CN110159299B - 3d打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架及其施工方法，沿拱架延伸方向分成若干单元节，每个单元节由3D打印设备整体打印形成；单元节包括3D打印外支护板、3D打印加强撑、3D打印内侧支撑和3D打印螺栓连接板；3D打印螺栓连接板设于每个单元节的首尾两端，相邻两个单元节同侧的两个L形板的横板互相连接，形成整体拱架。本发明钢纤维混凝土外支护板，受力面积大，比格栅钢架主筋能更有效承受围岩压力，可有效保证初期支护构件的受力性能；采用3D打印机打印的形式整体制作，相对于格栅钢拱架初期支护构件自重较轻，故便于吊装及安装可有效降低吊装成本，同时避免传统初期支护现场人工焊接及加工格栅钢架，降低人工费用及工期。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种可以用于暗挖隧道施工的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架及其施工方法，适用于各类需要采用初期支护的暗挖隧道施工。
背景技术
随着经济的飞速发展和城市化水平的不断提高，地下空间的开发成为目前城市空间开发的主要方向之一，暗挖结构也越来越多，暗挖隧道作为城市地下空间开发的主要组成部分，占据了重要地位，目前暗挖隧道初期支护大部分均采用格栅钢架施工，存在如下问题：
一、格栅钢架施工精度差，钢筋强度损失严重：目前格栅钢架均在施工现场进行加工制作，施工精度难以保证，经常出现格栅钢架两部分连接板错位，导致螺栓难以拧进去的情况，同时在加工格栅钢架内部支撑筋时，现场直接采用压弯成型，钢筋强度降低严重，从而增加了施工风险；
二、格栅钢架自重大，工人施工困难：架设格栅钢架时，由于每榀格栅钢架分节重量较大，工人调整架设困难，施工速度降低；近期出现了一种分段设置的钢格栅，虽然搬运方便，但增加了施工的繁琐性；
三、格栅钢架均采用钢筋加工而成，工程造价高：由于格栅钢架主筋、之字筋、螺栓连接板等材料均采用钢筋及钢材，导致工程造价较高。
同时，国内目前也进行了大量的初期支护工厂预制的研究，但是初期支护预制只能预制成混凝土板，自重大，吊装运输及安装均很困难。
发明内容
本发明目的在于提供一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架及其施工方法，目的在于解决格栅钢架作为隧道初期支护拱架施工精度差、钢筋强度损失严重、自重大、工人施工困难、造价高的技术难题，以及现有混凝土预制拱架只能预制成板、自重大、吊装运输及安装均很困难的技术问题。
随着3D打印技术也在建筑工程中的广泛应用，与传统建筑行业相比，3D打印的建筑可节约建筑材料30%-60%、缩短工期50%-70%、减少人工50%-80%，但目前3D打印混凝土结构存在抗裂性能差，耐久性差等缺陷，不适用于结构外墙等永久性构件，不过隧道初期支护拱架作为临时构件，对抗裂性能要求低，造型复杂，虽然难以在工厂完成预制，但3D打印技术可完美打印成型，规避3D打印的缺陷。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架，其特征在于：
沿拱架延伸方向分成若干单元节，每个单元节由3D打印设备整体打印形成；
所述单元节包括3D打印外支护板、3D打印加强撑、3D打印内侧支撑和3D打印螺栓连接板；
所述3D打印外支护板为板条结构，设于最外侧；
所述3D打印内侧支撑包括两根平行设置的支撑杆，设于内侧，两根支撑杆形成的面与3D打印外支护板的板面平行；
所述3D打印加强撑也包括并行设置的两条，内侧分别与3D打印外支护板的两侧边沿一体连接，外侧分别与两根3D打印内侧支撑一体连接，所在两个平行平面均与3D打印外支护板的板面垂直；
所述3D打印螺栓连接板设于每个单元节的首尾两端，包括对应设置在两侧的两个L形板，相邻两个单元节同侧的两个L形板的横板互相连接，形成整体拱架。
作为本发明的优选技术方案，所述整体拱架中，3D打印外支护板形成闭合门拱形框板结构，包括底部平面板和顶部拱形板，所述底部平面板长度与隧道底面宽度相适应，所述顶部拱形板的板面与隧道内表面平行。
