CN108894799A - 大断面隧道轻高型组合钢架 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道加固技术领域,特别涉及一种大断面隧道轻高型组合钢架。包括锚杆钻孔、加固墩座，短柱焊接节点、斜柱焊接节点、斜短柱、侧向高轻型钢柱、短柱、钢柱加固现浇区、搭接套筒、短柱、斜短柱焊接节点、顶部轻高型钢柱、顶部楔块和稳固螺栓孔；加固墩座与地基相接，顶部轻高型钢柱的两端分别通过搭接套筒与侧向轻高型钢柱顶端相连接，顶部轻高型钢柱固定在顶部楔块中。本发明主要用于解决大断面隧道支护拱顶易塌陷的问题，改善型钢钢架易受局部集中荷载和偏压荷载导致易于弯曲或者屈服的缺陷；采用轻、高强化高规格型钢，减弱传统钢架受自身重力因素影响，与过去采用的普通钢相比，高规格钢具有尺寸经济的特点。

Description

大断面隧道轻高型组合钢架

技术领域

本发明属于隧道加固技术领域，特别涉及一种大断面隧道轻高型组合钢架。

背景技术

我国是一个多山的国家，西南地区８０％为山地，约占全国山地面积的３０％。这片土地是一个居住着２０多个民族，１亿多人的城市；地铁、公路和铁路是人们出行的主要交通方式。现在，道路已成为国家的重要资源，对于促进国家经济增长、提高人民生活质量和维护国家安全等都具有重要价值。道路的发展不仅仅是经济的需要，也是人类文明和现代化的组成部分，而隧道作为道路中的重要节点有着至关重要的作用。我国隧道建设在近些年的建设中取得了飞跃式的发展，如秦岭终南山公路隧道，单洞长18.02km，双洞单向交通，建设规模世界第一，是中国公路隧道之最。厦门翔安隧道是中国大陆第一座大断面海底隧道，对我国隧道建设技术的进步和发展，缩小与世界先进水平的差距，起到了里程碑式的作用。目前在建的港珠澳跨海大桥中的隧道部分，也代表中国乃至世界隧道发展的最前沿。

为了进一步发展完善我国西南地区交通网，需要修建大量交通隧道工程，在此过程中不可避免会遇到各种地质情况，如软弱围岩、断层破碎带、膨胀性围岩、黄土地层、冻止地层、瓦斯地层及昔格达组地层等特殊地质，给设计和施工带来了巨大的挑战，尤其是当不良地质条件和大断面两者同时存在的时候，因此有效地利用地下空间变成了重中之重。随着我国公路和高速铁路建设的大规模建设和快速发展，大跨度隧道的设计施工技术不断取得了突破和发展,如何选择正确的施工方法,保证工程的安全建设和经济效益是一个非常重要的课题。

大断面隧道的跨高比大,导致围岩和衬砌的稳定性变差,必须从各方面进行分析研究，包括断面结构设计,超前支护设计、开挖方法和方案,施工技术等,提出相应的处理方法。目前我国已建成许多单洞三、四车道的公路隧道,隧道跨度最大达到23m左右,开挖断面面积达到250 以上,有的地方还提出建设单洞五车道,甚至六车道公路隧道的设想,其隧道断面积将进一步增大。我国铁路隧道断面与公路隧道相比要小,大断面铁路隧道主要出现在近年来的高速铁路双线隧道中，考虑到高速列车在高速通过隧道时产生的强大空气动力学效应,其隧道断面积随着列车速度而加大。例如,350km/h客运专线铁路双线隧道净空最大度达到12.6m，净空面积(内轨顶面以上面积)达到近120 ,开挖面积达到160 以上。我国最大断面的铁路隧道是位于设计时速达350公里的郑西高铁路上的张茅隧道(全长8483米),其最大开挖断面积达164平方米,采用了三台阶七步流水作业法施工,大断面隧道的最大特征是隧道的力学。由于车道数的增加使得宽度加大而高度变化不大导致断面变得扁平，扁平大断面隧道与近圆形断面隧道相比,有以下主要特征：

1.开挖后的应力重分布变得不利，对于圆形隧,在弹性介质、静水应力场中,开挖后周边的最大主应力是初始应力的2倍,当围岩强度小于围岩应力时,隧道周边围岩中将出现塑性区,需要施设支护结构来控制变形。对扁平的大断面图隧道来说,随着高宽比(高度/宽度)的减少,围岩内的最大主应力和衬砌拱顶处的最大弯矩急剧增加,与近圆形隧道相比,将出现更大的塑性区和更大的变形,需要更强大的支护结构来保持隧道的稳定。

