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1、10申请公布号CN104047610A43申请公布日20140917CN104047610A21申请号201410235221722申请日20140530E21D11/00200601E21D11/1020060171申请人甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司地址730050甘肃省兰州市酒泉路213号中匈友好大厦西塔交通设计院申请人清华大学72发明人王永刚徐文杰唐学军余小龙庞小冲朱小明74专利代理机构深圳市鼎言知识产权代理有限公司44311代理人哈达54发明名称复合衬砌结构57摘要一种复合衬砌结构，其包括一初期支护、一缓冲层及一二次衬砌，所述初期支护、缓冲层及二次衬砌依次层叠设置构成一拱形结构。
2、，缓冲层设置于二次衬砌与初期支护之间，所述初期支护包括一外层初期支护及一内层初期支护层叠设置，外层初期支护设置于内层初期支护的外围，紧贴开挖围岩面布设；所述内层初期支护包括钢筋网、多个型钢拱架及喷射混凝土层，钢筋网和多个型钢拱架嵌在喷射混凝土层中，其中，所述内层初期支护进一步包括多个高压缩混凝土预制块单元嵌在喷射混凝土层中，每个型钢拱架由多节型钢和至少一个形变部组成，形变部连接型钢，多个形变部与多个高压缩混凝土预制块单元在拱形结构交替设置，多个高压缩混凝土预制块单元沿拱形结构的长度方向延伸。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图6页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书。
3、1页说明书5页附图6页10申请公布号CN104047610ACN104047610A1/1页21一种复合衬砌结构，其包括一初期支护、一缓冲层及一二次衬砌，所述初期支护、缓冲层及二次衬砌依次层叠设置构成一拱形结构，缓冲层设置于二次衬砌与初期支护之间；所述初期支护包括一外层初期支护及一内层初期支护层叠设置，外层初期支护设置于内层初期支护的外围，紧贴开挖围岩面布设；所述内层初期支护包括多个型钢拱架及喷射混凝土层，多个型钢拱架嵌在喷射混凝土层中，其特征在于，每个型钢拱架由多节型钢和至少一个形变部组成，形变部连接相邻的两节型钢，所述内层初期支护进一步包括多个高压缩混凝土预制块嵌在喷射混凝土层中，多个形变。
4、部与多个高压缩混凝土预制块单元在拱形结构的长度方向上交替设置构成一形变单元。2如权利要求1所述的复合衬砌结构，其特征在于，外层初期支护仰拱不封闭，所述内层初期支护为一全环封闭结构。3如权利要求1所述的复合衬砌结构，其特征在于，每个形变单元中，多个高压缩混凝土预制块在拱形结构的长度方向上相互间隔设置，并成线性排布，相邻的两个高压缩混凝土预制块之间设置一个形变部。4如权利要求3所述的复合衬砌结构，其特征在于，所述内层初期支护包括68个形变单元，该68个形变单元沿拱形结构的环向方向间隔设置。5如权利要求1所述的复合衬砌结构，其特征在于，所述形变部为一可滑动结构，相邻的两节型钢通过形变部间隔设置，形变。
5、部构成一可滑动轨道，相邻两节型钢在重压下沿该滑动轨道相向滑动。6如权利要求5所述的复合衬砌结构，其特征在于，所述型钢为H型钢，形变部包括形限位块及螺栓，形限位块与螺栓固定后，具有一“H”字型轨道空间，型钢穿插于该“H”字型空间内。7如权利要求1所述的复合衬砌结构，其特征在于，所述形变部为一可压缩结构，形变部设置于相邻的两节型钢之间，并通过相邻两节型钢施加的压力压缩变形。8如权利要求7所述的复合衬砌结构，其特征在于，所述形变部包括一可压缩部及固定部，固定部将可压缩部的两端分别固定于两节相邻的型钢的端部，可压缩部为一具有S型结构的钢材，固定部包括四个螺栓，S型结构的钢材的两端分别通过四个螺栓固定于。
