CN105736017B - 一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构 - Google Patents

Abstract

一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，包括A单元拱架、B‑Ⅰ单元拱架、B‑Ⅱ单元拱架、斜交接点板、正交接点板、角钢托梁、托梁连接板、插接式纵向连接筋、纵向连接筋套管、系统锚管、超前小管棚、锚管垫板、连接螺栓，A单元拱架、B‑Ⅰ单元拱架、B‑Ⅱ单元拱架上敷设整体式钢筋网并连接插接式连接筋，插接式连接筋外连接纵向连接筋套管，同时连接托梁连接板，托梁连接板通过连接螺栓连接角钢托梁，斜交接点板、正交接点板固定与B‑Ⅰ单元拱架、B‑Ⅱ单元拱架、A单元拱架，系统锚管、锚管垫板、超前小管棚固定于B‑Ⅰ单元拱架、B‑Ⅱ单元拱架、A单元拱架腹板，具有结构简单、施工便捷、支护增强、经济合理的优点。

Description

一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构

技术领域

本发明涉及对隧道及地下工程的初期支护，具体涉及一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构。

背景技术

“新奥法”的创世，为隧道及地下工程带来一场革命，直接表现为隧道可以进行大断面开挖，并采用复合式衬砌。由于可以大断面开挖，所以可以投入大型施工机械，大大加快了隧道施工进度；而复合式衬砌不仅提高了衬砌支护能力，而且有效地解决衬砌结构防排水问题，提高了结构使用寿命。

“新奥法”的核心是激发并利用围岩的自承能力，一般采取由喷射混凝土和锚杆组成的联合支护。

对于软岩隧道，隧道围岩状态由内至外依次为松动圈、压密圈、原岩圈，与硬岩隧道围岩呈弹塑性状态不同，软岩隧道围岩呈压碎状态，因而隧道围岩呈现出松动荷载产生的重应力及碎胀应力而非弹塑性应力，所以，隧道初期支护除了采取喷锚柔性支护之外，还必须增设可以立即发挥对松动荷载起支撑作用的钢架；此外，软岩隧道围岩具有围岩自稳能力极差、自稳时间极短的特性，所以采取预支护的措施十分必要。

目前隧道初期支护中钢架的设计中单元划分一般为对称状态，这种设计的弊病就是接点处于同一截面内，钢架接点一般设置于钢架弯矩（上台阶钢架弯矩）为零处，但是，这个“零”受隧道断面台阶高度（即中心夹角）影响约在0°～17°范围内变化，所以，当开挖至中、下台阶部位时，原先上台阶时弯矩为零部位就产生较大的弯矩。据实践统计，钢架的破坏绝大多数是接点破坏、或首先从接点破坏；此外，钢架弯矩为零时，剪力最大，通行的钢架接点板设计成正交型式，这使得接点的抗剪以及抗弯能力都折减，且在拱架A单元安装时，需要几个劳力托举就位，费工费时。

当前通行的隧道预支护一般采取超前小管棚+注浆，且以注浆渗透固结围岩为主要目标，这种设计的特点是管棚环向间距较大。这种设计的不足是其预支护效果取决于注浆效果，通常围岩经过上百万年的沉积，即使其强度很低，但是其孔隙率很小，注浆渗透固结效果往往难以实现；此外，目前的静压注浆工艺都需要具有一定的压力，如果注浆管口不密封，无法保证注浆所需压力，而密封管口在目前的工艺水平下需要几小时乃至几十小时，这是工程工期所不容许的；目前的注浆材料通常为普通水泥浆液，这种材料的强度增长缓慢，达到可以开挖所需的最小强度至少也需6小时，这也是工期所不容许的。如果施工既不采取保压措施，且注浆结束即开挖，那么这种预支护设计就形同虚设，效果大打折扣。

