一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构及方法技术

本发明专利技术公开了一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构及方法，属于浅埋黄土隧道技术领域，解决了现有的浅埋黄土隧道支护结构因荷载分布不均而导致的支护结构安全性能降低问题；其包括设有初期支护和二次衬砌的隧道，隧道在初期支护上设有多个荷载调控层，多个荷载调控层包括两个拱肩荷载调控层和两个拱脚荷载调控层，两个拱肩荷载调控层分别位于初期支护上的两侧拱肩位置，两个拱脚荷载调控层分别位于初期支护上的两侧拱脚位置

【技术实现步骤摘要】
一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构及方法


[0001]本专利技术涉及浅埋黄土隧道
，具体涉及一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构及方法
。

技术介绍

[0002]以大量黄土隧道建设为契机，国内外学者针对浅埋黄土隧道围岩压力积累了丰富的监测资料，其中，浅埋黄土隧道围岩压力呈蝶状的空间分布形式已被大量实测数据所证实，即实测发现隧道拱肩和拱脚位置普遍存在应力集中，而拱顶
、
拱腰和仰拱中心位置受力相对较小，围岩压力在隧道上拱圈位置存在“猫耳状”的分布形式，在隧底位置存在“牙根状”的分布形式
。
[0003]浅埋黄土隧道蝶状分布的围岩压力与现有规范设计出入较大，拱肩
、
拱脚应力集中的现象存在极大恶化了支护结构内力状态，导致隧道结构普遍出现衬砌开裂
、
渗漏水严重等病害
。
然而，目前设计和施工中未能较好体现对围岩压力均匀化调控的思想，现有部分技术一味增加支护结构强度和刚度的做法，与隧道建设中安全适用
、
经济合理和环境保护的理念相违背
。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供了一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构及方法，解决了现有的浅埋黄土隧道支护结构因荷载分布不均而导致的支护结构安全性能降低的问题
。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]第一方面，提供一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构，包括设有初期支护和二次衬砌的隧道，隧道在初期支护上设有多个荷载调控层，多个荷载调控层包括两个用于拱肩荷载调控层和两个拱脚荷载调控层，两个拱肩荷载调控层分别位于初期支护上的两侧拱肩位置，两个拱脚荷载调控层分别位于初期支护上的两侧拱脚位置
。
[0007]本方案中，采用的荷载调控层通过控制浅埋黄土隧道地层不均匀沉降，遏制地层剪切破裂面无序扩展和提高拱肩和拱脚位置土体强度，实现了对围岩压力由不均匀到均匀的调控，具有降低支护结构承载，提高支护结构安全性等良好功能
。
相较于现有部分技术一味增加支护结构强度和刚度的做法，本方案的荷载调控层建造成本低
、
效果好，符合隧道建设中安全适用
、
经济合理和环境保护的理念
。
[0008]进一步地，荷载调控层包括多个用于形成注浆加固层的注浆小导管，每个注浆小导管通过
L
筋焊接在初期支护的钢拱架上，且每个注浆小导管上开设有多个呈梅花形布置的注浆孔，注浆加固层为多个小导管通过水泥浆注浆形成的抗剪板结构
。
通过在钢拱架上焊接注浆小导管，并利用浆液从注浆孔扩散至隧周土体中形成板状结构，在不大面积破坏隧周土体的情况下形成高强度的注浆加固层，该注浆加固层通过控制地层不均匀沉降
、
遏制地层剪切破裂面无序扩展并提高拱肩和拱脚位置土体强度，进而实现了对围岩压力的间接调控
。
[0009]进一步地，拱肩荷载调控层的一端位于初期支护拱肩的
40
°
处，拱肩荷载调控层的另一端向上倾斜8°
并延伸大于
3.5m
设置，拱肩荷载调控层的注浆加固半径大于
0.3m
，且拱肩荷载调控层的弹性模量大于
400MPa
；拱脚荷载调控层的一端位于初期支护拱脚处，拱脚荷载调控层的另一端向下倾斜
15
°
并延伸大于
4.0m
设置，拱脚荷载调控层的注浆加固半径大于
0.3m
，且拱脚荷载调控层的弹性模量大于
400MPa。
[0010]第二方面，提供一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构的调控方法，包括以下步骤：
[0011]S1、
确定荷载调控层的结构参数范围，结构参数包括长度
a、
加固半径
b、
倾斜角度
c、
弹性模量
d
；
[0012]S2、
根据荷载调控层的结构参数范围，分别取
