CN104818997A - 隧道内预制拱架初支结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道支护技术领域，具体涉及隧道内预制拱架初支结构及其制备方法。该拱架初支结构为管状结构，两端分别为连接端，长度为2-5米，管径为50-500毫米，拱架初支结构的连接端设置向内内缩的台阶，供连接筒套接。相邻两个拱架初支结构通过连接筒套接；连接筒套于拱架初支结构的连接端并通过固定件与连接端固定连接；连接筒的壁厚为5-50毫米，长度为100-300毫米。通过配料、拌和、入模振荡成型、初养、终养得到拱架初支结构。该方法洞外预先制备拱架初支结构，拱架初支结构采用活性粉末混凝土结构，质轻，强度大，且好安装。

Description

隧道内预制拱架初支结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及隧道支护技术领域，具体涉及隧道内预制拱架初支结构及其制备方法和尤其拼接的拱架。

背景技术

目前，隧道内初期支护采用的拱架主要为H型钢、工字钢或者格栅钢架，这些拱架结构均采用钢材作为主要材料。钢拱架重量大，钢的用量较大。而且重量大会造成运输和安装困难。

发明内容

本发明的实施例提供一种隧道内预制拱架初支结构及其制备方法和尤其拼接的拱架，能够解决现场浇筑促使施工速度慢，施工质量差的问题。

根据本发明的一个方面提供一种隧道内预制拱架初支结构，其为管状结构，两端分别为连接端，长度为2-5米，管径为50-500毫米，所述拱架初支结构的连接端设置向内内缩的台阶，供连接筒套接。

在一些实施例中，优选为，所述台阶的侧壁开有第一螺纹孔，所述连接筒的侧壁在与所述第一螺纹孔相叠加位置开有第二螺纹孔。

在一些实施例中，优选为，所述台阶的侧壁开有第一锚孔，所述连接筒的侧壁在与第一锚孔相叠加位置开有第二锚孔。

在一些实施例中，优选为，所述拱架初支结构的形状为弧形和/或“L”形。

在一些实施例中，优选为，所述拱架初支结构的断面为圆形或方形。

在一些实施例中，优选为，所述拱架初支结构由石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水的混合物浇筑，添加比例为：以质量比计算，425R：石英砂：微硅粉：矿渣粉：钢纤维：减水剂、水为1：1.1～1.5：0.1～0.5：0.2～0.5：1.0～3.0：0.01～0.03：0.1～0.4。

本发明另一个方面还提供了一种拱架，包括多个上述的拱架初支结构和多个套筒，由多个拱架初支结构串联而成，相邻两个所述拱架初支结构通过连接筒套接；连接筒套于所述拱架初支结构的连接端并通过固定件与连接端固定连接；连接筒的壁厚为5-50毫米，长度为100-300毫米。

本发明另一方面还提供了一种所述拱架初支结构的制备方法，包括：

步骤1，准备原料，所述原料包括：石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水；所述原料的添加比例为：以质量比计算，425R普通硅酸盐水泥：石英砂：微硅粉：矿渣粉：钢纤维：减水剂、水为1：1.1～1.5：0.1～0.5：0.2～0.5：1.0～3.0：0.01～0.03：0.1～0.4；

步骤2，将所述原料进行拌和得到拌和料；

步骤3，将所述拌和料送入模具，振捣成型得初制品；

步骤4，将所述初制品进行升温、恒温、降温三阶段的初养；

步骤5，对初养后的初制品拆模处理，并送入终养室进行升温、恒温、降温三阶段的终养，得到拱架初支结构。

在一些实施例中，优选为，所述步骤2包括：

将石英砂、钢纤维进行拌合得到第一混合物，拌合时间不少于4分钟；

将425R普通硅酸盐水泥、矿渣粉、微硅粉添加到所述第一混合物中拌合得到第二混合物，拌合时间为1.5-3分钟；

将水、减水剂添加到第二混合物拌合得到拌和料，拌合时间3.5-5分钟。

在一些实施例中，优选为，所述步骤3中，

所述振捣成型包括：以所述拌和料的振动加速度与振动床相同的方式进行连续式振动，并抹平压光模具上边缘的拌和料；

所有所述拌和料送入模具的用时小于30分钟；连续灌注时，相邻两个模具灌注的间隔小于6分钟。

在一些实施例中，优选为，所属步骤3之后，所述步骤4之前，所述制备方法还包括：在初制品上方覆盖塑料薄膜，然后静停，静停时间为3-7小时。

在一些实施例中，优选为，步骤4中初养的温度为40±5℃间，相对湿度≥70％，升温速度小于12℃/小时，降温速度小于15℃/小时，初养和所述静停的总时间在24小时内。

