CN111456767A - 一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构及其支护方法 - Google Patents
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Abstract
一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构及其支护方法，沿拱架延伸方向分成若干单元节，单元节为一体化铸件，横断面为规则矩形，包括迎土侧受力杆、侧向抗剪支撑杆、背土侧受力杆、受力杆件连接杆和分节连接板，相邻单元节之间通过穿过两个分节连接板的螺栓安装，形成整体的钢拱架结构。本发明钢拱架在工厂预制，钢材一体化浇铸成形整体性好，加工精度高，质量易保证，同时侧向抗剪支撑杆件与迎土侧受力杆件、背土侧受力杆件整体预制为一体，具有极好的抗剪性能，可有效保证整体钢拱架的受力性能，同时避免传统初期支护现场人工焊接及加工格栅钢架，减少钢筋截断损耗，降低造价，节约工期，适用于各类需要采用初期支护的暗挖隧道施工。
Description
技术领域
本发明涉及隧道拱架技术领域，具体涉及一种可以用于暗挖隧道施工的分节一体化铸造隧道钢拱架结构，适用于各类需要采用初期支护的暗挖隧道施工。
背景技术
随着城市地下空间的不断开发，地下工程施工受地上环境及地下建构筑物的制约越来越大，暗挖法由于对周边环境的影响相对较小且断面适应性强，得到了越来越多的工程应用，但传统的暗挖隧道初期支护及二次衬砌施工存在诸多问题。
传统暗挖隧道初期支护的常用形式是格栅钢架，由于格栅钢架需要在施工现场加工制作，受操作工人熟练度影响，加工制作精度（尤其连接板的尺寸及角度偏差）难以保证，经常出现格栅钢架两部分连接板错位，导致螺栓难以拧进的情况，工人调整架设困难，施工速度降低；同时，在加工格栅钢架内部支撑筋时，采用现场直接压弯成型法，“之”字筋或“8”字筋强度损失严重，从而增加了施工安全风险；此外，由于格栅钢架主筋、之字筋、螺栓连接板等材料均采用钢筋及钢材，导致钢筋及钢材的边角料废弃较多，造成材料浪费，同时加工需要现场焊接及人工加工，需要大量人工成本，导致工程造价升高。
目前，国内虽然进行了大量的初期支护工厂预制的研究，但是目前的初期支护预制均为预制成混凝土板，自重大，吊装运输及安装均很困难，近期出现了一种分段设置的钢格栅，虽然搬运方便，但增加了施工的繁琐性。因此，目前亟需一种新型的隧道支护结构。
发明内容
本发明目的在于提供一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构及其支护方法，解决现有格栅钢架需要在施工现场加工制作、加工制作精度难以保证、工人调整架设困难、钢筋强度损失严重、施工速度低且安全风险大的技术问题，以及施工繁琐、钢材材料浪费严重、人工成本高导致的工程造价高的技术问题。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构，其特征在于：沿拱架延伸方向分成若干单元节，所述单元节为一体化铸件；所述单元节的横断面为规则矩形，包括迎土侧受力杆、侧向抗剪支撑杆、背土侧受力杆、受力杆件连接杆和分节连接板；所述迎土侧受力杆有两条，并行设于迎土侧；所述背土侧受力杆有两条，并行设于背土侧，所述背土侧受力杆形成的面与迎土侧受力杆形成的面始终等距设置；所述受力杆件连接杆设于两根迎土侧受力杆、两根背土侧受力杆之间；所述侧向抗剪支撑杆设于同一侧面的迎土侧受力杆和背土侧受力杆之间；所述分节连接板设于每个单元节的首尾两端，其上开设有螺栓孔；相邻单元节之间通过穿过两个分节连接板的螺栓安装，形成整体的钢拱架结构。
其中，作为本发明的优选方案，所述单元节共4个，包括拱形底部的水平节、两侧竖向节以及顶部的拱形节，所述水平节的分节连接板设于两侧上端面上，所述竖向节底部的分节连接板与水平节的分节连接板螺栓连接，顶部的分节连接板与拱形节两侧底部的分节连接板螺栓连接。
进一步的，所述单元节的重量不大于50kg，且不在弯矩最大处分节。
进一步的，所述侧向抗剪支撑杆包括侧向斜撑和侧向横撑，所述侧向斜撑和侧向横撑均为直线杆。
进一步的，所述分节连接板的两侧分别垂直设置加强板，所述加强板位于两根迎土侧受力杆或两根背土侧受力杆所形成的面内。
此外，本发明还提供利用上述的分节一体化铸造隧道钢拱架结构进行的支护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定分节方式：根据隧道断面图纸对钢拱架进行分节，控制每节重量不大于50kg，且避免在弯矩最大处分节；