a、b、c
和
d
的代表性参数，
a1～
a
n
，
b1～
b
n
，
c1～
c
n
，
d1～
d
n
，进行正交试验设计，并通过数值计算软件
FLAC 3D
分别求解得到拱肩荷载调控层和拱脚荷载调控层最优代表参数
[a
s
,b
s
,c
s
,d
s
]和
[a
′
s
,b
′
s
,c
′
s
，
d
′
s
]，其中，
n
为正整数；
[0013]S3、
计算出隧道在施作拱肩荷载调控层和拱脚荷载调控层前后的拱部竖向荷载差值
Δ
，并采用数值计算软件
FLAC 3D
计算得到荷载调控层施作前后的地层塑性区分布图，综合验证调荷效果；
[0014]S4、
在隧道开挖至上台阶和拱脚部位时，根据
[a
s
,b
s
,c
s
,d
s
]和
[a
′
s
,b
′
s
,c
′
s
,d
′
s
]参数，在施作隧道初期支护的同时施作拱肩荷载调控层和拱脚荷载调控层
。
[0015]本方案中，采用本方法能够根据隧道的断面大小和围岩条件等快速确定最优的荷载调控层结构参数，实现对作用于隧道结构上不均匀荷载的良好调控
。
[0016]进一步地，
S1
中确定荷载调控层的结构参数范围的方法为：
[0017]长度
a
的取值范围应为：
[0018]a≥max{L1,L2}
[0019]式中，
L1为荷载调控层最小打设长度，
L1＝
N(1.5+W/10)
，
N
为围岩影响系数，Ⅳ级围岩取
1.1、
Ⅴ
级围岩取
1.2
；
W
为隧道跨度；
L2为荷载调控层能够穿透浅埋黄土隧道地层破裂面的最小长度，通过结合荷载调控层起始施作位置确定；
[0020]加固半径
b
的取值范围为：
[0021]{b|U1≥b≥U2}
[0022]式中，
U1为黄土地区单排小导管可实现的最大注浆半径；
U2>S/2
，
S
为注浆小导管间距；
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种浅埋黄土隧道围岩压力调控结构，包括设有初期支护
(5)
和二次衬砌
(6)
的隧道，其特征在于：所述隧道在所述初期支护
(5)
上设有多个荷载调控层，多个所述荷载调控层包括两个拱肩荷载调控层
(1)
和两个拱脚荷载调控层
(2)
，两个所述拱肩荷载调控层
(1)
分别位于初期支护
(5)
上的两侧拱肩位置，两个拱脚荷载调控层
(2)
分别位于初期支护
(5)
上的两侧拱脚位置
。2.
根据权利要求1的所述浅埋黄土隧道围岩压力调控结构，其特征在于：所述荷载调控层包括多个用于形成注浆加固层
(4)
的注浆小导管
(3)
，每个所述注浆小导管
(3)
通过
L
筋焊接在所述初期支护
(5)
的钢拱架上，且每个注浆小导管
(3)
上开设有多个呈梅花形布置的注浆孔，所述注浆加固层
(4)
为多个注浆小导管
(3)
通过水泥浆液注浆形成的抗剪板结构
。3.
根据权利要求2的所述浅埋黄土隧道围岩压力调控结构，其特征在于：所述拱肩荷载调控层
(1)
的一端位于所述初期支护
(5)
拱肩
40
°
处，拱肩荷载调控层
(1)
的另一端向上倾斜8°
并延伸长度大于
3.5m
设置，拱肩荷载调控层
(1)
的所述注浆加固层
(4)
的加固半径大于
0.3m
，且拱肩荷载调控层
(1)
的弹性模量大于
400MPa
；所述拱脚荷载调控层
(2)
的一端位于所述初期支护
(5)
拱脚处，拱脚荷载调控层
(2)
的另一端向下倾斜
15
°
并延伸长度大于
4.0m
设置，拱脚荷载调控层
(2)
的所述注浆加固层
(4)
的加固半径大于
0.3m
，且拱脚荷载调控层
(2)
的弹性模量大于
400MPa。4.
根据权利要求3的所述浅埋黄土隧道围岩压力调控结构的调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、
确定荷载调控层的结构参数范围，结构参数包括长度
a、
加固半径
b、
倾斜角度
c、
弹性模量
d
；
S2、
根据荷载调控层的结构参数范围，分别取
a、b、c
和
d
的代表性参数，
a1～
a
n
，
b1～
b
n
，
c1～
c
n
，
d1～
d
n
进行正交试验设计，并通过数值计算软件
FLAC3D
分别求解得到拱肩荷载调控层
(1)
和拱脚荷载调控层
(2)
最优代表参数
[a
s
,b
s
,c
s
,d
s
]
和
[a
′
s
,b
′
s
,c
′
s
,d
′
s
]
，其中，
n
为正整数；
S3、
计算出隧道在施作拱肩荷载调控层
(1)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：来弘鹏，赵铭坤，刘禹阳，洪秋阳，康佐，杨万精，姚毅，张彦飞，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：