目前的隧道设计理论基于“平面假设”的前提，也就是支护结构设计只考虑横向的二维结构，缺少对纵向支护强度的考虑。软岩隧道，尤其是大断面软岩隧道，目前都采取上下、左右分部施工的方法，这就要求支护必须要有足够的纵向强度和刚度。其中断面底脚部位又是应力最集中、最大的部位，尤其在下部开挖时，上部的钢架底部就呈悬空状态，在目前的技术装备水平下，从开挖到支护完成约6小时以上，这段时间，对于呈悬空状态的钢架来说，其基本不起支护作用，而且其本身就变成了荷载，这是十分危险的。而目前通行的钢架纵向纵向强度是按照构造要求设计的，即按照环向间距100cm的标准焊接纵向连接筋，每榀钢架的各种焊缝总延米超过2m，如果按照设计要求的焊缝标准焊接，每个焊工需要约3小时以上，拱架安装的工序就要延长至少3小时，这是工期所不容许的。实际上，由于工期的原因，目前施工现场的焊接质量均存在焊缝长度不足、不饱满的质量通病，使得原设计目标大打折扣。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，针对钢架节点强度不足的问题，通过不对称型式拱架，接点相错50cm以上，使接点同一截面率小于50%，达到增强拱架支护能力的目标；且不对称单元在加工制作时依然为一种尺寸标准，不会因为本设计而增加制作的难度或工作量，预支护是按照“双层密排”的目标设计，隧道横截面上均存在2层以上的管棚，且上下两层管棚呈相错型式，管棚以不注浆为主，采用针头式，土质围岩采取直接插入围岩的方式，石质围岩采取钻孔后插入花管的方式，针对钢架纵向强度不足的问题，钢架纵向连接采取U型筋插接的方式，既可保证纵向连接的质量，也缩减了钢架安装作业时间；采取角钢托梁以加强拱脚纵向连接强度，且采取螺栓确保连接强度，解决了马口开挖时拱脚悬空的风险，具有结构简单、施工便捷、支护增强、经济合理的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，包括A单元拱架、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架、斜交接点板、正交接点板、角钢托梁、托梁连接板、插接式纵向连接筋、纵向连接筋套管、系统锚管、超前小管棚、锚管垫板、连接螺栓，A单元拱架、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架上敷设整体式钢筋网并连接插接式连接筋，插接式连接筋外连接纵向连接筋套管，同时连接托梁连接板，托梁连接板通过连接螺栓连接角钢托梁，斜交接点板、正交接点板固定与B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架、A单元拱架，系统锚管、锚管垫板、超前小管棚固定于B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架、A单元拱架腹板；

所述A单元拱架呈不对称状态，B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架长度不相等，由A单元拱架、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架组成的隧道初期支护钢架拱部，其中不对称接点相错50cm以上，相邻拱架的正、反布置；

所述A单元拱架、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架设有不对称插入孔，连接超前小管棚，锚管垫板左右呈不对称状态，相邻拱架的正、反布置；

所述不对称单元拱架的斜交接点板、正交接点板与法线呈斜交状态，并呈水平或接近于水平状态，这样使接点的抗弯能力增强，并使拱架安装更便捷；

所述角钢托梁连接螺栓固定，既可增强托梁的强度，又可确保连接质量；

所述插接式连接筋外连接纵向连接筋套管采取U筋插接式连接，可以达到快捷以及连接强度质量保证的目标；

所述支护及预支护中的锚管或管棚均采取“针头式”，以直接插入围岩的方式施工。

所述由A单元拱架和、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架的材质为格栅钢架或型钢钢架，A单元拱架和、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架用冷弯机冷弯而成，再将斜交接点板、正交接点板、托梁连接板、纵向连接筋套管、锚管垫板与拱架焊接在一起，焊缝均满焊，焊缝高度不小于10mm。

所述A单元拱架和、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架腹板所开超前小管棚插入孔呈不对称状态。

