CN107780942B - 一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚，包括工字钢支撑、钢管、U型钢板和锁扣装置，所述钢管分布在所述工字钢支撑上，所述两两相邻的钢管之间通过所述U型钢板连接，所述钢管与所述U型钢板之间通过锁扣装置连接。以及提供一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚的制作工艺。本发明提供一种水平向承载力较高、变形控制能给力强、适用范围广的软土隧道预加固的新型预制装配式管棚及其制作工艺。
Description
技术领域
本发明涉及软土隧道预加固领域，尤其是一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚及其制作工艺。
背景技术
部分隧道或地下结构开挖由于所处地区的地质情况太差，在施工过程中会发生围岩破坏或坍塌事故，从而造成施工安全事故、延缓工程进度、周围结构物变形沉降严重，为保证隧道结构施工过程的安全顺畅和隧道施工区域的地层稳定，开挖隧道结构之前必须对围岩进行预先加固，提高围岩的自稳能力，保证施工过程中人员和结构的安全，以及施工区域既有结构物的安全。
传统地层超前预加固处理体系由带注浆孔钢管组成，在拟开挖的隧道或结构物的衬砌拱圈线上，预先打设一排或多排空心钢管，然后在钢管中注浆，依靠钢管自身刚度和注浆后对周围岩体的固结提高围岩自稳能力来加固岩体。大量工程实践表明，传统管棚超前预支护体系利用注浆材料渗透到岩体裂隙，在隧道周围形成强度比较大的承载环，在沙砾地层和软岩、岩堆、破碎带、塌方体、裂隙发育岩体等地层可以获得较好的固结效果，而在软土地层采用传统管棚注浆方法固结软土，软土地层由于空隙率低，相互间不贯通，含水率比较高，注浆在软土地层中大多数形成树根状固结带，形成不了整体固结效果，因为对开挖后的围岩变形控制不理想，甚至失败。无法准确控制软土隧道的变形以及有效抑制软土松动和垮塌等，坍塌事故时有发生，危及施工人员安全和工程结构本身安全，以及周围结构物安全，增加工程成本，拖延施工进度。
发明内容
针对现有的预支护处理方法在软土地质所存在的问题，必须在传统管棚结构的基础上加以改进，本发明提供一种水平向承载力较高、变形控制能给力强、适用范围广的软土隧道预加固的新型预制装配式管棚及其制作工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚，包括工字钢支撑、钢管、U型钢板和锁扣装置，所述钢管分布在所述工字钢支撑上，所述两两相邻的钢管之间通过所述U型钢板连接，所述钢管与所述U型钢板之间通过锁扣装置连接。
进一步，所述锁扣装置包括圆管锁扣和圆钢锁扣，所述钢管的两侧分别设置所述圆管锁扣，所述U型钢板的两侧设置所述圆钢锁扣，所述圆钢锁扣插接在所述圆管锁扣内。
再进一步，所述U形钢板沿着钢管的长度方向等间隔分布呈一排。
更新一步，相邻排的U形钢板错位布置。
所述钢管内置钢筋笼，所述钢管填充水泥砂浆。
所述的钢管为无缝钢管或有缝钢管，均为工厂预制标准件，每分段长度为4～6m，直径Φ89～Φ179mm，壁厚6～8mm。
所述钢管牌号不低于Q345，钢管总长度设置在10～50m，两段钢管之间用“V”型对焊。
当钢管直径大于120mm时，钢管内置钢筋笼，所述钢筋笼为钢筋焊接组成的格栅钢架，并填充微膨水泥砂浆。
所述钢筋笼所选钢筋牌号不低于HRB400，钢筋为螺纹钢筋，所选水泥砂浆为微膨胀水泥砂浆。
一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚的制作工艺，所述制作工艺包括以下步骤：
(1)搭设平台，安装钻机，测定孔位；
(2)平台搭设完成后按设计间距开始钻孔安装钢管，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行，钻孔方位与线路中线平行；
