CN108547645A - 一种能实现预应力的装配式隧道支护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能实现预应力的装配式隧道支护装置及方法，装置包括：上台阶拼装刚性支护结构和下台阶拼装刚性支护结构；其中，上台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的上台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的上台阶内壁上；下台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的下台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的下台阶内壁上；上台阶拼装刚性支护结构与下台阶拼装刚性支护结构的相对端连接构成整个隧道内壁的拼装刚性支护结构。该支护装置由于是拼装结构，方便使用且刚性好，承载能力大。

Description

一种能实现预应力的装配式隧道支护装置及方法

技术领域

本发明涉及地下隧道支护领域，特别是涉及一种能实现预应力的装配式隧道支护装置及方法。

背景技术

在隧道支护领域，目前常采用钢筋混凝土对隧道或地下洞室进行支护。然而网喷混凝土施工具有施工速度慢、网喷质量不易保证、扬尘污染重、作业条件差等问题。尤其是混凝土属刚性材料，在振动荷载作用下易产生裂缝，造成渗漏水，在高寒地区还存在冻胀问题，给隧道安全带来隐患。目前，也有采用波纹板通过组装对隧道进行支护的技术，如中国专利(CN107435547A)公开了一种波纹板通过组装对隧道进行支护的方案。但其至少存在以下问题：由于波纹板的刚性不足，在较大荷载作用下土体变形后引起的地面沉降较大；背后填充采用水泥浆，不易填充密实且长期振动荷载作用下易产生裂缝；需单独施做防水层，工艺复杂；单独采用波纹板支护，承载能力不足。因此，现有用于隧道及地下洞室(一般为横置空间)支护的结构及方法存在支护稳固性不佳，地层变形大，工艺复杂，施工周期长等问题。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种能实现预应力的装配式隧道支护装置及方法，能支护隧道及地下洞室，支护刚性好，承载能力大，从而解决现有的隧道支护结构及方法存在的支护刚性不佳，地层变形大以及工艺复杂、施工周期长等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种能实现预应力的装配式隧道支护装置，包括：

上台阶拼装刚性支护结构和下台阶拼装刚性支护结构；其中，

所述上台阶拼装刚性支护结构由多个上波纹板组件、多个上钢拱架组件、上连接组件和上纵向连接件组成，其中，多个上波纹板组件和多个上钢拱架组件按一个上波纹板组件接一个上钢拱架组件交替设置的方式经上连接组件连接在一起，所述多个上波纹板组件和多个上钢拱架组件上连接上纵向连接件整体构成所述上台阶拼装刚性支护结构，所述上台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的上台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的上台阶内壁上；

所述下台阶拼装刚性支护结构由多个下波纹板组件、多个下钢拱架组件、下连接组件和下纵向连接件组成，其中，多个下波纹板组件和多个下钢拱架组件按一个下波纹板组件接一个下钢拱架组件交替设置的方式经上连接组件连接在一起，所述多个下波纹板组件和多个下钢拱架组件上连接下纵向连接件整体构成所述下台阶拼装刚性支护结构，所述下台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的下台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的下台阶内壁上；

所述上台阶拼装刚性支护结构与下台阶拼装刚性支护结构的相对端连接构成整个隧道内壁的拼装刚性支护结构。

本发明实施方式还提供一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，采用本发明所述的能实现预应力的装配式隧道支护装置，包括以下步骤：

步骤Ⅰ，在所开挖的隧道内进行洞内注浆加固；

步骤Ⅱ，在所开挖的隧道内以留核心土的方式环形开挖出上台阶；

步骤Ⅲ，在挖出的所述上台阶内壁上安装临时支撑架，之后通过拼装上波纹板、设置能延长的上纵向连接件和拼装上钢拱架形成上台阶拼装支护结构，在形成的所述上台阶拼装支护结构背后同步注浆；

步骤Ⅳ，开挖下台阶；

步骤Ⅴ，拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架，并在所述下台阶的内壁上通过拼装下波纹板、设置能延长的下纵向连接件和拼装下钢拱架形成下台阶拼装支护结构，所述下台阶拼装支护结构与所述上台阶拼装支护结构对接构成整个隧道内壁的拼装刚性支护结构，在形成的下台阶拼装支护结构背后同步注浆，即完成装配式隧道的支护。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的能实现预应力的装配式隧道支护装置及方法，其有益效果为：

