一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构及其施工安装方法.pdf

一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构及其施工安装方法，本发明主体是衬砌轮胎和钢拱架，通过数值模拟，确定衬砌轮胎安装位置，以及轮胎形状，利用空气和橡胶的柔韧度使围岩变形产生的压力均匀的传递给钢拱架，大大降低型钢断面面积和强度要求，充分利用钢拱架的利用率，最大程度避免钢拱架局部破坏，极大程度节约施工成本，保证围岩充分发挥自身支护能力，防止围岩局部破坏，提高安全性。

权利要求书
1.  一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，它包括钢拱架（7），其特征在于，钢拱架和围岩（1）之间设有衬砌轮胎（3），衬砌轮胎内充有空气（2），衬砌轮胎上设有泄载装置，泄载装置底部设有输气孔（4），钢拱架和衬砌轮胎通过钢绞线（8）和围岩上的锚杆（6）固定在围岩上。

2.  根据权利要求1所述的具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，其特征在于：所述衬砌轮胎单层断面5cm-15cm，其中外侧采用轮胎专用TSR5橡胶层（11），厚度为0.5cm-3cm，轮胎内侧采用SCR10#C型橡胶层（12），其厚度为8cm-10cm，衬砌轮胎中间有直径为10cm~30cm的孔径空间，所述的10cm-30cm的孔径空间接近隧道位移量的80%。

3.  根据权利要求1所述的具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，其特征在于：所述钢拱架与软岩之间间距在20cm-50cm，衬砌轮胎给予围岩10cm-30cm自由变形空间。

4.  根据权利要求1所述的具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，其特征在于：所述钢拱架架脚采用浅埋并锚栓链接设置，所述输气孔是排气、输气为一体的装置。

5.  根据权利要求1所述的具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，其特征在于：所述锚杆偏离钢拱架一侧，距离钢拱架一侧5cm，锚杆露出岩体外部的一端采用弯钩式构造，钢绞线通过预应力锚具（5）紧扣。

6.  根据权利要求1所述的一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，其特征在于：所述的轮胎内气体压强达到3Mpa-8Mpa时候输气孔阀门将被顶起，气体排出，压强小于该值时，阀门关闭，不释放气体。

7.  根据权利要求1所述的一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，其特征在于：采用数值模拟预测隧道变形较大位置，重点位移量释放大的位置，针对性使用衬砌轮胎，其余位移量小的部位，留存部分岩体支撑，所述衬砌轮胎形状根据隧道围岩受力情况以及隧道形状设计。

8.  权利要求1－7中任一权利要求所述的具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构的施工安装方法,其特征是：它包括如下步骤：
1）根据工程实际需要，采取不同方式开挖隧道，隧道开挖完成，先在围岩壁上初喷砼，接着打插锚杆（6）、安装钢筋网（9），喷射砼将钢筋格栅（10）全部覆盖；
2）将空气从输气孔充入衬砌轮胎，输气过程中将轮胎架在隧洞内，使轮胎外侧紧贴围岩；
3）安装钢拱架，并用钢绞线把钢拱架和锚杆连接起来，并包围轮胎；
4）一衬完成后，隧道围岩压力最终传递给钢拱架，钢拱架受力由以往的不均匀受力转变为均匀受力；
5）轮胎和钢拱架安装完成即一衬完成后，衬砌轮胎内有直径约为10cm-30cm的气柱，隧道围岩将一直会产生变形，围岩把压力施加在轮胎上，气体压强增加到3Mpa -8Mpa，气体立即释放,随着气体释放过程，围岩变形达到稳定，气体未释放完全，围岩压力因气体存在，装置受力完全均匀，喷射混凝土，把衬砌轮胎和钢拱架完全覆盖，完成二衬过程；或者随着气体完全释放，围岩继续变形，此时围岩压力完全通过橡胶均匀传递给钢拱架，使装置受力近似均匀，喷射混凝土，把衬砌轮胎和钢拱架完全覆盖，完成二衬过程。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于：初喷砼的厚度为28－32mm。

