CN111236984A - 基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法，格栅钢架的钢架连接节点包括连接钢板、钢套筒与L型钢板；L型钢板用于格栅钢架连接并为连接钢板固定提供条件，钢套筒顶端位于圆孔L型钢板竖板的圆孔内，底端焊接固定于连接钢板圆孔处，为锁脚锚杆的打设提供定位与导向作用。本发明基于“先定位，后导向”的新型锁脚锚杆打设方式，不但确保锁脚锚杆与格栅钢架之间形成了可靠连接，而且可最大程度实现锁脚锚杆打设期间降低对地层的扰动，满足隧道下部开挖时，上部悬空的格栅钢架可通过锁脚锚杆进行有效锁定，进而严格控制上部钢架的竖向位移，实现隧道的安全开挖与地层的稳定控制。

Description

基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法。

背景技术

对于目前广泛采用的各类矿山法隧道工程施工工艺，无论是台阶法，还是中隔壁法，都需要将隧道分成几部分按顺序分别进行开挖，在隧道上半断面钢架脚部一般都会设置锁脚锚杆，因为在隧道下半断面开挖过程中，上半断面已架设初支钢架底部会被掏空，已架设钢架存在向下竖向位移的趋势。但常规锁脚锚杆打设时没有相对固定位置、缺少导向装置，因此锚杆打设施工对地层的扰动较大，在地层强度较高的卵砾石地层，锚杆打设长度也很难满足设计要求，再加上锚杆与钢架局部点焊的连接方式过于薄弱，往往无法有效抑制上半断面钢架的竖向位移，进而引起钢架下沉、隧道地层变形，影响周边环境安全。

隧道开挖阶段引起的地层位移与变形主要集中在初支钢架下沉与整体受压变形两个方面，初支钢架由于下半断面开挖导致脚部被掏空引起的竖向位移趋势，对隧道拱顶下沉、钢架侵限（侵入二次衬砌限界）、地层沉降与地表裂缝等有着重要影响，尤其在富水卵砾石地层区域。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法，在钢架连接节点处设置钢套筒，钢套筒通过钢板与钢架牢固连接，钢套筒上端与钢架节点处钢板预留孔洞位置一致，钢套筒给锁脚锚杆打设提供了定位与导向的作用，可以最大程度减小锚杆打设对地层的扰动，并可确保打设长度与实施效果，最后在钢套筒内压注水泥砂浆，将锁脚锚杆、钢套筒、钢板与格栅钢架有效连接，形成一个受力整体，满足隧道下半断面开挖期间上部已架设钢架的竖向稳定性，满足隧道开挖期间周边地层变形控制与周边环境安全保护要求。

本发明所采用的技术方案为：

基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

所述锁脚体系包括多段格栅钢架，相邻格栅钢架端部通过钢架连接节点进行有效连接，上半断面格栅钢架脚部设有锁脚锚杆；

钢架连接节点包括连接钢板、钢套筒、圆孔L型钢板和长圆孔L型钢板；圆孔L型钢板对称焊接固定到上半断面格栅钢架底端两侧，长圆孔L型钢板对称焊接固定到下半断面格栅钢架顶端两侧，圆孔L型钢板的底板与长圆孔L型钢板的底板通过螺栓固定；连接钢板垂直于格栅钢架，两端焊接固定到圆孔L型钢板内侧，中央斜向插入钢套筒；钢套筒顶端位于圆孔L型钢板竖板的圆孔处，底端焊接固定位于连接钢板圆孔处，作为锁脚锚杆的打设通道，锁脚锚杆的延伸方向穿过长圆孔L型钢板的长圆孔。

