CN110318784A - 一种隧道支护钢架及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道支护钢架及其施工方法，该装置包含拱部单元和两个边墙单元，所述拱部单元和两个边墙单元均为管状构件，所述拱部单元和两个边墙单元中均填充有混凝土，两个所述边墙单元分别铰接连接于所述拱部单元的两端，每个所述边墙单元与拱部单元能够通过卡扣部件锁定。采用本装置有效控制接头数量，保证了钢架支护强度，能够发挥钢管混凝土组合结构的优良性能，较大程度提高了软弱围岩隧道支护强度，钢架能够一次性整体吊装至安装位置，并且能够直接采用机械臂使其完成安装，无需人工作业，大幅提高安装效率，缩短工期，节省人工成本，保障施工安全性，充分发挥机械化优势，极大程度缩短单工序作业时间，具有良好的应用前景。

Description

一种隧道支护钢架及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程施工技术领域，特别涉及一种隧道支护钢架及其施工方法。

背景技术

传统隧道修建过程中，大多采用人工作业多台阶分部施工工法，施工时开挖一部分支护一部分。其中支护结构一般采用复合式衬砌结构，包括初期支护与二次衬砌，其中，初期支护结构在施工过程中极为重要，直接影响到施工安全。

现有技术中初期支护主要采用的是喷锚网组合支护，在软弱围岩地段需设置钢架加强支护，一般采用工字钢、H型钢制作钢架。由于钢架重量较大，通常将隧道整环钢架分成至少七个单元，每个单元采用人工通过拼接成一个整体，但钢架整体性较差，接头处易变形，加之初期支护与围岩协调变形产生较大的切向位移，采用工字钢、H型钢钢架支护强度过低，极易被压溃而破坏，尤其是接头处，只能通过加大钢架自身强度和减小加钢架间距进行支护，该结构成本高昂，施工效率低下。

虽然近几年逐渐出现了大型机械辅助人工进行施工作业，如采用多臂钢架安装台车采用机械臂对钢架单元逐一进行举升，再准确定位后由人工进行接头螺栓连接，但由于钢架结构形式与机械作业方法不能良好的匹配，该方法施工单工序时间较长，经济性较差，尚未得到有效推广应用。

综合以上背景，在软弱围岩隧道采用机械化全断面施工时，急需一种新的钢架结构形式与一种安全、快速的钢架施工方法，缩短施工工序时间，以加快机械化施工进度。

发明内容

本发明的目的在于克服在软弱围岩地层隧道中现有技术支护强度不足，且常采用人工作业施工安全风险极高、施工效率低下、施工成本高、施工工序耗时长等上述不足，提供一种隧道支护钢架及其施工方法。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种隧道支护钢架，包含拱部单元和两个边墙单元，所述拱部单元和两个边墙单元均为管状构件，所述拱部单元和两个边墙单元中均填充有混凝土，两个所述边墙单元分别铰接连接于所述拱部单元的两端，每个所述边墙单元与拱部单元能够通过卡扣部件锁定。

采用本发明所述的一种隧道支护钢架，将钢架分为三个单元，减少分隔单元，有效控制接头数量，减少对钢架整体受力强度的削弱，保证了钢架支护强度，并且有利于提高安装施工效率，采用管状构件中填充混凝土的结构形式来代替现有的工字钢、H型钢，能够发挥钢管混凝土组合结构的优良性能，较大程度提高了软弱围岩隧道支护强度，两个所述边墙单元分别铰接连接于所述拱部单元，能够一次性整体吊装至安装位置，并且直接通过分别转动两个所述边墙单元使其与所述拱部单元自动对接嵌入即可完成安装，连接稳定可靠，具有夹爪的机械臂就能够完成对接嵌入工作，大幅提高安装效率，缩短工期，节省人工成本，保障施工安全性，充分发挥机械化优势，极大程度缩短单工序作业时间，具有良好的应用前景。

