CN111058873B - 一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置及方法 - Google Patents

一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置及方法，包括相连接的连接型钢、钢板和注浆管棚，其中注浆管棚能够用于将浆液打入围岩中；连接型钢和钢板均包括多个，每个连接型钢的两端均分别连接钢板以组成连接部，相邻的连接部用于共同连接同一初支型钢；注浆管棚包括多个，每个注浆管棚均穿过并连接对应的连接型钢；注浆管棚位于相邻的初支型钢的中间位置，相邻的注浆管棚关于初支型钢对称。本发明通过该加固装置可实现对初支型钢脚部的加固，减少连接型钢的变形沉降，保证隧道内的施工安全。

Description

一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道施工领域，具体的，涉及一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置及方法。
背景技术
在大断面隧道开挖施工过程中，隧道有时会不可避免地穿越富水断层破碎带、全强风化软岩等软弱围岩，由于软弱围岩自稳能力较差、抵抗变形能力较差，在初支拱架施作后，在围岩压力作用下很容易发生初支拱架沉降变形，严重威胁隧道开挖施工安全。为防止初支型钢拱架发生沉降，在施工中通常在初支型钢拱架脚部进行补强，补强的方法有注浆法、锁脚锚杆(管)等方法。注浆法是通过向软弱围岩注浆对围岩进行加固，提高围岩的自承能力，减少初支型钢拱架的荷载，达到初支型钢脚部补强的目的。锁脚锚杆(管)是在初支型钢拱架脚部向围岩内打入锁脚锚杆(管)，并进行注浆。与注浆法相比，该方法能将锚杆(管)与初支型钢连接起来形成一个整体，锚杆(管)打入围岩当中并配合注浆加固的作用，将初支型钢上的荷载传递到脚部围岩上，能够有效的控制初支型钢的变形沉降。
但是，发明人认为，上述两种方法均存在以下不足：①二者只适用于地质情况较好，围岩承载力较高的情况，当遇到软弱围岩时，围岩承载力较低，地质条件较差，注浆法和打锚杆(管)的作用效果不明显。②二者是局部加固，只能加固单榀初支型钢的脚部，其加固作用不能影响其他初支型钢。③二者只加固单榀初支型钢，各榀初支型钢之间沉降不均匀，初支的整体性较差。
发明内容
为了解决现有的软弱围岩大断面隧道的初支型钢脚部沉降的问题，本发明提供了一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置及方法，通过该支撑装置可实现对初支型钢脚部的加固，减少初支型钢的变形沉降，保证隧道内的施工安全。
本发明的第一目的，是提供一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置。
本发明的第二目的，是提供一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑方法。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
第一方面，本发明公开了一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，包括相连接的连接型钢、钢板和注浆管棚，其中注浆管棚能够用于将浆液打入围岩中；连接型钢和钢板均包括多个，每个连接型钢的两端均分别连接钢板以组成连接部，相邻的连接部用于共同连接同一初支型钢；注浆管棚包括多个，每个注浆管棚均穿过并连接对应的连接型钢；注浆管棚位于相邻的初支型钢的中间位置，相邻的注浆管棚关于初支型钢对称。
进一步，所述注浆管棚相对于围岩的对应位置的切面倾斜打入到围岩当中。
进一步，多个连接型钢均位于同一水平面，以经过连接型钢的顶侧翼板的面为水平基准面，以经过连接型钢腹板且垂直于水平基准面的面为竖直基准面；注浆管棚倾斜于竖直基准面。
进一步，所述注浆管棚与所述竖直基准面倾斜的角度为70°～75°。
进一步，所述注浆管棚穿过所述连接型钢腹板，连接型钢腹板的高大于注浆管棚的管径，连接型钢的长度等于相邻的初支型钢间的间距。