采用分别由多个上波纹板组件、多个上钢拱架组件和上连接组件组成的上台阶拼装刚性支护结构与由多个下波纹板组件、多个下钢拱架组件和下连接组件组成的下台阶拼装刚性支护结构配合，形成一种能对整个隧道内壁进行支护的拼装刚性支护结构。上、下台阶拼装刚性支护结构均采用的是波纹板组件(即上、下波纹板组件)与钢拱架组件(即上、下钢拱架组件)交替间隔设置的方式，提高各支护结构的刚性，进而提高了其承载能力，设置纵向连接件(即上、下纵向连接件)，提高各支护结构整体强度及稳定性，也能很好的保证施工中先拼装的上台阶拼装支护结构的稳定。由于设有上、下波纹板组件，其背后可以注浆填充，若保证填充的密实度，相当于对土体施加一个预应力，减少地层变形，也减少地面沉降，实现了预应力支护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的隧道支护装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的隧道支护方法的隧道纵断面的结构示意图；

图3为图2中的A处放大示意图；

图4为本发明实施例提供的马蹄形隧道支护装置的横断面的示意图；

图中：1-上台阶；2-核心土；3-下台阶；4-上台阶拼装刚性支护结构；41-上波纹板组件；411-第一子板；412-第二子板；413-波纹板临时封堵块；42-上钢拱架组件；421-第一子架；422-第二子架；423-钢拱架临时封堵块；43-上连接组件；431-螺栓；432-密封垫；44-上纵向连接件；45-同步注浆填充区；46-二次注浆管；B-上波纹板组件之间的拼装缝；5-下台阶拼装刚性支护结构；51-下波纹板组件；511-第三子板；512-第四子板；52-下钢拱架组件；521-第三子架；522-第四子架；53-下纵向连接件；6-土体

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本发明实施例提供一种能实现预应力的装配式隧道支护装置，包括：

上台阶拼装刚性支护结构和下台阶拼装刚性支护结构；其中，

所述上台阶拼装刚性支护结构由多个上波纹板组件、多个上钢拱架组件、上连接组件和上纵向连接件组成，其中，多个上波纹板组件和多个上钢拱架组件按一个上波纹板组件接一个上钢拱架组件交替设置的方式经上连接组件连接在一起，所述多个上波纹板组件和多个上钢拱架组件上连接上纵向连接件整体构成所述上台阶拼装刚性支护结构，所述上台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的上台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的上台阶内壁上；

所述下台阶拼装刚性支护结构由多个下波纹板组件、多个下钢拱架组件、下连接组件和下纵向连接件组成，其中，多个下波纹板组件和多个下钢拱架组件按一个下波纹板组件接一个下钢拱架组件交替设置的方式经上连接组件连接在一起，所述多个下波纹板组件和多个下钢拱架组件上连接下纵向连接件整体构成所述下台阶拼装刚性支护结构，所述下台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的下台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的下台阶内壁上；

所述上台阶拼装刚性支护结构与下台阶拼装刚性支护结构的相对端连接构成整个隧道内壁的拼装刚性支护结构。

上述支护装置还包括：临时支撑架，为长条形结构，其内设有支撑上波纹板组件底端与上钢拱架组件底端的支撑面。优选的，上述临时支撑架采用设有高度自调节装置的调高式临时支撑架(参见图2、3)，通过高度自调节装置能调节所述临时支撑架的高度。优选的，高度自调节装置可以是多个，分布设在所述临时支撑架本体上，可以是丝杠升降支撑装置，由丝杠螺母、丝杠和支撑脚组成，丝杠螺母固定设在临时支撑架本体上，丝杠配合设在丝杠螺母内，丝杠底部设置支撑脚，丝杠顶部设置扳手，旋转丝杠能调整其支撑临时支撑架本体的高度，实现调整临时支撑架高度。优选的，丝杠上可以标识刻度。可以知道，上述说明的仅是一种高度自调节装置的优选结构，也可以采用其他已知结构的高度调节装置，只要能实现调节临时支撑架的高度即可。

如图1所示，上述支护装置的上台阶拼装刚性支护结构中，每个上波纹板组件包括：

第一子板、第二子板、波纹板临时封堵块和波纹板连接件；其中，

所述第一子板、第二子板和波纹板临时封堵块均为弧形结构，该第一子板、第二子板和波纹板临时封堵块能经波纹板连接件连接后拼装成半圆形结构；优选的，波纹板连接件采用螺栓；波纹板临时封堵块的作用是在预先拼装上台阶拼装刚性支护结构时，构成匹配于上台阶内壁的形状，而在与下台阶拼装刚性支护结构可以方便的拆除该波纹板临时封堵块，以使上、下台阶拼装刚性支护结构对接封闭成环。