优选的，两个所述边墙单元与拱部单元的铰接轴均位于所述管状构件的内侧。

即铰接转轴靠近衬砌一侧，两个所述边墙单元均能向内转动，有效节省占用空间，便于运输及存放。

进一步优选的，所述卡扣部件包含钢卡环，所述拱部单元包含两个连接端部一，每个所述边墙单元包含一个连接端部二，每个所述连接端部二对应与一个所述连接端部一铰接连接，每个所述连接端部二内壁设有环形的凹槽二，所述凹槽二内设有所述钢卡环，所述钢卡环能够在所述凹槽二所在平面内横向移动，每个所述连接端部一外壁设有环形的凹槽一，每个所述凹槽一的位置、形状和尺寸与一个所述凹槽二的位置、形状和尺寸适配，所述钢卡环具有斜面一，所述连接端部一具有斜面二和斜面三，所述斜面二的坡度大于所述斜面三的坡度，所述斜面三的坡度与斜面一的坡度适配。

采用上述设置方式，所述钢卡环嵌于所述凹槽二中，所述钢卡环能够在所述凹槽二内横向移动，即所述钢卡环一侧伸入所述凹槽二对应一侧内部时，所述钢卡环另一侧伸出所述凹槽二对应一侧之外，所述钢卡环具有斜面一，所述斜面一为外端面，需要对接嵌入时，所述边墙单元绕铰接轴转动，所述钢卡环远离铰接轴一侧不会阻挡所述边墙单元转动，靠近铰接轴一侧的所述斜面二也不会接触对应侧的所述钢卡环，继续转动至靠近铰接轴一侧的所述斜面三抵接对应侧的钢卡环的斜面一时，能够顶推所述钢卡环朝所述凹槽二靠近铰接轴的一侧移动，所述钢卡环的对侧伸出所述凹槽二的对应侧，卡入所述凹槽一的对应侧，即所述钢卡环先自动嵌入所述凹槽一靠转轴的一侧，继续转动时，再逐渐嵌入另一侧，受所述钢卡环的限制无法继续转动，能够实现自动对接嵌入固定形成整体钢架，连接稳定可靠。

优选的，所述拱部单元设有灌注孔一和排气孔一，每个边墙单元均设有灌注孔二和排气孔二。

进一步优选的，所述灌注孔一位于所述拱部单元的顶部，所述灌注孔二位于对应所述边墙单元靠近的所述拱部单元的一端。

优选的，所有所述管状构件的截面均为圆形，所有所述管状构件的外径大于或等于20cm，所有所述管状构件的厚度大于或等于8mm。

优选的，所述混凝土的强度等级大于或等于C30。

优选的，所述拱部单元和两个边墙单元的重量均相同。

采用上述设置方式，即整个钢架应尽量等分，便于加工、举升及安装，避免明显晃动。

一种隧道支护钢架的施工方法，包含如下步骤：

a、分别加工拱部单元和两个边墙单元，将两个所述边墙单元分别铰接连接于所述拱部单元的两端；

b、抓举所述拱部单元至隧道顶部，并将两个所述边墙单元向外推至隧道侧壁，使两个所述边墙单元分别与所述拱部单元自动对接嵌入固定；

c、同时对所述拱部单元和两个边墙单元进行混凝土灌注，完成支护钢架的施工；

其中，所述拱部单元设有灌注孔一和排气孔一，每个边墙单元均设有灌注孔二和排气孔二，每个所述边墙单元与拱部单元通过卡扣部件锁定。

采用本发明所述的一种隧道支护钢架的施工方法，加工环节少，连接接头少，有效保证了钢架支护强度，并且有利于提高安装施工效率，能够整体进行起吊，并且直接采用机械进行拼装，无需人工参与，充分发挥机械化优势，避免了现有通过机械臂独立举升钢架需要定位系统进行定位对准再由人工螺栓连接的复杂工序，大幅提高施工效率，缩短工期，节省人工成本，保障施工安全性，极大程度缩短单工序作业时间，具有良好的应用前景。

优选的，钢架运输时，分别将两个边墙单元向内弯折并与所述拱部单元绑扎在一起；钢架吊装时，解除绑扎。

优选的，在步骤b中，抓举所述拱部单元的中部，顶推每个所述边墙单元的的中部。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用本发明所述的一种隧道支护钢架，有效控制接头数量，减少对钢架整体受力强度的削弱，保证了钢架支护强度，并且有利于提高施工效率，采用管状构件中填充混凝土的结构形式来代替现有的工字钢、H型钢，能够发挥钢管混凝土组合结构的优良性能，较大程度提高了软弱围岩隧道支护强度，两个所述边墙单元分别铰接连接于所述拱部单元，能够一次性整体吊装至安装位置，并且直接通过分别转动两个所述边墙单元使其与所述拱部单元自动对接嵌入即可完成安装，能够无需人工高空作业直接采用机械臂施工，大幅提高施工效率，缩短工期，节省人工成本，保障施工安全性，充分发挥机械化优势，极大程度缩短单工序作业时间，具有良好的应用前景。