步骤二、定制铸件模具：根据步骤一的分节结果，确定模具尺寸，在钢厂进行工厂模具定制，模具外型腔由砂铸法采用型砂经模具冲压成型，然后将由制芯设备做好的砂芯放到型腔内，形成内部的内模空心；
步骤三、铸造单元节：将钢水倒入模具中，对进行钢拱架分节预制并拆模养护；
步骤四、单元节运输：将预制好的钢拱架单元节运输到施工现场；
步骤五、单元节就位安装：并钢拱架单元节通过施工竖井分节吊入隧道内，设到开挖好的隧道毛洞内，相邻单元节之间螺栓连接；
步骤六、相邻钢拱架的固定：在相邻两榀钢拱架之间设置纵向连接筋进行连接；
步骤七、挂网并喷射混凝土：开挖隧道洞内土体后，挂钢筋网，并喷射混凝土，形成初期支护，至此，支护施工完成。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
1、可根据工程需求设计浇铸模板尺寸，在工厂一体化预制各种尺寸的钢拱架结构，质量易于保证，利于隧道开挖支护的稳定性；相对于常规格栅拱架，无需现场钢筋绑扎，无需人工现场焊接，切可以避免常规格栅拱架现场钢筋压弯成型对钢筋强度的损失，节约工期及人工成本；
2、制作精度高，使用时定位精确，易于安装定位；
3、安装施工速度快，节省人工成本；
4、工厂一体化浇铸预制，可节省现场焊接成本及人工加工成本，故造价低，具有更好的经济效益；在同样条件下，比常规格栅拱架整体受力性能好，制作精度高，更易于拼装。
综上，本发明分节一体化铸造隧道钢拱架结构有利于钢结构的预制技术在地下工程中的推广应用，为地下工程的工业化和产业化起到促进作用。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：
图1是本发明的分节一体化铸造隧道钢拱架结构的等轴测视图；
图2是本发明涉及的水平节的结构示意图；
图3是本发明涉及的竖向节的结构示意图；
图4是本发明涉及的拱形节的结构示意图；
图5是本发明涉及的水平节与竖向节连接节点示意图；
图6是本发明涉及的竖向节与拱形节连接节点示意图；
图7是本发明涉及的连接板示意图；
附图标记：1-迎土侧受力杆、2-侧向抗剪支撑杆、2.1-侧向斜撑、2.2-侧向横撑、3-背土侧受力杆、4-受力杆件连接杆、5-分节连接板、6-螺栓孔、7-水平节、8-竖向节、9-拱形节。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的分节一体化铸造隧道钢拱架结构及其支护方法的实施例。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1，一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构，其特征在于：
沿拱架延伸方向分成若干单元节，单元节为一体化铸件；单元节的横断面为规则矩形，本实施例中为正方形，边长由设计图纸决定（规格和常规格栅钢架相同），包括迎土侧受力杆1、侧向抗剪支撑杆2、背土侧受力杆3、受力杆件连接杆4和分节连接板5。
其中，各构件规格根据实际工程决定（设计时规格和常规格栅钢架相同），迎土侧受力杆1有两条，为实心圆钢、方钢或横截面为L形的实心钢，，并行设于迎土侧；背土侧受力杆3有两条，为实心圆钢、方钢或横截面为L形的实心钢，并行设于背土侧，背土侧受力杆3形成的面与迎土侧受力杆1形成的面始终等距设置；受力杆件连接杆4设于两根迎土侧受力杆1、两根背土侧受力杆3之间；侧向抗剪支撑杆2设于同一侧面的迎土侧受力杆1和背土侧受力杆3之间；侧向抗剪支撑杆2包括侧向斜撑2.1和侧向横撑2.2，侧向斜撑2.1和侧向横撑2.2均为直线杆。如图7，分节连接板5设于每个单元节的首尾两端，其上开设有螺栓孔6；为进一步保证强度，在分节连接板5的两侧分别垂直设置加强板10，加强板10位于两根迎土侧受力杆1或两根背土侧受力杆3所形成的面内。相邻单元节之间通过穿过两个分节连接板5的螺栓安装，形成整体的钢拱架结构。
单元节的重量不大于50kg，且不在弯矩最大处分节，本实施例中单元节共4个，包括拱形底部的水平节7、两侧竖向节8以及顶部的拱形节9，如图2，水平节7的分节连接板5设于两侧上端面上，如图3，竖向节8的分节连接板5设于上下两端部，如图4，拱形节9的分节连接板5设于左右两侧底端部，如图5，竖向节8底部的分节连接板5与水平节7的分节连接板5螺栓连接，如图6，顶部的分节连接板5与拱形节9两侧底部的分节连接板5螺栓连接。
此外，本发明还提供利用上述的分节一体化铸造隧道钢拱架结构进行的支护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定分节方式：根据隧道断面图纸对钢拱架进行分节，控制每节重量不大于50kg，且避免在弯矩最大处分节；
