專利名稱：：高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及高速鐵路，特別涉及高速鐵路超大斷面富水黃土隧道的襯砌構(gòu)造。
背景技術(shù)：
：近些年來我國在黃土地區(qū)修建了大量公路、鐵路隧道，其中一些黃土隧道土體含水量較大，如寶蘭二線新松樹灣隧道，黃延高速公路道南隧道等，為黃土隧道的修建技積累了一些經(jīng)驗(yàn)。但這些已經(jīng)建成的黃土隧道由于運(yùn)營期間線路及路面對結(jié)構(gòu)下沉要求不高，采用普通的噴錨網(wǎng)和鋼架組成的初期支護(hù)體系，重點(diǎn)在于保證施工過程的安全，不太重視隧道修建好后運(yùn)營P介段的結(jié)構(gòu)下沉問題。而實(shí)際上以往公路、鐵路黃土隧道運(yùn)營期間均有不同的結(jié)構(gòu)下沉問題，而這種情況在高速鐵路隧道中是必須避免的。鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線，線路全長458.8km,是我國在黃土地區(qū)新建的運(yùn)營速度為350km/h的第一條鐵路客運(yùn)專線。全線隧道共計(jì)38座，總長約77km,其中黃土隧道總長50km。該客運(yùn)專線隧道內(nèi)鋪設(shè)無砟軌道，要求隧道內(nèi)線路有高度的平順性，工后沉降要求不大于15mm,不同結(jié)構(gòu)物間的差異沉降不應(yīng)大于5mm,沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高，必須采用有效的襯砌結(jié)構(gòu)，避免因?yàn)檫\(yùn)營期間基底受擾動(dòng)后產(chǎn)生較大的工后沉降。富水黃土屬于典型的黏質(zhì)粉土。在天然條件下處于硬塑/堅(jiān)硬狀態(tài)，承載力較高，壓縮變形較小，工程性質(zhì)良好。但在開挖后，隨著黃土圍巖孔隙水的逐漸滲出，圍巖的松弛、軟化現(xiàn)象非常明顯，強(qiáng)度大大衰減。特別是在隧道開挖施工機(jī)械反復(fù)碾壓下，基底黃土泥化、軟化非常嚴(yán)重，甚至成流塑狀態(tài)。這種狀態(tài)會(huì)引起初期支護(hù)過大的沉降，給隧道的施工和安全帶來不利影響，難以滿足高速鐵路對線下結(jié)構(gòu)工后沉降、變形和長期穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。在高速列車動(dòng)荷載長期作用下，富水黃土隧道基底是否軟化、泥化以及對隧底長期穩(wěn)定產(chǎn)生的后果是困擾鄭西客專建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，襯砌構(gòu)造能有效地控制隧道結(jié)構(gòu)工后沉降并保持長期穩(wěn)定，從而滿足高速鐵路的運(yùn)營要求。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是高速鐵路黃土隧道襯砌構(gòu)造，包括外襯和內(nèi)村，村由封閉黃土圍巖的拱頂段、拱墻段和仰拱段構(gòu)成，其特征是所述拱頂段的拱腳部橫向加寬，其內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的拱頂鋼架，拱頂鋼架由鎖腳錨桿錨固在黃土圍巖上。所述仰拱段下設(shè)置有混凝土保護(hù)層。本發(fā)明的有益效果是，解決了在富水黃土地質(zhì)條件下大斷面黃土隧道施工的技術(shù)難題，能有效地控制隧道結(jié)構(gòu)工后沉降并保持長期穩(wěn)定，模擬高速列車運(yùn)行的現(xiàn)場激振試驗(yàn)表明，高速列車運(yùn)行20年后隧道內(nèi)仰拱填充面累計(jì)沉降不大于0.5mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高速4^路安全運(yùn)營對隧道結(jié)構(gòu)工后沉降的要求(Sl5mm)。