2、采用本发明所述的一种隧道支护钢架的施工方法，加工环节少，连接接头少，有效保证了钢架支护强度，并且有利于提高施工效率，能够整体进行起吊，并且直接采用机械进行拼装，无需人工参与，充分发挥机械化优势，避免了现有通过机械臂独立举升钢架需要定位系统进行定位对准再由人工连接的复杂工序，大幅提高施工效率，缩短工期，节省人工成本，保障施工安全性，极大程度缩短单工序作业时间，具有良好的应用前景。

附图说明：

图1为实施例1中的一种隧道支护钢架的结构示意图；

图2为实施例1中的一种隧道支护钢架的折叠示意图；

图3为实施例1中的拱部单元的截面图；

图4为实施例1中的拱部单元与边墙单元连接处结构示意图；

图5为实施例1中的拱部单元与边墙单元的对接嵌入状态图；

图6为实施例1中的一种隧道支护钢架的安装时的结构示意图。

图中标记：1-拱部单元，11-连接端部一，12-斜面二，13-斜面三，14-灌注孔一，2-边墙单元，21-连接端部二，22-灌注孔二，3-混凝土，4-钢卡环，41-斜面一。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-5所示，本发明所述的一种隧道支护钢架，包含拱部单元1和两个边墙单元2，所述拱部单元1和两个边墙单元2均为管状构件，将钢架分为三个单元，减少分隔单元，有效控制接头数量，减少对钢架整体受力强度的削弱，保证了钢架支护强度，并且有利于提高施工效率，优选的，所述拱部单元1和两个边墙单元2中均填充有混凝土3，所述拱部单元1设有灌注孔一14和排气孔一，每个边墙单元2均设有灌注孔二22和排气孔二，进一步，所述灌注孔一14位于所述拱部单元1的顶部，所述灌注孔二22位于对应所述边墙单元2靠近的所述拱部单元1的一端，优选的，所有所述管状构件的截面均为圆形，所有所述管状构件的外径大于或等于20cm，所有所述管状构件的厚度大于或等于8mm，所述混凝土3的强度等级大于或等于C30，如图3所示，采用管状构件中填充混凝土的结构形式来代替现有的工字钢、H型钢，能够发挥钢管混凝土组合结构的优良性能，较大程度提高了软弱围岩隧道支护强度，优选的，所述拱部单元1和两个边墙单元2的重量均相同，即整个钢架应尽量等分，便于加工、举升及安装，避免明显晃动。

两个所述边墙单元2分别铰接连接于所述拱部单元1的两端，所述铰接轴为高强抗剪螺栓，两个所述边墙单元2分别铰接连接于所述拱部单元1，能够一次性整体吊装至安装位置，避免在安装位置进行单独的定位对接工序，大幅提高效率，优选的，两个所述边墙单元2与拱部单元1的铰接轴均位于所述管状构件的内侧，即铰接转轴靠近衬砌一侧，两个所述边墙单元2均能向内转动，有效节省占用空间，便于运输及存放。

