一种适用于膨胀岩隧道的预制仰拱结构及实施方法

技术领域

本发明属于隧道设计技术领域，具体涉及一种适用于膨胀岩隧道的预制仰拱结构及实施方法。

背景技术

膨胀岩土又叫胀缩土是一种特殊土，它是在地质作用下形成的一种主要由亲水性强的粘土矿物组成的多裂隙并具有显著膨胀性的地质体。由于其在土体中杂乱分布的裂隙及反复胀缩变形造成强度衰减的特性，所以常常给工程建筑带来严重破坏，造成许多地质灾害。

膨胀性岩土广泛分布于我国的河南、河北、云南、陕西等22个省、区，给公路、铁路隧道工程建设带来了严重的危害。膨胀岩中含有大量的蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，当含水率增大时体积能增加数倍，失水后体积收缩减少，随着干湿循环体积反复胀缩，该过程中膨胀岩不断软化、崩解、开裂，对工程建设危害极大。膨胀岩地区隧道工程建设主要根据经验及地上建筑物相关规范进行设计、施工，具有一定的随机性。仰拱处于隧道结构最低处，且仰拱位置裸露时间较长。膨胀岩隧道期间，开挖应力、膨胀应力逐渐释放，仰拱位置应力重新分布。在受到开挖应力、膨胀应力等多种因素的作用，隧道施工、运营期间，无法解决膨胀岩地区仰拱位置的裂缝、变形问题。

针对膨胀岩地区土体特殊的物理力学性质，目前施工时采用松动爆破配合人工开挖的方式。遇到涌水、集中出水点时，首先进行排水，并喷射钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土。之后，进行钢拱架安装，并采用搭栈桥超前分段整幅全宽一次浇筑的方式，完成混凝土的浇筑、养护等工作。此类施工方式受限于钢拱架制作、安装以及混凝土的浇筑、养护等工作，使得仰拱施工整体周期被拉长，无法解决隧道施工快成环的目的，造成施工进度慢、施工质量问题。

发明内容

本发明提供了一种适用于膨胀岩隧道的预制仰拱结构及实施方法，目的在于解决在膨胀岩地区建设隧道时，仰拱位置变形、鼓胀裂缝问题严重；以及常规施工方法周期较长，无法满足快成环的目标，导致施工进度慢、施工质量差的问题。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种适用于膨胀岩隧道的预制仰拱的结构，所述预制仰拱下方设有弓形的变形协调层，变形协调层左右两端伸出至预制仰拱两端外，且初衬结构的侧壁下端压设于变形协调层上表面的两端处；变形协调层为预制件结构且采用泡沫混凝土材料制成，变形协调层的屈服应力小于隧道二衬混凝土的屈服应力。

一种适用于膨胀岩隧道的预制仰拱的实施方法，包括上述的预制仰拱的结构，所述变形协调层的实施方法包括以下步骤：

1)确定隧道工程的埋深、半径、围岩等级以及初衬、二衬混凝土的厚度、等级参数；

2)取施工现场膨胀岩土样，通过试验获得膨胀岩的弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角

式①中：α、β、ξ分别为围岩弹性模量、粘聚力、内摩擦角的弱化系数，根据工程现场膨胀土性质与经验设计；

3)计算衬砌混凝土支护力P

式②中：σ

4)变形协调层应力参数设计

为使变形协调层发挥变形协调作用，变形协调层的屈服应力不大于二衬混凝土屈服应力σ

5)变形协调层位移变形参数设计

根据围岩等级、隧道断面尺寸、设计规范中的支护参数，分别计算理想弹塑性位移u

Δu＝u

公式③中，v为围岩泊松比；P

6)变形协调层厚度设计

由于变形协调层的压缩厚度在40％～70％之间，为使变形协调层发挥变形效果的同时保证冗余安全度，取最佳压缩厚度55％～65％，即当变形协调材料压缩到原厚度的55％～65％时，即为变形协调层的厚度。

7)变形协调层二次优化

a.获取隧道工程现场膨胀岩土体的内摩擦角

b.根据隧道工程设计要求，预制仰拱结构；

c.根据步骤1-6确定的变形协调层的材料的配比、种类参数及厚度，配置泡沫混凝土变形协调材料；

d.开展直剪试验，调节变形协调层材料的抗压强度、压缩量参数；

e.通过开展室内物理模型试验，并布设应力、应变等类型的传感器。通过对数据的分析，对变形协调材料的配比、厚度以及形状等参数进行微调，以改善变形协调层的总体性能参数。

