CN111022084B - 一种大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀及方法 - Google Patents
一种大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀及方法，包括多个单节拱架，多个单节拱架环绕连接形成拱架单榀，单节拱架包括弧形空心管状构架与肋片，所述弧形空心管状构架包括弧形空心管本体与设置在弧形空心管本体外侧壁上两侧的翼缘板，所述两侧的翼缘板分别通过肋片与对应的弧形空心管本体侧壁连接，所述弧形空心管状构架(外侧壁设有多个开口；多个单节拱架插接。
Description
技术领域
本发明属于隧道支护领域，具体涉及一种大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀及方法。
背景技术
随着国家西部大开发战略的深入实施及“一带一路”建设的推动，大断面黄土隧道建设数量逐年增加。
隧道施工中普遍采用的支护结构形式，被广泛使用，但在地质条件较差的黄土地层中难以发挥支护作用。
现有的支护拱架在初期支护中，因隧道围岩沉降过大造成的喷射混凝土开裂、拱架扭曲是黄土隧道施工中遇见的主要问题，由此可能引发结构侵界，甚至塌方，并造成地表塌陷的严重后果，这将造成严重的经济损失和安全威胁。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种用于大断面黄土隧道支护的拱架单榀及方法，解决现有技术因隧道围岩沉降过大造成的喷射混凝土开裂、拱架扭曲的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀，其特征在于，包括多个单节拱架，所述多个单节拱架环绕连接形成拱架单榀，所述单节拱架包括弧形空心管状构架与肋片，所述弧形空心管状构架包括弧形空心管本体与设置在弧形空心管本体外侧壁上两侧的翼缘板，所述两侧的翼缘板分别通过肋片与对应的弧形空心管本体侧壁连接，所述弧形空心管状构架的外弧面上设有多个间隔排布的开口；所述多个单节拱架插接。
本发明还具有如下技术特征：
所述弧形空心管本体外侧壁上设置有定位板，所述定位板从所述弧形空心管本体的外侧壁两侧延伸出的部分形成所述翼缘板，所述开口贯穿所述翼所述定位板及所述弧形空心管本体的外弧面。
所述弧形空心管本体外侧壁向两侧分别延伸形成翼缘板。
所述弧形空心管本体一端设有插接部，所述插接部上未设置翼缘板与肋板，所述弧形空心管本体另一端设有插接口，相邻的两个插接部与插接口插接；相邻的两个单节拱架插接后其上的翼缘板与肋片分别对应抵接。
所述插接口的侧壁上设置有第一通孔，所述第一通孔未被肋片遮挡，所述插接部上设置有与插接口对应的第二通孔。
所述插接口对应的另外一个侧壁上设有对应的第一通孔，所述插接部对应的另外一个侧壁上设有对应的二通孔。
所述单节拱架分为多个弧度与长度不同的下台阶拱架、中台阶拱架、上台阶拱架、拱部拱架与仰拱拱架，所述下台阶拱架、中台阶拱架、上台阶拱架各分别有两个；
所述下台阶拱架、中台阶拱架、上台阶拱架、拱部拱架与仰拱拱架插接形成所述拱架单榀。
本发明还保护一种大断面黄土隧道开挖初期支护方法，该方法采用如上述大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀。
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，对隧道进行开挖，形成掌子面与预留核心土；
步骤二，在预留核心土对应的隧道处，从隧道地面沿隧道侧壁两侧向上通过多个单节拱架连接形成拱形支架；在各单节拱架固定后，向其弧形空心管本体外壁、翼缘板与肋片围成的腔体以及弧形空心管本体中灌注混凝土，混凝土通过弧形空心构架外侧壁开口与隧道侧壁接触；
步骤三，在拱形支架对应的区域进行喷射混凝土层喷湿作业，采取焊接纵向连接筋及钢筋网片的方式使湿喷混凝土挂网成型，复喷混凝土至预设厚度；
步骤四，继续对隧道进行开挖，使掌子面与预留核心土沿着隧道开挖方向移动；
步骤五，在拱形支架对应的隧道底面上安装单节拱架，使单节拱架与拱形支架连接，形成拱架单榀；
