CN110924990A - 一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构及支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构及支护方法，用以保证隧道工程开挖工作面的稳定，该结构包括沿隧道纵向相互搭接固定的多个波纹钢拼装模块以及通过注入填充在波纹钢拼装模块与隧道围岩之间空间内的注浆体，所述的波纹钢拼装模块由通过环向接头在环向卡接以及通过纵向接头在纵向固接而拼装成型的多片波纹钢管片组成。与现有技术相比，本发明具有模块化拼装，施工效率高；结构强度高，可作为初期支护结构；利于智能化、自动化施工等优点。
Description
技术领域
本发明涉及隧道的超前支护领域，尤其是涉及一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构及支护方法。
背景技术
在软弱围岩的地质环境中开挖隧道时极易出现失稳坍塌的现象，因此在施工前需要以隧道开挖轮廓线为基准做好超前支护，通过超前支护的方法能改善围岩的受力状态，起到加固围岩的作用，从而控制隧道的收敛变形和对周边环境的扰动。超前支护已经成为隧道穿越软弱破碎围岩的关键措施，其设计显得尤为重要。
目前隧道常用的超前支护方式主要有管棚法、超前小导管注浆、超前锚杆等。其中管棚法是在拟开挖的地下隧道或结构工程的衬砌拱圈隐埋弧线上，预先钻孔并安设惯性力矩较大的厚壁钢管，起临时超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进与后续支护工艺安全运作；超前小导管注浆是在软弱及破碎岩层中通过小导管注浆对松散岩层起到加固作用，由于注浆后增强了松散软弱围岩的稳定性，有利于完成开挖后与完成初期支护时间内围岩的稳定；超前锚杆是将锚杆打入掘进前方稳定岩层内，有效地约束围岩在爆破后的一定时间内不发生松弛坍塌。这些超前支护的方式均能起到加固围岩的作用，但是也存在着一些不足之处。其中管棚法施工时必须具有足够数量能扩散或传递围岩压力的杆件结构才能形成“棚”，即需要打入足够数量的钢管，且一般在洞口处采用；超前小导管注浆和超前锚杆在确保数量足够的情况下还需要严格控制好小导管和锚杆的钻设角度，施工较复杂。三者均无法实现装配化施工，施工效率低，周期长。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构及支护方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，用以保证隧道工程开挖工作面的稳定，该结构包括沿隧道纵向相互搭接固定的多个波纹钢拼装模块以及通过注入填充在波纹钢拼装模块与隧道围岩之间空间内的注浆体，所述的波纹钢拼装模块由通过环向接头在环向卡接以及通过纵向接头在纵向固接而拼装成型的多片波纹钢管片组成。
所述的波纹钢拼装模块在环向的围岩支护圆心角范围为120-180度，按照超前支护范围、隧道轮廓、机械拼装能力及拼装环境条件等综合确定隧道分幅。
所述的波纹钢管片采用Q235钢材料制成，在两车道公路隧道的支护场景下，每片波纹钢管片根据隧道分幅和每次进尺(切槽长度)确定波纹钢管片的长度和宽度，长度为300cm～400cm，宽度为150cm～160cm，特殊位置根据拼装环境条件作相应改变，波纹钢的波距、波高、板厚设计时应考虑施工荷载、运输荷载以及超前支护强度要求等因素，波距为30cm～40cm、波高为10cm～15cm、板厚为8mm～10mm。
所述的环向接头为一预制卡扣，其由波纹钢管片环向端部通过三次弯折成型，所述的卡扣位于相邻的波峰与波谷之间，其长度为半波长的0.5倍，并且在卡扣处涂布润滑止水浆液，以利于拼装并实现有效止水。
所述的纵向接头采用法兰接头形式，包括焊接在波纹钢管片纵向端部的带有螺栓孔的钢板以及用以通过螺栓孔相互连接的M20螺栓，其纵向长度与波纹钢管片相同，钢板的厚度与波纹钢管片厚度相近，高度略大于波高，钢材与波纹钢匹配，均采用Q235钢。
所述的钢板形状按波纹钢管片纵向端部边界预制，其形状在每个环向接头处为矩形面，在每个波纹处为梯形面，所述的螺栓孔开设在梯形面上，其数量为3个，且呈等边三角形布置在波纹钢波谷范围对应的位置上。
所述的螺栓孔的开孔形状为矩形两侧加双半圆形，矩形长边为2-3倍半圆半径，相邻波纹钢管片纵向接头的钢板梯形部上的螺栓孔的开孔方向相互垂直。
所述的注浆体通过开设在波纹钢管片上的注浆孔注入成型，该注浆体采用的水泥砂浆的配比为：水泥：砂浆＝3：7，注浆时采用的注浆压力为0.3～0.5MPa，注浆速度为30～60L/min。
每片波纹钢管片沿环向并排开设有多个高强螺栓孔，纵向相邻的两片波纹钢管片通过M20高强螺栓相互固接。
