CN104863614B - 由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其由上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板组接成环而构成；洞室上台阶两拱脚处固有两H型钢，上部支护波纹板及边墙波纹板的上端部经H型钢支撑固定；下台阶的两拱脚处固有两槽钢，边墙波纹板的下端由槽钢支撑固定，边墙波纹板的下端部预留有仰拱搭接头；上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板在纵向上依次通过法兰连接；上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板与围岩之间灌注混凝土。本发明采用波纹钢板与混凝土混合的结构制成，可与围岩均衡受力，保证了初期支护的强度，具有利于施工，周期短，效率高，稳定性强，成本低廉等优势。
Description
技术领域
本发明属于隧道初期支护领域，特别涉及一种波纹钢板与混凝土组合结构的初期支护的施工方法。
背景技术
目前用于隧道初期支护的结构类型基本上是单一的型钢(工字钢为主)或钢格栅，结构单一。在使用台阶法开挖并进行隧道初期支护时，如每开挖一个小断面用钢格栅作初期支护时，喷射混凝土后不能立即承受荷载，必须经过一个养护的过程，因而施工进度受到一定的限制。且耗费大量钢材料，初衬厚度也大于波纹钢板替代后的初支厚度，往往需开挖更大断面，这不仅耗时，也增加了造价费用。钢格栅沿纵向非连续铺设，在承受围岩荷载时受力不均匀，且受力时受拉区混凝土会因开裂而提前退出工作。
发明内容
为改善现有初期支护存在上述不足，本发明旨在提供一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其利用波纹板成拱，发挥波纹板的高强与变形能力，与围岩相互作用，有利改善了结构受力性能，提高施工进度，减少钢材料使用和断面开挖面积，降低造价，发挥波纹板优势。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其包括如下步骤：
(1)上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板的预制
上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板的纵向长度均为60cm，纵向两端均焊接有法兰，板壁上均开有注浆孔，上部支护波纹板的背侧焊接有钢筋网，上部支护波纹板两个端部分别预留有临时仰拱搭接头，边墙波纹板的下端部预留有仰拱搭接头；
(2)上台阶拱脚施工及上部支护波纹板的安装
对上台阶实施开挖后，首先将两H型钢分别固定于上台阶的两拱脚处，然后，将预制好的上部支护波纹板吊至上台阶空间内，相邻的上部支护波纹板经法兰连接，上部支护波纹板两临时仰拱搭接头的内侧位置部位与两H型钢经螺栓固定连接，上部支护波纹板安装完成后，在其背侧灌注混凝土；
(3)临时仰拱架设
开挖上台阶预留的核心土，将临时仰拱波纹板与上部支护波纹板的两临时仰拱搭接头连接，在临时仰拱波纹板背侧灌注混凝土浆；
(4)下台阶拱脚施工及边墙波纹板的安装
下台阶开挖后，将两根槽钢通过锁脚锚管固定于下台阶的两拱脚处，沿边墙铺设边墙波纹板，边墙波纹板的上端经H型钢支撑，而其仰拱搭接头内侧位置部位则与槽钢连接，相邻的边墙波纹板采用法兰连接，最后在边墙波纹板的背侧灌注混凝土浆；
(5)仰拱波纹板的安设
开挖下台阶预留的核心土，铺设仰拱波纹板，仰拱波纹板的横向两端分别与两边墙波纹板的仰拱搭接头连接，相邻的仰拱波纹板通过法兰连接，最后再在仰拱波纹板的背后灌注混凝土浆；
(6)根据上述步骤，循环进行施工
经上述施工步骤，上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板全断面封闭成环，而后即可拆卸临时仰拱波纹板与临时仰拱搭接头间的螺栓，拆除临时仰拱，施工步骤1-6循环进行，即可循序渐进的完成波纹钢板初期支护结构。
所述的上部支护波纹板由三块波纹钢板搭接而成，但相邻的上部支护波纹板的搭接位置不同而形成错缝结构，两两波纹钢板的搭接处均经两排搭接螺栓进行固定连接。