所述上台阶拼装刚性支护结构中，每个上钢拱架组件包括：

第一子架、第二子架、钢拱架时封堵块和钢拱架连接件；其中，

所述第一子架、第二子架和钢拱架临时封堵块均为弧形结构，该第一子架、第二子架和钢拱架临时封堵块能经钢拱架连接件连接后拼装成半圆形结构；优选的，钢拱架连接件采用螺栓；钢拱架临时封堵块的作用是在预先拼装上台阶拼装刚性支护结构时，构成匹配于上台阶内壁的形状，而在与下台阶拼装刚性支护结构可以方便的拆除该钢拱架临时封堵块，以使上、下台阶拼装刚性支护结构对接封闭成环。

所述上台阶拼装刚性支护结构中，每个上连接组件包括：

多个密封垫和多个螺栓；其中，

多个所述密封垫垫设在相邻的上波纹板组件与上钢拱架组件的连接处之间；优选的密封垫可采用遇水膨胀性止水材料，防水密封性更好，螺栓采用U形螺栓，便于连接。

上述支护装置的下台阶拼装刚性支护结构中，每个下波纹板组件包括：

第三子板、第四子板和波纹板连接件；其中，

所述第三子板、第四子板均为弧形结构，该第三子板与第四子板能经波纹板连接件连接后拼装成弧形结构；

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下钢拱架组件包括：

第三子架、第四子架和钢拱架连接件；其中，

所述第三子架与第四子架均为弧形结构，该第三子架和第四子架能经钢拱架连接件连接后拼装成弧形结构；

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下连接组件包括：

多个密封垫和多个螺栓；其中，

多个所述密封垫垫设在相邻的下波纹板组件与下钢拱架组件的连接处之间。优选的密封垫可采用遇水膨胀性止水材料，防水密封性更好，螺栓采用U形螺栓，便于连接。

上述弧形结构的下波纹板组件与下钢拱架组件整体构成弧形结构的下台阶拼装刚性支护结构，与上台阶拼装刚性支护结构组成圆形或类圆形的支护结构，适用于截面为圆形或类圆形隧道的支护(参见图1)。

优选的，上述支护装置中的上纵向连接件与下纵向连接件均采用多根钢管，均匀分布连接在各波纹板上，能提高整个支护结构的稳固性，进而提高承载力，每根钢管均可采用多段能连接在一起的子钢管组成，形成一种能延长的纵向连接件。

上述支护装置中，上、下台阶拼装刚性支护结构的上、下波纹板组件的背后均为同步注浆填充区，可进行同步注浆填充，注浆材料可选用具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料，以达到密实填充结构背后空隙的目的。当采用高分子聚合物材料进行注浆时，高分子聚合物材料可以很好地起到止水、减震、防收缩等作用。在上、下钢拱架后面预埋二次注浆管，通过二次注浆管可以保证在同步注浆填充不密实的条件下，进行二次补浆处理，从而确保支护结构背后完全密实填充，防止发生渗漏水。

可以知道，上述说明中，提及的上、下波纹板组件以及上、下钢拱架组件、上、下连接组件、上、下纵向连接件中的上、下仅是为从名称上区别开各部件，而非对它们使用位置的限定。

如图4所示，上述支护装置的下台阶拼装刚性支护结构中，每个下波纹板组件包括：

第三子板和第四子板；其中，

所述第三子板、第四子板均为直板结构，该第三子板与第四子板分开竖直设置成平行结构；

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下钢拱架组件包括：

第三子架与第四子架；其中，

所述第三子架与第四子架均为直板结构，该第三子架与第四子架分开竖直设置成平行结构。

上述下台阶拼装刚性支护结构，还包括：永久支撑架，支撑在所述下波纹板组件与下钢拱架组件的底部之间。

上述支护装置中，上、下钢拱架组件的各子架均采用型钢，优选采用截面为工字型的工字钢，能有效提高整个支护装置刚性的同时，也便于与上、下波纹板组件连接。

上述直板结构的下波纹板组件与下钢拱架组件整体构成平行结构的下台阶拼装刚性支护结构，与上台阶拼装刚性支护结构组成上圆下平行的马蹄形支护结构，适用于截面为马蹄形隧道的支护(参见图4)。

参见图2、3(图2中罗马字母示意的位置，为各步骤施工的位置)，本发明实施例还提供一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，采用上述的能实现预应力的装配式隧道支护装置，包括以下步骤：

步骤Ⅰ，对所开挖的隧道的开挖面前方的土体进行注浆加固；

步骤Ⅱ，在所开挖的隧道内以留核心土的方式环形开挖出上台阶；

步骤Ⅲ，在挖出的所述上台阶内壁上安装临时支撑架，之后通过拼装上波纹板、设置能延长的上纵向连接件和拼装上钢拱架形成上台阶拼装支护结构，在形成的所述上台阶拼装支护结构背后同步注浆；