一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构的支护方法，包括以下步骤：
1)采用拱架式机械预切槽机沿着隧道外弧轮廓线按预定厚度、长度和角度进行切槽，厚度为波纹钢管片波高的1.1～1.2倍，切槽长度为4m～5m，外插角取1°～3°，形成隧道外轮廓形状的切槽；
2)切槽完成后，将预制的波纹钢管片置于切槽中并外伸一拼装段，通过环向接头完成第一环波纹钢管片的拼装；
3)通过纵向接头和环向接头完成第二环波纹钢管片与第一环波纹钢管片之间的拼装；
4)两环波纹钢管片拼装完成后，将拼装的波纹钢管片利用挖机向切槽内推进并外伸一拼装段，重复步骤3)，继续进行波纹钢管片的拼装；
5)重复步骤4)至波纹钢管片抵达切槽最里侧，最后一环波纹钢管片预制时焊接扁钢板封堵，采用注浆泵按预留注浆孔进行注浆，注浆完成采用堵漏剂封堵注浆孔，完成第一段施工；
6)对掌子面进行开挖至波纹钢管片安装的最里侧位置，重复步骤1)～4)直至波纹钢管片抵达第二段切槽最里侧，该施工段最后一环波纹钢管片预制时在与上一施工段波纹钢管片连接位置的波峰曲面处预留一排螺栓孔，对上一施工段波纹钢管片对应波峰曲面位置进行现场开孔，并采用M20高强螺栓对前后两块波纹钢管片进行连接，搭接长度为0.5m；
7)纵向前后搭接完成后采用注浆泵对注浆孔进行注浆，注浆完成采用堵漏剂封堵注浆孔，完成第二段施工；
8)重复步骤6)～7)，直至施工结束。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、支护强度高：本发明采用的波纹钢管片存在波纹形状，从而增大了波纹钢的抗弯惯性矩，增加了结构的强度和刚度，与普通的钢板相比在几十倍以上，其支护强度大大增加。
二、运输安装方便，施工效率高：波纹钢管片采用工厂预制板件的形式，分管节、分板片采用套管及层叠捆扎方式运输，自重轻，运输方便，现场采用装配化施工，装配工艺简单，施工快捷，施工作业量减少，大大提高了施工效率，缩短了施工周期。
三、结构连续性好：本发明采用的超前支护结构为波纹钢管片和注浆体组合而成的复合结构，相对于管棚法施工结构的连续性更好，可作为初期支护结构或初期支护的一部分。
四、利于实现智能化、自动化施工：本发明具有模块化施工的特点，仿照盾构管片自动化施工未来可以实现拼装的智能化和自动化。
附图说明
图1为本发明结构横截面示意图。
图2为本发明结构施工顺序纵向示意图。
图3为预制的波纹钢管片示意图，其中，图(3a)为第一施工段最后一环波纹钢管片，图(3b)为每一施工段中间环波纹钢管片，图(3c)与图(3d)分别为两个施工段之间搭接环波纹钢管片，其中，图(3c)为前一施工段搭接环波纹钢管片，图(3d)为后一施工段搭接环波纹钢管片。
图4为波纹钢管片环向连接示意图。
图5为波纹钢管片纵向连接示意图，其中，图(5a)为相邻波纹钢管片的纵向接头的结构图，5b为波纹钢管片通过螺栓纵向连接的示意图，图5c为相邻波纹钢管片在纵向连接处连接时螺栓孔的开孔相对位置示意图。
图6为法兰盘中螺栓孔示意图。
图7为施工段之间波纹钢管片的搭接示意图，其中，图(7a)为纵向相邻波纹钢管片的搭接示意图，图(7b)为搭接部的局部放大图。
图中标记说明：
①为波纹钢拼装模块，②为注浆体；
1-1、预制的波纹钢板，1-2、环向接头，1-3、纵向接头、2-1、水泥砂浆，2-2、注浆孔、3、M20螺栓、4、M20螺栓孔、5、M20高强螺栓孔、6、法兰盘A、7、法兰盘B、8、掌子面、9、M20高强螺栓；
Ⅰ：施工第一阶段，Ⅱ：施工第二阶段，Ⅲ：Ⅰ和Ⅱ搭接段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，本说明书中所附图式所绘示的结构、比例、大小等均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
实施例
如图1所示，本实施案例中的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，通过波纹钢管片与注浆体组成的复合结构，充分发挥波纹钢波纹结构支护强度高的特性，利用注浆的方式使得波纹钢与围岩形成一个连续的整体。通过装配化施工，大大提高施工效率，从而控制隧道开挖导致的围岩变形，保证隧道掘进时开挖面的稳定。
该复合结构主要包括：波纹钢拼装模块1和注浆体2。
波纹钢拼装模块1由预制的波纹钢管片1-1通过环向接头1-2和纵向接头1-3组装连接而成。超前支护结构是在预先形成的切槽中顶进预制的波纹钢管片1-1，波纹钢管片的外插角φ为1°～3°，每次进尺(切槽长度)4m～5m，超前支护范围为A～B，∠AOB＝120～180°，按照超前支护范围、隧道轮廓、机械拼装能力及拼装环境条件等综合确定隧道分幅。
