CN109611129A - 可缩式预应力拱架结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可缩式预应力拱架结构，所述结构包括设置在硐室内的拱架和预应力滑动部件，所述预应力滑动部件包括套管、滑动杆和高强弹簧，还包括初喷混凝土层、拱架背面空隙喷混凝土层和永久喷混凝土层，所述初喷混凝土层设置于硐室内壁和拱架之间，所述拱架背面空隙喷混凝土层设置在拱架外侧，永久喷混凝土层设置于拱架背面空隙喷混凝土层内侧。本发明同时提供一种对应的可缩式预应力拱架结构施工方法。本发明采用预压弹簧的方式形成预应力荷载，改变传统拱架被动受压的状态；利用套筒结构，改善滑动部位的工作状态，与高强弹簧稳定的力学特性联合形成稳定的滑动荷载，改变传统可缩式拱架滑移荷载不稳定的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及隧洞施工工程技术领域，尤其涉及一种可缩式预应力钢拱架及施工方法，适用于大变形隧洞初期及永久支护。
背景技术
随着我国各项基础设施的建设的发展，穿越高地应力区且工程地质环境恶劣的深埋长大隧洞工程不断涌现，高地应力、软岩条件下隧洞大变形问题日益凸显，并危及工程安全。新奥法的施工理念以释放岩体初始应力、发挥岩体自稳能力为核心思想，对推动软岩大变形隧洞施工工艺的进步具有积极的意义。但是该施工理念要求硐室开挖初期采用柔性支护，以适应岩体的变形和初始应力释放，在实践过程中遇到初期支护强度低，施工安全风险大，以及二期(永久)支护施工时机的确定难的现实问题，导致目前还较为普遍的采用强支护或分层强支护来处理大变形隧洞。然而，强支护或分层强支护无论从作用机理还是实际应用情况来看，效果并不理想。
研究发现，采用强支护对减小围岩塑性区发展具有积极的作用，以下图永久支护强度均为36cm厚度的喷混凝土支护的隧洞数值模拟计算成果为例，其中图7采用初期弱支护方案(初喷8cm)，图8为强支护方案(一次施做完毕)，从对比可以看出，强支护方案的围岩塑性区明显小于初期弱支护方案。围岩塑性区发展的范围，直接关系到围岩物理力学参数的变化，塑性区越大，表明岩体在变形过程中性能降低越大，因此有效控制岩体的塑性变形对于维持岩体的自稳能力具有积极的作用。但是对于传统的支护结构，初期强支护必然造成支护体变形能力差，约束了围岩的应力释放，导致支护体承受过大的卸荷应力而破坏。因此，对于大变形隧洞工程，提出一种“及时-强-让压”的支护理念，即在隧洞开挖后及时施加强支护力，改善岩体应力状态，同时通过支护结构的让压功能，实现硐室和支护结构的大变形，充分利用围岩的自稳能力，保证支护结构稳定。
在大变形支护中常用拱架来进行支撑，目前可缩性拱架在煤款开挖的巷道处理工程中有所应用，取得了一定的效果。然而目前可缩性拱架滑移部件是采用上下U型钢相互叠合，通过被称作“卡缆”的箍具使上下U型钢产生摩擦力而实现的。实践表明此种滑移部件存在滑动力不可靠、拱架支护强度低的弱点，这一缺点也极大的制约了该种支护结构在永久工程中的应用。而且目前在隧洞开挖支护中拱架支护结构均为被动受力结构，不具备施加预应力的功能。