格栅钢架包括环向格栅钢架以及环向格栅钢架内十字交叉的横向格栅钢架和竖向格栅钢架；

环向格栅钢架包括左右两段上部环向格栅钢架和左右两段下部环向格栅钢架；

竖向格栅钢架包括竖向上部格栅钢架和竖向下部格栅钢架；

横向格栅钢架位于隧道上半断面底部位置；

上半断面格栅钢架包括上部环向格栅钢架、竖向上部格栅钢架与横向格栅钢架，下半断面格栅钢架包括下部环向格栅钢架和竖向下部格栅钢架。

格栅钢架包括四根受力主筋，外周通过箍筋焊接成钢筋骨架。

钢筋骨架两侧面焊接有W型加强筋，钢筋骨架内间隔焊接有U型筋。

圆孔L型钢板包括竖板和底板，竖板上设置有圆孔，底板上设置有连接孔。

长圆孔L型钢板包括竖板和底板，竖板上设置有长圆孔，底板上设置有连接孔。

连接钢板中央设置有长圆孔，钢套筒顶端位于圆孔L型钢板竖板的圆孔处，底端焊接固定于连接钢板圆孔处，作为锁脚锚杆的打设通道，锁脚锚杆的延伸方向穿过长圆孔L型钢板的长圆孔。

连接钢板四角设置有缺口，作为格栅钢架中受力主筋的插入口。

格栅钢架、钢架连接节点与锁脚锚杆均可采用Q235或Q345钢材。

基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系的构建方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求的不同长度与曲率焊接格栅钢架，首先将受力主筋与箍筋焊接成钢筋骨架，随后沿钢筋骨架两侧面焊接W型加强筋，最后沿钢筋骨架长度方向间隔焊接U型筋，形成格栅钢架；

步骤二：在格栅钢架端部，焊接圆孔L型钢板和长圆孔L型钢板；其中，上半断面格栅钢架朝下端部焊接圆孔L型钢板，下半断面格栅钢架朝上端部焊接长圆孔L型钢板；

步骤三：按中间开孔与四角预留矩形缺口要求制作连接钢板，随后按既定倾斜角度在连接钢板中间部位焊接钢套筒；

步骤四：在上半断面格栅钢架已焊接的两侧边圆孔L型钢板中间部位，焊接连接钢板，钢套筒上部与圆孔L型钢板中间预留孔洞对齐，底端焊接固定于连接钢板圆孔处；

步骤五：按CRD法进行隧道开挖，将隧道横断面分成四部分，按照左上、左下、右上与右下的顺序依次进行土方开挖；

步骤六：左上断面隧道轮廓开挖完成后，先架设上部环向格栅钢架、竖向上部格栅钢架与横向格栅钢架，在相邻格栅钢架连接处设置钢架连接节点；

步骤七：在上部环向格栅钢架与竖向上部格栅钢架的钢架连接节点位置，于圆孔L型钢板中间孔洞处，沿着钢套筒打设锁脚锚杆，锁脚锚杆穿过连接钢板中间孔洞、并插入稳定地层，随后沿钢套筒内压注水泥砂浆，及时封堵锁脚锚杆四周可能存在的空隙，确保上部环向格栅钢架与竖向上部格栅钢架的竖向稳定性；

步骤八：按要求开挖左下断面，及时架设下部环向格栅钢架与竖向下部格栅钢架，下部环向格栅钢架与竖向下部格栅钢架上端部长圆孔L型钢板上有预留长圆孔，锁脚锚杆从孔洞中穿过；

步骤九：将螺栓穿过钢架连接节点处圆孔L型钢板与长圆孔L型钢板中间预留孔洞，将不同格栅钢架进行牢固连接；

步骤十：按类似顺序，进行隧道右上断面与右下断面的开挖与格栅钢架施工。

本发明具有以下优点：

本发明在隧道初支钢架接头处增设钢板，在钢板上预埋钢套筒，在钢架接头处L型钢板上预留孔洞，为后期锁脚锚杆预留打设路径。隧道初支涉及的钢架主要有受力钢筋、加强筋与箍筋组成，钢架接头主要由各类钢板组成，预埋钢套筒与打设的锁脚锚杆，也都是钢材，钢套筒内压入的水泥砂浆也为常规材料，其相应尺寸为常规类型，便于加工制造；预埋钢套筒的直径、套筒与钢板之间的夹角，在确保隧道上半断面钢架竖向位移得到严格控制的前提下，可根据锚杆打设长度与地层情况进行灵活调整。钢套筒的内径一般比锁脚锚杆外径大5-10mm，L型钢板上预留孔洞直径不小于钢套筒内径，确保锁脚锚杆从钢套筒内顺利穿越。工艺简单、施工简便，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等矿山法隧道工程中有广泛的应用前景。