2.底脚处的应力集中过大,需要较大的地基承载力。力学分析结果表明,开挖后围岩应力在侧壁处比较大；特别是侧压系数小时,开挖宽度越大导致围岩中的切向应力越大、衬砌中轴力也越大和底脚处的应力集中大,所以需要较大的地基承载力。

3.拱顶不稳定。隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力,导致拱顶掉块等失稳现象。同时,拱顶处衬砌弯矩增加,导衬砌开裂,因此,隧道断面的增大会造成拱顶不稳定。

4.较大的松弛地压。开挖宽度越大,要求产生拱作用的埋深越大,在埋深作用不能发挥作用时,就会产生很大的松弛压力。因此,大断面隧道支护结构将承受更大的松弛荷载支护结构的承载力相对较小。跨度越大,扁平形状的拱形支护结构支护条件越不利,相对承载力变小。

发明内容

为了解决上述现有存在技术的不足，本发明提供了一种大断面隧道轻高型组合钢架，主要用于解决大断面隧道支护拱顶易塌陷的问题，改善型钢钢架易受局部集中荷载或偏压荷载易于弯曲或者屈服的缺陷。本发明采用轻、高强化高规格型钢，减弱传统钢架受自身重力因素影响，与过去采用的普通钢相比，高规格钢具有尺寸经济的特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种大断面轻高型组合钢架，包括锚杆钻孔、加固墩座、短柱焊接节点、斜柱焊接节点、斜短柱、侧向轻高型钢柱、短柱、钢柱加固现浇区、搭接套筒、短柱、斜短柱焊接节点、顶部轻高型钢柱、顶部楔块和稳固螺栓孔；大断面轻高型组合钢架分为三个部分，分别为底部加固区、侧向轻高型钢柱连接区以及拱顶加固区；加固墩座与地基相接，锚杆钻孔内置于加固墩座中，侧向轻高型钢柱的底端插入加固墩座中的钢柱加固现浇区中；顶部轻高型钢柱固定在顶部楔块中，顶部轻高型钢柱的两端分别通过搭接套筒与侧向轻高型钢柱顶端相连接，稳固螺栓孔内设于搭接套筒中；斜短柱的一端焊接在侧向轻高型钢柱或顶部轻高型钢柱上的短柱、斜短柱焊接节点上，另一端焊接在斜柱焊接节点上；短柱的两端分别焊接在短柱焊接节点和短柱、斜短柱焊接节点上。

进一步地，所述的锚杆钻孔遵从隧道锚喷支护原理, 利用锚杆使隧道结构与围岩紧密结合，充分利用围岩的自承能力。

进一步地，所述的底部加固区，侧向轻高型钢柱固定于加固墩座中, 减缓钢柱端头对地基的直接压力。

进一步地，所述的钢柱加固现浇区中浇灌快干型水泥, 增强侧向轻高型钢柱与加固墩座之间的粘结性。

进一步地，所述的拱顶加固区，采用了密集的三角桁架结构的支撑方式, 密集的短柱与斜短柱焊接方式有效地防止三根拱顶钢柱的偏曲变形。

进一步地，所述的侧向轻高型钢柱和顶部轻高型钢柱的横截面尺寸相同。

进一步地，所述的短柱、斜短柱、顶部轻高型钢柱和侧向轻高型钢柱采用轻、高强化高规格型钢。

进一步地，所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的稳固螺栓孔、搭接套筒和顶部轻高型钢柱为一体结构；稳固螺栓孔、搭接套筒和侧向轻高型钢柱为一体结构。

进一步地，所述大断面轻高型组合钢架的安装方法包括以下安装步骤：

a.安装顶部加固区，由顶部楔块固定顶部轻高型钢柱；

b.两个侧向轻高型钢柱的一个端头分别插入搭接套筒中，将螺栓旋入稳固螺栓孔中；将顶部轻高型钢柱的两个端头的螺栓分别旋入2个套筒中的螺栓孔中加紧稳固；

c.在三根顶部轻高型钢柱中按照设计好的短柱、斜短柱焊接节点处焊接短柱后，焊接斜短柱（5）,在侧向轻高型钢柱上按照设计好的短柱焊接节点上焊接短柱；

d.固定底部加固区，在加固墩座中同时插入三根侧向轻高型钢柱，确定好位置后，在钢柱加固现浇区浇灌快干型水泥，在固定好三根侧向轻高型钢柱后，在斜短柱焊接节点上焊节斜短柱；