综上所述，如果具有一种滑动控制稳定，且具备预应力功能的可缩式预应力拱架，可以极大的提高大变形隧洞的支护效果，对提高施工期安全、降低总体投资具有积极的意义。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的上述不足之处，提供一种可缩式预应力拱架结构及施工方法，旨在硐室开挖初期提供主动支护力，改善岩体初期变形的应力状态，调整岩体卸荷路径，减小塑性区的发展，减小因岩体卸荷造成的岩体承载力降低，同时通过可缩式的功能，使拱架在特定的荷载条件下压缩变形，避免拱架应荷载过大而破坏，同时利用大变形的功能实现岩体自稳能力的发挥。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种可缩式预应力拱架结构，包括设置在硐室内的拱架，所述拱架两侧设置有预应力滑动部件，所述预应力滑动部件包括一对滑动件和弹力机构，所述滑动件分别连接拱架，两个滑动件之间滑动连接，滑动件之间设置弹力机构。
作为优选，还包括初喷混凝土层、拱架背面空隙喷混凝土层和永久喷混凝土层，所述初喷混凝土层设置于硐室内壁和拱架之间，所述拱架背面空隙喷混凝土层设置在拱架外侧，永久喷混凝土层设置于拱架背面空隙喷混凝土层内侧。
作为优选，所述拱架包括拱形部和设在拱形部两侧的支撑部，拱形部两侧通过所述预应力滑动部件连接支撑部，所述一对滑动件设置为一对套管，其中一个套管连接拱形部末端，另一个套管连接支撑部顶端，两个套管的内腔之间设置弹力机构。
作为优选，所述弹力机构包括滑动杆和弹簧，滑动杆两端分别滑动套接在两侧的套管内部，滑动杆两端和套管之间设置弹簧。
作为优选，拱形部和套管之间通过法兰接头相互连接，支撑部和套管之间通过法兰接头相互连接。
作为优选，所述两个套管相对的一端设置有凸环，所述凸环设置有若干滑孔，滑孔内滑动连接有锁定螺栓，所述锁定螺栓穿过两个套管的滑孔并在末端设置调节螺母。
本发明同时提供一种可缩式预应力拱架结构施工方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
根据硐室环境参数和支护设计要求确定预应力滑动部件的预应力荷载P1和让压滑移量Δ；
根据所述预应力荷载P1、让压滑移量Δ确定预应力滑动部件各配件参数和弹簧劲度系数k；
预应力滑动部件各配件安装组合后预应力荷载P1，通过调节锁定螺栓上的调节螺母位置设定设定预应力条件下弹簧长度L1，形成最终的预应力滑动部件；
根据硐室开挖断面尺寸制作拱架，在预设高度断开分隔为拱形部和支撑部，并预留法兰接头，通过所述法兰接头安装预应力滑动部件；
在开挖后的硐室表面初喷一层初喷混凝土层，贴合所述初喷混凝土层表面进行拱架和预应力滑动部件的组装，通过所述法兰接头安装预应力滑动部件；
对拱架外侧和初喷混凝土层之间的空隙部位进行补喷混凝土，保证拱架外侧无明显空隙，形成拱架背面空隙喷混凝土层；
拆除预应力滑动部件的锁定螺栓，对硐室开挖面施加预应力；
在拱架内表面喷涂永久喷混凝土层。
作为优选，所述初喷混凝土层的厚度为5cm，所述永久喷混凝土层的厚度为5cm。
作为优选，所述根据硐室环境参数确定预应力滑动部件的预应力荷载P1和让压滑移量Δ的步骤进一步包括：所述让压滑移量Δ＝Δ总-Δ1-Δ2，根据硐室围岩总变形量Δ总在硐室围岩弹塑性范围内确定让压滑移量Δ，所述Δ总为硐室围岩总变形量，Δ1为施工前围岩变形量，Δ2为拱架允许变形量。
作为优选，所述根据所述预应力荷载P1、让压滑移量Δ确定预应力滑动部件各配件参数和弹簧劲度系数k的步骤进一步包括：根据所述让压滑移量Δ＝2 (L1-L2)，预应力荷载P1＝k(L-L1)，预应力滑动部件锁定荷载：P2＝k(L-L2)，确定弹簧劲度系数k和受力前弹簧长度L，所述L为受力前弹簧长度，所述L1为设定预应力条件下弹簧长度，所述L2为滑移结束后弹簧长度。