附图说明

图1为隧道钢架布置图。

图2为钢架连接节点正视图（节点A）。

图3为钢架连接节点侧视图（节点A）。

图4为圆孔L型钢板正视图。

图5为长圆孔L型钢板正视图。

图6为圆孔L型钢板和长圆孔L型钢板俯视图。

图7为钢套筒和连接钢板俯视图。

图8为钢套筒和连接钢板正视图。圆孔 ∅d2

图中，1-上部环向格栅钢架，2-横向格栅钢架，3-竖向上部格栅钢架，4-下部环向格栅钢架，5-竖向下部格栅钢架，6-钢架连接节点，7-锁脚锚杆，8-受力主筋，9-W型加强筋，10-U型筋，11-箍筋，12-圆孔L型钢板，13-长圆孔L型钢板，14-连接钢板，15-钢套筒，16-连接孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，拓宽了现有隧道初支钢架脚部锁定思路，丰富了锁脚锚杆施做方法。所述初支钢架体系包括多段格栅钢架，相邻格栅钢架端部为钢架连接节点6；上部格栅钢架与下部格栅钢架的钢架连接节点6包括连接钢板14、钢套筒15、圆孔L型钢板12和长圆孔L型钢板13；圆孔L型钢板12对称焊接固定到上部格栅钢架底端两侧，长圆孔L型钢板13对称焊接固定到下部格栅钢架顶端两侧，圆孔L型钢板12的底板与长圆孔L型钢板13的底板通过螺栓固定；连接钢板14垂直于格栅钢架，两端焊接固定到圆孔L型钢板12内侧，中央斜向插入钢套筒15；钢套筒15顶端位于圆孔L型钢板12竖板的圆孔处，底端位于连接钢板14的圆孔处，作为锁脚锚杆7的打设通道，锁脚锚杆7的延伸方向通过长圆孔L型钢板13的长圆孔。

格栅钢架根据长度与曲率不一样分成五种，具体为：格栅钢架包括环向格栅钢架以及环向格栅钢架内十字交叉的横向格栅钢架和竖向格栅钢架；环向格栅钢架包括左右两段上部环向格栅钢架1和左右两段下部环向格栅钢架4；竖向格栅钢架包括竖向上部格栅钢架3和竖向下部格栅钢架5；上部格栅钢架包括上部环向格栅钢架1和竖向上部格栅钢架3，下部格栅钢架包括下部环向格栅钢架4和竖向下部格栅钢架5。不同格栅钢架接头处采用相同的钢架连接节点6进行连接。隧道采用交叉中隔壁法或台阶法进行开挖，开挖过程分为左上断面、左下断面、右上断面、右下断面，上半断面三个位置需要设置锁脚锚杆7，达到下半断面开挖期间，严格控制已架设上部格栅钢架竖向位移的目的。

格栅钢架包括四根受力主筋8、W型加强筋9、U型筋10与箍筋11，四种不同类型钢筋焊接成钢筋骨架，受力主筋8位于格栅钢架四个角点位置，钢筋骨架两侧面焊接W型加强筋9，钢筋骨架内间隔焊接U型筋10。