6、每节型钢的端部。9如权利要求1所述的复合衬砌结构，其特征在于，所述高压缩混凝土预制块、形变部通过预制批量生产。10如权利要求1所述的复合衬砌结构，其特征在于，所述缓冲层为高压缩性轻质混凝土结构，采用仰拱不封闭的拱形结构，所述二次衬砌为一全环封闭结构。权利要求书CN104047610A1/5页3复合衬砌结构技术领域0001本发明涉及一种复合衬砌结构。背景技术0002复合衬砌结构是隧道中常用的一种结构。复合衬砌结构对隧道围岩起支撑的作用，其构架与隧道形状相同。在隧道施工的过程中，复合衬砌结构支撑开挖后的隧道围岩。随着大规模高速交通隧道和大型水利水电工程的建设，岩土与地下工程日益向深部发展，伴随的地。
7、质力学环境愈来愈复杂。我国中、西部地质构造发育的复杂山岭地区的特长交通隧道项目，埋深多在3001000M。这种深度，在面临高地应力及复杂地质构造带等地层条件下，初期支护极易在围岩挤压作用下产生大变形，二次衬砌的长期稳定性也难以保证。0003目前，科研人员在乌鞘岭铁路（公路）隧道、兰渝铁路隧道、十天高速公路隧道等众多软岩大变形隧道建设过程中，对超前大钻孔或导洞应力释放、早高强喷射混凝土支护、多层柔性支护体系的强度及刚度、施工工艺等方面进行了大量的探索和实践。但，仍无法有效避免软岩挤压大变形导致的初期支护变形侵限、挤压破坏引起的耗工费时、具有安全风险的支护拆换和断面扩挖作业等问题。这些问题既大幅增。
8、加了工程投资，又减缓了施工进度。而且在长期运营过程中，在不断增长的挤压形变压力作用下，二次衬砌始终处于较高的工作应力状态，使得二次衬砌的长期稳定性及耐久性不断劣化，直接影响其服役性能和使用寿命。因此，挤压大变形地层条件下合理衬砌支护结构的研究具有重要的工程实用价值，关系到能否正确合理地进行地下工程的支护设计及安全性评价。发明内容0004因此，有必要提供一种复合衬砌结构，该复合衬砌结构能适应挤压大变形，有效改善地下工程支护体系施工过程中的挤压大变形受力状态及提高长期运营过程中不断增长的挤压形变压力作用下二次衬砌的稳定性。0005一种复合衬砌结构，其包括一初期支护、一缓冲层及一二次衬砌，所述初期支。
9、护、缓冲层及二次衬砌一次层叠设置构成一拱形结构，缓冲层设置于二次衬砌与初期支护之间；所述初期支护包括一外层初期支护及一内层初期支护层叠设置，外层初期支护设置于内层初期支护的外围，紧贴围岩面设置；所述内层初期支护包括多个型钢拱架及喷射混凝土层，多个型钢拱架嵌在喷射混凝土层中，其中，每个型钢拱架由多节型钢和至少一个形变部组成，形变部连接相邻的两节型钢，所述内层初期支护进一步包括多个高压缩混凝土预制块嵌在喷射混凝土层中，多个形变部与多个高压缩混凝土预制块单元在拱形结构的长度方向上交替设置构成一形变单元。0006相较于现有技术，本发明所提供的复合衬砌结构，外层初期支护仰拱不封闭，有较大的变形释放空间；。
10、内层初期支护设置于隧道内后，在围岩挤压形变压力作用下，高压缩混凝土预制块、多个形变部受内、外层初期支护中的喷射混凝土层及型钢拱架传递的挤压形变压力，由于高压缩混凝土预制块可适应较大的压缩变形，其破坏形式为延性破坏，形变部说明书CN104047610A2/5页4适应较大的压缩变形，其破坏形式为弹塑性破坏，从而在变形可控的前提下通过有效释放挤压大变形而释放围岩压力，避免现有复合式衬砌支护中挤压大变形导致的初期支护变形侵限、挤压破坏引起的支护拆换和断面扩挖作业等问题；设置于二次衬砌与初期支护之间的缓冲层，可通过压缩变形释放围岩压力，改善现有支护条件下挤压地层中二次衬砌较高的工作应力状态，有效提高地下。
11、工程中二次衬砌结构的长期稳定性及耐久性。附图说明0007图1为本发明第一实施例所提供的复合衬砌结构的横截面示意图。0008图2为本发明第一实施例提供的包括一形变单元的内层初期支护的平面示意图。0009图3为沿图2中IIIIII线的剖面示意图。0010图4为沿图2中IVIV线的剖面示意图。0011图5为本发明第一实施例中的复合衬砌结构中的高压混凝土单元的受力示意图。0012图6为本发明第一实施例提供的复合衬砌结构在施工过程中的横向剖面示意图。0013图7为本发明第一实施例提供的复合衬砌结构在施工过程中纵向剖面示意图。0014图8为本发明第二实施例提供的包括形变单元的内层初期支护的平面示意图。00。
