软岩隧道TBM支护系统和支护方法

技术领域

本发明属于衬砌隧道技术领域，具体涉及软岩隧道TBM支护系统和软岩隧道TBM支护方法。

背景技术

软岩隧道TBM（Tunnel Boring Machine）施工过程中，面临着围岩大变形甚至塌方的危险，所以一般采用封闭的TBM施工方案，即隧道掌子面推进后，后方及时施工支护结构，从而更大程度上保证施工人员及设备的安全。

由于地质条件以及初次支护技术难以控制围岩变形等因素限制，TBM经常出现卡机等现象，使软岩隧道TBM施工技术面临巨大困难，成为软岩隧道TBM施工的技术瓶颈。

软岩隧道围岩大变形控制过程中，高应力补偿是解决该问题的关键。应力补偿是指，围岩开挖完成后，通过支护结构及时对围岩形成反向约束力的支护系统。传统支护结构由于支护材料本身强度低、抗变形能力差等因素，无法与围岩实现结构、刚度以及强度上的耦合。在支护结构的整个变形过程，吸收围岩变形能极为有限，最终因支护结构失效导致围岩失稳破坏，使软岩隧道TBM系统出现卡机等故障，而无法正常工作。

因此，需要提供一种软岩隧道TBM支护系统和软岩隧道TBM支护方法，以解决上述所出现的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种，以解决或缓解现有技术中软岩隧道TBM支护系统的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种软岩隧道TBM支护系统，包括：

锚网，所述锚网铺设在隧道壁面，用于防止碎石散落；

管片，所述管片拼接形成环形管道，所述锚网设置在所述环形管道与隧道壁面之间，所述管片中部设有通孔；

NPR锚固件，所述通孔中均设有所述NPR锚固件，所述NPR锚固件的一端锚固在隧道围岩上，另一端伸出通孔。

进一步的，所述NPR锚固件为NPR锚索。

进一步的，所述NPR锚固件为NPR锚杆。

进一步的，一部分所述NPR锚固件为NPR锚杆，另一部分为NPR锚索。

进一步的，所述NPR锚杆由NPR冷轧钢材在锻造过程中加入NPR微小单元，形成弥散颗粒，进行加工制作而成。

进一步的，所述管片为钢管片，所述钢管片为NPR钢管片，所述NPR钢管片由NPR冷轧钢材在锻造过程中加入NPR微小单元，形成弥散颗粒，进行加工制作而成。

进一步的，所述锚网为钢筋网，由微观NPR钢绞线编织而成，所述微观NPR钢绞线由NPR冷轧带肋钢筋在锻造过程中加入NPR微小单元，形成弥散颗粒，进行加工制作而成。

进一步的，所述微观NPR钢绞线编织方式为方形编织。

本发明还提供一种软岩隧道TBM支护方法，包括

第一步，掌子面掘进后在隧道壁面铺设钢筋网；

第二步，在钢筋网上将管片拼装成环形管道；

第三步，在管片的通孔中安装NPR锚固件；

第四步，待围岩稳定后拆除管片，进行二次衬砌的施做。

进一步的，所述第三步，位于环形管道下部的管片，通孔中安装NPR锚固件品类中的NPR锚杆。

有益效果：

1）在掌子面后边，先铺设钢筋网以保证围岩的完整性。并快速形成管片和NPR锚固件为核心的初次支护系统。围岩发生大变形释放围岩变形能的同时，NPR锚杆和/或NPR锚索发生结构大变形，提供一定的围岩变形空间，但是依然维持高恒阻力，这个过程将吸收大量的围岩变形能。

本发明涉及的NPR锚杆和NPR锚索与传统锚杆/索相比，充分发挥NPR锚杆和NPR锚索的超常力学性能，以群锚的方式耦合加固节理化围岩，能够适应围岩的大变形，且不发生破断，当围岩变形压力作用在NPR锚杆/索时，其能够实现恒定阻力的滑移，从而保证了支护系统的稳定性，同时保障了对围岩的高应力补偿，能够均匀释放围岩的变形能，从而达到控制围岩变形量的目的。

2）钢筋网和NPR锚固件形成由点到面的支护机构体系，从而实现对围岩的耦合支护。本发明中由钢绞线编织而成的钢筋网，在承受较大变形和压力时不容易出现破口，抗冲击和吸能性能也较好。