步骤六，向隧道底面上安装的单节拱架的弧形空心管本体外壁、翼缘板与肋片围成的腔体以及弧形空心管本体中灌注混凝土，使混凝土通过弧形空心构架外侧壁与隧道侧壁接触；
步骤七，在单节拱架对应的区域进行喷射混凝土层喷湿作业，复喷混凝土至预设厚度；
重复步骤一至步骤七,直至完成整个隧道开挖及支护作业。
上述步骤中，相邻的两个拱架单榀的间距为5cm～10cm。
步骤二中，多个单节拱架插接后，对插接缝隙进行焊接。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明的拱架单榀，通过向其空心管本体外壁、翼缘板与肋片围成的腔体以及空心管本体中灌注混凝土，增大黄土隧道初期支护的刚度，控制隧道围岩变形。
(Ⅱ)本发明的拱架单榀，通过弧形空心管本体两侧的翼缘板一侧贴近围岩，能有效防止围岩掉块剥落对工人施工造成影响，提供更安全施工条件，提高施工效率。
(Ⅲ)本发明的拱架单榀，通过弧形空心管状构架外侧壁设置开口，一方面减少拱架重量，一方面有利于喷射混凝土进入保护层。
(Ⅳ)本发明的拱架单榀，每单节拱架之间插接，连接方便，有利于单节拱架成环。
(Ⅴ)本发明的开挖及初期支护方法，减少对围岩特别是掌子面围岩的扰动，拱架单榀分两次安装成环，施工效率高，围岩稳定性好。
附图说明
图1是本发明的拱架单榀的结构示意图；
图2是本发明的单节拱架插接部的结构示意图；
图3是本发明的单节拱架插接口的结构示意图；
图4是本发明的拱架插接示意图；
图5是本发明的拱形支架结构示意图；
图6是本发明的隧道开挖结构示意图；
图7是本发明的拱架单榀与围岩的截面图。
图中各个标号的含义为：
1-单节拱架，2-拱架单榀，3-拱形支架，4-掌子面，5-预留核心土，6-肋板填充层，7-中心填充层，8-保护层，9-二次衬砌混凝土；
101-弧形空心管状构架，102-肋片，103-弧形空心管本体，104-翼缘板，105-开口，106-插接部，107-插接口，108-第一通孔，109-第二通孔，110-定位板；
201-下台阶拱架，202-中台阶拱架，203-上台阶拱架，204-拱部拱架，205-仰拱拱架。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀，如图：1-7所示，包括多个单节拱架1，所述多个单节拱架1环绕连接形成拱架单榀2，所述单节拱架1包括弧形空心管状构架101与肋片102，所述弧形空心管状构架101包括弧形空心管本体103与设置在弧形空心管本体外侧壁上两侧的翼缘板104，所述两侧的翼缘板104分别通过肋片102与对应的弧形空心管本体103侧壁连接，所述弧形空心管状构架101的外弧面上设有多个间隔排布的开口105；所述的多个单节拱架插接。
本发明提供的大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀，通过在施工过程中向拱架的空心管本体外壁、翼缘板与肋片围成的腔体以及空心管本体中灌注混凝土，增大了黄土隧道初期支护的刚度，控制隧道围岩变形；通过在弧形空心管本体外侧壁设置翼缘板，在施工中能有效防止围岩掉块剥落对工人施工造成影响，提供更安全施工条件，提高施工效率；通过在弧形空心管状构架外侧壁设置开口一方面减少钢拱架重量，一方面有利于喷射混凝土进入保护层；通过在每个单节拱架两端设置插接部与插接头，方便单个拱架在连接，有利于单节拱架成环；
其中，采用多个单节拱架便于在隧道中施工，易于成环，在弧形拱架的空心管本体外壁、翼缘板与肋片围成的腔体中喷射混凝土形成肋板填充层6，空心管本体中灌注混凝土形成中心填充层7，在肋板填充层6和中心层填充7的共同作用下形成支护体系，增大支护初期的强度，翼缘板104贴近围岩一侧，能有效防止围岩掉块剥落对工人施工造成影响，提供更安全施工条件，提高施工效率，在弧形空心管状构架101外侧壁设有开口105，通过减小单节拱架自身的重量，从而减小支付压力，增强支护强度，在中心填充层注入混凝土时，混凝土通过开口105进入围岩与拱架之间的空隙，形成保护层8，保护层可以防止围岩对拱架的腐蚀侵害，增大支护强度和支护周期；弧形空心管状构架单节拱架1材料为：Q235钢材，使其在不同的隧道条件下具有较强的承压力与耐腐蚀性，弧形空心管状构架101外侧壁上的开口105可以是矩形开口，开口大小为：20cm×20cm，开口间距为10cm～15cm。
