[0001] 本发明属于山岭隧道的初期支护领域，具体为一种拼接式波纹管拱支护结构及其支护方法；具体涉及一种适用于高地应力软岩大变形隧道的拼接式波纹管拱支护结构及其支护方法。

[0002] 高地应力软岩的存在可能对隧道结构设计、施工和后期运维产生严重影响，如兰渝铁路多座隧道的大变形导致初期衬砌侵限，以致不得不拆除重建；南昆铁路家竹箐隧道、凉风垭隧道、乌鞘岭隧道的高地应力软岩段也给隧道设计和施工带来了极大困难。

[0003] 目前，针对高地应力软岩大变形的工程措施主要有：(1)被动支护技术，如改进型的刚性支架；(2)主动支护技术，如高强度的预应力锚索；(3)软岩改性技术，如注浆；(4)让压技术，如超前导洞应力释放；(5)联合支护技术，如主被动联合支护技术。

[0004] 其中，让压变形控制技术能有效调整围岩应力状态，降低施加在支护结构上的压力，因此，让压变形技术在工程实践中得到了广泛应用。目前的让压变形技术主要有超前应力释放技术、多层延期支护技术、可让压式结构(如可压缩式钢架、衬砌结构及锚杆结构)。同时，也出现了泡沫混凝土、陶粒土等新型让压支护材料。但既有让压式结构具有造价高、施工过程复杂等缺点。

[0005] 此外，在隧道变形过大的情况下，喷射混凝土可能因剪切而剥落，危及施工人员的生命安全；可伸缩式锚杆的造价高、抗剪强度低；隧道变形导致的围岩位移可能降低注浆材料的黏结性能；岩体力学性质、地应力大小等条件的不同也将导致高地应力软岩隧道呈现不同程度的大变形，针对不同程度的大变形目前常需采取不同的支护措施，即目前的高地应力软岩隧道支护技术的适用性较低。因此，设计出一种适用性强、造价低的支护体系是目前高地应力软岩隧道所亟需解决的问题。

[0006] 本发明为一种可应用于高地应力软岩隧道的初期支护结构体系，具有易安装、强自稳、可压缩、后期易加强等优点。

[0045] 为使本发明的上述目的、特征和优点等能够更加明确易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施；本发明中所提及的若干，并非限于附图实例中具体数量；本发明中所提及的‘前’‘中’‘后’‘左’‘右’‘上’‘下’‘顶部’‘底部’‘中部’等指示的方位或位置关系，均基于本发明附图所示的方位或位置关系，而不指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位，亦不能理解为对本发明的限制。

[0046] 参见图1至图3所示，一种拼接式波纹管拱支护结构，包括环向连接件1、波纹管片2、注浆锚杆3、钢架4、纵向连接筋5、喷射混凝土6、紧固螺栓7、螺栓孔8和滑槽9；

[0047] 所述环向连接件1设有相互间隔设置的多件，相邻两件环向连接件1之间的距离优选设置为小于等于30cm，以使当相邻两件环向连接件1之间的滑移距离达到最大值时，洞室围岩的实际变形值趋于预测变形值。具体的，如当允许支护后的洞室径向位移为29cm，则可采用6片波纹管片及6个环向连接件，各波纹管片长度为5236mm，拼装后的波纹管片初始半径为5.29m，如图4所示；如当允许支护后的洞室径向位移为48cm，则可采用10片波纹管片及10个环向连接件，各管段长度为3142mm，拼装后的波纹管片初始半径为5.48m，如图5所示。
上述两种设计均能满足连接件滑移距离最大时的洞室净空半径为5m。

[0048] 所述波纹管片2设有若干组，每组波纹管片2设有相互连接的两件，在单件波纹管片2的一端设有多个螺栓孔8。环向连接件1设有滑槽9，所述滑槽9优选设置为盲槽结构，同一组的两件波纹管片2通过紧固螺栓7及环向连接件1相互连接。

