CN111485919B - 隧道超前支护导管抗剪锁、注浆导管及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道超前支护导管抗剪锁，包括安装于支护导管上的第一内套筒、钢贴片、第二内套筒以及外套筒，第一内套筒、钢贴片、第二内套筒由支护导管的内端向外端依次套于支护导管上，钢贴片两端连接第一内套筒和第二内套筒，外套筒套于第一内套筒和第二内套筒上，外套筒的内径略大于第一内套筒和第二内套筒的外径，第一内套筒、钢贴片、第二内套筒和外套筒设置在支护导管上距支护导管外端1.0‑2.5m范围内。本发明通过抗剪锁将进洞处的应力分散到锁上，扩大局部面积可以增加抗剪强度与减小挠度，使得挠度与剪力曲线趋于平滑，降低受剪断裂风险。抗剪锁布设应用于洞口处，对于整个超前管棚导管的架设无过程性影响，施工难度小，针对性强。

Description

隧道超前支护导管抗剪锁、注浆导管及施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道超前支护结构，尤其是一种隧道超前支护导管抗剪锁、注浆导管及施工方法，用于改进隧道超前支护管棚的导管受力情况。

背景技术

超前支护是隧道施工中的重要组成部分。尤其在山岭隧道洞口处，进洞开挖过程常常伴随着稳定性风险。此时超前支护起到了“未开挖，先保护”的作用，超前支护常用多根注浆长导管，呈弧形布置于洞口设计外轮廓处，随后的注浆可以形成人造拱形支护区，对开挖初期的洞口处稳定性起到很大的保护作用。随着施工的进展，超前支护形成了隧道的“探路者”，从洞口处的超前大管棚，到后期进尺循环中的超前小导管，超前支护在整个隧道施工中起到了关键作用。

然而，尽管超前支护已经形成了一定的规模体系，洞口处的失稳塌方现象还是经常出现。其原因在于，洞口处的原岩应力，尤其是埋深较大，放坡不足的类切坡高围岩等级洞口，卸载导致的反力会在洞口集中。进洞工程中，初期支护会及时跟进，而在初期支护布设完成后会距离掌子面有一个开挖步距的距离，该段距离是已开挖未支护段，特别是在进洞之初的该段内，受剪现象会尤其突出，管棚的受力情况处于最危险状态。目前尚没有对管棚此时的受力情况进行相关的研究，因此研究其力学及变形特性的控制因素并据此对支护导管的抗剪强度进行针对性的改进显得尤为重要。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种隧道超前支护导管抗剪锁，将进洞处的应力分散到锁上，使得挠度与剪力曲线趋于平滑，降低受剪断裂风险，为该段导管提供更高的抗剪能力。施工难度小，不影响施工流程，针对性强。

本发明的技术方案如下：

一种隧道超前支护导管抗剪锁，包括安装于支护导管上的第一内套筒、钢贴片、第二内套筒以及外套筒，其中，

第一内套筒、钢贴片、第二内套筒由支护导管的内端向外端依次套于支护导管上，并且第一内套筒的内端焊接固定于支护导管外壁；

钢贴片一端连接第一内套筒，另一端连接第二内套筒，并且第一内套筒、钢贴片、第二内套筒的内径等于支护导管的外径；

外套筒套于第一内套筒和第二内套筒上，外套筒的内端焊接固定于第一内套筒外壁，并且第一内套筒和第二内套筒的外径相等，外套筒的内径略大于第一内套筒和第二内套筒的外径，第一内套筒和第二内套筒的外径大于钢贴片的外径；

第一内套筒、钢贴片、第二内套筒和外套筒设置在支护导管上距支护导管外端1.0-2.5m范围内。

作为一种改进，所述钢贴片的两端设计为公头，第一内套筒的外端和第二内套筒的内端设计为母头，通过公头和母头配合，钢贴片与第一内套筒、第二内套筒连接固定。

作为一种改进，所述公头为钢贴片两端的插接段，所述母头为所述第一内套筒、第二内套筒连接钢贴片的一端设置的卡接内环，卡接内环的内径等于钢贴片的内径，卡接内环的外径等于钢贴片的外径。