本說明書包括如下五幅附圖圖1是本發(fā)明高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造的斷面結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中A局部的放大示意圖3是圖1中B局部的放大示意圖4是張茅隧道DK224+540斷面實(shí)測沉降曲線圖5是激振試驗(yàn)仰拱填充面累計(jì)沉降一一激振次數(shù)關(guān)系曲線圖。圖中示出構(gòu)件、部位名稱及所對應(yīng)的標(biāo)記外襯10、拱頂段11、拱腳部11a、拱頂鋼架11b、鎖腳錨桿11c、拱墻段12、拱墻鋼架12a、仰拱段13、仰拱鋼架13a、混凝土保護(hù)層14、內(nèi)襯20。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。參照圖1，本發(fā)明高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，包括外襯10和內(nèi)村20，夕卜襯10由封閉黃土圍巖的拱頂段11、拱墻段12和仰拱段13構(gòu)成。參照圖2，所述拱頂段11的拱腳部11a橫向加寬，其內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的拱頂鋼架11b，拱頂鋼架11b由鎖腳錨桿11c錨固在黃土圍巖上。即在隧道上臺(tái)階開挖后，兩側(cè)拱腳分別向外擴(kuò)挖一定寬度，架設(shè)型鋼鋼架14，并用鎖腳錨桿13錨固后立即噴射混凝土封閉黃土圍巖形成拱頂段11。由于加寬的換腳部11a增大了拱腳受力面積，拱頂鋼架11b、鎖腳錨桿11c的設(shè)置提高了腳承的承載力，因此能有效地控制拱部初期支護(hù)下沉。參照圖2，為有效地控制黃土圍巖的變形和增強(qiáng)初期支護(hù)的穩(wěn)定性，所述拱頂段11為其內(nèi)加設(shè)鋼筋網(wǎng)的噴射混凝土層。參照圖1和圖2，所述拱墻段12內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的拱墻鋼架12a,仰拱段13內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的仰拱鋼架13a,拱頂鋼架11b與拱墻鋼架12a、拱墻鋼架12a與仰拱鋼架13a對接，形成環(huán)繞黃土圍巖周壁的全環(huán)鋼架。參照圖3,所述仰拱段13下設(shè)置有混凝土保護(hù)層14,即開挖至隧底時(shí)，應(yīng)及時(shí)噴射混凝土形成混凝土保護(hù)層14對隧底進(jìn)行封底處理，盡量減小在仰拱施作時(shí)基礎(chǔ)反復(fù)碾壓造成的基底軟化、泥化和破壞?；炷帘Ｗo(hù)層14的厚度為15~20cm。為確保大斷面黃土隧道襯砌構(gòu)造的永久穩(wěn)定性，所述內(nèi)襯20采用整體式鋼筋混凝土襯砌。以下以鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線張茅隧道為例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明張茅隧道位于鄭西客專澠池至靈寶,殳，隧道全長8483m，為鄭西客專最長的隧道。隧道出口段31卯m(最大埋深100m)位于地下水位以下的第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土中，為V級(jí)圍巖。地下水水頭高出拱頂最大約20m,黏質(zhì)黃土垂直節(jié)理發(fā)育，含豐富的孔隙水，天然含水量23%。該隧道地形為黃土臺(tái)塬地貌，黃土沖溝發(fā)育，地形切割沖刷嚴(yán)重，地勢陡峻，黃土塬上地形平坦開闊，地面高程640~740m,相對高差約lOOm。隧道主要位于<3-2>黏質(zhì)黃土((^2)地層中。黏質(zhì)黃土Q2具有如下特點(diǎn)褐黃、棕黃、棕紅色、深棕紅色，硬塑~堅(jiān)硬，垂直節(jié)理發(fā)育；夾數(shù)層0.05~l.Om鈣質(zhì)結(jié)核層(姜石層)；夾數(shù)層古土壤層(據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料最多為九層)，厚度數(shù)十厘米至數(shù)米，古土壤層成份為黏土，具弱中等膨脹性；黏質(zhì)黃土部分亦具弱膨脹性；夾砂層、圓礫土及卵石土透鏡體，屬m級(jí)硬土。