步骤Ⅳ，开挖下台阶；

步骤Ⅴ，拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架，并在所述下台阶的内壁上通过拼装下波纹板、设置能延长的下纵向连接件和拼装下钢拱架形成下台阶拼装支护结构，所述下台阶拼装支护结构与所述上台阶拼装支护结构对接构成整个隧道内壁的拼装刚性支护结构，在形成的下台阶拼装支护结构背后同步注浆，即完成装配式隧道的支护。

上述方法的步骤Ⅲ中，在挖出的所述上台阶内壁上安装临时支撑架，之后通过拼装上波纹板、设置能延长的上纵向连接件和拼装上钢拱架形成上台阶拼装支护结构为：

在所述上台阶的半圆形内壁两端的底部安装两个临时支撑架；

在所述上台阶内壁上拼装上波纹板，所拼装上波纹板的两端底部支撑在所述临时支撑架上；

在拼装后的上波纹板上设置能延长的上纵向连接件，能向所述隧道开挖方向随着隧道的挖进延长该上纵向连接件；

按所述隧道开挖方向在拼装后的上波纹板之后拼装上钢拱架，所拼装上钢拱架两端支撑在所述临时支撑架上，将拼装后的上钢拱架与已拼装的上波纹板密封连接，拼装后的上钢拱架与延长的所述上纵向连接件固定连接；

重复上述步骤，直至拼装的上波纹板和上钢拱架全部支护在所述上台阶的半圆形内壁上，即完成上台阶拼装支护结构。

上述方法的步骤Ⅲ中，安装临时支撑架为：

所述临时支撑架采用设有高度自调节装置的调高式临时支撑架，通过高度自调节装置能调节所述临时支撑架的高度；

所述方法的步骤Ⅲ中，拼装上波纹板为：

依次拼装上波纹板的第一子板、第二子板和波纹板临时封堵块形成支护在所述上台阶半圆形内壁上的半圆形波纹板；

拼装后的半圆形上波纹板两端与所述临时支撑架之间通过法兰盘经螺栓固定连接；

所述方法的步骤Ⅲ中，拼装上钢拱架包括：

依次拼装上钢拱架的第一子架、第二子架和钢拱架临时封堵块形成支护在所述上台阶半圆形内壁上的半圆形上钢拱架；

拼装后相邻的上钢拱架与上波纹板之间设置密封垫并通过连接件连接形成密封连接；上钢拱架安装完成后，在上钢拱架背后安装二次注浆管，二次注浆管沿着上钢拱架进行环向安装。

上述方法的步骤Ⅴ中，拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架，并在所述下台阶的内壁上通过拼装下波纹板和拼装下钢拱架形成下台阶拼装支护结构，所述下台阶拼装支护结构与所述上台阶拼装支护结构对接构成整个隧道内壁的拼装式刚性支护结构为：

拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架；

拼装下台阶的下波纹板：拼装下波纹板的第三子板、拆除对应该下波纹板的上波纹板的波纹板临时封堵块、拼装下波纹板的第四子板，使拼装后的下波纹板与对应的上波纹板对接封闭成环；

在拼装后的下波纹板上设置能延长的下纵向连接件，能向所述隧道开挖方向随着隧道的挖进延长该下纵向连接件；

拼装下台阶的下钢拱架：依次拼装下钢拱架的第三子架、拆除对应该下钢拱架的上钢拱架的钢拱架临时封堵块、拼装下钢拱架的第四子架，使拼装后的下钢拱架与对应的上钢拱架对接封闭成环；

拼装后相邻的下钢拱架与下波纹板之间设置密封垫并通过连接件连接形成密封连接。

进一步的，上述方法的步骤Ⅴ中，若下波纹板和下钢拱架均为直板结构，在拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架后，还包括：设置支撑在下波纹板与下钢拱架底部的永久支撑架的步骤。优选的，永久支撑架支撑在拼装的下波纹板与下钢拱架的底部，进一步还可以在底部的永久支撑架设置横向的仰拱的。这种情况适用于截面为马蹄形的隧道支护施工中，能确保平行结构的下台阶拼装支护结构的稳固性。

上述方法的步骤Ⅲ中，在形成的所述上台阶拼装支护结构背后同步注浆为：

在上钢拱架背后预埋二次注浆管，二次注浆管沿着上钢拱架进行环向安装，通过二次注浆管对上台阶拼装支护结构背后同步注浆，同步注浆所采用的注浆材料为具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料；

所述方法的步骤Ⅴ中，在形成的所述下台阶拼装支护结构背后同步注浆为：

在下钢拱架背后预埋二次注浆管，二次注浆管沿着上钢拱架进行环向安装，通过二次注浆管对下台阶拼装支护结构背后同步注浆，同步注浆所采用的注浆材料为具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料。可以达到密实填充结构背后空隙的目的。当采用高分子聚合物材料进行注浆时，高分子聚合物材料可以很好地起到止水、减震、防收缩等作用。