每个所述边墙单元2与拱部单元1能够通过卡扣部件锁定，所述卡扣部件设于所述边墙单元2与拱部单元1的套接处，即能够直接通过分别转动两个所述边墙单元2使其与所述拱部单元1自动对接嵌入即可完成安装，具体的，所述卡扣部件包含钢卡环4，所述拱部单元1包含两个连接端部一11，每个所述边墙单元2包含一个连接端部二21，每个所述连接端部二21对应与一个所述连接端部一11铰接连接，每个所述连接端部二21内壁设有环形的凹槽二，所述凹槽二内设有所述钢卡环4，所述钢卡环4能够在所述凹槽二内横向移动，即所述钢卡环嵌于所述凹槽二中，所述钢卡环4一侧伸入所述凹槽二对应一侧内部时，所述钢卡环另一侧伸出所述凹槽二对应一侧之外，所述钢卡环4具有斜面一41，如所述钢卡环4的截面为直角梯形，梯形高度大于或等于1cm，梯形的上底边长度为a、下底边长度为b，其尺寸满足0.5b＜a＜b，所述斜面一为外端面，即所述斜面一朝向所述凹槽二开口处，每个所述连接端部一11外壁设有环形的凹槽一，每个所述凹槽一的位置、形状和尺寸与一个所述凹槽二的位置、形状和尺寸适配，所述钢卡环4具有斜面一41，所述连接端部一11具有斜面二12和斜面三13，所述斜面二12的坡度大于所述斜面三13的坡度，所述斜面三13的坡度与斜面一41的坡度适配。需要对接嵌入时，如先使所述钢卡环远离铰接轴的一侧贴近或抵接对应侧的所述凹槽二内壁，避免其阻挡转动，所述边墙单元2绕所述螺栓转动，所述钢卡环4远离铰接轴一侧不会阻挡所述边墙单元2转动，靠近铰接轴一侧的所述斜面二12也不会接触对应侧的所述钢卡环4的斜面一41，继续转动至靠近铰接轴一侧的所述斜面三13抵接对应侧的钢卡环的斜面一41时，能够顶推所述钢卡环4朝所述凹槽二靠近铰接轴的一侧移动，所述钢卡环4的对侧能够伸出所述凹槽二的对应侧外沿，卡入所述凹槽一的对应侧，即所述钢卡环先自动嵌入所述凹槽一靠转轴的一侧，继续转动时，再逐渐嵌入另一侧，所述钢卡环4整体卡在所述凹槽一与凹槽二之间时，受所述钢卡环4的限制无法继续转动，能够实现自动对接嵌入固定形成整体钢架，连接稳定可靠，上述方式能够无需人工高空作业，直接采用机械臂施工，大幅提高安装效率，缩短工期，节省人工成本，保障施工安全性，充分发挥机械化优势，极大程度缩短单工序作业时间，具有良好的应用前景。

隧道支护钢架的施工方法，具体施工步骤如下：

a、分别加工拱部单元1和两个边墙单元2，将两个所述边墙单元2分别铰接连接于所述拱部单元1的两端；

b、抓举所述拱部单元1至隧道顶部，并将两个所述边墙单元2向外推至隧道侧壁，使两个所述边墙单元2分别与所述拱部单元1自动对接嵌入固定；

c、同时对所述拱部单元1和两个边墙单元2进行混凝土灌注，完成支护钢架的施工；

其中，所述拱部单元1设有灌注孔一14和排气孔一，每个边墙单元2均设有灌注孔二22和排气孔二，每个所述边墙单元2与拱部单元1通过卡扣部件锁定。

所述卡扣部件包含钢卡环4，所述拱部单元1包含两个连接端部一11，每个所述边墙单元2包含一个连接端部二21，每个所述连接端部二21对应与一个所述连接端部一11铰接连接，每个所述连接端部二21内壁设有环形的凹槽二，所述凹槽二内设有所述钢卡环4，所述钢卡环4能够在所述凹槽二所在平面内横向移动，每个所述连接端部一11外壁设有环形的凹槽一，每个所述凹槽一的位置、形状和尺寸与一个所述凹槽二的位置、形状和尺寸适配，所述钢卡环4具有斜面一41，所述连接端部一11具有斜面二12和斜面三13，所述斜面二12的坡度大于所述斜面三的坡度13，所述斜面三13的坡度与斜面一41的坡度适配。

如在工厂预制加工完成拱部单元1和两个边墙单元2后，采用连接螺栓将所述拱部单元1和两个边墙单元2连接整体，两个所述边墙单元2能够以螺栓为转轴转动，转动幅度如大于或等于150°，完成预拼装并检验是否达到设计轮廓要求。

将两侧的所述边墙单元2沿连接螺栓进行旋转折叠，如图2所示，并用Ф6～Ф8钢筋将两个所述边墙单元2的交叉处与所述拱部单元1绑扎在一起，进行钢架运输，有效缩小占地空间，运输至预定位置卸下。

解除捆绑的钢筋，将钢架展开，即使两个所述边墙单元2的重心到转轴处的连线与隧道中线平行，减少起吊时的晃动，如图6中的虚线位置。

安装机械就位后，如多臂钢架安装台车就位，利用其中一个机械臂抓举所述拱部单元的拱顶，将其抓举至隧道顶部设计区域，各利用一个机械臂将左右两侧的所述边墙单元2抓举并逐渐顶撑至边墙壁设计区域，如图6所示，使得所述钢卡环4自动嵌入对应的凹槽一和凹槽二之中，以此实现所述拱部单元1和边墙单元2的自动连接，使三个单元形成一个整体进行受力钢架。