进一步地，所述变形协调层的材料包括：水泥、粉煤灰、细砂及聚乙烯醇纤维。

本发明变形协调层的设计原理如下：

基于测得的膨胀土各项物理力学参数，采用泡沫混凝土等材料，配置变形协调层；增加变形协调层后，对隧道仰拱结构强度提升效果如下：

(1)在高地应力状态下，隧道开挖将造成围岩应力发生大幅度变化，膨胀土围岩松弛阶段，变形将达到很大的量级。膨胀土围岩挤压性程度可通过挤压性指标(N

式④中，σ

(2)隧道开挖之后，围岩应力状态由三向应力变为近似两向应力，隧道围岩强度大幅度下降，围岩最大主应力方向与隧道壁切线方向一致，并在隧道壁周边达到最大值。

(3)如图2变形协调层力学特征曲线所示，在受到膨胀岩地区隧道围岩结构的挤压作用时，变形协调层的力学特征可总结为三个阶段：

阶段Ⅰ(弹性阶段)：变形协调材料随围岩变形呈弹性变形，变形协调层所受围岩压力逐渐增加。

阶段Ⅱ(让压阶段)：让压材料(泡沫混凝土)介于20cm～30cm时，让压量可达变形协调层厚度的40％至70％，随着协调层厚度的不断压缩，由围岩传递到仰拱结构的应力将被协调层吸收。在协调层材料达到极限压缩量之前，能够对仰拱结构起到很好的保护作用；通过将变形协调材料填充至初衬与仰拱结构之间，能够达到良好的吸能让压作用，避免仰拱结构因挤压而发生变形。同时，还能避免因应力集中问题而产生的仰拱结构非均匀挤压现象，进而起到良好的缓冲吸能效果。

阶段Ⅲ(屈服阶段)：随着时间的推移，围岩应力得到完全释放，协调层材料达到极限压缩量，此时协调层的应力吸收效果迅速降低，剩余应力主要由仰拱结构承担。

本发明的有益效果在于：

1.由围岩传递到仰拱结构的应力将被协调层吸收。在协调层材料达到极限压缩量之前，能够对仰拱结构起到良好的保护作用；通过将变形协调材料填充至初支与仰拱结构之间，能够达到良好的吸能让压作用，避免仰拱结构因挤压而发生变形。同时，还能避免因应力集中问题而产生的仰拱结构非均匀挤压现象，进而起到良好的缓冲吸能效果。

2.仰拱和变形协调层采用预制结构，在工厂生产预制件，运输至隧道施工现场安装，有效缩短施工工期，提高施工速度。

附图说明

图1是本发明预制仰拱与变形协调层剖面示意图；

图2是本发明变形协调层力学特征曲线。

具体实施方式

下面以某膨胀岩隧道工程为例，对本发明设计的具体实施过程加以说明：

1)该隧道的埋深为500m，隧道半径为4.95m，隧道围岩为V级，初衬采用厚度为0.30m的C25混凝土，二衬采用厚度为0.50m的C30混凝土。

2)考虑岩体质量最差情况，采用V级围岩隧道工程的力学参数，查阅相关规范与文献，将V级围岩力学参数设计如下：重力密度为22.5kN/m

结合Ⅴ级围岩的实际特点，取围岩弱化参数α、β、ξ分别为0.6、0.5、1.0；

结合Ⅴ级围岩的力学参数，并根据公式①，计算时间效应下的膨胀岩软化后的岩体力学参数

3)利用公式②，计算初衬、二衬结构支护力。其中，σ

P

P

4)变形协调层应力参数设计

根据3)的计算结果，假设隧道支护结构均为线弹性材料，到达弹性屈服即认为将要破坏不起支护作用，则围岩支护抗力(P

P

5)根据围岩等级、隧道断面尺寸、规范中的支护参数，利用公式③分别计算理想弹塑性位移(u

根据2)、3)、4)的计算结果，将相关参数带入到公式③中，对长期流变作用下围岩参数弱化产生的流变位移(u

同理，根据2)、3)、4)的计算结果，将相关参数带入到公式③中，对理想弹塑性位移(u

通过对理想弹塑性位移(u

Δu＝u

6)根据变形协调层(泡沫混凝土)有侧限的单轴压缩试验可知，变形协调层的可压缩度为40％～70％。取缓冲层最佳压缩度为55％～65％，既保证材料有效应用，又留出一定的安全保障。通过5)计算可知，变形协调层所需要吸收的位移量为9cm，因而所需的缓冲层厚14～17cm。

7)变形协调层材料的配置。

根据上述隧道支护方案中混凝土的厚度和强度等级，利用公式②分别确定二衬的屈服应力P

针对上述要求，根据大量的试验室直剪试验，采用水泥、粉煤灰、细砂、水等材料进行协调层材料的配置，其比例在177:50:110:93左右。其中，预制泡沫的掺入体积与土体的体积比约为1.25:1。另外，在厚度方面采用6)的计算结果，取14～17cm。

需要注意的是，工程具体实施期间，应当根据不同地区膨胀岩隧道的实际情况，采用正交试验，对具体配比关系进行调节。本发明预制仰拱可采用现有技术实施，例如中国专利CN113202512A-一种软弱围岩地段拼装式隧道仰拱施工方法。本发明预制变形协调层也采用与预制仰拱相同的生产及安装工艺。