作为一种改进，所述公头为钢贴片两端设置的外螺纹，所述母头为在所述第一内套筒、第二内套筒连接钢贴片的一端设置的内螺纹。

作为一种改进，所述第一内套筒的内端与支护导管外壁，以及所述外套筒的内端与第一内套筒外壁，均通过点焊焊接固定。

作为一种改进，所述第一内套筒向内的一端设置有渐变的缩径段以形成锥形引导头；和/或，所述外套筒向内的一端设置有渐变的缩径段以形成锥形引导头。

作为一种改进，所述第一内套筒的长度为0.8m，钢贴片的长度为0.2m，第二内套筒的长度为0.5m，外套筒的长度为0.5m。

作为一种改进，所述外套筒为开缝钢管。

本发明还提供一种隧道超前支护注浆导管，采用前述的隧道超前支护导管抗剪锁，并且在所述支护导管内注浆，与支护导管共同形成锚固体。

本发明还提供一种隧道超前支护注浆导管的施工方法，包括如下步骤：

S11、在支护导管上套装第一内套筒，并将其内端焊接固定于支护导管的外壁；

S12、在支护导管上套装钢贴片，并将钢贴片的公头与第一内套筒的母头连接固定；

S13、在支护导管上套装第二内套筒，并将第二内套筒的母头与钢贴片的公头连接固定；

S14、在第一内套筒和第二内套筒上套装外套筒，并将其内端焊接固定于第一内套筒的外壁；

S15、在支护导管内注浆形成锚固体，完成一根注浆导管的施工。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供的一种隧道超前支护导管抗剪锁，通过抗剪锁将进洞处的应力分散到锁上，改变受力杠杆作用点，使得导管全长的受力体系发生改变，扩大局部面积可以增加抗剪强度与减小挠度，使得挠度与剪力曲线趋于平滑，降低受剪断裂风险，为该段导管提供更高的抗剪能力。抗剪锁布设应用于洞口处，对于整个超前管棚导管的架设无过程性影响，施工难度小，不影响施工流程，针对性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、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。

图1为本发明一个实施方式的结构平面布置示意图；

图2为本发明一个实施方式的结构剖面示意图；

图3为图2的局部结构分解示意图；

图4为本发明另一个实施方式的结构平面布置示意图；

图5为本发明另一个实施方式的结构剖面示意图；

图6为图5的A-A剖面图；

图7为图5的B-B剖面图；

图8为本发明另一个实施方式的第一内套筒结构示意图；

图9为本发明另一个实施方式的钢贴片结构示意图；

图10为本发明另一个实施方式的第二内套筒结构示意图；

图11为本发明另一个实施方式的外套筒结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示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、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由于隧道管棚架设好后山坡是裸露的，管棚初期的受力不同于稳定围岩或者深部岩层中，初期受力情况复杂又剧烈，应力的释放空间很有限。由隧道周期性掘进过程中管棚的力学特点可知，管棚与周围围岩、初期支护共同作用的力学模型随着隧道每循环步距的开挖不断的向前推进，而在隧道每循环进尺开挖完成但没有进行初期支护时，管棚的受力情况处于最危险状态，此时对应力分布的细微改变都是有意义的。故管棚此时的受力情况是研究其力学及变形特性的控制因素。

根据管棚受力情况的最危险状态建立其力学模型，并采用Winkler弹性地基梁假定进行分析计算。可以根据如下方程计算管棚导管挠度：

式中各符号的意义为：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄为积分常数，可由管棚的边界条件求得；B₃、B₄为待定系数，可由 管棚的边界条件求得；

为初始位移；

为初始转角；a为梁的弹性标值；d为开挖面前方 围岩松弛范围长度；EI为注浆钢管的等效抗弯刚度；c为岩石黏聚力；φ为内摩擦角；a为已 开挖支护段长度，s为开挖进尺（已开挖未支护段）长度，b为朗肯松动段长度，q_o为均布围岩 应力，k为Winkler假设地基弹性压缩系数，h为开挖高度。

经过计算，这种受剪随着开挖进深的增大而减小，故在关键段进行超前支护的部分加强，会改善整个超前支护导管的受力，使得整个超前支护体系更加可靠。

参见图1、图2，本发明首先提供一种隧道超前支护导管抗剪锁，对现有超前支护导管进行局部改进，以提供更高的抗剪能力。

根据以上研究成果，管棚的挠度与应力在进洞之初会出现一个明显的峰值，对应的位置出现在第一个开挖进尺之后的半榀范围内。如图1所示，即出现在L2-L1这一长度范围内。依据隧道管棚结构的常规尺寸，在管棚洞口端向内部长约1.0-2.5m范围内，对支护导管进行局部加强显得尤为必要。