所述的上部支护波纹板的每一道波峰上均在两端及中部设有向背侧延伸的长螺栓，长螺栓头部位置点焊呈拱形的横向钢筋，再在横向钢筋上焊接呈直线型的纵向钢筋，从而在上部支护波纹板背侧形成与其相对固定的钢筋网。
所述的H型钢经若干穿过其两翼缘而打入围岩的锁脚锚管进行固定，H型钢固定后，其外侧的翼缘与洞室围岩抵持，内侧的翼缘用于为边墙波纹板的上端以及上部支护波纹板提供支撑。
所述的上部支护波纹板架设好后，在上台阶的两拱脚上方位置处分别另打入若干锁脚锚管对上部支护波纹板进行加固，与此同时，该位置的锁脚锚管对H型钢起到一定的稳固作用，还可在下部开挖时起到超前支护作用。
步骤(2)中，灌注混凝土前，沿上部支护波纹板进深端部布置呈环形的高密度聚乙烯泡沫板，对上部支护波纹板与洞室围岩之间的空隙腔室进行封闭，密封完毕后，借助上部支护波纹板上预留的注浆孔进行混凝土灌注。
所述的槽钢外侧的腿部与洞室壁抵持，内侧的腿部则用于为边墙波纹板3提供支撑。
本发明具有如下有益效果：本发明公开的初期支护结构无需使用喷射混凝土，改善了施工环境，使施工高效便捷，提高了施工进度，最大限度减少围岩扰动；上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板采用波纹结构，加之合理的连接结构，可与围岩间有利的相互作用，从而改善了整体受力特性；上部支护波纹板与灌注混凝土以抗剪连接件的方式有效连接，使两者作为钢-混凝土组合结构进而整体受力，充分利用波纹钢板抗拉压强度和灌注混凝土的抗压强度；上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板沿纵向连续铺设，无需设置传统钢格栅两榀之间的钢筋网，也省去纵向连接筋，使支护体系均匀受力。该结构使用较小波高和灌注厚度即可达到传统钢格栅的强度和刚度，故可进一步减小断面开挖，进一步降低造价；由于上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板都是预压制成型，安装时经过螺栓组装拼接即可，使用效率高，可大大缩短工程工期。
附图说明
图1为本波纹钢板初期支护结构的整体示意图。
图2为上台阶拱脚处结构示意图。
图3为下台阶拱脚处结构示意图。
图4为上台阶初期支护结构施工示意图。
图5为下台阶初期支护结构施工示意图。
图6为上部支护波纹板纵向组合示意图。
图中，1、仰拱波纹板，2、槽钢，3、边墙波纹板，4、临时仰拱波纹板，5、锁脚锚管，6、H型钢，7、上部支护波纹板，8、钢筋网，9、围岩，10、长螺栓，11、临时仰拱搭接头，12、混凝土，13、仰拱搭接头，14、翼缘，15、腿部，16、法兰，17、纵向钢筋，18、横向钢筋，19、注浆孔。
具体实施方式
如图1、2、3、6所示，波纹钢板与混凝土组合结构构成的初期支护，其由上部支护波纹板7、边墙波纹板3及仰拱波纹板1组接成环而构成；所述的上部支护波纹板7由三块波纹钢板搭接并经若干螺栓固定而呈拱形，上部支护波纹板7的两端部及搭接处分别在波峰处设有向背侧延伸的长螺栓10，一钢筋网8与长螺栓10端部焊接而位于上部支护波纹板7的背侧，且钢筋网8与上部支护波纹板7保持平行；所述的上部支护波纹板7两个端部分别预留有用于连接临时仰拱波纹板4的临时仰拱搭接头11；洞室上台阶两拱脚处分别经打入围岩9之中的锁脚锚管5锚固有两H型钢6，边墙波纹板3的上端部以及上部支护波纹板7经H型钢6支撑固定；下台阶的两拱脚处分别经打入围岩9之中的锁脚锚管5锚固有两槽钢2，边墙波纹板3的下端由槽钢2支撑固定，边墙波纹板3的下端部预留有仰拱搭接头13；仰拱波纹板1的两端分别与两边墙波纹板3下端的仰拱搭接头13搭接后经螺栓固定；所述的上部支护波纹板7、边墙波纹板3及仰拱波纹板1的两端均设有法兰16，在纵向上依次通过法兰16连接；所述的上部支护波纹板7、边墙波纹板3及仰拱波纹板1与围岩9之间灌注混凝土12。
下面以城市隧道围岩质量较差的软弱地层为例，其采用两台阶预留核心土开挖法进行施工，两台阶预留核心土开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、下两个台阶两个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。各个分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环。
如图4、5、6所示，具体施工工艺如下：