12、15图9为沿图8中IXIX线的剖面示意图。0016图10为沿图8中XX线的剖面示意图。0017图11为沿图8中XIXI线的剖面示意图。0018主要元件符号说明形变部10固定锚杆12高压缩混凝土预制块13喷射混凝土层14可压缩部15固定部16外层初期支护30内层初期支护40形变单元50缓冲层60二次衬砌70仰拱填充及路面80型钢90初期支护100形限位块110螺栓111外层初期支护径向锚杆120超前支护小导管或管棚130复合衬砌结构200如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。具体实施方式0019请参见图1，本发明第一实施例提供一种复合衬砌结构200。所述复合衬砌结构200包括一初期支护。
13、100、一缓冲层60及一二次衬砌70。所述初期支护100、缓冲层60及二次衬砌70依次层叠设置构成一拱形结构，缓冲层60设置于二次衬砌70与初期支护100说明书CN104047610A3/5页5之间。0020所述初期支护100包括一外层初期支护30及一内层初期支护40层叠设置。外层初期支护30设置于内层初期支护40的外围。所述外层初期支护30贴合于开挖洞的内壁，即隧道围岩。外层初期支护30包括钢筋网、径向锚杆、多个型钢拱架及喷射混凝土层，其结构与现有技术中的初期支护层的结构相同。具体可以为钢筋网铺设于隧道内壁形成拱形结构，多个型钢拱架形成多个单拱结构，并沿隧道长度方向排列设置于钢筋网内侧。在钢。
14、筋网和多个型钢拱架设置之后，喷射混凝土层填充在钢筋网和多个型钢拱架上，使钢筋网和型钢拱架嵌在喷射混凝土层中，并被固定。如图1所示，所述外层初期支护30采用仰拱不封闭的结构，其横截面为一不封闭的拱形结构。0021所述内层初期支护40包括钢筋网、多个型钢拱架、多个高压缩混凝土预制块及喷射混凝土层，钢筋网、多个型钢拱架和多个高压缩混凝土预制块嵌在喷射混凝土层中。所述内层初期支护40为一全环封闭结构，即，仰拱封闭，其横截面为一封闭的环状结构。所述钢筋网的拱形部位铺设于外层初期支护30的内壁，钢筋网的仰拱部位直接铺设在隧道围岩上，形成全封闭的环状结构。所述多个型钢拱架设置于钢筋网内侧。每个型钢拱架构成一。
15、单环，支撑在钢筋网内侧。0022请参见图2及图3，所述内层初期支护40进一步包括多个高压缩混凝土预制块13嵌在喷射混凝土层14中。每个型钢拱架由多节型钢90和至少一个形变部10组成，形变部10连接该多节型钢90。在拱形结构的长度方向上，相邻的两个型钢拱架之间的距离为B。多个型钢拱架的多个形变部10与多个高压缩混凝土预制块13在拱形结构的长度方向上交替设置，多个高压缩混凝土预制块13沿拱形结构的长度方向延伸。即，多个高压缩混凝土预制块13在拱形结构的长度方向上相互间隔设置，并成线性排布。相邻的两个高压缩混凝土预制块13之间设置一个形变部10。所述高压缩混凝土预制块13配合形变部10设置。高压缩混。
16、凝土预制块13可通过固定锚杆12固定于隧道围岩上。在内层初期支护40的内壁上，每个型钢拱架中的相应位置的形变部10位于内壁同一拱高的位置，即多个型钢拱架中的相应位置的多个形变部10沿拱形结构的长度方向排列，相邻的两个形变部10之间设置有高压缩混凝土预制块13。即，高压缩混凝土预制块13通过形变部10相互连接，并沿拱形结构的长度方向延伸。将在同一延伸方向上的多个形变部10和多个高压缩混凝土预制块13组成的结构称作形变单元50。0023内层初期支护形成的过程为在外层初期支护内侧及隧道围岩上铺设钢筋网；在钢筋网内侧架设多个型钢拱架，每个型钢拱架上设有至少一个形变部；喷射混凝土，使钢筋网和型钢拱架嵌在。