e.在锚杆钻孔中插入锚杆进行固定。

本发明的有益效果：

本发明的有益效果和优点具体分为以下六个方面：

1.本发明的锚杆钻孔遵从隧道锚喷支护原理，利用锚杆使隧道结构与围岩紧密结合，充分利用围岩自承能力的特点，对钢架结构起到二次稳定作用，避免钢架底部屈曲变形。

2.本发明的底部加固区，使侧向轻高型钢柱稳定落座于加固墩座中，减缓钢柱端头的应力，避免钢柱直接插入地基并形成应力集中现象。

3.本发明在钢柱加固现浇区中浇灌水泥，增强侧向轻高型钢柱与加固墩座之间的粘结性。

4.本发明的侧向轻高型钢柱连接区中，先在三根侧向轻高型钢柱之间焊接短柱，避免三根侧向轻高型钢柱发生侧向弯曲，之后再焊接斜短柱可微调并纠正在其他部件安装过程中三根侧向轻高型钢柱发生的微小错动。

5.本发明在拱顶加固区，采用了密集的三角桁架结构的支撑方式，密集的短柱与斜短柱焊接方式有效地防止三根拱顶钢柱的偏曲变形，支撑着三根拱顶钢柱最大化的承受轴向力。

6.本发明在侧向轻高型钢柱连接区，相比以往隧道中钢架受力特点，减少了短柱的数量和节省钢架材料，具有尺寸经济的特点。

附图说明

图1为本发明大断面隧道轻高型组合钢架整体示意图；

图2为本发明侧向钢柱与顶部钢柱接头搭接示意图；

图3为拱本发明顶钢柱组合加固示意图；

图4为本发明侧向钢柱组合示意图；

图中，1为锚杆钻孔，2为加固墩座，3为短柱焊接节点，4为斜柱焊接节点，5为斜短柱，6为侧向高轻型钢柱，7为短柱，8为钢柱加固现浇区，9为搭接套筒，10为短柱，斜短柱焊接节点，11为顶部轻高型钢柱，12为顶部楔块和13为稳固螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

如图1-图4所示，一种大断面隧道轻高型组合钢架，为对称结构；包括锚杆钻孔1、加固墩座2、短柱焊接节点3、斜柱焊接节点4、斜短柱5、侧向高轻型钢柱6、短柱7、钢柱加固现浇区8、搭接套筒9、短柱、斜短柱焊接节点10、顶部轻高型钢柱11、顶部楔块12和稳固螺栓孔13；

大断面轻高型组合钢架分为三个部分，分别为底部加固区、侧向轻高型钢柱连接区以及拱顶加固区；加固墩座2与地基相接，锚杆钻孔1内置于加固墩座2中，所述的锚杆钻孔1遵从隧道锚喷支护原理；侧向轻高型钢柱6的底端插入加固墩座2中的钢柱加固现浇区8中，所述的钢柱加固现浇区8中浇灌快干型水泥；顶部轻高型钢柱11固定在顶部楔块12中；

所述在侧向轻高型钢柱连接区，根据以往隧道中钢架受力特点，减少了短柱的数量，节省钢架材料；

所述的拱顶加固区，采用了密集的三角桁架结构的支撑方式；

所述的短柱7、斜短柱5、顶部轻高型钢柱11和侧向轻高型钢柱6采用轻、高强化高规格型钢；

所述的稳固螺栓孔13、搭接套筒9和顶部轻高型钢柱11为一体结构；稳固螺栓孔13、搭接套筒9和侧向轻高型钢柱6为一体结构。

如图2所示，顶部轻高型钢柱11的两端分别通过搭接套筒9与侧向轻高型钢柱6顶端相连接，稳固螺栓孔13内设于搭接套筒9中，所述的侧向轻高型钢柱6和顶部轻高型钢柱11的横截面尺寸相同。

如图3-4所示，斜短柱5的一端焊接在侧向轻高型钢柱6或顶部轻高型钢柱11上的短柱、斜短柱焊接节点10上，另一端焊接在斜柱焊接节点4上；短柱7的两端分别焊接在短柱焊接节点3和短柱、斜短柱焊接节点10上。