本发明提供的技术方案采用弹簧、套管、滑动杆组装形成预应力滑动部件，安装在拱架接头部位。安装前需要对预应力滑动部件进行预应力锁定，待拱架安装完毕，拱架与开挖面之间喷混凝土完成后预应力锁定撤除，拱架对岩壁施加预应力。随着岩体变形发展，围岩初始应力不断释放，岩体自稳能力不断发挥。同时拱架荷载增大，滑动杆压缩弹簧，预应力滑动部件开始收缩，实现整个拱架的可缩性，避免因岩体变形导致拱架受力过大。当滑移量达到设计值后，拱架再次锁定，拱架恢复至普通拱架状态。
本发明的有益效果是：采用预压弹簧的方式形成预应力荷载，改变传统拱架被动受压的状态；利用套筒结构，改善滑动部位的工作状态，与高强弹簧稳定的力学特性联合形成稳定的滑动荷载，改变传统可缩式拱架滑移荷载不稳定的缺陷。本发明可与锚杆等联合使用。
附图说明
图1为本发明的一种可缩式预应力拱架结构典型支护结构图。
图2为本发明的一种可缩式预应力拱架结构预应力滑动部件的局部结构图。
图3为本发明的一种可缩式预应力拱架结构施工方法的流程图
图4为本发明的一种可缩式预应力拱架结构的围岩支护力和变形的典型关系曲线。
图5为本发明的一种可缩式预应力拱架结构的荷载～变形的典型关系曲线。
图6为本发明的一种可缩式预应力拱架结构所用高强度弹簧的三种典型状态。
图7为现有技术中采用初期弱支护方案的围岩塑性区发展图。
图8为现有技术中采用强支护方案的围岩塑性区发展图。
图中：1、硐室；2、初喷混凝土层；3、拱架背面空隙喷混凝土层；4、拱架；401、拱形部；402、支撑部；5、预应力滑动部件；6、永久喷混凝土层；7、套管；8、滑动杆；9、弹簧；10、锁定螺母；11、调节螺母；12法兰接头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种可缩式预应力拱架结构，包括设置在硐室1内的拱架4、初喷混凝土层2、拱架背面空隙喷混凝土层3和永久喷混凝土层6，所述初喷混凝土层2设置于硐室1内壁和拱架4之间，所述拱架背面空隙喷混凝土层3设置在拱架4外侧，永久喷混凝土层6设置于拱架背面空隙喷混凝土层3内侧。
如图1、图2所示，所述拱架4两侧设置有预应力滑动部件5，所述预应力滑动部件5包括一对滑动件和弹力机构，所述滑动件分别连接拱架，两个滑动件之间滑动连接，滑动件之间设置弹力机构。
本发明还所述拱架包括拱形部401和设在拱形部两侧的支撑部402，拱形部401两侧通过所述预应力滑动部件5连接支撑部402，所述一对滑动件设置为一对套管7，其中一个套管连接拱形部末端，另一个套管连接支撑部顶端，两个套管的内腔之间设置弹力机构。所述弹力机构包括滑动杆8和弹簧9，滑动杆 8两端分别滑动套接在两侧的套管7内部，滑动杆8两端和套管7之间设置弹簧9。拱形部401和套管7之间通过法兰接头12相互连接，支撑部402和套管7 之间通过法兰接头12相互连接。
所述两个套管7相对的一端设置有凸环，所述凸环设置有若干滑孔，滑孔内滑动连接有锁定螺栓10，所述锁定螺栓穿过两个套管的滑孔并在末端设置调节螺母11。
如图3所示，本发明同时提供一种可缩式预应力拱架结构施工方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据硐室环境参数和支护设计要求确定预应力滑动部件的预应力荷载P1和让压滑移量Δ。
优选的，所述硐室环境参数包括硐室开挖断面、初始地应力、岩石的物理力学性质。预应力滑动部件的预应力荷载P1根据上述环境参数和硐室的支护要求的具体情况设计，满足硐室施工的国家和行业标准，属于本领域技术人员公知常识，在此不再赘述。所述让压滑移量Δ是指设定预应力后，拆卸锁定螺栓预应力滑动部件由于支撑硐室应力而压缩稳定后，预应力滑动部件的两个套管之间滑动的距离；由于所述让压滑移量Δ＝Δ总-Δ1-Δ2，如图4所示，根据硐室围岩总变形量Δ总在硐室围岩弹塑性范围(该范围由现场施工时根据硐室实际环境参数确定，已保证硐室围岩总变形量未达到松动破坏范围，而导致硐室垮塌。) 内确定让压滑移量Δ，所述Δ总为硐室围岩总变形量，Δ1为施工前围岩变形量，Δ2为拱架允许变形量。