張茅隧道富水黃土段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錨網(wǎng)噴及型鋼鋼架組成初期支護(hù)，鋼筋混凝土二次襯砌。張茅隧道富水黃土段支護(hù)參數(shù)如表1所示。表l張茅隧道富水黃土段支護(hù)參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>注拱墻初期支護(hù)噴射混凝土摻加合成纖維，摻量為1.2kg/m^二次襯砌均為鋼筋混凝土，主筋采用每延米5根cD22鋼筋。張茅隧道村砌構(gòu)造和以往的富水黃土隧道襯砌構(gòu)造的主要不同點(diǎn)有(1)拱頂段11增設(shè)大拱腳，隧道上臺(tái)階開挖后，兩側(cè)拱腳部lla分別向外擴(kuò)挖0.8m,架設(shè)拱頂鋼架llb后立即噴砼封閉，從而達(dá)到增大拱腳受力面積、控制拱部初期支護(hù)下沉的目的；(2)鎖腳錨桿llc,大斷面黃土隧道由于拱(墻)腳承載力低，初期支護(hù)易產(chǎn)生較大下沉，設(shè)置鎖腳錨桿llc是控制初期支護(hù)下沉的主要手段。張茅隧道分3個(gè)臺(tái)階開挖，共設(shè)置6處、每處6根①42鎖腳錨桿，即每榀鋼架設(shè)36根鎖腳錨桿；(3)隧道底部增設(shè)混凝土保護(hù)層14:施工中及時(shí)開挖至隧底、并及時(shí)噴射15~20cm混凝土形成混凝土保護(hù)層14對隧底進(jìn)行封閉處理，以保護(hù)隧底，盡量減小在仰拱施作時(shí)基礎(chǔ)反復(fù)碾壓造成的基底軟化、泥化和破壞；(4)為了有效控制施工過程中的下沉，還需保證噴射混凝土封閉開挖面，如若不能及時(shí)封閉開挖面(包括掌子面弧形導(dǎo)坑部分)，隨著地下水的很快滲出，容易產(chǎn)生坍塌。仰拱及時(shí)閉合，初期支護(hù)仰拱閉合距掌子面控制在25m左右。隧道基底沉降試驗(yàn)和分析1.鋪設(shè)無砟軌道前的沉降張茅隧道分別在明暗交接處、襯砌變化處、變形縫處以及進(jìn)出口位置布設(shè)35組觀測斷面，測點(diǎn)位于水溝蓋板頂以上30cm處的拱墻上。從沉降觀測的時(shí)間分析，前期6周至8周沉降量較大，后期基本穩(wěn)定，最大總下沉量4.4mm，最小下沉量1.8mm。DK224+540斷面實(shí)測沉降曲線如圖4所示，該曲線表明襯砌構(gòu)造下沉已經(jīng)穩(wěn)定，滿足鋪設(shè)無硨軌道的條件。2.鋪設(shè)無砟軌道后的沉降在高速列車動(dòng)荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性是工程成敗的關(guān)鍵核心問題，因此，必須對動(dòng)荷載作用下隧道基底的性狀進(jìn)行研究，這就要借助于模擬高速列車振動(dòng)效應(yīng)的激振試驗(yàn)。試驗(yàn)采用了西南交通大學(xué)為鄭西客運(yùn)專線隧道基底激振試驗(yàn)專門研制的DTS-1型動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。激振試驗(yàn)過程中隧道仰拱填充面累計(jì)沉降一一激振次數(shù)之間的變化曲線如圖5所示。由圖5可見，仰拱填充面累計(jì)沉降一一激振次數(shù)之間的變化曲線大致分為三階段(1)初始穩(wěn)定階段，即當(dāng)累計(jì)激振次數(shù)^100萬次時(shí)，仰拱填充面激振累計(jì)沉降(塑性沉降)基本保持常值，為S累計(jì)^).15mm;(2)沉降發(fā)展階段，即當(dāng)100萬次〈累計(jì)激振次數(shù)^180萬次時(shí)，仰拱填充面激振累計(jì)沉降s累計(jì)快速增加至0.46mm;(3)穩(wěn)定階段，即當(dāng)180萬次<累計(jì)激振次數(shù)^230萬次時(shí)，仰拱填充面激振累計(jì)沉降大致保持不變，趨于穩(wěn)定，為S累計(jì)^).5mm?？