上述方法的上台阶拼装支护结构中，相邻两环上波纹板的拼装缝错开设置，相邻两环上钢拱架的拼装缝错开设置；

所述方法的下台阶拼装支护结构中，相邻两环下波纹板的拼装缝错开设置，相邻两环下钢拱架的拼装缝错开设置。

这种错缝拼装的方式，能提高整个支护结构的稳固性，进而提高承载力。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

实施例一：

参见图2、3，本实施例提供一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，是一种采用本发明能实现预应力的装配式隧道支护装置对截面为圆形隧道土方开挖及支护施工步骤，包括：

步骤Ⅰ，洞内注浆加固施工，对所开挖的隧道的开挖面前方的土体进行注浆加固；

步骤Ⅱ，上台阶环形开挖留核心土；

步骤Ⅲ，上台阶临时支撑架安装、波纹板拼装、延长纵向连接、钢拱架拼装、支护结构背后同步注浆；

(1)在开挖完成的上台阶两侧分别安装临时支撑架，该临时支撑架设置有高度自调节装置，高度自调节可通过旋转临时支撑架上的螺杆实现。

高度自调节装置可以保证在开挖土方不平整条件下，临时支撑架依然可以保持水平和固定高度。

(2)上台阶波纹板拼装：依次拼装A块、B块和临时封堵块；相邻两块波纹板之间可通过法兰连接或者采用搭接的形式，波纹板与临时支撑架之间通过法兰盘采用螺栓进行连接固定。

(3)上台阶钢拱架拼装：将纵向连接向隧道开挖方向延长，并依次拼装钢拱架的A块、B块和临时封堵块。钢拱架与波纹板间通过连接件进行连接，优选的采用U形螺栓进行连接，在钢拱架与波纹板之间安装有密封垫，密封垫可采用遇水膨胀性止水材料。上台阶钢拱架安装完成后，在拱架背后安装二次注浆管，二次注浆管沿着拱架进行环向安装。

纵向连接可以保障在隧道未封闭成环前上台阶支护结构的稳定性、减少上台阶结构的变形，并且可以不再像常规方法那样施工锁脚锚管，减少了施工步序。

U形螺栓连接可以保证在螺栓紧固过程中，所有的操作空间在隧道内部，便于现场安装、提高安装速度。

二次注浆管可以保证在同步注浆填充不密实的条件下，进行二次补浆处理，从而确保支护结构背后完全密实填充，防止发生渗漏水。

(4)在已拼装完成的上台阶支护结构背后注浆，注浆材料可选用具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料，以达到密实填充结构背后空隙的目的。当采用高分子聚合物材料进行注浆时，高分子聚合物材料可以很好地起到止水、减震、防收缩等作用。

步骤Ⅳ，下台阶土方开挖；

步骤Ⅴ，拆除临时支撑架、下台阶波纹板拼装、钢拱架拼装、支护结构背后同步注浆。

(1)拆除位于待拼装下台阶波纹板和钢腰梁部位的临时支撑架；

(2)下台阶波纹板拼装：依次拼装B块、拆除临时封堵块、拼装C块，波纹板封闭成环；

(3)下台阶钢拱架拼装：将纵向连接向隧道开挖方向延长，并依次拼装钢拱架的B块、拆除临时封堵块、拼装C块，钢拱架封闭成环。相邻钢拱架之间可通过法兰盘进行连接，亦可采用附加衬板连接。钢拱架与波纹板间通过连接件进行连接，优选的采用U形螺栓进行连接，在钢拱架与波纹板之间安装有密封垫，密封垫可采用遇水膨胀性止水材料。下台阶钢拱架安装完成后，在拱架背后安装二次注浆管，二次注浆管沿着拱架进行环向安装。

纵向连接可以提高在隧道封闭成环后支护结构整体稳定性。

(4)在已拼装完成的下台阶支护结构背后注浆，注浆材料可选用具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料，以达到密实填充结构背后空隙的目的。当采用高分子聚合物材料进行注浆时，高分子聚合物材料可以很好地起到止水、减震、防收缩等作用。

需要说明的是，上述支护装置及方法中：

(1)每相邻的两环波纹板采用错缝拼装、每相邻的两环钢拱架采用错缝拼装。

(2)当钢拱架两侧的波纹板均安装完成后，通过预埋的二次注浆管进行二次注浆填充。

实施例二：

参见图2、3，本实施例提供一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，是一种采用本发明能实现预应力的装配式隧道支护装置对截面为马蹄形的隧道土方开挖及支护施工步骤，包括：