进一步的，所述整体拱架中，3D打印内侧支撑形成两根平行设置的闭合门拱形杆，包括底部内侧支撑杆和顶部内侧支撑杆，所述底部内侧支撑杆为直线杆，所述顶部内侧支撑杆为拱形杆，两3D打印内侧支撑形成的弧面始终与对应位置的3D打印外支护板的板面平行。
进一步的，所述底部内侧支撑杆和底部平面板之间的距离与顶部内侧支撑杆和顶部拱形板之间的距离相等。
进一步的，所述 L形板的横板上开设有螺栓预留孔，两个L形板的横板通过螺栓连接。
更进一步的，所述3D打印加强撑为平面内的S形支撑或Z形支撑。
此外，本发明还提供一种上述的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、材料准备：准备3D打印设备和钢纤维混凝土打印材料；
步骤二、确定尺寸和分节方式：依据待支护隧道的尺寸，确定3D打印拱架各构件的尺寸，同时确定分节方式；
步骤三、确定打印模型：依据步骤二确定的尺寸和分节方式，确定施工图纸，建立打印模型；
步骤三、打印各个单元节：启动3D打印设备，分别整体打印各个单元节并进行养护；
步骤四、单元节运输：将步骤三打印完成的单元节运输到施工现场；
步骤五、整体组装就位：将各个单元节放入开挖好的槽段中，安装的同时进行组装，用螺栓将相邻单元节固定连接；
步骤六、进行后续施工：喷射混凝土并进行土体开挖，至此3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架施工完成。
其中，所述步骤一中，钢纤维混凝土打印材料包括自密实混凝土和钢纤维材料，为避免钢纤维成团，所述钢纤维材料不参与自密实混凝土的搅拌过程，先进行自密实混凝土的配制及搅拌，然后自密实混凝土与钢纤维材料同时进入3D打印设备进行打印。
进一步的，所述钢纤维材料的直径范围为0.1～20mm，长度范围为0.5～500mm；所述自密实混凝土由42.5 级水泥355～367份、细度模数2.85的中砂724～748份、粒径5～16mm的碎石885～915份、II 级粉煤灰77～87份、矿粉103～119份、硅灰26～32份、高效聚羧酸减水剂14～20份、水157～171份组成。
最后，所述步骤三中，采用分层打印、迭加成形的方式逐层增加材料来生成单元节。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
1、施工精度高、无强度损失：本发明采用3D打印形式整体制作，各个单元节尺寸规格控制精准，依靠3D打印螺栓连接板进行单元节的精准连接，施工精度高，避免了格栅钢架在施工现场进行加工制作、施工精度难以保证的问题，以及钢筋制作时采用压弯成型、钢筋强度降低严重的情况，可根据工程打印各种尺寸的初期支护构件，打印精度高，相对于格栅钢拱架初期支护施工质量易于保证，构件链接能精确定位，利于隧道开挖支护的稳定性；
2、自重小、造价低：本发明采用3D打印形式整体制作，相对于格栅钢拱架初期支护构件自重较轻，约轻60%，便于吊装及安装，可有效降低吊装成本，相对于格栅钢拱架初期支护，具有更好的经济效益；避免了传统格栅钢架采用钢筋加工而成、造价较高的问题；
3、分节组装，施工运输方便：分节打印，分节运输，安装的同时进行组装施工，施工速度快，节省人工成本，避免了传统初期支护现场人工焊接及加工格栅钢架，降低人工费用及工期；相对于格栅钢拱架初期支护易于运输及安装定位，易于微调；
4、强度高、受力性能好：本发明钢纤维混凝土材料的外支护板受力面积大，比格栅钢架主筋能更有效承受围岩压力，可有效保证初期支护构件的受力性能。
综上，本发明有利于3D打印技术在地下工程中的推广应用，为地下工程的工业化和产业化起到促进作用。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：
图1是本发明的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架的等轴测视图；
图2是图1的正视图；
图3是图1的侧视图；
图4是本发明涉及的两单元节连接部位的局部放大示意图。