(3)钢管直径较大时内设钢筋笼时，与(2)同步进行，在预制厂钢筋笼预制加工；
(4)钢筋笼安装就位，钢管用水泥砂浆填充密实；
(5)与(2)同步进行，U型钢板在预制厂按尺寸预制加工成型，并焊接配套的锁扣装置；
(6)U型钢管安装好后，利用顶进设备将钢板顶压入加固软土地层中；
(7)在管棚施工完毕后，分步开挖围岩，并及时施作一次衬砌，勤量测，密切关注变形。
本发明的技术构思为：本发明在软土隧道开挖前，先施做套拱结构，纵向上以一定间距一定上仰角度插入一定直径的无缝钢管，钢管直径较大时，为增加钢管的刚度，可管内设置钢筋笼而后用水泥砂浆填充，钢管之间插入U型钢板，钢管与钢板用锁扣装置连接，逐步开挖时，位于已开挖并且已经施作初期支护段的管棚结构与其周围的钢拱架形成密布的小短梁结构，已开挖未施作初期支护段管棚结构在已施作初期支护结构与未开挖岩体之间形成支撑梁结构，利用管棚自身强大的刚度将洞周各个方向传递来的荷载传递到支撑梁两端初期支护结构与未开挖岩体上，从而实现软土隧道开挖过程中的安全，以及控制软土隧道周边变形、使隧道工程施工不影响既有交通的情况下顺利进行的目的。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)本发明采用刚度加强、承载力高的装配式管棚结构，取消注浆，能够克服围岩注浆固结效果不良而引起的坍塌、结构荷载过大变形破坏、施工区域变形过大等问题。
(2)本发明预制装配式管棚结构，工厂预制，现场组装，操作简便，性能可靠。
(3)本发明可彻底解决软土地质隧道结构开挖过程中空间和时间上有效抑制掌子面前方地层的位移，为土体开挖提供一个安全“天窗”时间，保证人员和设备的安全。
(4)本发明由7种配置形式，适合任何断面形式的支护要求，可以有效抑制两个方向的地层位移(垂直于隧道开挖方向的横断面位移和掌子面前方围岩的纵向移动)，降低因施工带来的施工区域其它建筑物变性破坏的风险。
(5)本发明当管棚直径较大时可内置格栅钢架，填充混凝土，提高管棚刚度，管棚刚度越大，管棚的骨架作用越强，地层沉降越小，大大减少为限制位移而增设其它加固措施的费用，经济效益非常明显。
(6)本发明与一次衬砌的工字钢支撑配合使用，安全可靠，可以加快施工速度，缩短工期。广泛适用于公路铁路交叉穿越、公路铁路下穿既有建筑物等工程。
附图说明
图1为本发明钢管与钢板拼装结构示意图。
图2为钢管(1)及钢筋笼(6)的结构示意图。
图3为U形钢板(2)的结构示意图。
图4为配套的锁扣装置(3)的结构示意图。
图5为配套的锁扣装置(3)可调节示意图。
图6为结构整体示意图。
图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13为管棚的7种配置形式。
图14为具体实施方式一钢板加工尺寸图(单位：mm).
图15为具体实施方式一结构示意。
图16为具体实施方式二钢板加工尺寸图(单位：mm)。
图17为具体实施方式二结构示意。
图1～图17中，1为钢管、2为U型钢板、3为配套的锁扣装置、 4为圆管锁扣、5为圆钢锁扣，6为钢管内置钢筋笼，7为钢管填充水泥砂浆，8为工字钢。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1、图3、图4、图5、图7、图14、图15所示，一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚，包括钢管1、U型钢板2、配套的锁扣装置3、圆管锁扣4、圆钢锁扣5。
管棚的配置型式
①扇形配置：用于隧道断面内地层比较稳定，但拱部附近的地层不稳定的场合，如图7。
②半圆形配置：用于隧道下半部地层是稳定的，但起拱线以上的地层不稳定的场合。另外，当地表有建筑物，埋深很小时也多采用此种布置形式，如图8。
③门型配置：用于隧道基础是稳定的，但断面内地层及上部地层不稳定的场合，如图10。