[0049] 所述注浆锚杆3设有若干组，旨在对高地应力软岩(即软弱围岩K)隧道的松动圈进行注浆加固以形成围岩承载环。

[0050] 所述钢架4设有相互间隔设置的多件，单件钢架4的外侧通过焊接与波纹管拱相连，钢架4的内侧与纵向连接筋5相连。优选的，所述钢架4优选设置为采用型钢制作而成的型钢钢架结构。

[0051] 所述喷射混凝土6将环向连接件1、波纹管片2、注浆锚杆3的托盘及螺帽、钢架4及纵向连接筋5覆盖。

[0052] 本发明还提供了一种拼接式波纹管拱的支护方法，包括以下步骤：

[0053] 步骤一、根据高地应力软岩隧道的地质情况、隧道净空要求等确定隧道断面形状及尺寸，参照既有高地应力软岩隧道的工程支护经验，进而确定初期支护预留变形量及支护措施(如确定波纹钢板件的波距、波高、板厚，后期是否采用工字钢及其型号，后期是否采用注浆措施等)，拼接式波纹管拱的预留变形量及支护措施可参照表1及表2执行。

[0054] 表1高地应力软岩隧道围岩分级表

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[0056] 表2拼接式波纹管拱支护参数表

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[0058] 步骤二、通过对拼接式波纹管拱结构的初步试算，优化环向连接件允许滑移量、管段数及长度等参数，以保证环向连接件处的弯矩值较小。当确定基本参数后，对波纹管片及环形连接件等进行设计、工厂预制。

[0059] 步骤三、当隧道开挖后，将波纹管片自下而上进行拼装，如图5所示，波纹管片的拼接顺序为“1‑A→1‑B→1‑C→1‑D→1‑E→1‑F”，环向连接件的安装顺序为“2‑A→2‑B→2‑C→2‑D→2‑E”。采用螺栓对环向连接件以及拼装完成后的波纹管片进行紧固连接，连接质量由电动扭力扳手控制。可根据管拱的受力形态，确定各连接件的使用情况，在保证隧道稳定条件下，最大限度卸掉围岩应力。对波纹管供进行拼装的具体过程为：先安设隧道拱底对应的波纹管片，然后按照“拱脚→边墙→拱肩→拱顶”的顺序对称拼接剩余波纹管片。上部管片安装前，需调整上部管片下端与下部管片上端的间距，后通过螺栓将管段环向连接件固定在上下管片的连接处，螺栓通过电动扭矩扳手进行紧固，所采用扭矩应满足相应规范。

[0060] 步骤四、管拱拼接完成后，通过卷尺测量相邻管片端的净距，观察螺栓工作状态、拼接式波纹管片的变形等判定管拱工作状态，进而确定是否进一步采取内部加强措施。

[0061] 其中，拼接式波纹管片内侧波峰注浆孔可采用工厂预留或现场钻孔形式，当管拱达到预期工作承载极限状态后，由注浆孔经注浆锚杆向围岩松动圈进行注浆加固。未开挖软岩在高地应力作用下呈致密状态，孔隙率小，锚杆施工及注浆等难以实现，而当隧道开挖且管拱允许围岩一定变形后，近隧道侧围岩产生松动、孔隙率增大、围岩应力减小，为锚杆施工及注浆加固创造了有利条件，松动圈经注浆加固后能与管拱一起承担围岩压力。

[0062] 具体的，确定是否进一步采取内部加强措施的具体方式为：

[0063] (1)当围岩应力过大且管拱及注浆措施仍不能有效确保隧道安全时，可在管拱内部架设型钢钢架，增加初期支护强度，进一步限制高地应力软岩隧道的变形。具体的，通过连接件处相邻管片端部距离、螺栓位移及变形、管片变形等判定波纹管拱的工作状态，当拼装后的波纹管拱径向位移达到设计值或管拱达到承载极限状态时，若初期支护的变形仍未稳定，则在波纹管片内部架设型钢钢架，型钢钢架相互拼接成环，型钢钢架与波纹管片采用电焊等形式连接，钢环环间采用纵向连接钢筋连接，从而使工字钢、管拱连接为一整体，共同减小高地应力软岩隧道的变形，如图1所示。