17、喷射混凝土层内，并在靠近形变部的喷射混凝土层中预留出凹槽用于安装高压缩混凝土预制块；将定制好的高压缩混凝土预制块安装在预留的凹槽内，并用固定锚杆固定。其中，所述型钢拱架及高压缩混凝土预制块均通过工厂化集中预制批量生产。所述内层初期支护层40中，当高压缩混凝土预制块在挤压形变压力作用下发生延性破坏时，可通过局部拆换确保其受力连续性。0024每个型钢拱架可以包括多个形变部10，该多个形变部10沿型钢拱架的环向方向间隔设置。形变部的具体数量可根据施工条件调整，优选地，每个型钢拱架包括68个形变部10。当每个型钢拱架包括多个形变部10时，即内层初期支护40包括多个形变单元50，该多个形变单元50沿拱形。
18、结构的环向方向间隔设置。每个形变单元50的位置不同，形变说明书CN104047610A4/5页6单元50可以设置在内层初期支护40的拱腰、边墙、拱脚等受力不利的部位。本实施例中，如图1所示，内层初期支护40包括7个形变单元50。请参见图2，每个型钢拱架由型钢90和至少一个形变部10组成，形变部10连接型钢90。形变部10将多节型钢90连接形成环状结构的型钢拱架。请参见图4，所述形变部10为一可滑动结构。相邻的两节型钢90通过形变部10间隔设置。形变部10构成一可滑动轨道，相邻两节型钢90可沿该滑动轨道相向滑动。本实施例中，型钢90为H型钢，形变部10包括形限位块110及螺栓111。形限位块11。
19、0与螺栓111固定后，具有一“H”字型空间，型钢90穿插于该“H”字型空间内，并被形限位块110和螺栓111固定。两节相邻的型钢90的连接端间隔一距离L。在重压下，两节型钢90可以滑动相互靠拢，使距离L减小。形限位块110和两侧的螺栓111施加预紧力，实现钢拱架滑动收缩变形的有限控制。型钢拱架中的型钢90在围岩挤压形变压力作用下沿钢板预制成的形限位块110环向滑动收缩，在释放挤压大变形的过程中释放围岩压力。本发明在现有型钢拱架支护结构中增加可滑动的形变部10，可以有效避免现有钢拱架支护中无法释放围岩挤压大变形而导致拱架扭曲变形、丧失承载能力、不得不采取高风险的拱架拆换等不利状况，从而确保支护结。
20、构的有效承载及施工作业的连续性。0025请参见图5，高压缩混凝土预制块13工作状态受力变形示意图，高压缩混凝土预制块13在外层初期支护30传递的径向压力P2、内层初期支护40传递的环向压力P1及径向固定锚杆12的拉力F作用下，通过压缩大变形释放围岩挤压形变压力。内层初期支护40的高压缩混凝土预制块13在工作过程中承担外层初期支护30及内层初期支护40传递的挤压形变压力，通过内层初期支护40的高压缩混凝土预制块13中设置的径向固定锚杆12对高压缩混凝土预制块13施加法向约束，防止高压缩混凝土预制块13在较大的压缩变形情况下径向挤出失效，从而更好的协调挤压大变形，发挥内层初期支护的承载性能。002。
21、6对于整个内层初期支护40而言，在隧道围岩挤压形变压力作用下，形变单元50承受内层初期支护40中的喷射混凝土层14及型钢拱架传递的挤压形变压力，由于高压缩混凝土预制块13可适应较大的压缩变形，其破坏形式为延性破坏，形变部10可通过滑动收缩适应较大的压缩变形，从而在形变可控的前提下在受力最不利位置通过有效释放挤压大变形而释放围岩压力，避免现有复合式衬砌支护中挤压大变形导致的初期支护变形侵限、挤压破坏引起的支护拆换和断面扩挖作业等问题。当高压缩混凝土预制块13在挤压形变压力作用下发生延性破坏时，可通过局部拆换确保其受力连续性。当挤压变形基本收敛稳定时，将形变部10中的预留滑动空间L内剩余空间采用喷。
22、射混凝土填充密实，确保支护结构受力的连续性及承载性能。0027所述缓冲层60设置于内层初期支护40的内壁，采用仰拱不封闭的拱形结构。缓冲层60的材料为高压缩轻质混凝土。缓冲层60位于内层初期支护40与二次衬砌70之间，可以有效改善长期运营过程中不断增长的挤压形变压力作用下二次衬砌70的长期受力状态，有利于提高所述复合衬砌结构200的长期稳定性及耐久性。0028所述二次衬砌70为一全环封闭结构，其拱形部分位于缓冲层60内壁，其仰拱部分位于内层初期支护40的内壁。二次衬砌70的为钢筋混凝土层。二次衬砌70为成型隧道的内壁。在二次衬砌70的仰拱位置，铺设仰拱填充及路面80。0029所述复合衬砌结构2。