④全周形配置：用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等极差的场合，如图11。
⑤上半单侧配置：隧道一侧有公路、铁路、重要结构物需要防护，或者隧道位于斜坡地层中形成偏压时采用，如图9。
⑥上班双排配置：用于隧道上部有重要设施，或拱部地层时崩塌性、不稳定的地层，或地铁车站等大断面隧道施工，如图13。
一字型配置：在铁路、公路或结构物下方施工时采用，如图12。
钢管、钢板尺寸的确定：钢管1采用直径Φ89～Φ179mm，长度 10～50m，厚度6～8mm，分段安装，每分段长度为4～6m，两段之间用“V”型对焊或丝扣连接。钢筋笼(6)采用Φ10～Φ20钢筋焊接而成。U型钢板(2)厚度5～8mm加工成特定形状。配套的锁扣装置(3) 中圆管锁扣(4)由厚度3～5mm的钢板加工、圆钢锁扣(5)为直径Φ18～28mm钢材。
上仰角度的大小：结合具体地质条件，管棚上仰角度取3～5°。
钢管间距的确定：管棚进行软土地层预加固施工时，采用密排原则，取3D～3.5D(钢管的直径)。间距太大，管棚的刚度降低。钢管直径较大时可管内设置钢筋笼(6)而后用水泥砂浆填充。
参看图1-图6，钢管、钢板预制采用如下技术方案：它包括钢管 (1)、U型钢板(2)、配套的锁扣装置(3)，数个钢管(1)之间通过数片U型钢板(2)连接，且钢管(1)与U型钢板(2)之间通过配套的锁扣装置(3)连接。
所述的配套的锁扣装置(3)是由圆管锁扣(4)、圆钢锁扣(5) 组成，圆管锁扣(4)、圆钢锁扣(5)插接。所述的配套的锁扣装置(3) 可以调节±10°。所述的钢管(1)的水平中线两侧均焊接有圆管锁扣(4)。所述的U形钢板(2)的两端均焊接有圆钢锁扣(5)。所述圆管锁扣4 是通过火焰、激光或任何可行的其它方式对所需规格钢管进行切割成槽而成的开槽圆管，用以焊接在钢管两侧而制成可以与U形钢板2连接的新型预制装配式管棚。所述圆管锁扣5是选用的与圆管锁扣配套的实心钢棒，用以焊接在U形钢板2的两端。所述的钢管可以选用螺旋焊管、直缝焊管或其它钢管。
安装方法包括以下步骤：
⑴搭设平台，安装钻机，测定孔位。钻机平台尽量一次搭好，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行。可2台钻机平行作业，钻孔方位与线路中线平行，保证位置准确。
⑵钻孔、管棚钢管安装
采用钻孔、安装分开进行，
为防止塌孔，钻一孔安装一孔，钢管分段安装，两段钢管之间用“V”型对焊，接头错开；采用一部钻孔法，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，并在钢管前端安装合金钻头，钢管随进度一根一根连接，直到设计位置。钢管两段之间用“V”型对焊连接，接头错开。钢管直径较大时可管内设置钢筋笼而后用水泥砂浆填充。
⑶钢板安装
钢管安装好后，利用顶进设备将钢板分段顶压入加固软土地层中，分段钢板采用焊接连接。
本实例钢管1采用直径Φ108，管壁厚度6mm，每分段长度为3m、 6m两种尺寸，总长度24m，两段之间用“V”型对焊，如图14布置；U 型钢板(2)厚度6mm，如图14尺寸加工成特定形状；配套的锁扣装置(3)中圆管锁扣(4)由厚度3mm的钢板加工成直径Φ30mm并留有8mm宽通常纵缝的钢管、圆钢锁扣(5)为直径Φ20mm钢材。钢管1间距取37cm，上仰角度取3°，拱顶居中扇形配置。
本实施例中，通过如图15所示形式进行现场拼装。
实施例2
如图1至图5、图8、图16、图17所示，地质条件更差，上部荷载更大，对变形要求更高，一种软土隧道预加固的新型预制装配式管棚，包括钢管1、U型钢板2、配套的锁扣装置3、圆管锁扣4、圆钢锁扣5，钢管内置钢筋笼6，钢管填充水泥砂浆7。