圆孔L型钢板12包括竖板和底板，竖板上设置有圆孔，底板上设置有连接孔16。长圆孔L型钢板13包括竖板和底板，竖板上设置有长圆孔，底板上设置有连接孔16。连接钢板14中央设置有长圆孔，钢套筒15顶端位于圆孔L型钢板12的圆孔内，底端焊接固定于连接钢板14圆孔处，锁脚锚杆7的延伸方向穿过长圆孔L型钢板13的长圆孔。钢套筒15通过连接钢板14与格栅钢架焊接固定，形成由锁脚锚杆7、连接钢板14与格栅钢架整体受力、协调变形的承载体系。

钢套筒15与连接钢板14之间的夹角，可根据锚杆打设需要、地层情况等灵活调整。

钢套筒15的内径一般比锁脚锚杆7外径大5-10mm，圆孔L型钢板12的和长圆孔L型钢板13上预留孔洞直径不小于钢套筒15内径。

连接钢板14四角设置有缺口，作为格栅钢架中受力主筋8的插入口。

格栅钢架、钢架连接节点6与锁脚锚杆7均可采用Q235或Q345钢材，钢套筒15内压注具有较好流动性的普通水泥砂浆。

本发明在常规初支钢架节点处增设带孔钢板，钢板上预埋钢套筒，钢套筒通过钢板与钢架牢固连接，钢套筒上端与钢架节点处钢板预留孔洞位置一致，锁脚锚杆通过钢套筒的定位与导向完成精准打设施工，一方面最大程度减小打设期间对地层的扰动，一方面可确保锚杆打设角度与长度满足设计要求，实现有效控制钢架竖向位移的初衷。“基于定位与导向的锚杆打设工艺”的设计理念，对现有锚杆随意打设是一个本质的提升。同时工艺简单、施工简便，为确保实现矿山法隧道钢架的竖向稳定提供了全新的思路。

在在隧道初支钢架接头处增设钢板，在钢板上预埋钢套筒，在钢架接头处L型钢板上预留孔洞。钢套筒的直径、套筒与钢板之间的夹角，可根据锚杆打设长度与地层情况进行灵活调整，钢套筒的内径一般比锁脚锚杆外径大5-10mm，L型钢板上预留孔洞直径不小于钢套筒内径，确保锁脚锚杆从钢套筒内顺利穿越，进而实现基于钢套筒与钢板的“定位与导向”作用的锁脚锚杆打设工艺。满足减小锚杆打设过程中地层扰动、增加锚杆打设精度控制要求。施工工艺简单、可靠。

上述基于有效控制初支钢架竖向位移的新型锁脚体系的构建方法，包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求的不同长度与曲率要求焊接格栅钢架，首先将受力主筋8与箍筋11焊接成基本钢筋骨架，随后沿钢筋骨架两侧面焊接W型加强筋9，最后沿钢筋骨架长度方向间隔焊接U型筋10，形成格栅钢架；

步骤二：在格栅钢架端部，焊接圆孔L型钢板12和长圆孔L型钢板13；其中，上部格栅钢架朝下端部焊接圆孔L型钢板12，下部格栅钢架朝上端部焊接长圆孔L型钢板13；

步骤三：按中间开孔与四角预留矩形缺口要求制作连接钢板14，随后按既定倾斜角度在连接钢板14中间部位焊接钢套筒15；

步骤四：在上部格栅钢架已焊接的两侧边圆孔L型钢板12中间部位，焊接连接钢板14，钢套筒15上部与圆孔L型钢板12中间预留孔洞对齐，底端焊接固定于连接钢板14圆孔处；

步骤五：按CRD法进行隧道开挖，将隧道横断面分成四部分，按照左上、左下、右上与右下的顺序依次进行土方开挖；

步骤六：左上断面隧道轮廓开挖完成后，先架设上部环向格栅钢架1、竖向上部格栅钢架3与横向格栅钢架2，在相邻格栅钢架连接处设置钢架连接节点6；

步骤七：在上部环向格栅钢架1与竖向上部格栅钢架3的钢架连接节点6位置，于圆孔L型钢板12中间孔洞处，沿着钢套筒15打设锁脚锚杆7，锁脚锚杆7穿过连接钢板14中间孔洞、并插入稳定地层，随后沿钢套筒15内压注水泥砂浆，及时封堵锁脚锚杆7四周可能存在的空隙，确保上部环向格栅钢架1与竖向上部格栅钢架3的竖向稳定性；