23、00在隧道中的设置方式及隧道施工结构如图6和图7所示。施工流程说明书CN104047610A5/5页7首先在拱形结构的隧道洞内围岩拱部沿开挖轮廓外围打入纵向超前支护小导管或管棚130及外层初期支护径向锚杆120。超前支护小导管或管棚130沿隧道拱部轮廓环向伞状布设，外层初期支护径向锚杆120沿拱形隧道围岩环周径向发散布设。0030待开挖出渣完成、断面修整完毕后，施作外层初期支护30，请参见图6，D为开挖跨度在围岩表面施作5CM厚初喷混凝土、型钢拱架支撑、铺挂钢筋网片、复喷混凝土至设计厚度，短台阶法开挖时外层初期支护30应在距离掌子面115D范围内完成落底支护作业，外层初期支护30允许发生局部塑。
24、性挤压破坏，外层初期支护30设计参数的选择以变形可控、避免产生大范围塑性破坏的前提下释放4050左右的挤压大变形为准则。0031在距离掌子面225D施作可适应挤压大变形的内层初期支护40，并在受力最不利的两侧拱腰、边墙、拱脚及仰拱底部等设68处形变单元50，内层初期支护40设计参数的选择以变形可控的前提下释放3040左右的挤压大变形为准则。0032全断面铺挂复合防水卷材及环向、横向、纵向排水盲管。0033距离掌子面45D范围、拱脚以上全断面模筑施工高压缩轻质混凝土缓冲层60，基于施工监控量测数据的反分析及挤压大变形量值的预测、结合机械化模筑施工的可实施性，缓冲层60的厚度以2030CM为宜，挤。
25、压大变形预测量值大者取较大值；根据地下水发育情况，高压缩轻质混凝土缓冲层60可掺加相应的防水剂等以提高结构防水性能。0034按内层初期支护40稳定收敛速率1520毫米/天或距离掌子面80M双控标准施作钢筋混凝土二衬衬砌70。0035本发明第二实施例提供一种复合衬砌结构，该复合衬砌结构与第一实施例提供的复合衬砌结构200的结构基本相同，其不同之处在于形变部10的结构。请参见图811，所述形变部10为一可压缩结构，形变部10设置于相邻的两节型钢90之间，并可通过相邻两节型钢90施加的压力压缩变形。每个形变部10包括一可压缩部15及固定部16。固定部16将可压缩部15的两端分别固定于两节相邻的型钢9。
26、0的端部，使两节型钢90端部之间的距离为L0。本实施例中，可压缩部15为一具有S型结构的钢材，固定部16包括四个螺栓，S型结构的钢材的两端分别通过四个螺栓固定于每节型钢90的端部。该两节相邻的型钢90的连接端间隔距离L0。在重压下，可压缩部15发生压缩变形，两节型钢90可以相互靠拢，使距离L0减小。可压缩部15本身的结构特征可实现压缩形变的有限控制。型钢拱架中的型钢90在围岩挤压形变压力作用下使可压缩部15沿环向收缩，在释放挤压大变形的过程中释放围岩压力。在复合衬砌结构的实施过程中，通过调整可压缩部15的长度与高压缩混凝土预制块13变形协调，实现钢拱架压缩变形的有效控制。这种结构可以有效避免现。
27、有钢拱架支护中无法释放围岩挤压大变形而导致拱架扭曲变形、丧失承载能力、不得不采取高风险的拱架拆换等不利状况，从而确保支护结构的有效承载及施工作业的连续性。0036另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。说明书CN104047610A1/6页8图1图2说明书附图CN104047610A2/6页9图3图4说明书附图CN104047610A3/6页10图5说明书附图CN104047610A104/6页11图6图7说明书附图CN104047610A115/6页12图8图9图10说明书附图CN104047610A126/6页13图11说明书附图CN104047610A13。