本实例钢管1采用直径Φ168，管壁厚度8mm，每分段长度为3m、 6m两种尺寸，总长度48m，两段之间用“V”型对焊，如图8布置；U 型钢板(2)厚度8mm，如图16尺寸加工成特定形状；配套的锁扣装置(3)中圆管锁扣(4)由厚度5mm的钢板加工成直径Φ36mm并留有12mm宽通常纵缝的钢管、圆钢锁扣(5)为直径Φ28mm钢材。钢管(1)间距取54.4cm，上仰角度取5°，拱顶半圆形配置。钢管(1) 内置钢筋笼(6)选用主筋、八字筋、箍筋焊接而成截面为10x10cm的格栅钢架。钢管填充水泥砂浆(7)选用不低于30号水泥砂浆填充。
本实施例中，通过如图17所示形式进行现场拼装。
本发明实施方式具体步骤：
(1)搭设平台，安装钻机，测定孔位，钻机平台尽量一次搭好；
(2)平台搭设完成后按设计间距开始钻孔安装钢管，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行，可2台钻机平行作业，钻孔方位与线路中线平行，保证位置准确。采用钻孔、安装分开进行，为防止塌孔，钻一孔安装一孔，钢管分段安装，两段钢管之间用“V”型对焊，接头错开；
(3)钢管直径较大内设钢筋笼时，与(2)同步进行，在预制厂钢筋笼预制加工；
(4)钢筋笼安装就位，钢管用水泥砂浆填充密实；
(5)与(2)同步进行，钢板在预制厂按尺寸预制加工成型，并焊接配套的锁扣装置；
(6)钢管安装好后，利用顶进设备将钢板分段顶压入加固软土地层中，分段钢板采用焊接连接；
(7)在管棚施工完毕后，分步开挖围岩，并及时施作一次衬砌，勤量测，密切关注变形。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的该进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种软土隧道预加固的预制装配式管棚的制作工艺，其特征在于：所述软土隧道预加固的预制装配式管棚包括工字钢支撑、钢管、U型钢板和锁扣装置，所述钢管分布在所述工字钢支撑上，两两相邻的所述钢管之间通过所述U型钢板连接，所述钢管与所述U型钢板之间通过锁扣装置连接；所述锁扣装置包括圆管锁扣和圆钢锁扣，所述钢管的两侧分别设置所述圆管锁扣，所述U型钢板的两侧设置所述圆钢锁扣，所述圆钢锁扣插接在所述圆管锁扣内；所述U型钢板沿着钢管的长度方向等间隔分布呈一排；相邻排的U型钢板错位布置；所述钢管内置钢筋笼，所述钢管填充水泥砂浆；所述制作工艺包括以下步骤：
（1）搭设平台，安装钻机，测定孔位；
（2）平台搭设完成后按设计间距开始钻孔安装钢管，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行，钻孔方位与线路中线平行；
（3）钢管直径较大时内设钢筋笼时，与（2）同步进行，在预制厂钢筋笼预制加工；
（4）钢筋笼安装就位，钢管用水泥砂浆填充密实；
（5）与（2）同步进行，U型钢板在预制厂按尺寸预制加工成型，并焊接配套的圆钢锁扣；
（6）U型钢板安装好后，利用顶进设备将钢管顶压入加固软土地层中；
（7）在管棚施工完毕后，分步开挖围岩，并及时施作一次衬砌，勤量测，密切关注变形。
2.如权利要求1所述的软土隧道预加固的预制装配式管棚的制作工艺，其特征在于：所述的钢管为无缝钢管或有缝钢管，均为工厂预制标准件，每分段长度为4～6m，直径Φ89～Φ179mm，壁厚6～8mm。
3.如权利要求1所述的软土隧道预加固的预制装配式管棚的制作工艺，其特征在于：所述钢管牌号不低于Q345，钢管总长度设置在10～50m，两段钢管之间用“V”型对焊。
4.如权利要求1所述的软土隧道预加固的预制装配式管棚的制作工艺，其特征在于：当钢管直径大于120mm时，钢管内置钢筋笼，所述钢筋笼为钢筋焊接组成的格栅钢架，并填充微膨水泥砂浆。
5.如权利要求4所述的软土隧道预加固的预制装配式管棚的制作工艺，其特征在于：所述钢筋笼所选钢筋牌号不低于HRB400，钢筋为螺纹钢筋，所选水泥砂浆为微膨胀水泥砂浆。
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