在一些实施例中，优选为，步骤5中终养的温度为80±5℃间，终养时间为45-50小时，升温速度小于12℃/小时，降温速度小于15℃/小时。

通过本发明的实施例提供的隧道内预制拱架初支结构及制备方法和用该拱架初支结构拼接围成的拱架，与现有技术相比，通过备料、拌合、入模、振荡成型、初养、终养预制得到拱架初支结构，将多个个拱架初支结构串联拼接在一起，相邻两个拱架初支结构中间通过连接筒(可优选钢筒)连接，拼接成现场所需的拱架初支结构。由于不需要现场浇筑，因此，操作方便，操作效率也高。另外，由于拱架初支结构由石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水的混合物提前浇筑预制，该混合物可称为活性粉末混凝土。活性粉末混凝土(RPC)的抗压强度可以达到160MPa以上，其密度仅为2400～2500kg/m³，而钢材的抗压强度300MPa，但密度为7850kg/m³。相比来说，钢材的强度是RPC的2倍，但其密度却是RPC的3倍，在同等强度条件下，RPC拱架比钢拱架轻。运输、安装都非常方便，施工效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行论述，显然，在结合附图进行描述的技术方案仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1是本发明一个实施例中拱架初支结构拼接而成的拱架的纵截面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都在本发明所保护的范围内。

考虑到目前隧道内初期支护采用钢质拱架，用钢量大，其过于笨重不方便运输和安装的问题，本实施例提供了一种隧道内预制拱架初支结构、及其制备方法和拱架。

一种隧道内预制拱架初支结构，为管状结构，两端分别为连接端，长度为2-5米，管径为50-500毫米，拱架初支结构的连接端设置向内内缩的台阶，供连接筒套接。

一种拱架包括多个拱架初支结构和多个套筒，由多个拱架初支结构串联而成，相邻两个拱架初支结构通过连接筒套接；连接筒套于拱架初支结构的连接端并通过固定件与连接端固定连接；连接筒的壁厚为5-50毫米，长度为100-300毫米。

一种上述拱架初支结构的制备方法，包括：

步骤1，准备原料，原料包括：石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水；所述原料的添加比例为：以质量比计算，425R普通硅酸盐水泥：石英砂：微硅粉：矿渣粉：钢纤维：减水剂、水为1：1.1～1.5：0.1～0.5：0.2～0.5：1.0～3.0：0.01～0.03：0.1～0.4

步骤2，将原料进行拌和得到拌和料；

步骤3，将拌和料送入模具，振捣成型得初制品；

步骤4，将初制品进行升温、恒温、降温三阶段的初养；

步骤5，对初养后的初制品拆模处理，并送入终养室进行升温、恒温、降温三阶段的终养，得到拱架初支结构。

通过备料、拌合、入模、振荡成型、初养、终养预制得到拱架初支结构，将多个个拱架初支结构串联拼接在一起，相邻两个拱架初支结构中间通过连接筒(可优选钢筒)连接，拼接成现场所需的拱架初支结构。由于不需要现场浇筑，因此，操作方便，操作效率也高。另外，由于拱架初支结构由石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水的混合物提前浇筑预制，该混合物可称为活性粉末混凝土。活性粉末混凝土(RPC)的抗压强度可以达到160MPa以上，其密度仅为2400～2500kg/m³，而钢材的抗压强度300MPa，但密度为7850kg/m³。相比来说，钢材的强度是RPC的2倍，但其密度却是RPC的3倍，在同等强度条件下，RPC拱架比钢拱架轻。运输、安装都非常方便，施工效率高。