如图3所示，预制的波纹钢管片1-1采用Q235钢，本实施例针对两车道公路隧道，根据隧道分幅和每次进尺(切槽长度)等情况，第一型波纹钢管片的长度l1取350cm，宽度b取150cm，第二型波纹钢管片的长度与第一型相同，宽度b取100cm；波距s取38cm、波高h1取14cm、板厚t1取9mm，实际设计时应考虑施工荷载、运输荷载以及超前支护强度要求等因素。
注浆体2由水泥砂浆2-1通过注浆孔2-2注入波纹钢管片1-1与围岩之间的间隙形成。其中，水泥与砂浆的配比取3：7，水泥砂浆注浆压力为0.5MPa，注浆速度为30～60L/min，注浆孔孔径为100mm，注浆完成采用堵漏剂封堵注浆孔。
如图4所示，环向接头1-2采用卡扣接头形式，卡扣的结构形式在工厂预制，在保证接头两侧波纹连续的基础上对波纹钢板进行三次弯折形成卡扣，卡扣位于相邻的波峰与波谷之间，长度约为半波长的0.5倍(即0.25λ，λ为波长)。在接头处预先涂布润滑止水浆液进行止水，此浆液最初可起到减小钢板顶进时的摩擦阻力的作用，在顶进结束后遇水会固结波纹钢板之间的渗水途径。
如图5所示，纵向接头1-3采用法兰接头形式，由焊接在波纹钢管片纵向端部的设有螺栓孔的钢板6、7和螺栓3组成；钢板6、7的形状按照波纹钢管片纵向端部边界预制，其形状在波纹钢环向接头处为矩形，在波纹钢波纹处为梯形；钢板厚度t2为9mm(与波纹钢管片厚度t1相近)，长度l2与波纹钢管片长度l1相同，高度h2取16cm(略大于波高h1)，钢材与波纹钢匹配，均采用Q235钢；使用M20螺栓进行连接；法兰盘上螺栓孔为双半圆加矩形螺栓孔，其中双半圆的半径(r)为10mm～12mm，矩形长边为(2～3)r；在波纹钢波谷内，每一波长范围呈等边三角形排列布置3个孔。
如图6所示，纵向接头钢板有两种：法兰盘A和法兰盘B，分别位于波纹钢管片的两端；法兰盘A上的螺栓孔呈竖向，法兰盘B上对应位置处螺栓孔呈水平向，拼装时法兰盘A与B相应位置处的螺栓孔互相垂直，使得拼装过程中螺栓在水平向和纵向有一定的活动范围，允许螺栓孔有一定的施工误差。
本实施例中的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其施工步骤如下：
S1采用拱架式机械预切槽机沿着隧道外弧轮廓线按预定的厚度、长度和角度进行切槽，厚度为波纹钢管片波高h的1.1～1.2倍，切槽长度4m，外插角
取1°～3°，形成隧道外轮廓形状的切槽；
S2切槽完成后，立即将工厂预制的波纹钢管片1-1第1块置于切槽中并外伸一小段(0.2l左右，便于拼装)，通过环向接头1-2完成第一环波纹钢管片的拼装；
S3通过纵向接头1-3和环向接头1-2完成第二环波纹钢管片与第一环波纹钢管片之间的拼装；
S4两环拼装完成后，将拼装的波纹钢管片利用挖机(带有向前推进的机械手)向切槽内推进一段距离并外伸一小段(0.2l左右)，重复步骤3，继续波纹钢管片的拼装；
S5重复步骤4至波纹钢管片抵达切槽最里侧，最后一环波纹钢管片预制时焊接扁钢板封堵，采用注浆泵按预留注浆孔2-2进行注浆，注浆完成采用堵漏剂封堵注浆孔，完成第一段施工；
S6对掌子面进行开挖至波纹钢管片安装的最里侧位置，重复步骤1～4至波纹钢管片抵达第二段切槽最里侧。该施工段最后一环波纹钢管片预制时在与上一施工段波纹钢管片连接位置的波峰曲面处预留一排螺栓孔，孔径为21mm；对上一施工段波纹钢管片对应波峰曲面位置进行现场开孔，孔径为21mm，用M20高强螺栓对前后两块波纹钢管片进行连接，搭接长度为0.5m；
S7前后搭接完成后采用注浆泵对注浆孔2-2进行注浆，注浆完成采用堵漏剂封堵注浆孔，完成第二段施工；
S8重复步骤6～7，直至施工结束。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，用以保证隧道工程开挖工作面的稳定，其特征在于，该结构包括沿隧道纵向相互搭接固定的多个波纹钢拼装模块(1)以及通过注入填充在波纹钢拼装模块(1)与隧道围岩之间空间内的注浆体(2)，所述的波纹钢拼装模块(1)由通过环向接头(1-2)在环向卡接以及通过纵向接头(1-3)在纵向固接而拼装成型的多片波纹钢管片(1-1)组成。
2.根据权利要求1所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，所述的波纹钢拼装模块(1)在环向的围岩支护圆心角范围为120-180度。
3.根据权利要求1所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，所述的波纹钢管片(1-1)采用Q235钢材料制成，在两车道公路隧道的支护场景下，每片波纹钢管片(1-1)的长度为300cm～400cm，宽度为150cm～160cm，波距为30cm～40cm、波高为10cm～15cm、板厚为8mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，所述的环向接头(1-2)为一预制卡扣，其由波纹钢管片(1-1)环向端部通过三次弯折成型，所述的卡扣位于相邻的波峰与波谷之间，其长度为半波长的0.5倍，并且在卡扣处涂布润滑止水浆液。