步骤二、定制铸件模具：根据步骤一的分节结果，确定模具尺寸，在钢厂进行工厂模具定制，模具外型腔由砂铸法采用型砂经模具冲压成型，然后将由制芯设备做好的砂芯放到型腔内，形成内部的内模空心；
步骤三、铸造单元节：将钢水倒入模具中，对进行钢拱架分节预制并拆模养护；
步骤四、单元节运输：将预制好的钢拱架单元节运输到施工现场；
步骤五、单元节就位安装：并钢拱架单元节通过施工竖井分节吊入隧道内，设到开挖好的隧道毛洞内，相邻单元节之间螺栓连接；
步骤六、相邻钢拱架的固定：在相邻两榀钢拱架之间设置纵向连接筋进行连接；
步骤七、挂网并喷射混凝土：开挖隧道洞内土体后，挂钢筋网，并喷射混凝土，形成初期支护，至此，支护施工完成。
本发明钢拱架在工厂预制，采用钢材一体化浇铸成形，整体性好，加工精度高，结构质量易于保证，同时侧向抗剪支撑杆件与迎土侧受力杆件、背土侧受力杆件整体预制为一体，具有极好的抗剪性能，可有效保证整体钢拱架的受力性能，同时避免传统初期支护现场人工焊接及加工格栅钢架，减少钢筋截断损耗，有效降低工程造价及工期。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现型式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构，其特征在于：
沿拱架延伸方向分成若干单元节，所述单元节为一体化铸件；
所述单元节的横断面为规则矩形，包括迎土侧受力杆（1）、侧向抗剪支撑杆（2）、背土侧受力杆（3）、受力杆件连接杆（4）和分节连接板（5）；
所述迎土侧受力杆（1）有两条，并行设于迎土侧；所述背土侧受力杆（3）有两条，并行设于背土侧，所述背土侧受力杆（3）形成的面与迎土侧受力杆（1）形成的面始终等距设置；
所述受力杆件连接杆（4）设于两根迎土侧受力杆（1）、两根背土侧受力杆（3）之间；
所述侧向抗剪支撑杆（2）设于同一侧面的迎土侧受力杆（1）和背土侧受力杆（3）之间；
所述分节连接板（5）设于每个单元节的首尾两端，其上开设有螺栓孔（6）；
相邻单元节之间通过穿过两个分节连接板（5）的螺栓安装，形成整体的钢拱架结构。
2.根据权利要求1所述的一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构，其特征在于：所述单元节共4个，包括拱形底部的水平节（7）、两侧竖向节（8）以及顶部的拱形节（9），所述水平节（7）的分节连接板（5）设于两侧上端面上，所述竖向节（8）底部的分节连接板（5）与水平节（7）的分节连接板（5）螺栓连接，顶部的分节连接板（5）与拱形节（9）两侧底部的分节连接板（5）螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构，其特征在于：所述单元节的重量不大于50kg，且不在弯矩最大处分节。
4.根据权利要求1所述的一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构，其特征在于：所述侧向抗剪支撑杆（2）包括侧向斜撑（2.1）和侧向横撑（2.2），所述侧向斜撑（2.1）和侧向横撑（2.2）均为直线杆。
5.根据权利要求1所述的一种分节一体化铸造隧道钢拱架结构，其特征在于：所述分节连接板（5）的两侧分别垂直设置加强板（10），所述加强板（10）位于两根迎土侧受力杆（1）或两根背土侧受力杆（3）所形成的面内。
6.利用权利要求1-5任意一项所述的分节一体化铸造隧道钢拱架结构进行的支护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定分节方式：根据隧道断面图纸对钢拱架进行分节，控制每节重量不大于50kg，且避免在弯矩最大处分节；
步骤二、定制铸件模具：根据步骤一的分节结果，确定模具尺寸，在钢厂进行工厂模具定制，模具外型腔由砂铸法采用型砂经模具冲压成型，然后将由制芯设备做好的砂芯放到型腔内，形成内部的内模空心；
步骤三、铸造单元节：将钢水倒入模具中，铸件浇注成型后，利用专用的除芯设备除掉内部的砂芯，形成单元节；
步骤四、单元节运输：将预制好的钢拱架单元节运输到施工现场；
步骤五、单元节就位安装：并钢拱架单元节通过施工竖井分节吊入隧道内，设到开挖好的隧道毛洞内，相邻单元节之间螺栓连接；
步骤六、相邻钢拱架的固定：在相邻两榀钢拱架之间设置纵向连接筋进行连接；
步骤七、挂网并喷射混凝土：开挖隧道洞内土体后，挂钢筋网，并喷射混凝土，形成初期支护，至此，支护施工完成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200728 |