进一步，所述钢板呈矩形，所述钢板的长度大于初支型钢腹板的高，所述钢板的宽大于连接型钢腹板的高；
所述钢板分别与连接型钢的两个端部焊接连接，焊接时连接型钢的端部位于钢板的中心位置，钢板长边与连接型钢翼缘平行，钢板短边与连接型钢腹板平行。
第二方面，本发明公开了一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑方法，使用所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，包括以下步骤：
1)隧道开挖，架设第一榀初支型钢；
2)在第一榀初支型钢旁侧打入注浆管棚，待注浆管棚打入到预定长度以后进行注浆；
3)连接注浆管棚、连接型钢、钢板和第一榀初支型钢，喷混凝土；
4)开挖，架设下一榀初支型钢，保证注浆管棚位于两榀初支型钢之间；
5)重复步骤2)～步骤4)，完成整个工段的初支工作；
6)后续隧道下台阶的开挖、支护。
进一步，步骤1)中，初支型钢架设后在其脚部围岩处标定注浆管棚的位置，注浆管棚的具体位置为两个初支型钢之间的中点位置，可以通过测距来确定。
进一步，步骤3)中，连接型钢先套接于注浆管棚，再将连接型钢端部的钢板与初支型钢进行焊接连接，最后将连接型钢与注浆管棚焊接；此步骤中，注浆管棚的轴线平行于钢板所在平面且倾斜于连接型钢。
进一步，步骤4)中，架设下一榀初支型钢时，初支型钢靠近连接型钢的一端与钢板紧贴，架设完成后，进行焊接；焊接完成后，在初支型钢脚部的另一侧标注下一个注浆管棚的位置。
将注浆管棚打入软弱富水围岩中，并通过注浆管棚向围岩内进行注浆，加固隧道的围岩，提高围岩的承载能力和自承能力，增大围岩与注浆管棚之间的摩擦力、支撑力、挤压力，以及浆液与管棚之间的粘结力，使管棚更加稳定的嵌固在围岩上。初支型钢的脚部通过连接型钢与注浆管棚相连接，将初支型钢所受的荷载通过连接型钢传递到注浆管棚上，注浆管棚将荷载传递到嵌固的围岩当中，减少初支型钢的沉降，对初支型钢脚部起到加固作用。每榀初支型钢之间通过连接型钢相连形成一个整体，增加了整体性，控制沉降量。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
1)相对于传统的注浆锁脚锚杆(管)，本发明中的注浆管棚管径大，注浆量大，加固围岩的作用增强，与围岩的连接更牢固，可承受更大荷载，能够有效的在软弱富水围岩的隧道内控制初支型钢的沉降变形。
2)本发明中，新架设的下一榀初支型钢与上一榀已完工的注浆管棚进行连接，能够有效地控制新架设的初支型钢的初期沉降，保证了下一榀注浆管棚施工期间新架设的初支型钢不会发生较大的沉降变形。
3)本发明中，每一榀初支型钢之间依靠连接部连接形成整体，增加了整体性，每一榀初支型钢的沉降变形协调，有利于减少初支型钢的沉降。
4)本发明能适用围岩情况较差的隧道，应用更加广泛。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1中初支型钢与注浆管棚连接节点的正视图，
图2为实施例1中初支型钢与注浆管棚连接节点的右视图，
图3为实施例1中初支型钢与注浆管棚连接节点的俯视图，
图4为实施例1中支护整体效果图，
图5为实施例1中隧道横断面图。
图中，1、初支型钢，2、连接型钢，3、注浆管棚，4、钢板，5、焊缝，6、隧道围岩，7、注入的浆液，8、下一榀初支型钢。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，为了解决现有的软弱围岩大断面隧道的初支型钢脚部沉降的问题，本发明提供了一种适用于软弱围岩大断面隧道的初支型钢脚部的加固装置及方法，通过该加固装置可实现对初支型钢脚部的加固，减少初支型钢的变形沉降，保证隧道内的施工安全，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