3）NPR锚杆和NPR锚索共同形成的支护空间，结合短锚杆的组合拱理论以及长锚索的悬吊理论，同时能够保证管片对围岩的约束力，从而形成NPR锚杆和NPR锚索共同组成的应力补偿系统，以达到在掌子面后边尽早形成高预应力支护结构的目的，围岩变形的控制更好。

4）NPR钢管片与传统混凝土管片相比，其属于柔性支护结构的范畴，也具备释放变形能的能力，帮助释放围岩变形能，减少管片的破坏。

5）钢筋网采用方形编织，能够更好的避免钢筋网的钢筋与NPR锚固件产生干涉。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例中的软岩隧道TBM支护系统的结构示意图；

图2为图2沿A-A处的剖视图；

图3为本发明实施例中的软岩隧道TBM支护系统的使用状态示意图；

图4为图1中NPR锚杆与NPR钢管片的配合示意图；

图5为图1中NPR锚杆的结构示意图；

图6为图1中NPR锚索的结构示意图。

图中：1、TBM刀盘；2、TBM刀具；3、NPR钢管片；4、NPR锚杆；5、托盘；6、螺母；7、恒阻器；8、NPR锚索；9、钢筋网；10、围岩。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的软岩隧道TBM支护系统的具体实施例，如图1、图2和图3所示，软岩隧道TBM支护系统包括锚网、管片、NPR（Negative Poisson's Ratio负泊松比）锚固件。锚网为钢筋网9，钢筋网9铺设在隧道壁面，能够防止碎石散落，对于碎散的小岩块，利用柔性的钢筋网9对其进行辅助支护。

钢筋网9由微观NPR钢绞线编织而成，微观NPR钢绞线由NPR冷轧带肋钢筋在锻造过程中加入NPR微小单元，形成弥散颗粒，进行加工制作而成；NPR微小单元具体为，首先通过球差电镜明暗场确定的二相2-5纳米的颗粒与基体共格，进一步通过纳米电子衍射确定第二相纳米颗粒具有FCC（Face Center Cubic/Face-Centered Cubic）面心立方结构，晶体常数0.82纳米。通过添加剂及冶炼工艺设计，使夹杂物的纳米细粒化，纳米颗粒从而和基体实现共格，同时通过设计，在纳米颗粒共格的基础上，实现晶内栾晶共格，晶界共格等多重共格设计。共格界面相对于非共格界面位错可以再界面滑动，因此通过提高材料中的共格界面密度可同时提高钢筋网9的强度和韧性，钢筋网9具有高强高韧性，能承受大变形的特点，能够防止碎石散落，起辅助加固的作用，本发明实施例中的钢筋网9所用的钢线的直径不定，可根据实际情况选择合适的钢线直径，钢筋网9的编织方式优选为方形编织方式，方形编织方式制作工艺简单，网孔较为均匀，可以均匀承受围岩10崩塌所释放的能量，当然除方形编织方式外，其他形式的编织方式，如菱形等也可使用，本发明实施例中不做进一步限定。

如图4所示，管片为钢管片，钢管片为NPR钢管片3，NPR钢管片3中部设有通孔。NPR钢管片3由NPR冷轧钢材在锻造过程中加入NPR微小单元，形成弥散颗粒，进行加工制作而成，NPR微小单元在介绍钢筋网9时已经说明，此处不再赘述。如图2所示，NPR钢管片3拼接形成环形管道，钢筋网9设置在环形管道与隧道壁面之间。

如图1所示，通孔中均设有NPR锚固件，NPR锚固件的一端锚固在隧道的围岩10上，另一端伸出通孔并设有托盘5托盘能够封堵通孔，托盘与通孔的孔壁之间具有间隙，便于后续NPR钢管片3的拆除。本实施例中，一部分NPR锚固件为NPR锚杆4，另一部分为NPR锚索8，NPR锚索8的长度长于NPR锚杆4，相对于NPR锚索8，NPR锚杆4更适合设置在环形通道的下部的通孔中。其他实施例中，NPR锚固件也可以全为NPR锚索8或全为NPR锚杆4。