步骤Ⅰ，洞内注浆加固施工，即对所开挖的隧道的开挖面前方的土体进行注浆加固；

步骤Ⅱ，上台阶环形开挖留核心土；

步骤Ⅲ，上台阶临时支撑架安装、波纹板拼装、延长纵向连接、钢拱架拼装、支护结构背后同步注浆；

(1)在开挖完成的上台阶两侧分别安装临时支撑架，该临时支撑架设置有高度自调节装置，高度自调节可通过旋转临时支撑架上的螺杆实现。

高度自调节装置可以保证在开挖土方不平整条件下，临时支撑架依然可以保持水平和固定高度。

(2)上台阶波纹板拼装：依次拼装A块、B块和临时封堵块；相邻两块波纹板之间可通过法兰连接或者采用搭接的形式，波纹板与临时支撑架之间通过法兰盘采用螺栓进行连接固定。

(3)上台阶钢拱架拼装：将纵向连接向隧道开挖方向延长，并依次拼装钢拱架的A块、B块和临时封堵块。相邻钢拱架之间可通过法兰盘进行连接，亦可采用附加衬板连接。钢拱架与波纹板间通过连接件进行连接，优选的采用U形螺栓进行连接，在钢拱架与波纹板之间安装有密封垫，密封垫可采用遇水膨胀性止水材料。上台阶钢拱架安装完成后，在拱架背后安装二次注浆管，二次注浆管沿着拱架进行环向安装。

纵向连接可以保障在隧道未封闭成环前上台阶支护结构的稳定性、减少上台阶结构的变形，并且可以不再像常规方法那样施工锁脚锚管，减少了施工步序。

U形螺栓连接可以保证在螺栓紧固过程中，所有的操作空间在隧道内部，便于现场安装、提高安装速度。

二次注浆管可以保证在同步注浆填充不密实的条件下，进行二次补浆处理，从而确保支护结构背后完全密实填充，防止发生渗漏水。

(4)在已拼装完成的上台阶支护结构背后注浆，注浆材料可选用具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料，以达到密实填充结构背后空隙的目的。当采用高分子聚合物材料进行注浆时，高分子聚合物材料可以很好地起到止水、减震、防收缩等作用。

步骤Ⅳ，下台阶土方开挖；

步骤Ⅴ，安装永久支撑架、拆除临时支撑架、下台阶波纹板拼装、钢拱架拼装、支护结构背后同步注浆。

(1)安装位于下台阶底部的永久支撑架；

(2)拆除位于待拼装下台阶波纹板和钢腰梁部位的临时支撑架；

(3)下台阶波纹板拼装：依次拼装B块、拆除临时封堵块、拼装C块，波纹板与永久支撑架之间通过螺栓固定连接；

(4)下台阶钢拱架拼装：将纵向连接向隧道开挖方向延长，并依次拼装钢拱架的B块、拆除临时封堵块、拼装C块，钢拱架与永久支撑架之间通过螺栓固定连接。钢拱架与波纹板间通过连接件进行连接，优选的采用U形螺栓进行连接，在钢拱架与波纹板之间安装有密封垫，密封垫可采用遇水膨胀性止水材料。下台阶钢拱架安装完成后，在拱架背后安装二次注浆管，二次注浆管沿着拱架进行环向安装。

纵向连接可以提高在隧道封闭成环后支护结构整体稳定性。

(5)安装仰拱结构，仰拱结构的两端支撑在永久支撑架上，使得支护结构封闭成环。

(6)在已拼装完成的下台阶支护结构背后注浆，注浆材料可选用具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料，以达到密实填充结构背后空隙的目的。当采用高分子聚合物材料进行注浆时，高分子聚合物材料可以很好地起到止水、减震、防收缩等作用。

需要说明的是，上述支护装置及方法中：

(1)每相邻的两环波纹板采用错缝拼装(即相邻的两环波纹板的拼装缝错开设置)、每相邻的两环钢拱架采用错缝拼装(即相邻的两环钢拱架的拼装缝错开设置)。

(2)当钢拱架两侧的波纹板均安装完成后，通过预埋的二次注浆管进行二次注浆填充。

本发明实施例提供的有益效果为：(1)该支护装置各部件工厂预制，结构在现场拼装，具有施工方便，安装快捷，经济环保，安全高效，可大幅度的减少工期等优点。(2)采用型钢的钢拱架和波纹板间隔设置，并安装纵向连接钢管作为纵向连接件，大幅提高支护装置的承载能力，(3)装配式结构背后填充具有膨胀特性的高分子聚合物材料，实现对土体的预应力支护，且保证填充密实，对支护结构形成一个柔性防护层，起到防腐、隔震、防水的作用，提高支护结构使用寿命。(4)预留二次注浆管可在后期渗漏水时，随时进行注入高分子聚合物浆液，从而及时进行堵漏处理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种能实现预应力的装配式隧道支护装置，其特征在于，包括：