说明书一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构及其施工安装方法
技术领域
本发明涉及隧道工程的装置领域，具体涉及一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构及其施工安装方法。
背景技术
现今，随着施工技术的进步，钢拱架安装技术日趋完善，但是隧道软岩以及膨胀性土层问题一直困扰着隧道工程。隧道开挖后，围岩在隧洞开挖后会产生蠕变或流变变形，挤压刚拱架，钢拱架极易发生变形而失稳；围岩不均匀变形(如图9-图10)对钢拱架不同部位产生不同压力，使钢拱架的不同部位会承受不同轴力、弯矩，轴力和弯矩的最大值可达到最小值的20倍，等截面的设计的钢拱架极容易造成材料浪费；过早安装钢拱架则使钢拱架过早承受围岩变形压力，从而导致钢架强度需要提高，过迟安装钢拱架，围岩变形过程中午支护，易发生块体破坏现象。如之前申请的专利《用于隧道与钢拱架间的衬砌轮胎》所述装置，是一种可使围岩变形而钢拱架内力不增加，而且围岩始终存在支护力，围岩不会发生局部破坏，同时又能保证钢拱架在破坏时不会产生很大内应力。但是该装置不能永久埋在隧道中，不能真正起到使钢拱架承受压力均匀化的作用，以及存在拆除轮胎或者拆除钢拱架的麻烦。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构及其施工安装方法，其使钢拱架的型钢利用率大大提高，节约型钢的使用，节约成本，同时也可以防止围岩突然失稳，防止钢拱架承受较大冲击力。
本发明的目是这样实现的：一种种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，它包括钢拱架，钢拱架和围岩之间设有衬砌轮胎，衬砌轮胎内充有空气，衬砌轮胎上设有泄载装置，泄载装置底部设有输气孔，钢拱架和衬砌轮胎通过钢绞线(8)和围岩上的锚杆固定在围岩上。
所述衬砌轮胎单层断面5cm-15cm，其中外侧采用轮胎专用TSR5橡胶层，厚度为0.5cm-3cm，轮胎内侧采用SCR10#C型橡胶层，其厚度为8cm-10cm，衬砌轮胎中间有直径为10cm～30cm的孔径空间，所述的10cm-30cm的孔径空间接近隧道位移量的80％。
所述钢拱架与软岩之间间距在20cm-50cm，衬砌轮胎给予围岩10cm-30cm自由变形空间。
所述钢拱架架脚采用浅埋并锚栓链接设置，所述输气孔是排气、输气为一体的装置。
所述锚杆偏离钢拱架一侧，距离钢拱架一侧5cm，锚杆露出岩体外部的一端采用弯钩式构造，钢绞线通过预应力锚具紧扣。
所述的轮胎内气体压强达到3Mpa-8Mpa时候输气孔阀门将被顶起，气体排出，压强小于该值时，阀门关闭，不释放气体。
采用数值模拟预测隧道变形较大位置，重点位移量释放大的位置，针对性使用衬砌轮胎，其余位移量小的部位，留存部分岩体支撑，所述衬砌轮胎形状根据隧道围岩受力情况以及隧道形状设计。
具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构的施工安装方法,它包括如下步骤：
1)根据工程实际需要，采取不同方式开挖隧道，隧道开挖完成，先在围岩壁上初喷砼，接着打插锚杆、安装钢筋网，喷射砼将钢筋格栅全部覆盖；
2)将空气从输气孔充入衬砌轮胎，输气过程中将轮胎架在隧洞内，使轮胎外侧紧贴围岩；
3)安装钢拱架，并用钢绞线把钢拱架和锚杆连接起来，并包围轮胎；
4)一衬完成后，隧道围岩压力最终传递给钢拱架，钢拱架受力由以往的不均匀受力转变为均匀受力；
5)轮胎和钢拱架安装完成即一衬完成后，衬砌轮胎内有直径约为10cm-30cm的气柱，隧道围岩将一直会产生变形，围岩把压力施加在轮胎上，气体压强增加到3Mpa-8Mpa，气体立即释放,随着气体释放过程，围岩变形达到稳定，气体未释放完全，围岩压力因气体存在，装置受力完全均匀，喷射混凝土，把衬砌轮胎和钢拱架完全覆盖，完成二衬过程；或者随着气体完全释放，围岩继续变形，此时围岩压力完全通过橡胶均匀传递给钢拱架，使装置受力近似均匀，喷射混凝土，把衬砌轮胎和钢拱架完全覆盖，完成二衬过程。
初喷砼的厚度为28－32mm。