请参考图1～图5，实施例1公开了一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，包括相连接的连接型钢2、钢板4和注浆管棚3，其中注浆管棚3能够用于将浆液打入围岩6中，本实施例中，注浆管棚3的管径为90～110mm，打入长度4～5m，在围岩6外未打入的部分长度为20～30cm；连接型钢2连接注浆管棚，钢板4用于连接初支型钢1，连接型钢2包括多个，每两个钢板4之间连接连接型钢2以组成连接部，相邻的连接部用于共同连接同一初支型钢1；注浆管棚3包括多个，每个注浆管棚3均穿过并连接对应的连接型钢2；注浆管棚3位于相邻的初支型钢1的中间位置，相邻的注浆管棚3关于初支型钢1对称。可以理解的是，本实施例中的连接部，作为主要的连接构件，其作用是①连接注浆管棚3与初支型钢1，将初支型钢1的荷载传递到注浆管棚3上；②连接相邻两榀初支型钢，增加整个隧道初支的整体性，有助于控制初支的沉降。
注浆管棚3相对于围岩6的对应位置的切面倾斜打入到围岩6当中。
请参考图1、图2和图3，多个连接型钢2均位于同一水平面，以连接型钢2所在的面为水平基准面，也即图3中连接型钢2的顶侧翼板所在的面为水平基准面，以穿过注浆管棚3且垂直于水平基准面的面为竖直基准面，也即以经过连接型钢2腹板的面为竖直基准面，可以理解的是，水平基准面和竖直基准面垂直相交；如图2所示，注浆管棚3倾斜于水平基准面，同时也倾斜于竖直基准面。注浆管棚3相对于竖直基准面倾斜的角度为70°～75°，注浆管棚3相对于水平基准面倾斜的角度为15°～20°，在实际的工程参数中，定义注浆管棚3的俯角为15°～20°。同时，以图2所在的截面为竖直参考面，则竖直参考面完全经过的注浆管棚的中轴线。
可以理解的是，本实施例中的使用的连接型钢2为工字钢，工字钢包括腹板和翼板，因此，在图1中，其展示了初支型钢1与注浆管棚3连接节点的正视图，其中，注浆管棚3斜向穿过连接型钢2腹板，腹板遮挡了一部分注浆管棚3，图中以虚线表示了注浆管棚3打入围岩6内的管段；在图2中，其展示了初支型钢1与注浆管棚3连接节点的右视图，其中隧道视图展示了隧道的断面；在图3中，其展示了初支型钢1与注浆管棚3连接节点的俯视图，其中，翼板遮挡了一部分注浆管棚3，图中以虚线表示了注浆管棚3打入围岩6内的管段。
本实施例中倾斜打入围岩6的注浆管棚3，其作用是增加注浆形成的混凝土柱在受力方向的摩擦力，以使其固定作用更加显著，本实施例中限定了的注浆管棚3的倾斜角度，是根据注浆的浆液的物理性质而定的，如果倾角过大，则可能会出现由于混凝土韧性不足导致的混凝土柱断裂。
注浆管棚3穿过连接型钢2腹板，连接型钢2腹板的高大于注浆管棚3的管径，连接型钢2的长度等于相邻的初支型钢1间的间距。
钢板4呈矩形，钢板4的长度大于初支型钢1腹板的高，钢板4的宽大于连接型钢2腹板的高；本实施例中的钢板4的长为18～20cm，宽为14～16cm，厚度为5～8mm。
需要说明的是，本实施例中的“宽”和“高”均是指初支型钢1、连接型钢2或钢板4本身的几何长度。
每个连接部中的两个钢板4分别与连接型钢2的两个端部焊接连接，焊接时连接型钢2的端部位于钢板4的中心位置，钢板4长边与连接型钢2翼缘平行，钢板4短边与连接型钢2腹板平行。
可以理解的是，本实施例中，由于连接型钢2和注浆管棚3之间是固定连接的，因此需要在连接型钢2腹板进行切割，切割出一个直径比注浆管棚3管径大1～2cm的圆形孔洞区域以便与注浆管棚3进行连接。
实施例2
实施例2公开了一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑方法，使用如实施例1所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，包括以下步骤：
1)隧道开挖，架设第一榀初支型钢1；
2)在第一榀初支型钢1旁侧打入注浆管棚3，待注浆管棚3打入到预定长度以后进行注浆；
3)连接注浆管棚3、连接型钢2、钢板4和第一榀初支型钢，喷混凝土；
4)开挖，架设下一榀初支型钢8，保证注浆管棚位于两榀初支型钢之间；
5)重复步骤2)～步骤4)，完成整个工段的初支工作；
6)后续隧道下台阶的开挖、支护。
步骤1)中，初支型钢1架设后在其脚部围岩6处标定注浆管棚3的位置，注浆管棚3的具体位置为两个初支型钢之间的中点位置，可以通过测距来确定。
步骤3)中，连接型钢2首先套接于注浆管棚3，再将其端部的钢板4与初支型钢1进行焊接连接，最后将连接型钢2与注浆管棚3焊接；此步骤中，注浆管棚3的轴线平行于钢板4所在平面且倾斜于连接型钢2。