最后分别通过所述灌注孔一14和灌注孔二22向所述钢架内部进行灌浆，当灌注孔和排气孔开始漏浆时，停止灌注，并封堵所述灌注孔一14、灌注孔二22、排气孔一和排气孔二，完成一个支护钢架的施工。

加工环节少，连接接头少，有效保证了钢架支护强度，并且有利于提高安装施工效率，能够整体进行起吊，并且直接采用机械进行拼装，无需人工参与，充分发挥机械化优势，避免了现有通过机械臂独立举升钢架需要定位系统进行定位对准再由人工螺栓连接的复杂工序，大幅提高安装效率，缩短工期，节省人工成本，保障施工安全性，极大程度缩短单工序作业时间，具有良好的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道支护钢架，其特征在于，包含拱部单元(1)和两个边墙单元(2)，所述拱部单元(1)和两个边墙单元(2)均为管状构件，所述拱部单元(1)和两个边墙单元(2)中均填充有混凝土(3)，两个所述边墙单元(2)分别铰接连接于所述拱部单元(1)的两端，每个所述边墙单元(2)与拱部单元(1)能够通过卡扣部件锁定。

2.根据权利要求1所述的钢架，其特征在于，两个所述边墙单元(2)与拱部单元(1)的铰接轴均位于所述管状构件的内侧。

3.根据权利要求2所述的钢架，其特征在于，所述卡扣部件包含钢卡环(4)，所述拱部单元(1)包含两个连接端部一(11)，每个所述边墙单元(2)包含一个连接端部二(21)，每个所述连接端部二(21)对应与一个所述连接端部一(11)铰接连接，每个所述连接端部二(21)内壁设有环形的凹槽二，所述凹槽二内设有所述钢卡环(4)，所述钢卡环(4)能够在所述凹槽二内横向移动，每个所述连接端部一(11)外壁设有环形的凹槽一，每个所述凹槽一的位置、形状和尺寸与一个所述凹槽二的位置、形状和尺寸适配，所述钢卡环(4)具有斜面一(41)，所述连接端部一(11)具有斜面二(12)和斜面三(13)，所述斜面二(12)的坡度大于所述斜面三(13)的坡度，所述斜面三(13)的坡度与斜面一(41)的坡度适配。

4.根据权利要求1所述的钢架，其特征在于，所述拱部单元(1)设有灌注孔一(14)和排气孔一，每个边墙单元(2)均设有灌注孔二(22)和排气孔二。

5.根据权利要求4所述的钢架，其特征在于，所述灌注孔一(14)位于所述拱部单元(1)的顶部，所述灌注孔二(22)位于对应所述边墙单元(2)靠近的所述拱部单元(1)的一端。

6.根据权利要求1-5任一所述的钢架，其特征在于，所有所述管状构件的截面均为圆形，所有所述管状构件的外径大于或等于20cm，所有所述管状构件的厚度大于或等于8mm。

7.根据权利要求1-5任一所述的钢架，其特征在于，所述混凝土(3)的强度等级大于或等于C30。

8.根据权利要求1-5任一所述的钢架，其特征在于，所述拱部单元(1)和两个边墙单元(2)的重量均相同。

9.一种隧道支护钢架的施工方法，其特征在于，包含如下步骤：

a、分别加工拱部单元(1)和两个边墙单元(2)，将两个所述边墙单元(2)分别铰接连接于所述拱部单元(1)的两端；

b、抓举所述拱部单元(1)至隧道顶部，并将两个所述边墙单元(2)向外推至隧道侧壁，使两个所述边墙单元(2)分别与所述拱部单元(1)自动对接嵌入固定；

c、同时对所述拱部单元(1)和两个边墙单元(2)进行混凝土灌注，完成支护钢架的施工；

其中，所述拱部单元(1)设有灌注孔一(14)和排气孔一，每个边墙单元(2)均设有灌注孔二(22)和排气孔二，每个所述边墙单元(2)与拱部单元(1)通过卡扣部件锁定。

10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于，钢架运输时，分别将两个边墙单元(2)向内弯折并与所述拱部单元(1)绑扎在一起；钢架吊装时，解除绑扎。