接下来运用多个实施例来详细描述：

本技术涉及的拱架是由拱架初支结构串联而成，拱架初支结构为提前非现场预制而成。

在本例中的拱架初支结构1，为管状结构，两端分别为连接端，长度为2-5米，管径为50-500毫米，具体的管径根据围岩条件确定，基于隧道的形状，基本确定拱架初支结构的长度为2-5米，以开挖跨度14.58米的双线铁路隧道为例，如图1所示，可将拱架分为A、B、C、D四种类型。相邻两段拱架初支结构之间采用连接筒连接，该连接筒优选为钢管套筒，为了方便钢管套住拱架初支结构，拱架初支结构的连接端拱架初支结构的连接端设置向内内缩的台阶，供连接筒套接。

基于上述拱架初支结构串联，采用连接筒套接的技术方案，为了提高连接的稳定性，发明人又开发了新的技术方案，在上有方案的基础上加强了连接。具体为，台阶的侧壁开有第一螺纹孔，连接筒的侧壁在与第一螺纹孔相叠加位置开有第二螺纹孔，拱架初支结构和连接筒之间通过螺栓固定连接。

发明人还开发了一种替换螺栓连接的方式，即锚固链接，具体为，台阶的侧壁开有第一锚孔，连接筒的侧壁在与第一锚孔相叠加位置开有第二锚孔，拱架初支结构和连接筒之间通过锚栓固定连接。

基于上述各技术方案，拱架初支结构的具体形状根据拱架的整体结构而定，大部分为弧形管，有两个或四个“L”形拱架初支结构放置于拱架拐角处。

基于上述各技术方案，拱架初支结构的断面为圆形或方形。断面形状可以根据设计需要来确定。

本发明不仅在采用了提前预制的方式，还基于原有的钢质的拱架重量大，用钢量大，因此，发明人进行了新的改进，形成新的进步性技术方案。拱架初支结构由石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水的混合物浇筑。其中原料的添加比例为：以质量比计算，425R普通硅酸盐水泥：石英砂：微硅粉：矿渣粉：钢纤维：减水剂、水为1：1.1～1.5：0.1～0.5：0.2～0.5：1.0～3.0：0.01～0.03：0.1～0.4。也就是说，拱架初支结构1为RPC活性粉末混凝土材质，这种材质具备超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的新型材料，是一种力学性能、耐久性都非常优越的新型建筑材料，隧道外预制，改善了养护条件，提高施工质量。活性粉末混凝土(RPC)的抗压强度可以达到160MPa以上，其密度仅为2400～2500kg/m³，而HPB300钢材的抗压强度300MPa，但密度为7850kg/m³。钢材的强度是RPC的2倍，但其密度却是RPC的3倍，可见，在同等强度条件下，RPC拱架比钢拱架轻。

需要说明的是，上述布局在其他条件下可以更改，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。

下面，说明上述拱架初支结构的制备方法：

步骤101，准备原料；

原料包括：石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及RPC专用外加剂、水；原料的添加比例为：以质量比计算，425R普通混凝土：石英砂：微硅粉：矿渣粉：钢纤维：减水剂、水为1：1.1～1.5：0.1～0.5：0.2～0.5：1.0～3.0：0.01～0.03：0.1～0.4。减水剂为亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物。这些原料构成的材料可以称作活性粉末混凝土(RPC)。

步骤102，将原料进行拌合得到拌和料；

拌合的过程能够促进原料之间的相互作用力，及最后拌和料的状态，因此，发明人对拌合过程进行了仔细的研究：

首先加入石英砂、钢纤维，干拌(即不加水的情况下拌和)不少于4分钟，然后加入水泥、矿渣粉、微硅粉，干拌2分钟(1.5-3分钟的范围内都是可以的，2分钟为较佳时间)；最后加入水、减水剂，搅拌4分钟(3.5-5分钟均可)，得到拌和料。

需要说明的是，准确控制用水量，不允许RPC拌和物出搅拌机后加水；首拌4分钟的搅拌时间不能过少，否则钢纤维就不能够完全分散均匀，加入水泥等粉料后钢纤维会抱团；RPC拌和料在常温下凝固速率非常快，粘性很大，容易粘壁，搅拌均匀的RPC拌和料，最好在30秒内卸料完毕。