步骤4)中，架设下一榀初支型钢8时，下一榀初支型钢8靠近连接型钢2的一端与钢板4紧贴，架设完成后，进行焊接；焊接完成后，在初支型钢8脚部的另一侧标注下一个注浆管棚3的位置。
步骤2)中，按照15°～20°的俯角打入到围岩6中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，其特征在于，包括相连接的连接型钢、钢板和注浆管棚，其中注浆管棚能够用于将浆液打入围岩中；连接型钢和钢板均包括多个，每个连接型钢的两端均分别连接钢板以组成连接部，相邻的连接部用于共同连接同一初支型钢；注浆管棚包括多个，每个注浆管棚均穿过并连接对应的连接型钢；注浆管棚位于相邻的初支型钢的中间位置，相邻的注浆管棚关于初支型钢对称；
所述钢板分别与连接型钢的两个端部焊接连接，焊接时连接型钢的端部位于钢板的中心位置，钢板长边与连接型钢翼缘平行，钢板短边与腹板平行。
2.如权利要求1所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，其特征在于，所述注浆管棚相对于围岩的对应位置的切面倾斜打入到围岩当中。
3.如权利要求1所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，其特征在于，多个连接型钢均位于同一水平面，以经过连接型钢的顶侧翼板的面为水平基准面，以经过连接型钢腹板且垂直于水平基准面的面为竖直基准面；注浆管棚倾斜于竖直基准面。
4.如权利要求3所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，其特征在于，所述注浆管棚与所述竖直基准面倾斜的角度为70°～75°。
5.如权利要求1所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，其特征在于，所述注浆管棚穿过所述连接型钢的腹板，连接型钢腹板的高大于注浆管棚的管径，连接型钢的长度等于相邻的初支型钢间的间距。
6.如权利要求1所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，其特征在于，所述钢板呈矩形，所述钢板的长度大于初支型钢腹板的高，所述钢板的宽大于连接型钢腹板的高。
7.一种用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑方法，其特征在于，使用如权利要求1～6任意一项所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑装置，包括以下步骤：
1)隧道开挖，架设第一榀初支型钢；
2)在第一榀初支型钢旁侧打入注浆管棚，待注浆管棚打入到预定长度以后进行注浆；
3)连接注浆管棚、连接型钢、钢板和第一榀初支型钢，喷混凝土；
4)开挖，架设下一榀初支型钢，保证注浆管棚位于两榀初支型钢之间；
5)重复步骤2)～步骤4)，完成整个工段的初支工作；
6)后续隧道下台阶的开挖、支护。
8.根据权利要求7所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑方法，其特征在于，步骤1)中，初支型钢架设后在其脚部围岩处标定注浆管棚的位置，注浆管棚的具体位置为两个初支型钢之间的中点位置。
9.根据权利要求7所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑方法，其特征在于，步骤3)中，连接型钢先套接于注浆管棚，再将连接型钢端部的钢板与初支型钢进行焊接连接，最后将连接型钢与注浆管棚焊接；此步骤中，注浆管棚的轴线平行于钢板所在平面且倾斜于连接型钢。
10.根据权利要求7所述的用于软弱围岩大断面隧道的初支脚部支撑方法，其特征在于，步骤4)中，架设下一榀初支型钢时，初支型钢靠近连接型钢的一端与钢板紧贴，架设完成后，进行焊接；焊接完成后，在初支型钢脚部的另一侧标注下一个注浆管棚的位置。
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