上台阶拼装刚性支护结构和下台阶拼装刚性支护结构；其中，

所述上台阶拼装刚性支护结构由多个上波纹板组件、多个上钢拱架组件、上连接组件和上纵向连接件组成，其中，多个上波纹板组件和多个上钢拱架组件按一个上波纹板组件接一个上钢拱架组件交替设置的方式经上连接组件连接在一起，所述多个上波纹板组件和多个上钢拱架组件上连接上纵向连接件整体构成所述上台阶拼装刚性支护结构，所述上台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的上台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的上台阶内壁上；

所述下台阶拼装刚性支护结构由多个下波纹板组件、多个下钢拱架组件、下连接组件和下纵向连接件组成，其中，多个下波纹板组件和多个下钢拱架组件按一个下波纹板组件接一个下钢拱架组件交替设置的方式经上连接组件连接在一起，所述多个下波纹板组件和多个下钢拱架组件上连接下纵向连接件整体构成所述下台阶拼装刚性支护结构，所述下台阶拼装刚性支护结构的形状与隧道内的下台阶内壁形状相匹配，能支护在隧道内的下台阶内壁上；

所述上台阶拼装刚性支护结构与下台阶拼装刚性支护结构的相对端连接构成整个隧道内壁的拼装刚性支护结构。

2.根据权利要求1所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护装置，其特征在于，还包括：

临时支撑架，为长条形结构，其内设有支撑上波纹板组件底端与上钢拱架组件底端的支撑面。

3.根据权利要求2所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护装置，其特征在于，所述临时支撑架采用设有高度自调节装置的调高式临时支撑架，通过高度自调节装置能调节所述临时支撑架的高度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护装置，其特征在于，所述上台阶拼装刚性支护结构中，每个上波纹板组件包括：

第一子板、第二子板、波纹板临时封堵块和波纹板连接件；其中，

所述第一子板、第二子板和波纹板临时封堵块均为弧形结构，该第一子板、第二子板和波纹板临时封堵块能经波纹板连接件连接后拼装成半圆形结构；

所述上台阶拼装刚性支护结构中，每个上钢拱架组件包括：

第一子架、第二子架、钢拱架时封堵块和钢拱架连接件；其中，

所述第一子架、第二子架和钢拱架临时封堵块均为弧形结构，该第一子架、第二子架和钢拱架临时封堵块能经钢拱架连接件连接后拼装成半圆形结构；

所述上台阶拼装刚性支护结构中，每个上连接组件包括：

多个密封垫和多个螺栓；其中，

多个所述密封垫垫设在相邻的上波纹板组件与上钢拱架组件的连接处之间；

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下波纹板组件包括：

第三子板、第四子板和波纹板连接件；其中，

所述第三子板、第四子板均为弧形结构，该第三子板与第四子板能经波纹板连接件连接后拼装成弧形结构；

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下钢拱架组件包括：

第三子架、第四子架和钢拱架连接件；其中，

所述第三子架与第四子架均为弧形结构，该第三子架和第四子架能经钢拱架连接件连接后拼装成弧形结构；

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下连接组件包括：

多个密封垫和多个螺栓；其中，

多个所述密封垫垫设在相邻的下波纹板组件与下钢拱架组件的连接处之间；

或者，

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下波纹板组件包括：

第三子板和第四子板；其中，

所述第三子板、第四子板均为直板结构，该第三子板与第四子板分开竖直设置成平行结构；

所述下台阶拼装刚性支护结构中，每个下钢拱架组件包括：

第三子架与第四子架；其中，

所述第三子架与第四子架均为直板结构，该第三子架与第四子架分开竖直设置成平行结构。

5.一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的能实现预应力的装配式隧道支护装置，包括以下步骤：

步骤Ⅰ，对所开挖的隧道的开挖面前方的土体进行注浆加固；

步骤Ⅱ，在所开挖的隧道内以留核心土的方式环形开挖出上台阶；

步骤Ⅲ，在挖出的所述上台阶内壁上安装临时支撑架，之后通过拼装上波纹板、设置能延长的上纵向连接件和拼装上钢拱架形成上台阶拼装支护结构，在形成的所述上台阶拼装支护结构背后同步注浆；

步骤Ⅳ，开挖下台阶；

步骤Ⅴ，拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架，并在所述下台阶的内壁上通过拼装下波纹板、设置能延长的下纵向连接件和拼装下钢拱架形成下台阶拼装支护结构，所述下台阶拼装支护结构与所述上台阶拼装支护结构对接构成整个隧道内壁的拼装刚性支护结构，在形成的下台阶拼装支护结构背后同步注浆，即完成装配式隧道的支护。