1、场外预制上部支护波纹板7、边墙波纹板3及仰拱波纹板1。
上部支护波纹板7、边墙波纹板3及仰拱波纹板1均以60cm宽度为单位，即纵向长度为60cm，纵向两端均焊接有用于纵向组接的法兰16，三者均在板壁上开有用于灌注混凝土的注浆孔19。上部支护波纹板7由三块波纹钢板搭接而成，但相邻的上部支护波纹板7的搭接位置不同而形成错缝结构，两两波纹钢板的搭接处均经两排搭接螺栓进行固定连接，位于波峰处的搭接螺栓为向背侧延伸的长螺栓10，与此同时，上部支护波纹板7的两端部也在波峰处安设有向外延伸的长螺栓10，长螺栓10头部位置点焊呈拱形的横向钢筋18，再在横向钢筋18上焊接呈直线型的纵向钢筋17，从而在上部支护波纹板7背侧形成与其相对固定的钢筋网8，上部支护波纹板7的横向两端部分别设有压弯形成的临时仰拱搭接头11。
2、上台阶开挖。
对上台阶撑子面喷混凝土封闭，在拱顶150度范围施作①部超前小导管，注浆加固地层；开挖①部弧形导坑，并预留②部所示的核心土，核心土长度宜为3～5米，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2，开挖循环进尺0.6m，开挖高度完成后立即喷8cm混凝土封闭掌子面，初喷4cm厚混凝土。
3、上台阶拱脚施工及上部支护波纹板的安装。
首先，将两H型钢6分别水平固定于上台阶的两拱脚处，H型钢6经若干穿过其两翼缘而打入围岩9的锁脚锚管10进行固定，H型钢6固定后，其外侧的翼缘14与洞室围岩抵持，内侧的翼缘14用于为上部支护波纹板7及边墙波纹板3提供支撑；然后，将预制好的上部支护波纹板7吊至开挖的上台阶空间内，相邻的上部支护波纹板7经各自端部的法兰16进行固定连接，上部支护波纹板7两临时仰拱搭接头11的内侧位置部位与两H型钢6内侧翼缘14的上端部分别经螺栓固定连接，上部支护波纹板7架设好后，在上台阶的两拱脚上方位置处分别另打入若干锁脚锚管5对上部支护波纹板7进行加固，与此同时，该位置的锁脚锚管5对H型钢6起到一定的稳固作用，还可在下部开挖时起到超前支护作用。
4、背后注浆混凝土。
上部支护波纹板7安装完成后，在沿上部支护波纹板7进深端部布置呈环形的高密度聚乙烯泡沫板，对上部支护波纹板7与洞室围岩9之间的空隙腔室进行封闭，上部支护波纹板7后侧未开挖的围岩9可作为天然屏障来支撑限定高密度聚乙烯泡沫板；密封完毕后，借助上部支护波纹板7上预留的注浆孔19进行混凝土12灌注；可在上部支护波纹板7的两拱脚上方位置及拱顶位置各预留一个灌浆孔19，先从一侧的灌浆孔19注入混凝土浆，待混凝土浆从位于拱顶的灌浆孔19中溢出后即停止灌注，然后从另一侧的灌浆孔19进行灌注，同理待混凝土浆从位于拱顶的灌浆孔19中溢出后即停止灌注，最后通过拱顶处的灌注孔19进行补灌，至此即完成了混凝土的灌注。
5、临时仰拱架设。
开挖②部的核心土，将临时仰拱波纹板4与上部支护波纹板7的两临时仰拱搭接头11通过螺栓连接，由于采用螺栓连接，后期可方便的将临时仰拱4进行拆卸。至此上台阶断面闭合成环，前述组成的结构保证了洞室整体稳定性和整体传力可靠性。在上台阶断面临时封闭的管拱结构中，管拱结构与洞室围岩之间应采用混凝土垫块或钢楔块楔紧，避免出现上台阶拱脚出现悬空状态，减少隧道初期支护下沉和收敛，最后在临时仰拱波纹板1背后灌注混凝土浆。
6、下台阶开挖。
滞后上台阶一定距离，开挖③部土体，保留④部核心土，开挖进尺0.6m，初喷4cm厚混凝土封闭。
7、下台阶拱脚施工及边墙波纹板的安装。
将两根槽钢2通过若干打入围岩9的锁脚锚管5分别固定于下台阶拱脚处，槽钢2外侧的腿部15与洞室壁抵持，内侧的腿部15则用于为边墙波纹板3提供支撑；沿边墙铺设边墙波纹板3，边墙波纹板3的上端与H型钢6内侧翼缘14的下端部经螺栓连接，而其下端部则与槽钢2内侧的腿部15经螺栓固定连接；边墙波纹板3的下端预留有用于与仰拱波纹板1组合连接的仰拱搭接头13。相邻的边墙波纹板3采用纵向端部的法兰连接，待边墙波纹板7加设完成后，同样在其背侧灌注混凝土浆。
8、仰拱波纹板的安设。
开挖④部的核心土，开挖后及时铺设仰拱波纹板1，仰拱波纹板1的横向两端分别与两边墙波纹板3的仰拱搭接头13通过螺栓进行连接，相邻的仰拱波纹板1通过纵向两端的法兰组合连接，最后再在仰拱波纹板1的背后灌注混凝土浆。
9、根据上述步骤，循环进行施工。