作为本实施例的一种优选方案，弧形空心管本体103外侧壁上设置有定位板110，所述定位板从所述弧形空心管本体的外侧壁两侧延伸出的部分形成所述翼缘板104，所述开口105贯穿所述定位板110及所述弧形空心管本体的外弧面。
作为本实施例的一种优选方案，弧形空心管本体103外侧壁向两侧分别延伸形成翼缘板104。
其中，翼缘板在施工过程中靠近围岩侧，可以增大相对围岩的表面积，增强支付强度，并有效防止围岩表面掉块剥落对工人施工造成安全隐患，翼缘板的长度根据围岩参数确定。
作为本实施例的一种优选方案，弧形空心管本体103一端设有插接部106，所述插接部106上未设置翼缘板与肋板，所述弧形空心管本体103另一端设有插接口107，相邻的两个插接部106与插接口107插接；相邻的两个单节拱架1插接后其上的翼缘板104与肋片102分别对应抵接。
作为本实施例的一种优选方案，插接口107的侧壁上设置有第一通孔108，所述第一通孔108未被肋片102遮挡，所述插接部106上设置有与插接口107对应的第二通孔109。
作为本实施例的一种优选方案，插接口107对应的另外一个侧壁上设有对应的第一通孔108，所述插接部106对应的另外一个侧壁上设有对应的二通孔109，有利于稳固插接在一起的单节拱架。
作为本实施例的一种优选方案，单节拱架1分为多个弧度与长度不同的下台阶拱架201、中台阶拱架202、上台阶拱架203、拱部拱架204与仰拱拱架205，所述的下台阶拱架201、中台阶拱架202、上台阶拱架203各分别有两个；
所述下台阶拱架201、中台阶拱架202、上台阶拱架203、拱部拱架204与仰拱拱架205插接形成所述拱架单榀2。
其中，单节拱架的数量由不同的围岩条件确定和开挖隧道的大小决定，相应的需要的单节拱架数量随着开挖隧道的宽度增加。
实施例2：
本实施例给出一种大断面黄土隧道开挖初期支护方法，该方法采用实施例1中的大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀。
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，对隧道进行开挖，形成掌子面4与预留核心土5；
步骤二，在预留核心土5对应的隧道处，从隧道地面沿隧道侧壁两侧向上通过多个单节拱架1连接形成拱形支架3；在各单节拱架1固定后，向其弧形空心管本体103外壁、翼缘板104与肋片102围成的腔体以及弧形空心管本体103中灌注混凝土，混凝土通过弧形空心构架101外侧壁开口105与隧道侧壁接触；
其中，在弧形拱架的空心管本体外壁、翼缘板与肋片围成的腔体中喷射混凝土形成肋板填充层6，空心管本体中灌注混凝土形成中心填充层7，混凝土通过开口105进入围岩与拱架之间的空隙，形成保护层8。
步骤三，在拱形支架3对应的区域进行喷射混凝土层喷湿作业，采取焊接纵向连接筋及钢筋网片的方式使湿喷混凝土挂网成型，复喷混凝土至预设厚度。
步骤四，继续对隧道进行开挖，使掌子面4与预留核心土5沿着隧道开挖方向移动；
步骤五，在拱形支架3对应的隧道底面上安装单节拱架1，使单节拱架1与拱形支架3连接，形成拱架单榀2；
步骤六，向隧道底面上安装的单节拱架1的弧形空心管本体103外壁、翼缘板104与肋片102围成的腔体以及弧形空心管本体103中灌注混凝土，使混凝土通过弧形空心构架101外侧壁与隧道侧壁接触；
步骤七、在单节拱架1对应的区域进行喷射混凝土层喷湿作业，复喷混凝土至预设厚度，形成支护层10，其中预设厚度为：50cm。
重复步骤一至步骤七,直至完成整个隧道开挖及初期支护作业，初期支护完成后向支护层10外侧增加二次衬砌混凝土层9完成隧道开挖的支护工作。
上述步骤中，相邻的两个拱架单榀的间距为5cm～10cm。
步骤二中，多个单节拱架(1)插接后，对插接缝隙进行焊接。
Claims (5)