所述的大断面轻高型组合钢架的安装方法，其特征在于：包括以下安装步骤：

a.安装顶部加固区，由顶部楔块12固定顶部轻高型钢柱11；

b.两个侧向轻高型钢柱6的一个端头分别插入搭接套筒9中，将螺栓旋入稳固螺栓孔13中；将顶部轻高型钢柱11的两个端头的螺栓分别旋入2个套筒9中的螺栓孔13中加紧稳固；

c.在三根顶部轻高型钢柱11中按照设计好的短柱、斜短柱焊接节点10处焊接短柱7后，焊接斜短柱5,在侧向轻高型钢柱6上按照设计好的短柱焊接节点3上焊接短柱7；

d.固定底部加固区，在加固墩座2中同时插入三根侧向轻高型钢柱6，确定好位置后，在钢柱加固现浇区8浇灌快干型水泥，在固定好三根侧向轻高型钢柱6后，在斜短柱焊接节点4上焊节斜短柱5；

e.在锚杆钻孔1中插入锚杆进行固定。

所述在侧向轻高型钢柱连接区中，先在三根侧向轻高型钢柱6之间焊接短柱7，避免三根侧向轻高型钢柱6发生侧向弯曲，之后再焊接斜短柱5可微调并纠正在其他部件安装过程中三根侧向轻高型钢柱6发生的微小错动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种大断面轻高型组合钢架，其特征在于:包括锚杆钻孔（1）、加固墩座（2）、短柱焊接节点（3）、斜柱焊接节点（4）、斜短柱（5）、侧向轻高型钢柱（6）、短柱（7）、钢柱加固现浇区（8）、搭接套筒（9）、短柱、斜短柱焊接节点（10）、顶部轻高型钢柱（11）、顶部楔块（12）和稳固螺栓孔（13）；大断面轻高型组合钢架分为三个部分，分别为底部加固区、侧向轻高型钢柱连接区以及拱顶加固区；加固墩座（2）与地基相接，锚杆钻孔（1）内置于加固墩座（2）中，侧向轻高型钢柱（6）的底端插入加固墩座（2）中的钢柱加固现浇区（8）中；顶部轻高型钢柱（11）固定在顶部楔块（12）中，顶部轻高型钢柱（11）的两端分别通过搭接套筒（9）与侧向轻高型钢柱（6）顶端相连接，稳固螺栓孔（13）内设于搭接套筒（9）中；斜短柱（5）的一端焊接在侧向轻高型钢柱（6）或顶部轻高型钢柱（11）上的短柱、斜短柱焊接节点（10）上，另一端焊接在斜柱焊接节点（4）上；短柱（7）的两端分别焊接在短柱焊接节点（3）和短柱、斜短柱焊接节点（10）上。

2.根据权利要求1所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的锚杆钻孔（1）遵从隧道锚喷支护原理。

3.根据权利要求1所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的底部加固区，侧向轻高型钢柱（6）固定于加固墩座（2）中。

4.根据权利要求1所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的钢柱加固现浇区（8）中浇灌快干型水泥。

5.根据权利要求1所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的拱顶加固区，采用了密集的三角桁架结构的支撑方式。

6.根据权利要求1所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的侧向轻高型钢柱（6）和顶部轻高型钢柱（11）的横截面尺寸相同。

7.根据权利要求1所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的短柱（7）、斜短柱（5）、顶部轻高型钢柱（11）和侧向轻高型钢柱（6）采用轻、高强化高规格型钢。

8.根据权利要求1所述的大断面隧道轻高型组合钢架，其特征在于：所述的稳固螺栓孔（13）、搭接套筒（9）和顶部轻高型钢柱（11）为一体结构；稳固螺栓孔（13）、搭接套筒（9）和侧向轻高型钢柱（6）为一体结构。

9.大断面轻高型组合钢架的安装方法，其特征在于：包括以下安装步骤：

a.安装顶部加固区，由顶部楔块（12）固定顶部轻高型钢柱（11）；

b.两个侧向轻高型钢柱（6）的一个端头分别插入搭接套筒（9）中，将螺栓旋入稳固螺栓孔（13）中；将顶部轻高型钢柱（11）的两个端头的螺栓分别旋入2个套筒（9）中的螺栓孔（13）中加紧稳固；

c.在三根顶部轻高型钢柱（11）中按照设计好的短柱、斜短柱焊接节点（10）处焊接短柱（7）后，焊接斜短柱（5）,在侧向轻高型钢柱（6）上按照设计好的短柱焊接节点（3）上焊接短柱（7）；

d.固定底部加固区，在加固墩座（2）中同时插入三根侧向轻高型钢柱（6），确定好位置后，在钢柱加固现浇区（8）浇灌快干型水泥，在固定好三根侧向轻高型钢柱（6）后，在斜短柱焊接节点（4）上焊节斜短柱（5）；

e.在锚杆钻孔（1）中插入锚杆进行固定。