5.根据权利要求1所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，所述的纵向接头(1-3)采用法兰接头形式，包括焊接在波纹钢管片(1-1)纵向端部的带有螺栓孔的钢板以及用以通过螺栓孔相互连接的M20螺栓(3)，其纵向长度与波纹钢管片(1-1)相同。
6.根据权利要求5所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，所述的钢板形状按波纹钢管片纵向端部边界预制，其形状在每个环向接头(1-2)处为矩形面，在每个波纹处为梯形面，所述的螺栓孔开设在梯形面上，其数量为3个，且呈等边三角形布置在波纹钢波谷范围对应的位置上。
7.根据权利要求6所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，所述的螺栓孔的开孔形状为矩形两侧加双半圆形，矩形长边为2-3倍半圆半径，相邻波纹钢管片(1-1)纵向接头(1-3)的钢板梯形部上的螺栓孔的开孔方向相互垂直。
8.根据权利要求1所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，所述的注浆体(2)通过开设在波纹钢管片(1-1)上的注浆孔(2-2)注入成型，该注浆体(2)采用的水泥砂浆(2-1)的配比为：水泥：砂浆＝3：7，注浆时采用的注浆压力为0.3～0.5MPa，注浆速度为30～60L/min。
9.根据权利要求1所述的一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构，其特征在于，每片波纹钢管片(1-1)沿环向并排开设有多个高强螺栓孔(5)，纵向相邻的两片波纹钢管片(1-1)通过M20高强螺栓(9)相互固接。
10.一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用拱架式机械预切槽机沿着隧道外弧轮廓线按预定厚度、长度和角度进行切槽，厚度为波纹钢管片波高的1.1～1.2倍，切槽长度为4m～5m，外插角取1°～3°，形成隧道外轮廓形状的切槽；
2)切槽完成后，将预制的波纹钢管片置于切槽中并外伸一拼装段，通过环向接头完成第一环波纹钢管片的拼装；
3)通过纵向接头和环向接头完成第二环波纹钢管片与第一环波纹钢管片之间的拼装；
4)两环波纹钢管片拼装完成后，将拼装的波纹钢管片利用挖机向切槽内推进并外伸一拼装段，重复步骤3)，继续进行波纹钢管片的拼装；
5)重复步骤4)至波纹钢管片抵达切槽最里侧，最后一环波纹钢管片预制时焊接扁钢板封堵，采用注浆泵按预留注浆孔进行注浆，注浆完成采用堵漏剂封堵注浆孔，完成第一段施工；
6)对掌子面进行开挖至波纹钢管片安装的最里侧位置，重复步骤1)～4)直至波纹钢管片抵达第二段切槽最里侧，该施工段最后一环波纹钢管片预制时在与上一施工段波纹钢管片连接位置的波峰曲面处预留一排螺栓孔，对上一施工段波纹钢管片对应波峰曲面位置进行现场开孔，并采用M20高强螺栓对前后两块波纹钢管片进行连接，搭接长度为0.5m；
7)纵向前后搭接完成后采用注浆泵对注浆孔进行注浆，注浆完成采用堵漏剂封堵注浆孔，完成第二段施工；
8)重复步骤6)～7)，直至施工结束。
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| CN201911189689.6A CN110924990A (zh) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | 一种采用波纹钢管片拼装的超前支护结构及支护方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111472814A (zh) * | 2020-04-08 | 2020-07-31 | 北京交通大学 | 一种快速封闭初支的方法 |
| CN112392504A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-02-23 | 同济大学 | 一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构 |
-
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