如图5所示，NPR锚杆4由NPR冷轧钢材在锻造过程中加入NPR微小单元，形成弥散颗粒，进行加工制作而成，NPR锚杆4配设的托盘5呈环形且安装在NPR锚杆4伸出通孔的一端，NPR锚杆4的一端锚固在围岩10上，另一端伸出通孔、托盘5并与螺母6连接，螺母6构成锁体。

如图6所示，NPR锚索8包括恒阻器7和钢绞线（图中未示出），恒阻器的恒阻力为350KN。恒阻器7包括恒阻体和恒阻套筒，恒阻套筒为中空圆台型，且沿恒阻体横截面的垂直方向设置有通孔，恒阻体安装在恒阻套筒内，钢绞线为直径21.8 mm的无粘结钢绞线，恒阻器7、钢绞线的原理和结构为现有技术，不再赘述。NPR锚索8配设的托盘5呈环形且安装在NPR锚索8伸出通孔的一端，NPR锚索8的一端锚固在围岩10上，另一端伸出通孔、托盘5，并与螺母6连接，螺母6构成锁体。

如图3所示，TBM包括TBM刀盘1和TBM刀具2（其余结构图中未示出），TBM掘进后，首先对隧道壁面铺设钢筋网9，然后架设NPR钢管片3，最后，在NPR钢管片3留设的通孔位置，施工NPR锚杆4或NPR锚索8。随着围岩10变形，NPR锚杆4和NPR锚索8对围岩10进行自我调整过程，监测到围岩10稳定后拆除NPR钢管片3，进行二次衬砌混凝土的浇筑，隧道施工完成。

需要注意的是，可根据围岩10及地质情况进行模块化设计支护方案，然后按照支护设计方案对NPR钢管片3的大小进行动态调整，以满足不同地质工况的支护设计，同时，NPR钢管片3上的通孔的间距也随着NPR钢管片3的大小的变化而变化，钢筋网9的网眼大小选用要求：钢筋网9的钢筋不与NPR锚固件产生干涉。

本发明的软岩隧道TBM支护方法的具体实施例，包括第一步，掌子面掘进后在隧道壁面铺设钢筋网；

第二步，在钢筋网上将管片拼装成环形管道；

第三步，在管片的通孔中安装NPR锚固件，具体的，位于环形管道下部的管片，通孔中安装NPR锚固件品类中的NPR锚杆；

第四步，待围岩稳定后拆除管片，进行二次衬砌的施做。

综上所述，本发明相比现有技术具有如下技术效果：

1）在掌子面后边，先铺设钢筋网以保证围岩的完整性。并快速形成管片和NPR锚固件为核心的初次支护系统。围岩发生大变形释放围岩变形能的同时，NPR锚杆和/或NPR锚索发生结构大变形，提供一定的围岩变形空间，但是依然维持高恒阻力，这个过程将吸收大量的围岩变形能。

本发明涉及的NPR锚杆和NPR锚索与传统锚杆/索相比，充分发挥NPR锚杆和NPR锚索的超常力学性能，以群锚的方式耦合加固节理化围岩，能够适应围岩的大变形，且不发生破断，当围岩变形压力作用在NPR锚杆/索时，其能够实现恒定阻力的滑移，从而保证了支护系统的稳定性，同时保障了对围岩的高应力补偿，能够均匀释放围岩的变形能，从而达到控制围岩变形量的目的。

2）钢筋网和NPR锚固件形成由点到面的支护机构体系，从而实现对围岩的耦合支护。本发明中由钢绞线编织而成的钢筋网，在承受较大变形和压力时不容易出现破口，抗冲击和吸能性能也较好。

3）NPR锚杆和NPR锚索共同形成的支护空间，结合短锚杆的组合拱理论以及长锚索的悬吊理论，同时能够保证管片对围岩的约束力，从而形成NPR锚杆和NPR锚索共同组成的应力补偿系统，以达到在掌子面后边尽早形成高预应力支护结构的目的，围岩变形的控制更好。

4）NPR钢管片与传统混凝土管片相比，其属于柔性支护结构的范畴，也具备释放变形能的能力，帮助释放围岩变形能，减少管片的破坏。

5）钢筋网采用方形编织，能够更好的避免钢筋网的钢筋与NPR锚固件产生干涉。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。