梢?，張茅隧道仰拱填充面累計(jì)沉降——激振次數(shù)曲線呈現(xiàn)出激振沉降穩(wěn)定型特性(即非激振發(fā)散型性質(zhì))，即激振沉降隨激振次數(shù)增加逐漸趨于穩(wěn)定。在230萬次激振后仰拱填充面激振累計(jì)沉降S累計(jì)^).5mm，以運(yùn)營期間每天IOO對車次計(jì)，230萬次相當(dāng)于20年的運(yùn)營時(shí)間，也就是說，高速列車運(yùn)行20年后隧道內(nèi)仰拱填充面累計(jì)沉降不大于0.5mm,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高速鐵路安全運(yùn)營對隧道結(jié)構(gòu)工后沉降的要求(S5mm)。權(quán)利要求1.高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，包括外襯(10)和內(nèi)襯(20)，外襯(10)由封閉黃土圍巖的拱頂段(11)、拱墻段(12)和仰拱段(13)構(gòu)成，其特征是所述拱頂段(11)的拱腳部(11a)橫向加寬，其內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的拱頂鋼架(11b)，拱頂鋼架(11b)由鎖腳錨桿(11c)錨固在黃土圍巖上。2.如權(quán)利要求1所述高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，其特征是所述仰拱段(13)下設(shè)置有混凝土保護(hù)層(14)。3.如權(quán)利要求2所述高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，其特征是所述拱墻段(12)內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的拱墻鋼架(12a)，仰拱段(13)內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的仰拱鋼架(13a),拱頂鋼架("b)與拱墻鋼架(12a)、拱墻鋼架(12a)與仰拱鋼架(13a)對接形成全環(huán)鋼架。4.如權(quán)利要求3所述高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，其特征是所述拱頂段(11)為其內(nèi)加設(shè)鋼筋網(wǎng)的噴射混凝土層。5.如權(quán)利要求1、2或3所述高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，其特征是所述內(nèi)襯(20)為整體式鋼筋混凝土襯砌。全文摘要本發(fā)明公開了一種高速鐵路超大斷面富水黃土隧道襯砌構(gòu)造，旨在有效地控制隧道結(jié)構(gòu)工后沉降并保持長期穩(wěn)定。它包括外襯(10)和內(nèi)襯(20)，外襯(10)由封閉黃土圍巖的拱頂段(11)、拱墻段(12)和仰拱段(13)構(gòu)成，所述拱頂段(11)的拱腳部(11a)橫向加寬，其內(nèi)埋設(shè)有周向延伸的拱頂鋼架(11b)，拱頂鋼架(11b)由鎖腳錨桿(11c)錨固在黃土圍巖上。本發(fā)明的有益效果是，解決了在富水黃土地質(zhì)條件下大斷面黃土隧道施工的技術(shù)難題，能有效地控制隧道結(jié)構(gòu)工后沉降并保持長期穩(wěn)定，模擬高速列車運(yùn)行的現(xiàn)場激振試驗(yàn)表明，高速列車運(yùn)行20年后隧道內(nèi)仰拱填充面累計(jì)沉降不大于0.5mm。文檔編號(hào)E21D11/14GK101598028SQ20091005981公開日2009年12月9日申請日期2009年6月29日優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日發(fā)明者渝喻,方錢寶,楊建民,薛富春,趙華峰,馬建林,鮑海榮,棋黃申請人:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司