步骤2：根据所述预应力荷载P1、让压滑移量Δ确定预应力滑动部件各配件参数和弹簧劲度系数k。
优选的，所述预应力滑动各配件参数包括受力前弹簧长度L、套筒内外径及长度、滑动杆的外径及长度。如图5、图6所示，所述根据所述预应力荷载P1、让压滑移量Δ确定预应力滑动部件各配件参数和弹簧劲度系数k的步骤进一步包括：根据所述让压滑移量Δ＝2(L1-L2)，预应力荷载P1＝k(L-L1)，预应力滑动部件锁定荷载：P2＝k(L-L2)，确定弹簧劲度系数k和受力前弹簧长度L，所述L为受力前弹簧长度，所述L1为设定预应力条件下弹簧长度，所述L2为滑移结束后弹簧长度。
在实际施工过程中，会确定的弹簧劲度系数k和受力前弹簧长度L不唯一，需要结合数值模拟计算确定最终的支护效果以满足变性控制要求和结构应力要求，并根据结果对预应力荷载P1和Δ进一步优化。
步骤3：预应力滑动部件各配件安装组合后预应力荷载P1，通过调节锁定螺栓上的调节螺母位置设定设定预应力条件下弹簧长度L1，形成最终的预应力滑动部件。
步骤4：根据硐室开挖断面尺寸制作拱架，在预设高度断开分隔为拱形部和支撑部，并预留法兰接头，通过所述法兰接头安装预应力滑动部件。
步骤5：在开挖后的硐室表面初喷一层初喷混凝土层，贴合所述初喷混凝土层表面进行拱架和预应力滑动部件的组装，通过所述法兰接头安装预应力滑动部件。
步骤6：对拱架外侧和初喷混凝土层之间的空隙部位进行补喷混凝土，保证拱架外侧无明显空隙，形成拱架背面空隙喷混凝土层。
优选的，所述初喷混凝土层的厚度为5cm。
步骤7：拆除预应力滑动部件的锁定螺栓，对硐室开挖面施加预应力。
步骤8：在拱架内表面喷涂永久喷混凝土层。
优选的所述永久喷混凝土层的厚度为5cm。
本发明利用预压弹簧的方式形成预应力荷载，改变传统拱架被动受压的状态；利用套筒结构，改善滑动部位的工作状态，与高强弹簧稳定的力学特性联合形成稳定的滑动荷载，改变传统可缩式拱架滑移荷载不稳定的缺陷。
本发明提供的技术方案采用弹簧、套管、滑动杆组装形成预应力滑动部件，安装在拱架接头部位。安装前需要对预应力滑动部件进行预应力锁定，待拱架安装完毕，拱架与开挖面之间喷混凝土完成后预应力锁定撤除，拱架对岩壁施加预应力。随着岩体变形发展，围岩初始应力不断释放，岩体自稳能力不断发挥。同时拱架荷载增大，滑动杆压缩弹簧，预应力滑动部件开始收缩，实现整个拱架的可缩性，避免因岩体变形导致拱架受力过大。当滑移量达到设计值后，拱架再次锁定，拱架恢复至普通拱架状态。
本发明的有益效果是：采用预压弹簧的方式形成预应力荷载，改变传统拱架被动受压的状态；利用套筒结构，改善滑动部位的工作状态，与高强弹簧稳定的力学特性联合形成稳定的滑动荷载，改变传统可缩式拱架滑移荷载不稳定的缺陷。本发明可与锚杆等联合使用。
Claims (10)
1.一种可缩式预应力拱架结构，其特征是，包括设置在硐室(1)内的拱架(4)，所述拱架(4)两侧设置有预应力滑动部件(5)，所述预应力滑动部件(5)包括一对滑动件和弹力机构，所述滑动件分别连接拱架(4)，两个滑动件之间滑动连接，滑动件之间设置弹力机构。