步骤103，将拌和料送入模具，振捣成型得初制品；

运送拌和料的模板和传送带，应不吸水，不漏浆，并保证卸料及输送通畅。

初制品采用振捣成型工艺，要获得良好的振实效果，使拌和料具有较高的强度和密实度，必须合理选择振捣工艺。RPC拌和料在入模后的振动加速度与振动床一致，尽量避免跳跃式振动，减少能量损失，降低噪声，振动时间控制在2～4min。

入模后的拌和物在振动床上边振动边用抹子抹平压光，达到标准要求的平整度，不外露钢纤维，模板周围不外漏拌和料，这样就会避免拆模后拱架周围出现毛边，影响整体美观，也可以省去大量的人工去打磨它。

RPC(活性粉末混凝土)材料的凝固速率很快，在将拌和料灌注时，最好30分钟内灌注完毕。由于拌和料多，宜采用连续灌注，灌注相邻两个的最大间隔时间不超过6分钟。

步骤104，将初制品进行升温、恒温、降温三阶段的初养；

初凝后的初制品立即转至初养室，初养室温度控制在40±5℃间，相对湿度≥70％。初养由升温、恒温、降温三个阶段养护，升温速度控制在12℃/以内，降温速度控制在15℃/h以内，恒温温度应控制在40±5℃。

步骤105，对初养后的初制品拆模处理，并送入终养室进行升温、恒温、降温三阶段的终养，得到拱架初支结构。

初养结束后拆模，拆模时构件表面温度与环境温度之差不应超过15℃。

拆模时先把塑料薄膜拆除，从定型模具中倒出RPC拱架制品。拆模时不得用力过猛损坏拱架的外观，减少对模板的损害，拱架摆放时要轻放，初期强度不够，防止断裂，严禁摔打，拆模时要将拱架和模板分别码放整齐，便于运输。

初养拆模后的RPC拱架要移至终养室进行蒸气养护，终养室的温度控制在80±5℃，养护48h，终养过程分为升温、恒温、降温三个阶段，升温速度控制在12℃/h，降温速度控制在15℃/h。终养结束后移出终养室时，构件表面温度与环境温度之差不应超过15℃。

RPC拱架制品拆模码垛时，制品间应留30～50mm的间隙，以利于蒸汽的流动，应使与蒸汽接触的制品外表面积尽可能最大，以利于热量的传递。为避免起运时磕碰及蒸汽流动，RPC制品码垛间以及码垛与养护室壁间应留200mm的间隙。在每个RPC制品码垛上方都要覆盖塑料薄膜，防止室盖上的冷凝水直接滴于制品表面，蒸汽不能直接喷在RPC制品上，应使蒸汽向下方喷。

终养室中尽量避免使用铁制构件，如不可避免，应用塑料薄膜将其包裹，或者采取其他措施覆盖铁制构件表面，以防污染RPC制品表面，码垛用的木方外应包裹塑料薄膜。定期清理养护室，保持室内洁净，以防RPC制品被污染。养护室应能准确地控制室内温度，能准确地控制升温降温速度。

以上步骤形成一套完整的制备方法，基于该制备方法，发明人在步骤103和步骤104之间还增加了步骤106，静停。

步骤106，在初制品上方覆盖塑料薄膜，然后静停；

静停，严格来说也是养护的一个组成步骤，形成静停、初养、终养一套完整的养护流程。

将浇注成型后的RPC制品带模板平移于托架上，模板上方覆盖塑料薄膜，以减少RPC制品的水分蒸发散失，用叉车将托架放置于平坦的静停区静养，并检查制件的表面平整度，待拌和物表面初凝，静停时间控制在6小时(3-7小时均可)内。

基于该步骤，静停和初养的总时间可以控制在24小时内。

基于上述预制的拱架初支结构，形成新的拱架，该拱架，如图1所示：包括多个拱架初支结构和多个套筒，由多个拱架初支结构串联而成，相邻两个拱架初支结构通过连接筒套接；连接筒套于拱架初支结构的连接端并通过固定件与连接端固定连接；连接筒的壁厚为5-50毫米，长度为100-300毫米。