所述的A单元拱架和、B-Ⅰ单元拱架、B-Ⅱ单元拱架锚管垫板呈不对称状态。

所述的系统锚管、超前管棚型式为针头式。

所述的插接式纵向连接筋材料一般为螺纹钢，应采取热弯的方式，加工成U型。

所述的托梁角钢的长度根据拱架间距确定。

本发明的有益效果是：

1）相邻拱架节点相错，使隧道初期支护拱架同一截面接头率不超过50%，提高拱架的承载能力；

2）系统锚杆（管）呈“梅花型”布置；

3）相邻两环超前小管棚环向相错，达到“双层密排”的效果；

4）不对成单元接点板面与法线约呈45°角布置，增强节点的强度，也同时方便拱架安装；

5）采取角钢托梁，增强拱架底脚纵向强度，避免马口开挖时因拱架拱脚悬空而下沉；因采取螺栓连接，可确保连接质量，也使得连接更加快捷；

6）采取U型筋插接式纵向连接，可确保拱架纵向连接强度质量，也同时是纵向连接更加快捷；

7）不对称单元正反布置拱架具有结构简单，施工便捷，经济实用，在相同材料使用的前提下，可极大地提高隧道初期支护的承载力以及工序作业时间缩短的特点。

附图说明

图1本发明的连续组装西南等轴测示意图；

图2本发明的连续组装西北等轴测示意图；

图3本发明的连续组装俯视图；

图4本发明的组装西南等轴测图（无超前支护）；

图5本发明的组装西南等轴测图（有超前支护）；

图6本发明的斜交节点板西南等轴测图；

图7本发明的正交接点板西南等轴测图；

图8本发明的角钢托梁图；

图9本发明的插接式纵向连接图；

图10本发明的锚管与钢架垫板式连接图；

图11本发明的拱架A单元图；

图12本发明的拱架B-Ⅰ单元图；

图13本发明的拱架B-Ⅱ单元图；

图14本发明的拱架组件图；

其中，1为A单元拱架；2为B-Ⅰ单元拱架；3为B-Ⅱ单元拱架；4为斜交接点板；5为正交接点板；6为角钢托梁；7为托梁连接板；8为插接式纵向连接筋；9为纵向连接筋套管；10为系统锚管；11为超前小管棚；12为锚管垫板；13为连接螺栓。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，包括A单元拱架1、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3、斜交接点板4、正交接点板5、角钢托梁6、托梁连接板7、插接式纵向连接筋8、纵向连接筋套管9、系统锚管10、超前小管棚11、锚管垫板12、连接螺栓13，A单元拱架1、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3上敷设整体式钢筋网并连接插接式连接筋8，插接式连接筋8外连接纵向连接筋套管9，同时连接托梁连接板7，托梁连接板7通过连接螺栓13连接角钢托梁6，斜交接点板4、正交接点板5固定与B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3、A单元拱架1，系统锚管10、锚管垫板12、超前小管棚11固定于B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3、A单元拱架1腹板；

所述A单元拱架1呈不对称状态，B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3长度不相等，由A单元拱架1、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3组成的隧道初期支护钢架拱部，其中不对称接点相错50cm以上，相邻拱架的正、反布置；

所述A单元拱架1、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3设有不对称插入孔，连接超前小管棚11，锚管垫板12左右呈不对称状态，相邻拱架的正、反布置；

所述不对称单元拱架的斜交接点板4、正交接点板5与法线呈斜交状态，并呈水平或接近于水平状态，这样使接点的抗弯能力增强，并使拱架安装更便捷；

所述角钢托梁6连接螺栓13固定，既可增强托梁的强度，又可确保连接质量；

所述插接式连接筋8外连接纵向连接筋套管9采取U筋插接式连接，可以达到快捷以及连接强度质量保证的目标；

所述支护及预支护中的锚管或管棚均采取“针头式”，以直接插入围岩的方式施工。

所述由A单元拱架1和、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3的材质为格栅钢架或型钢钢架，A单元拱架1和、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3用冷弯机冷弯而成，再将斜交接点板4、正交接点板5、托梁连接板7、纵向连接筋套管9、锚管垫板12与拱架焊接在一起，焊缝均满焊，焊缝高度不小于10mm。