附图标记：1-3D打印外支护板、1.1-底部平面板、1.2-顶部拱形板、2-3D打印Z型内支撑、3-3D打印内侧支撑、3.1-底部内侧支撑杆、3.2-顶部内侧支撑杆、4-3D打印螺栓连接板、4.1-L形板、4.2-螺栓预留孔。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架及其施工方法的实施例。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1-4所示，一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架，沿拱架延伸方向分成若干单元节，每个单元节由3D打印设备整体打印形成；单元节包括3D打印外支护板1、3D打印加强撑2、3D打印内侧支撑3和3D打印螺栓连接板4；3D打印外支护板1为板条结构，设于最外侧；3D打印内侧支撑3包括两根平行设置的支撑杆，设于内侧，两根支撑杆形成的面与3D打印外支护板1的板面平行；3D打印加强撑2也包括并行设置的两条，内侧分别与3D打印外支护板1的两侧边沿一体连接，外侧分别与两根3D打印内侧支撑3一体连接，所在两个平行平面均与3D打印外支护板1的板面垂直；如图4，3D打印螺栓连接板4设于每个单元节的首尾两端，包括对应设置在两侧的两个L形板4.1，相邻两个单元节同侧的两个L形板4.1的横板互相连接，形成整体拱架。L形板4.1的横板上开设有螺栓预留孔4.2，两个L形板4.1的横板通过螺栓连接。3D打印加强撑2为平面内的S形支撑或Z形支撑。
整体拱架中，3D打印外支护板1形成闭合门拱形框板结构，包括底部平面板1.1和顶部拱形板1.2，底部平面板1.1长度与隧道底面宽度相适应，顶部拱形板1.2的板面与隧道内表面平行；D打印内侧支撑3形成两根平行设置的闭合门拱形杆，包括底部内侧支撑杆3.1和顶部内侧支撑杆3.2，两根3D打印内侧支撑3形成的弧面始终与对应位置的3D打印外支护板1的板面平行；底部内侧支撑杆3.1和底部平面板1.1之间的距离与顶部内侧支撑杆3.2和顶部拱形板1.2之间的距离相等。
上述3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架的施工方法包括如下步骤：
步骤一、材料准备：准备3D打印设备和钢纤维混凝土打印材料；钢纤维混凝土打印材料包括自密实混凝土和钢纤维材料，为避免钢纤维成团，钢纤维材料不参与自密实混凝土的搅拌过程，先进行自密实混凝土的配制及搅拌，然后自密实混凝土与钢纤维材料同时进入3D打印设备进行打印。钢纤维材料的直径范围为0.1～20mm，长度范围为0.5～500mm；自密实混凝土由42.5 级水泥355～367份、细度模数2.85的中砂724～748份、粒径5～16mm的碎石885～915份、II 级粉煤灰77～87份、矿粉103～119份、硅灰26～32份、高效聚羧酸减水剂14～20份、水157～171份组成。
步骤二、确定尺寸和分节方式：依据待支护隧道的尺寸，确定3D打印拱架各构件的尺寸，同时确定分节方式；
步骤三、确定打印模型：依据步骤二确定的尺寸和分节方式，确定施工图纸，建立打印模型；
步骤三、打印各个单元节：启动3D打印设备，分别整体打印各个单元节并进行养护；
步骤四、单元节运输：将步骤三打印完成的单元节运输到施工现场；采用分层打印、迭加成形的方式逐层增加材料来生成单元节；
步骤五、整体组装就位：将各个单元节放入开挖好的槽段中，安装的同时进行组装，用螺栓将相邻单元节固定连接；
步骤六、进行后续施工：喷射混凝土并进行土体开挖，至此3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架施工完成。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现型式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架，其特征在于：
沿拱架延伸方向分成若干单元节，每个单元节由3D打印设备整体打印形成；
所述单元节包括3D打印外支护板（1）、3D打印加强撑（2）、3D打印内侧支撑（3）和3D打印螺栓连接板（4）；
所述3D打印外支护板（1）为板条结构，设于最外侧；