其中，拱架初支结构由石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水的混合物浇筑。

总起来说：

钢拱架重量大，运输和安装困难，采用高强度、高韧性、高耐久性的活性粉末混凝土(RPC)拱架替代钢拱架，在同等强度要求下，可以节省钢材，减轻拱架重量，方案运输和安装。

本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内。

显然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型。如果对本发明的这些改动和变型是在本发明的权利要求及其等同方案的范围之内，则本发明也将包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种隧道内预制拱架初支结构，其特征在于，为管状结构，两端分别为连接端，长度为2-5米，管径为50-500毫米，所述拱架初支结构的连接端设置向内内缩的台阶，供连接筒套接。

2.如权利要求1所述的隧道内预制拱架初支结构，其特征在于，

所述台阶的侧壁开有第一螺纹孔，所述连接筒的侧壁在与所述第一螺纹孔相叠加位置开有第二螺纹孔；或

所述台阶的侧壁开有第一锚孔，所述连接筒的侧壁在与第一锚孔相叠加位置开有第二锚孔。

3.如权利要求2所述的隧道内预制拱架初支结构，其特征在于，所述拱架初支结构的形状为弧形和/或“L”形；和/或

所述拱架初支结构的断面为圆形或方形。

4.如权利要求1-3任一项所述的隧道内预制拱架初支结构，其特征在于，

所述拱架初支结构由石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水的混合物浇筑，添加比例为：以质量比计算，425R：石英砂：微硅粉：矿渣粉：钢纤维：减水剂、水为1：1.1～1.5：0.1～0.5：0.2～0.5：1.0～3.0：0.01～0.03：0.1～0.4。

5.一种拱架，其特征在于，包括多个权利要求1-4任一项所述的拱架初支结构和多个套筒，由多个拱架初支结构串联而成，相邻两个所述拱架初支结构通过连接筒套接；连接筒套于所述拱架初支结构的连接端并通过固定件与连接端固定连接；连接筒的壁厚为5-50毫米，长度为100-300毫米。

6.一种权利要求1-4任一项所述拱架初支结构的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1，准备原料，所述原料包括：石英砂、钢纤维、425R普通硅酸盐水泥、微硅粉、矿渣粉及减水剂、水；所述原料的添加比例为：以质量比计算，425R普通硅酸盐水泥：石英砂：微硅粉：矿渣粉：钢纤维：减水剂、水为1：1.1～1.5：0.1～0.5：0.2～0.5：1.0～3.0：0.01～0.03：0.1～0.4；

步骤2，将所述原料进行拌和得到拌和料；

步骤3，将所述拌和料送入模具，振捣成型得初制品；

步骤4，将所述初制品进行升温、恒温、降温三阶段的初养；

步骤5，对初养后的初制品拆模处理，并送入终养室进行升温、恒温、降温三阶段的终养，得到拱架初支结构。

7.如权利要求6所述的拱架初支结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2包括：

将石英砂、钢纤维进行拌合得到第一混合物，拌合时间不少于4分钟；

将425R普通硅酸盐水泥、矿渣粉、微硅粉添加到所述第一混合物中拌合得到第二混合物，拌合时间为1.5-3分钟；

将水、减水剂添加到第二混合物拌合得到拌和料，拌合时间3.5-5分钟。

8.如权利要求6所述的拱架初支结构的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，

所述振捣成型包括：以所述拌和料的振动加速度与振动床相同的方式进行连续式振动，并抹平压光模具上边缘的拌和料；

所有所述拌和料送入模具的用时小于30分钟；连续灌注时，相邻两个模具灌注的间隔小于6分钟。

9.如权利要求6-8任一项所述的拱架初支结构的制备方法，其特征在于，所属步骤3之后，所述步骤4之前，所述制备方法还包括：在初制品上方覆盖塑料薄膜，然后静停，静停时间为3-7小时。

10.如权利要求9所述的拱架初支结构的制备方法，其特征在于，

步骤4中初养的温度为40±5℃间，相对湿度≥70％，升温速度小于12℃/小时，降温速度小于15℃/小时，初养和所述静停的总时间在24小时内；和/或

步骤5中终养的温度为80±5℃间，终养时间为45-50小时，升温速度小于12℃/小时，降温速度小于15℃/小时。