步骤八：按要求开挖左下断面，及时架设下部环向格栅钢架4与竖向下部格栅钢架5，下部环向格栅钢架4与竖向下部格栅钢架5上端部长圆孔L型钢板13上有预留长圆孔，锁脚锚杆7从孔洞中穿过；

步骤九：将螺栓穿过钢架连接节点6处圆孔L型钢板12与长圆孔L型钢板13中间预留孔洞，将不同格栅钢架进行牢固连接；

步骤十：按类似顺序，进行隧道右上断面与右下断面的开挖与格栅钢架施工。

要从理论上找出能适应任意条件下锚杆打设的隧道初支钢架节点构造工艺，在现有的理论水平与施工技术条件下，仍有相当大的难度，因为各类隧道工程遇到的地层条件、断面形式与开挖方式等都是不一样的，边界条件与周边环境千变万化，隧道工程初支钢架的有效固定，仍应遵从“先定位、后导向”的基本理念，在常规锁脚锚杆打设位置增加定位用套筒，并将套筒预留一定长度，发挥锚杆打设导向的作用，才能确保锚杆打设长度与角度满足钢架固定需要，同时减小锚杆打设施工对地层的扰动，最大程度确保钢架竖向位移得到严格控制，确保地层变形可控、周边环境安全可控。目前的隧道初支钢架锁脚锚杆打设工艺，仍需本着功能第一、因地制宜、对症下药、灵活应用的基本原则。

本发明“基于有效控制钢架竖向位移的新型锁脚工艺”主要指在隧道初支钢架连接节点处设置钢套筒，钢套筒通过钢板与钢架牢固连接，钢套筒开口处与钢架节点处钢板预留孔洞位置一致，钢套筒给锁脚锚杆打设提供了定位与导向作用，有效降低锚杆打设对地层的扰动，确保锚杆打设长度与角度满足设计要求，提高隧道初支钢架的竖向稳定性，提升隧道工程的安全性与可靠性，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

所述锁脚体系包括多段格栅钢架，相邻格栅钢架端部通过钢架连接节点（6）进行有效连接，上半断面格栅钢架脚部设有锁脚锚杆（7）；

钢架连接节点（6）包括连接钢板（14）、钢套筒（15）、圆孔L型钢板（12）和长圆孔L型钢板（13）；圆孔L型钢板（12）对称焊接固定到上半断面格栅钢架底端两侧，长圆孔L型钢板（13）对称焊接固定到下半断面格栅钢架顶端两侧，圆孔L型钢板（12）的底板与长圆孔L型钢板（13）的底板通过螺栓固定；连接钢板（14）垂直于格栅钢架，两端焊接固定到圆孔L型钢板（12）内侧，中央斜向插入钢套筒（15）；钢套筒（15）顶端位于圆孔L型钢板（12）竖板的圆孔处，底端焊接固定位于连接钢板（14）圆孔处，作为锁脚锚杆（7）的打设通道，锁脚锚杆（7）的延伸方向穿过长圆孔L型钢板（13）的长圆孔。

