r15.900m拱部与仰拱连接段圆弧半径r21.000m仰拱圆弧半径r316.000m拱顶厚度d10.450m拱底部厚度d20.450m仰拱顶部厚度d30.450m仰拱底部厚度d40.450m初衬厚度d50.240m
47.表1 隧道断面参数表
48.如表2所示，为本实施例的围岩基本信息参数表，根据岩层的倾角和设计的隧道轮廓下获得的剪应力分布情况以及剪应变区域分布情况，结合表3所示的围岩基本信息参数及前述计算结果，选取剪应力、剪应变较小区域作为梁拱脚趾3位置及钢筋网喷射混凝土防护范围；
49.围岩分级重度γ(kn/m3)计算内摩擦角(
°
)坚固系数地层弹簧参数(mpa/m)iii级26.00052.0005.001500
50.表2 围岩基本信息参数表
[0051][0052]
表3 材料参数表
[0053]
具体的，建立隧道仰拱初次衬砌结构的梁拱型的简化荷载结构模型，开展衬砌结构的承载及稳定特性分析，进而可确定了梁拱内的轴力、弯矩、剪力，以及梁拱脚趾3处的支撑压力等指标；
[0054]
在本结构中，由计算结果可知水平层状岩体隧道结构的弯矩、剪力主要集中于拱部120～150
°
的范围内，倾斜岩层对隧道结构施加的荷载也基本囊括在相应的支护结构范围内，其他部位的结构承受荷载较小，拱脚位置点式的异常值通过锁脚锚杆6(管)予以控制；结构轴力通过本设计结构的扩脚结构扩散至岩层深处，也可减小隧道仰拱部位的结构荷载。由此可知，本结构承载范围理论计算可行，可实现层状岩体隧道的个性化支护及变形
控制。
[0055]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，适用于ⅲ～
ⅴ
级层状岩体地层，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构包括：型钢喷射混凝土初次衬砌结构(1)，用于设置于层状岩体对隧道结构的第一荷载区域的围岩范围内，所述型钢喷射混凝土初次衬砌结构(1)的型钢脚部为梁拱脚趾(3)，用于作为支撑以承载上部梁拱传递的围岩荷载；钢筋网喷射混凝土初次衬砌结构(2)，用于设置于层状岩体对隧道结构的第二荷载区域的围岩范围内。2.根据权利要求1所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构还包括系统锚杆(5)，所述系统锚杆(5)用于匹配设置于所述型钢喷射混凝土初次衬砌结构(1)的衬砌区域。3.根据权利要求1所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构还包括型钢扩大脚趾(10)，连接于所述梁拱脚趾(3)的外侧以增加与岩层的接触面积进而减小基底应力。4.根据权利要求1所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构还包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚杆(6)和/或用于稳定脚部型钢的锁脚锚管。5.根据权利要求4所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构还包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚杆(6)和用于稳定脚部型钢的锁脚锚管，所述锁脚锚杆(6)的设置角度外偏向岩层内，所述锁脚锚管的设置角度外偏向岩层内，进而将所述型钢喷射混凝土初次衬砌结构(1)的型钢承受的岩体压力分散至岩体内。6.根据权利要求4所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚杆(6)，所述锁脚锚杆(6)的设置角度外偏向岩层内，或者，所述隧道初次衬砌结构包括用于稳定脚部型钢的锁脚锚管，所述锁脚锚管的设置角度外偏向岩层内。7.根据权利要求1所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构还包括超前注浆小导管(7)，用于呈预设角度的穿透至少两层岩层以增大浆液的在层间间隙的渗透范围。8.根据权利要求1所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述隧道初次衬砌结构还包括仰拱型钢拱架(4),用于承受岩体底部隆起产生的荷载。9.根据权利要求8所述的层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，其特征在于，所述仰拱型钢拱架(4)包括相连接的i型仰拱型钢钢架(12)和ⅱ型仰拱型钢钢架(13)，所述i型仰拱型钢钢架(12)的弧长和所述ⅱ型仰拱型钢钢架(13)弧长不同，任意两组相邻的所述仰拱型钢拱架(4)的i型仰拱型钢钢架(12)和ⅱ型仰拱型钢钢架(13)呈交替布设进而形成不对称结构。

技术总结
本实用新型公开了一种层状岩体不同倾角梁拱型隧道初次衬砌结构，适用于Ⅲ～


技术研发人员：郑智雄 杨子汉 帅建国 谭芝文 马向前 罗杰峰 易石其 陈泽 张立 崔涛 赵明慧 刘胜
受保护的技术使用者：中国建筑第五工程局有限公司
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/7/17