6.根据权利要求4所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，其特征在于，所述方法的步骤Ⅲ中，在挖出的所述上台阶内壁上安装临时支撑架，之后通过拼装上波纹板、设置能延长的上纵向连接件和拼装上钢拱架形成上台阶拼装支护结构为：

在所述上台阶的半圆形内壁两端的底部安装两个临时支撑架；

在所述上台阶内壁上拼装上波纹板，所拼装上波纹板的两端底部支撑在所述临时支撑架上；

在拼装后的上波纹板上设置能延长的上纵向连接件，能向所述隧道开挖方向随着隧道的挖进延长该上纵向连接件；

按所述隧道开挖方向在拼装后的上波纹板之后拼装上钢拱架，所拼装上钢拱架两端支撑在所述临时支撑架上，将拼装后的上钢拱架与已拼装的上波纹板密封连接，拼装后的上钢拱架与延长的所述上纵向连接件固定连接；

重复上述步骤，直至拼装的上波纹板和上钢拱架全部支护在所述上台阶的半圆形内壁上，即完成上台阶拼装支护结构。

7.根据权利要求5或6所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，其特征在于，

所述方法的步骤Ⅲ中，安装临时支撑架为：

所述临时支撑架采用设有高度自调节装置的调高式临时支撑架，通过高度自调节装置能调节所述临时支撑架的高度；

所述方法的步骤Ⅲ中，拼装上波纹板为：

依次拼装上波纹板的第一子板、第二子板和波纹板临时封堵块形成支护在所述上台阶半圆形内壁上的半圆形波纹板；

拼装后的半圆形上波纹板两端与所述临时支撑架之间通过法兰盘经螺栓固定连接；

所述方法的步骤Ⅲ中，拼装上钢拱架包括：

依次拼装上钢拱架的第一子架、第二子架和钢拱架临时封堵块形成支护在所述上台阶半圆形内壁上的半圆形上钢拱架；

拼装后相邻的上钢拱架与上波纹板之间设置密封垫并通过连接件连接形成密封连接；上钢拱架安装完成后，在上钢拱架背后安装二次注浆管，二次注浆管沿着上钢拱架进行环向安装。

8.根据权利要求4所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，其特征在于，所述方法的步骤Ⅴ中，拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架，并在所述下台阶的内壁上通过拼装下波纹板和拼装下钢拱架形成下台阶拼装支护结构，所述下台阶拼装支护结构与所述上台阶拼装支护结构对接构成整个隧道内壁的拼装式刚性支护结构为：

拆除所述上台阶内壁上的临时支撑架；

拼装下台阶的下波纹板：拼装下波纹板的第三子板、拆除对应该下波纹板的上波纹板的波纹板临时封堵块、拼装下波纹板的第四子板，使拼装后的下波纹板与对应的上波纹板对接封闭成环；

在拼装后的下波纹板上设置能延长的下纵向连接件，能向所述隧道开挖方向随着隧道的挖进延长该下纵向连接件；

拼装下台阶的下钢拱架：依次拼装下钢拱架的第三子架、拆除对应该下钢拱架的上钢拱架的钢拱架临时封堵块、拼装下钢拱架的第四子架，使拼装后的下钢拱架与对应的上钢拱架对接封闭成环；

拼装后相邻的下钢拱架与下波纹板之间设置密封垫并通过连接件连接形成密封连接。

9.根据权利要求4、5或7所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，其特征在于，

所述方法的步骤Ⅲ中，在形成的所述上台阶拼装支护结构背后同步注浆为：

在上钢拱架背后预埋二次注浆管，二次注浆管沿着上钢拱架进行环向安装，通过二次注浆管对上台阶拼装支护结构背后同步注浆，同步注浆所采用的注浆材料为具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料；

所述方法的步骤Ⅴ中，在形成的所述下台阶拼装支护结构背后同步注浆为：

在下钢拱架背后预埋二次注浆管，二次注浆管沿着上钢拱架进行环向安装，通过二次注浆管对下台阶拼装支护结构背后同步注浆，同步注浆所采用的注浆材料为具有微膨胀性能的发泡混凝土或者采用具有膨胀特性的高分子聚合物材料。

10.根据权利要求4、5或7所述的一种能实现预应力的装配式隧道支护方法，其特征在于，所述方法的上台阶拼装支护结构中，相邻两环上波纹板的拼装缝错开设置，相邻两环上钢拱架的拼装缝错开设置；

所述方法的下台阶拼装支护结构中，相邻两环下波纹板的拼装缝错开设置，相邻两环下钢拱架的拼装缝错开设置。