本发明有如下有益效果：本发明围岩在轮胎的一定支护条件下，可以进行排气所引起10cm-30cm的自由变形(10cm-30cm距离是的孔径空间，它接近隧道位移量的80％过大将会造成长期体积稳定性和气密性的不良影响)，在此排气过程中，轮胎可以自动放气，而且在这一过程中不会对钢拱架施加任何作用，充分发挥围岩的自身支护能力，防止渐进式破坏，避免过早的安装高强度的钢拱架。采用数值模拟可预测隧道变形较大位 置，重点位移量释放大的位置，针对性使用轮胎，其余位移量小的部位，可以留存部分岩体支撑。轮胎可以永久安置在隧道中，而且橡胶完全密封在混凝土中，可以大大提高橡胶轮胎的抗老化性能，使橡胶轮胎传递围岩压力，维持钢拱架受力均匀的这一功能是的时间大大提高。衬砌轮胎可以以不同形状呈现，满足各种隧道形状要求，不仅仅适合全断面隧道施工，也满足隧道的分部开挖法。橡胶柔韧度极高，充分使围岩传递给钢拱架的力均匀化，避免钢拱架局部承受较大的压力，从而大大地减少钢拱架断面面积，节约钢材。每榀安装衬砌轮胎钢拱架和未安装衬砌轮胎的钢拱架相比，极大降低钢拱架需要的型钢强度和型钢断面面积，每榀钢拱架可节约成本10％以上。排气阀的阈值可调节，所述根据隧道位移量而设计的轮胎充气空间的直径，充足气体的情况下，衬砌轮胎所能承受压力值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是衬砌轮胎安装前隧道示意图；
图2是衬砌轮胎主体安装隧道示意图；
图3是衬砌轮胎断面示意图；
图4是隧道施工完成示意图；
图5是钢拱架、衬砌轮胎、锚杆、隧道断面示意图；
图6是锚具详图和钢绞线连接示意图；
图7是隧道局部安装衬砌轮胎结构图a；
图8是隧道局部安装衬砌轮胎结构图b；
图9是某城门洞型开挖断面位移矢量图；
图10是某城门洞型隧道钢拱架受力图；
图11是某城门洞型隧道安装衬砌轮胎后传力受力图a；
图12是某城门洞型隧道安装衬砌轮胎后传力受力图b。
具体实施方式
如图1-12中，一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构，它包括钢拱架7，钢拱架和围岩1之间设有衬砌轮胎3，衬砌轮胎内充有空气2，衬砌轮胎上设有泄载装置，泄载装置底部设有输气孔4，钢拱架和衬砌轮胎通过钢绞线8和围岩上的锚杆6固定在围岩上，所述衬砌轮胎单层断面10cm，其中外侧采用轮胎专用TSR5橡胶层11，厚度为1cm，轮胎内侧采用SCR10#C型橡胶层12，其厚度为8cm-10cm，衬砌轮胎中间有直径为 10cm-30cm的孔径空间，所述的10cm-30cm的孔径空间接近隧道位移量的80％，所述钢拱架与软岩之间间距在20cm-50cm，衬砌轮胎给予围岩10cm-30cm自由变形空间，所述钢拱架架脚采用浅埋并锚栓链接设置，便于拆除，所述输气孔是排气、输气为一体的装置，当轮胎内气体压强达到胎内气体所能承受的压力大于围岩所需要的最小支护力最小值的30％时，优选地，轮胎内气体压强达到3Mpa-8Mpa时候,则输气孔阀门将被顶起，气体排出，压强小于该值时，阀门关闭，不释放气体，所述锚杆偏离钢拱架一侧，距离钢拱架一侧5cm，锚杆露出岩体外部的一端采用弯钩式构造，钢绞线通过预应力锚具5紧扣。采用数值模拟预测隧道变形较大位置，重点位移量释放大的位置，针对性使用衬砌轮胎，其余位移量小的部位，留存部分岩体支撑，所述衬砌轮胎形状根据隧道围岩受力情况以及隧道形状设计。
本结构施工步骤如下：
1)根据工程实际需要，采取不同方式开挖隧道，隧道开挖完成，先在围岩壁上初喷30mm左右厚的砼，接着打插锚杆6、安装钢筋网9，喷射砼将钢筋格栅10全部覆盖；
2)将空气从输气孔充入衬砌轮胎，输气过程中将轮胎架在隧洞内，使轮胎外侧紧贴围岩；
3)安装钢拱架，并用钢绞线把钢拱架和锚杆连接起来，并包围轮胎；
4)一衬完成后，隧道围岩压力最终传递给钢拱架，钢拱架受力由以往的不均匀受力转变为均匀受力；
5)轮胎和钢拱架安装完成即一衬完成后，衬砌轮胎内有直径约为10cm-30cm的气柱，隧道围岩将一直会产生变形，围岩把压力施加在轮胎上，气体压强增加到3Mpa-8Mpa，气体立即释放，接下来会有如下两种情况：