2.根据权利要求1所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

格栅钢架包括环向格栅钢架以及环向格栅钢架内十字交叉的横向格栅钢架和竖向格栅钢架；

环向格栅钢架包括左右两段上部环向格栅钢架（1）和左右两段下部环向格栅钢架（4）；

竖向格栅钢架包括竖向上部格栅钢架（3）和竖向下部格栅钢架（5）；

横向格栅钢架（2）位于隧道上半断面底部位置；

上半断面格栅钢架包括上部环向格栅钢架（1）、竖向上部格栅钢架（3）与横向格栅钢架（2），下半断面格栅钢架包括下部环向格栅钢架（4）和竖向下部格栅钢架（5）。

3.根据权利要求2所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

格栅钢架包括四根受力主筋（8），外周通过箍筋（11）焊接成钢筋骨架。

4.根据权利要求3所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

钢筋骨架两侧面焊接有W型加强筋（9），钢筋骨架内间隔焊接有U型筋（10）。

5.根据权利要求4所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

圆孔L型钢板（12）包括竖板和底板，竖板上设置有圆孔，底板上设置有连接孔（16）。

6.根据权利要求5所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

长圆孔L型钢板（13）包括竖板和底板，竖板上设置有长圆孔，底板上设置有连接孔（16）。

7.根据权利要求6所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

连接钢板（14）中央设置有长圆孔，钢套筒（15）顶端位于圆孔L型钢板（12）竖板的圆孔处，底端焊接固定于连接钢板（14）圆孔处，作为锁脚锚杆（7）的打设通道，锁脚锚杆（7）的延伸方向穿过长圆孔L型钢板（13）的长圆孔。

8.根据权利要求7所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

连接钢板（14）四角设置有缺口，作为格栅钢架中受力主筋（8）的插入口。

9.根据权利要求8所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：

格栅钢架、钢架连接节点（6）与锁脚锚杆（7）均可采用Q235或Q345钢材。

10.基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系的构建方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求的不同长度与曲率焊接格栅钢架，首先将受力主筋（8）与箍筋（11）焊接成钢筋骨架，随后沿钢筋骨架两侧面焊接W型加强筋（9），最后沿钢筋骨架长度方向间隔焊接U型筋（10），形成格栅钢架；

步骤二：在格栅钢架端部，焊接圆孔L型钢板（12）和长圆孔L型钢板（13）；其中，上半断面格栅钢架朝下端部焊接圆孔L型钢板（12），下半断面格栅钢架朝上端部焊接长圆孔L型钢板（13）；

步骤三：按中间开孔与四角预留矩形缺口要求制作连接钢板（14），随后按既定倾斜角度在连接钢板（14）中间部位焊接钢套筒（15）；

步骤四：在上半断面格栅钢架已焊接的两侧边圆孔L型钢板（12）中间部位，焊接连接钢板（14），钢套筒（15）上部与圆孔L型钢板（12）中间预留孔洞对齐，底端焊接固定于连接钢板（14）圆孔处；

步骤五：按CRD法进行隧道开挖，将隧道横断面分成四部分，按照左上、左下、右上与右下的顺序依次进行土方开挖；

步骤六：左上断面隧道轮廓开挖完成后，先架设上部环向格栅钢架（1）、竖向上部格栅钢架（3）与横向格栅钢架（2），在相邻格栅钢架连接处设置钢架连接节点（6）；

步骤七：在上部环向格栅钢架（1）与竖向上部格栅钢架（3）的钢架连接节点（6）位置，于圆孔L型钢板（12）中间孔洞处，沿着钢套筒（15）打设锁脚锚杆（7），锁脚锚杆（7）穿过连接钢板（14）中间孔洞、并插入稳定地层，随后沿钢套筒（15）内压注水泥砂浆，及时封堵锁脚锚杆（7）四周可能存在的空隙，确保上部环向格栅钢架（1）与竖向上部格栅钢架（3）的竖向稳定性；

步骤八：按要求开挖左下断面，及时架设下部环向格栅钢架（4）与竖向下部格栅钢架（5），下部环向格栅钢架（4）与竖向下部格栅钢架（5）上端部长圆孔L型钢板（13）上有预留长圆孔，锁脚锚杆（7）从孔洞中穿过；

步骤九：将螺栓穿过钢架连接节点（6）处圆孔L型钢板（12）与长圆孔L型钢板（13）中间预留孔洞，将不同格栅钢架进行牢固连接；

步骤十：按类似顺序，进行隧道右上断面与右下断面的开挖与格栅钢架施工。

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