所述A单元拱架1和、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3腹板所开超前小管棚11插入孔呈不对称状态。

所述的A单元拱架1和、B-Ⅰ单元拱架2、B-Ⅱ单元拱架3锚管垫板12呈不对称状态。

所述的系统锚管10、超前管棚11型式为针头式。

所述的插接式纵向连接筋8材料一般为螺纹钢，应采取热弯的方式，加工成U型。

所述的托梁角钢6的长度根据拱架间距确定。

现场安装

拱部开挖后，首先喷射3～4cm砂浆或混凝土封闭岩面，必要时连同掌子面也喷射混凝土封闭；

测量定位：测定拱脚参照点；

整平拱脚→将B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）就位→敷设整体式钢筋网→连接B单元插接式连接筋→安装角钢托梁→就位A单元拱架（1）→连接A单元插接式连接筋→打设系统锚管→打设超前小管棚→焊接锚管与锚管垫板以及超前小管棚与拱架腹板→复喷混凝土至设计厚度。

Claims (5)

1.一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，包括A单元拱架（1）、B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）、斜交接点板（4）、正交接点板（5）、托梁角钢（6）、托梁连接板（7）、插接式纵向连接筋（8）、纵向连接筋套管（9）、系统锚管（10）、超前小管棚（11）、锚管垫板（12）、连接螺栓（13），其特征在于，A单元拱架（1）、B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）上敷设整体式钢筋网并连接插接式纵向连接筋（8），插接式纵向连接筋（8）外连接纵向连接筋套管（9），纵向连接筋套管（9）同时连接托梁连接板（7），托梁连接板（7）通过连接螺栓（13）连接托梁角钢（6），斜交接点板（4）、正交接点板（5）固定于B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）、A单元拱架（1），系统锚管（10）、锚管垫板（12）、超前小管棚（11）固定于B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）、A单元拱架（1）腹板；

所述A单元拱架（1）呈不对称状态，B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）长度不相等，由A单元拱架（1）、B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）组成的隧道初期支护钢架拱部，其中不对称接点相错50cm以上，相邻拱架的正、反布置；

所述A单元拱架（1）、B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）设有不对称插入孔，连接超前小管棚（11），锚管垫板（12）左右呈不对称状态，相邻拱架的正、反布置；

所述的斜交接点板（4）、正交接点板（5）与法线呈斜交状态，并呈水平或接近于水平状态，这样使接点的抗弯能力增强，并使拱架安装更便捷；

所述的托梁角钢（6）通过螺栓（13）固定托梁连接板（7），既可增强托梁的强度，又可确保连接质量；

所述插接式纵向连接筋（8）外连接纵向连接筋套管（9）采取U筋插接式连接，可以达到快捷以及连接强度质量保证的目标；

所述的系统锚管（10）、超前小管棚（11）均采取“针头式”，以直接插入围岩的方式施工。

2.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，其特征在于，所述A单元拱架（1）和、B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）的材质为格栅钢架或型钢钢架，A单元拱架（1）和、B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）用冷弯机冷弯而成，再将斜交接点板（4）、正交接点板（5）、托梁连接板（7）、纵向连接筋套管（9）、锚管垫板（12）与拱架焊接在一起，焊缝均满焊，焊缝高度不小于10mm。

3.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，其特征在于，所述A单元拱架（1）和、B-Ⅰ单元拱架（2）、B-Ⅱ单元拱架（3）腹板所开超前小管棚（11）插入孔呈不对称状态。

4.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，其特征在于，所述的插接式纵向连接筋（8）材料为螺纹钢，应采取热弯的方式，加工成U型。

5.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护不对称单元正反布置拱架结构，其特征在于，所述的托梁角钢（6）的长度根据拱架间距确定。