经上述施工步骤，上部支护波纹板7、边墙波纹板3及仰拱波纹板1全断面封闭成环，而后即可拆卸临时仰拱波纹板与临时仰拱搭接头间的螺栓，拆除临时仰拱。施工步骤1-8循环进行，即可循序渐进的完成波纹钢板初期支护结构。
Claims (7)
1.一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其包括如下步骤：
(1)上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板的预制
上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板的纵向长度均为60cm，纵向两端均焊接有法兰，板壁上均开有注浆孔，上部支护波纹板的背侧焊接有钢筋网，上部支护波纹板两个端部分别预留有临时仰拱搭接头，边墙波纹板的下端部预留有仰拱搭接头；
(2)上台阶拱脚施工及上部支护波纹板的安装
对上台阶实施开挖后，首先将两H型钢分别固定于上台阶的两拱脚处，然后，将预制好的上部支护波纹板吊至上台阶空间内，相邻的上部支护波纹板经法兰连接，上部支护波纹板两临时仰拱搭接头的内侧位置部位与两H型钢经螺栓固定连接，上部支护波纹板安装完成后，在其背侧灌注混凝土；
(3)临时仰拱架设
开挖上台阶预留的核心土，将临时仰拱波纹板与上部支护波纹板的两临时仰拱搭接头连接，在临时仰拱波纹板背侧灌注混凝土浆；
(4)下台阶拱脚施工及边墙波纹板的安装
下台阶开挖后，将两根槽钢通过锁脚锚管固定于下台阶的两拱脚处，沿边墙铺设边墙波纹板，边墙波纹板的上端经H型钢支撑，而其仰拱搭接头内侧位置部位则与槽钢连接，相邻的边墙波纹板采用法兰连接，最后在边墙波纹板的背侧灌注混凝土浆；
(5)仰拱波纹板的安设
开挖下台阶预留的核心土，铺设仰拱波纹板，仰拱波纹板的横向两端分别与两边墙波纹板的仰拱搭接头连接，相邻的仰拱波纹板通过法兰连接，最后再在仰拱波纹板的背后灌注混凝土浆；
(6)根据上述步骤，循环进行施工
经上述施工步骤，上部支护波纹板、边墙波纹板及仰拱波纹板全断面封闭成环，而后即可拆卸临时仰拱波纹板与临时仰拱搭接头间的螺栓，拆除临时仰拱，施工步骤1-6循环进行，即可循序渐进的完成波纹钢板初期支护结构。
2.根据权利要求1所述的一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其特征在于：所述的上部支护波纹板由三块波纹钢板搭接而成，但相邻的上部支护波纹板的搭接位置不同而形成错缝结构，两两波纹钢板的搭接处均经两排搭接螺栓进行固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其特征在于：所述的上部支护波纹板的每一道波峰上均在两端及中部设有向背侧延伸的长螺栓，长螺栓头部位置点焊呈拱形的横向钢筋，再在横向钢筋上焊接呈直线型的纵向钢筋，从而在上部支护波纹板背侧形成与其相对固定的钢筋网。
4.根据权利要求1所述的一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其特征在于：所述的H型钢经若干穿过其两翼缘而打入围岩的锁脚锚管进行固定，H型钢固定后，其外侧的翼缘与洞室围岩抵持，内侧的翼缘用于为边墙波纹板的上端以及上部支护波纹板提供支撑。
5.根据权利要求1所述的一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其特征在于：所述的上部支护波纹板架设好后，在上台阶的两拱脚上方位置处分别另打入若干锁脚锚管对上部支护波纹板进行加固，与此同时，该位置的锁脚锚管对H型钢起到一定的稳固作用，还可起到下部开挖起超前支护作用。
6.根据权利要求1所述的一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其特征在于：步骤(2)中，灌注混凝土前，沿上部支护波纹板进深端部布置呈环形的高密度聚乙烯泡沫板，对上部支护波纹板与洞室围岩之间的空隙腔室进行封闭，密封完毕后，借助上部支护波纹板上预留的注浆孔进行混凝土灌注。
7.根据权利要求1所述的一种由波纹钢板与混凝土组合结构替代钢格栅初期支护的方法，其特征在于：所述的槽钢外侧的腿部与洞室壁抵持，内侧的腿部则用于为边墙波纹板提供支撑。
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