1.一种大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀，其特征在于，包括多个单节拱架（1），所述多个单节拱架（1）环绕连接形成拱架单榀（2），所述单节拱架（1）包括弧形空心管状构架（101）与肋片（102），所述弧形空心管状构架（101）包括弧形空心管本体（103）与位于所述弧形空心管本体的外侧壁上两侧的翼缘板（104），两侧所述翼缘板（104）分别通过肋片（102）与对应的弧形空心管本体（103）的侧壁连接，所述弧形空心管状构架（101）的外弧面上设有多个间隔排布的开口（105）；所述多个单节拱架（1）插接；
所述弧形空心管本体（103）外侧壁上设置有定位板（110），所述定位板从所述弧形空心管本体的外侧壁两侧延伸出的部分形成所述翼缘板（104），所述开口（105）贯穿所述定位板（110）及所述弧形空心管本体的外弧面；
所述弧形空心管本体（103）外侧壁向两侧分别延伸形成翼缘板（104）；
所述弧形空心管本体（103）一端设有插接部（106），所述插接部（106）上未设置翼缘板与肋片，所述弧形空心管本体（103）另一端设有插接口（107），相邻的两个插接部（106）与插接口（107）插接；相邻的两个单节拱架（1）插接后其上的翼缘板（104）与肋片（102）分别对应抵接；
所述插接口（107）的侧壁上设置有第一通孔（108），所述第一通孔（108）未被肋片（102）遮挡，所述插接部（106）上设置有与插接口（107）对应的第二通孔（109）；
所述插接口（107）对应的另外一个侧壁上设有对应的第一通孔（108），所述插接部（106）对应的另外一个侧壁上设有对应的第二通孔（109）。
2.如权利要求1所述的大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀，其特征在于，所述单节拱架（1）分为多个弧度与长度不同的下台阶拱架（201）、中台阶拱架（202）、上台阶拱架（203）、拱部拱架（204）与仰拱拱架（205），所述下台阶拱架（201）、中台阶拱架（202）、上台阶拱架（203）各分别有两个；
所述下台阶拱架（201）、中台阶拱架（202）、上台阶拱架（203）、拱部拱架（204）与仰拱拱架（205）插接形成所述拱架单榀（2）。
3.一种大断面黄土隧道开挖初期支护方法，其特征在于，该方法采用权利要求1或2所述的大断面黄土隧道开挖初期支护拱架单榀，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，对隧道进行开挖，形成掌子面（4）与预留核心土（5）；
步骤二，在预留核心土（5）对应的隧道处，从隧道地面沿隧道侧壁两侧向上通过多个单节拱架（1）连接形成拱形支架（3）；在各单节拱架（1）固定后，向其弧形空心管本体（103）外壁、翼缘板（104）与肋片（102）围成的腔体以及弧形空心管本体（103）中灌注混凝土，混凝土通过弧形空心管状构架（101）外侧壁开口（105）与隧道侧壁接触；
步骤三，在拱形支架（3）对应的区域进行喷射混凝土层喷湿作业，采取焊接纵向连接筋及钢筋网片的方式使湿喷混凝土挂网成型，复喷混凝土至预设厚度；
步骤四，继续对隧道进行开挖，使掌子面（4）与预留核心土（5）沿着隧道开挖方向移动；
步骤五，在拱形支架（3）对应的隧道底面上安装单节拱架（1），使单节拱架（1）与拱形支架（3）连接，形成拱架单榀（2）；
步骤六，向隧道底面上安装的单节拱架（1）的弧形空心管本体（103）外壁、翼缘板（104）与肋片（102）围成的腔体以及弧形空心管本体（103）中灌注混凝土，使混凝土通过弧形空心管状构架（101）外侧壁与隧道侧壁接触；
步骤七，在单节拱架（1）对应的区域进行喷射混凝土层喷湿作业，复喷混凝土至预设厚度；
重复步骤一至步骤七，直至完成整个隧道开挖及支护作业。
4.如权利要求3所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护方法，其特征在于，相邻的两个拱架单榀的间距为5cm~10cm。
5.如权利要求3所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护方法，其特征在于，多个单节拱架（1）插接后，对插接缝隙进行焊接。
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