所述3D打印内侧支撑（3）包括两根平行设置的支撑杆，设于内侧，两根支撑杆形成的面与3D打印外支护板（1）的板面平行；
所述3D打印加强撑（2）也包括并行设置的两条，内侧分别与3D打印外支护板（1）的两侧边沿一体连接，外侧分别与两根3D打印内侧支撑（3）一体连接，所在两个平行平面均与3D打印外支护板（1）的板面垂直；
所述3D打印螺栓连接板（4）设于每个单元节的首尾两端，包括对应设置在两侧的两个L形板（4.1），相邻两个单元节同侧的两个L形板（4.1）的横板互相连接，形成整体拱架；
所述整体拱架中，3D打印外支护板（1）形成闭合门拱形框板结构，包括底部平面板（1.1）和顶部拱形板（1.2），所述底部平面板（1.1）长度与隧道底面宽度相适应，所述顶部拱形板（1.2）的板面与隧道内表面平行；
所述 L形板（4.1）的横板上开设有螺栓预留孔（4.2），两个L形板（4.1）的横板通过螺栓连接。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架，其特征在于：所述整体拱架中，3D打印内侧支撑（3）形成两根平行设置的闭合门拱形杆，包括底部内侧支撑杆（3.1）和顶部内侧支撑杆（3.2），所述底部内侧支撑杆（3.1）为直线杆，所述顶部内侧支撑杆（3.2）为拱形杆，两根3D打印内侧支撑（3）形成的弧面始终与对应位置的3D打印外支护板（1）的板面平行。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架，其特征在于：所述底部内侧支撑杆（3.1）和底部平面板（1.1）之间的距离与顶部内侧支撑杆（3.2）和顶部拱形板（1.2）之间的距离相等。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架，其特征在于：所述3D打印加强撑（2）为平面内的S形支撑或Z形支撑。
5.一种权利要求1-4任意一项所述的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、材料准备：准备3D打印设备和钢纤维混凝土打印材料；
步骤二、确定尺寸和分节方式：依据待支护隧道的尺寸，确定3D打印拱架各构件的尺寸，同时确定分节方式；
步骤三、确定打印模型：依据步骤二确定的尺寸和分节方式，确定施工图纸，建立打印模型；
步骤三、打印各个单元节：启动3D打印设备，分别整体打印各个单元节并进行养护；
步骤四、单元节运输：将步骤三打印完成的单元节运输到施工现场；
步骤五、整体组装就位：将各个单元节放入开挖好的槽段中，安装的同时进行组装，用螺栓将相邻单元节固定连接；
步骤六、进行后续施工：喷射混凝土并进行土体开挖，至此，3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架施工完成。
6.根据权利要求5所述的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架的施工方法，其特征在于：所述步骤一中，钢纤维混凝土打印材料包括自密实混凝土和钢纤维材料，为避免钢纤维成团，所述钢纤维材料不参与自密实混凝土的搅拌过程，先进行自密实混凝土的配制及搅拌，然后自密实混凝土与钢纤维材料同时进入3D打印设备进行打印。
7. 根据权利要求6所述的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架的施工方法，其特征在于：所述钢纤维材料直径范围为0.1～20mm，长度范围为0.5～500mm；所述自密实混凝土由42.5 级水泥355～367份、细度模数2.85的中砂724～748份、粒径5～16mm的碎石885～915份、II 级粉煤灰77～87份、矿粉103～119份、硅灰26～32份、高效聚羧酸减水剂14～20份、水157～171份组成。
8.根据权利要求5所述的3D打印钢纤维混凝土隧道初支格栅拱架的施工方法，其特征在于：所述步骤三中，采用分层打印、迭加成形的方式逐层增加材料来生成单元节。
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