2.根据权利要求1所述的可缩式预应力拱架结构，其特征是，还包括初喷混凝土层(2)、拱架(4)背面空隙喷混凝土层(3)和永久喷混凝土层(6)，所述初喷混凝土层(2)设置于硐室(1)内壁和拱架(4)之间，所述拱架(4)背面空隙喷混凝土层(3)设置在拱架(4)外侧，永久喷混凝土层(6)设置于拱架(4)背面空隙喷混凝土层(3)内侧。
3.根据权利要求1所述的可缩式预应力拱架结构，其特征是，所述拱架(4)包括拱形部(401)和设在拱形部(401)两侧的支撑部(402)，拱形部(401)两侧通过所述预应力滑动部件(5)连接支撑部(402)，所述一对滑动件设置为一对套管(7)，其中一个套管(7)连接拱形部(401)末端，另一个套管(7)连接支撑部(402)顶端，两个套管(7)的内腔之间设置弹力机构。
4.根据权利要求2所述的可缩式预应力拱架结构，其特征是，所述弹力机构包括滑动杆(8)和弹簧(9)，滑动杆(8)两端分别滑动套接在两侧的套管(7)内部，滑动杆(8)两端和套管(7)之间设置弹簧(9)。
5.根据权利要求1所述的可缩式预应力拱架结构，其特征是，拱形部(401)和套管(7)之间通过法兰接头(12)相互连接，支撑部(402)和套管(7)之间通过法兰接头(12)相互连接。
6.根据权利要求2所述的可缩式预应力拱架结构，其特征是，所述两个套管(7)相对的一端设置有凸环，所述凸环设置有若干滑孔，滑孔内滑动连接有锁定螺栓(10)，所述锁定螺栓(10)穿过两个套管(7)的滑孔并在末端设置调节螺母(11)。
7.一种可缩式预应力拱架结构施工方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
根据硐室环境参数和支护设计要求确定预应力滑动部件的预应力荷载P1和让压滑移量Δ；
根据所述预应力荷载P1、让压滑移量Δ确定预应力滑动部件各配件参数和弹簧劲度系数k；
预应力滑动部件各配件安装组合后预应力荷载P1，通过调节锁定螺栓上的调节螺母位置设定设定预应力条件下弹簧长度L1，形成最终的预应力滑动部件；
根据硐室开挖断面尺寸制作拱架，在预设高度断开分隔为拱形部和支撑部，并预留法兰接头，通过所述法兰接头安装预应力滑动部件；
在开挖后的硐室表面初喷一层初喷混凝土层，贴合所述初喷混凝土层表面进行拱架和预应力滑动部件的组装，通过所述法兰接头安装预应力滑动部件；
对拱架外侧和初喷混凝土层之间的空隙部位进行补喷混凝土，保证拱架外侧无明显空隙，形成拱架背面空隙喷混凝土层；
拆除预应力滑动部件的锁定螺栓，对硐室开挖面施加预应力；
在拱架内表面喷涂永久喷混凝土层。
8.根据权利要求7所述的可缩式预应力拱架结构施工方法，其特征是，所述初喷混凝土层的厚度为5cm，所述永久喷混凝土层的厚度为5cm。
9.根据权利要求7所述的可缩式预应力拱架结构施工方法，其特征是，所述根据硐室环境参数确定预应力滑动部件的预应力荷载P1和让压滑移量Δ的步骤进一步包括：所述让压滑移量Δ＝Δ总-Δ1-Δ2，根据硐室围岩总变形量Δ总在硐室围岩弹塑性范围内确定让压滑移量Δ，所述Δ总为硐室围岩总变形量，Δ1为施工前围岩变形量，Δ2为拱架允许变形量。
10.根据权利要求9所述的可缩式预应力拱架结构施工方法，其特征是，所述根据所述预应力荷载P1、让压滑移量Δ确定预应力滑动部件各配件参数和弹簧劲度系数k的步骤进一步包括：根据所述让压滑移量Δ＝2(L1-L2)，预应力荷载P1＝k(L-L1)，预应力滑动部件锁定荷载：P2＝k(L-L2)，确定弹簧劲度系数k和受力前弹簧长度L，所述L为受力前弹簧长度，所述L1为设定预应力条件下弹簧长度，所述L2为滑移结束后弹簧长度。
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