[0064] (2)当高地应力隧道的变形在“管拱+加固注浆圈+钢环”支护结构下趋于稳定后，采用喷射混凝土填实支护结构的空隙，喷射混凝土一方面能填实空隙，为后面防水板、二次衬砌P的施工创造条件，一方面与既有支护结构组合，提高初期支护的承载能力。

[0065] 优选的，后期初期支护与二次衬砌间的预留变形量、纵向及环向盲管、防水板的施工、二次衬砌的浇筑等与一般隧道类似。

[0066] 实施例：

[0067] 假定波纹管片的管段环向连接件最大允许滑移距离为30cm，各管段环向连接件滑移距离达到最大值，且波纹管片稳定后的洞室半径为5.0m。当允许支护后的洞室径向位移为29cm，则可采用6片波纹管片及6个环向连接件，各波纹管片长度为5236mm，拼装后的波纹管片初始半径为5.29m，如图4所示；当允许支护后的洞室径向位移为48cm，则可采用10片波纹管片及10个环向连接件，各波纹管片长度为3142mm，拼装后的波纹管片初始半径为5.48m，如图5所示。通过调节连接件的最大允许滑移距离、管段长度及管片数等均可改变拼接式波纹管片的最大允许径向变形。

[0068] 下面结合附图对拼接式波纹管拱的结构及支护方式进行详述：

[0069] (1)根据高地应力软岩隧道的地质情况、隧道净空要求等确定隧道断面，进而确定初期支护预留的径向变形、支护措施等，如确定波纹钢板件的波距、波高、板厚，后期是否采用工字钢及其型号，后期是否采用注浆措施等。

[0070] (2)当确定基本参数后，根据需要将波纹管片划分成一定段数，后对波纹管片及环形连接件等进行设计、工厂预制。

[0071] (3)当隧道开挖后，将波纹管片自下而上进行拼装，如图5所示，管片拼接顺序为“1‑A→1‑B→1‑C→1‑D→1‑E→1‑F”，环向连接件的安装顺序为“2‑A→2‑B→2‑C→2‑D→2‑E”。采用螺栓对环向连接件及拼接管片进行紧固连接，连接质量由电动扭力扳手控制。可根据管拱的受力形态，确定各连接件的使用情况，在保证隧道稳定条件下，最大限度卸掉围岩应力。若当连接件所处位置以拉力为主时，可减小相邻管段的端部距离(如将间距由300mm减小至100mm)、以允许相邻管段间距在拉力作用下增大(如间距由100mm可增至300mm)；若当连接件所处位置以压力为主时，可增加相邻管段的端部距离(如使用最大允许滑移量300mm)、以允许相邻管段间距在压力作用下减小(如间距由300mm减小至0mm)。

[0072] (4)通过连接件处相邻管片端部距离、螺栓位移及变形、管片变形等判定波纹管拱的工作状态，当拼装后的波纹管拱径向位移达到设计值或管拱达到承载极限状态时，若初期支护的变形未稳定，则在波纹管片内部架设工字钢4，工字钢相互拼接成环，工字钢与波纹管片采用电焊等形式连接，钢环环间采用纵向连接钢筋5连接，从而使工字钢、管拱连接为一整体，共同减小高地应力软岩隧道的变形。如图1所示，也可由波纹管片内部进行开孔并通过锚杆3向软岩松动圈进行注浆以提高松动圈围岩力学参数，从而发挥围岩松动圈的承载能力，进而降低初期支护所受围岩压力。

[0073] (4)当高地应力隧道的变形在“管拱+加固注浆圈+钢环”支护结构下趋于稳定后，采用喷射混凝土6填实支护结构的空隙，喷射混凝土一方面能填实空隙，为后面防水板、二次衬砌的施工创造条件，一方面与既有支护结构组合，提高初期支护的承载能力。

[0074] (5)后期初期支护与二次衬砌间的预留变形量Q、纵向及环向盲管、防水板的施工、二次衬砌P的浇筑等与一般隧道类似。

[0075] 以上所述仅为本发明的实施例而已，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。