本发明的导管抗剪锁包括安装于支护导管1上的第一内套筒2、钢贴片3、第二内套筒4以及外套筒5，并且第一内套筒2、钢贴片3、第二内套筒4套于支护导管1上，外套筒5套于第一内套筒2和第二内套筒4上，第一内套筒2形成抗剪锁的第一段内锁，第二内套筒4形成抗剪锁的第二段内锁，外套筒5形成抗剪锁的第三段外锁，如此形成一个完整的三段式变截面抗剪锁体系，外套筒处于变截面区的最大截面面积所在处，钢贴片是变截面区的最小截面面积所在处，通过变截面抗剪锁对支护导管进行局部改变从而人为制造这种应力集中会最大程度的让抗剪锁发挥作用。

下面对抗剪锁结构进行具体阐述。

第一内套筒2、钢贴片3、第二内套筒4由支护导管1的内端向外端依次套于支护导管1上，并且第一内套筒的内端焊接固定于支护导管1外壁，如图2，本发明具体在第一内套筒2的边缘点焊形成点焊焊缝6以临时固定第一内套筒2，一端点焊工作量小，安装简单。由于第一内套筒2在支护导管1的外围仅借助表面的基础摩擦力是不够的，仍属于一个完全无环向约束的自由体，能够随意转动，通过焊接为第一内套筒2提供初始的固定，为其提供环向约束，限制其随意转动和产生沿隧道走向发生的错动；

钢贴片3一端连接第一内套筒2，另一端连接第二内套筒4，并且第一内套筒、钢贴片、第二内套筒的内径等于支护导管1的外径，即第一内套筒、钢贴片、第二内套筒的内壁紧贴支护导管的外壁，确保稳定传力；

外套筒5套于第一内套筒2和第二内套筒4上，外套筒的内端焊接固定于第一内套筒外壁，如图2，本发明具体在外套筒5的边缘点焊形成点焊焊缝6以临时固定外套筒5；并且第一内套筒2和第二内套筒4的外径相等，如此便于在第一内套筒和第二内套筒的外周套装外套筒，使得外套筒的内壁与第一内套筒和第二内套筒的外壁都接触或都不接触，确保稳定传力；

如图2所示，外套筒5的内径略大于第一内套筒2和第二内套筒4的外径，第一内套筒2和第二内套筒4的外径大于钢贴片3的外径。本发明外套筒5的外径设计为略大于第一内套筒2和第二内套筒4的外径，如此在外套筒内壁和内套筒外壁之间形成一个间隙X，参见图6，可以在围岩压力增大时具有主动吸收的作用，外套筒受到围岩挤压后产生一个少量的收缩变形，给围岩变形一个让压空间，如此给初期应力一个释放空间，对初期应力分布的细微改变显得尤为重要和有意义。

第一内套筒2、钢贴片3、第二内套筒4和外套筒5设置在支护导管1上距支护导管1外端1.0-2.5m范围内。该段范围内恰是开挖面附近即已开挖但未支护的这一循环步距内钢管的变形、弯矩和剪力的最大值出现处，即此段钢管的受力是最危险的。

本发明的抗剪锁意指闭合，锁住的对象是超前支护导管本身，在力的作用下对原超前支护导管起到一个加固作用。

根据以上阐述，外套筒5从始至终都是变截面区的最大截面面积所在处。由于外套筒5的外径略大于第一内套筒2和第二内套筒4的外径，外套筒5闭合前由于其有一定的变形空间，故闭合前主要传递压应力给内套筒，其本身也具有一定的抗剪能力。外套筒5闭合后，在压力作用下与内部结构形成变截面整体，且处于抗剪曲线的理论峰值区，其作用为长期抗剪与提供一定的抗弯能力。

钢贴片3是变截面区的最小截面面积所在处。在外套筒5完全闭合前，由于变形并不是均匀的，而是一个离散的过程，外套筒受不均匀压力传导至内部会根据应力集中作用集中在钢贴片上，钢贴片3抵抗由此产生的以及内套筒直接受力产生的扭矩与弯矩，故闭合前钢贴片主要是抗弯与抗扭。外套筒5完全闭合后则整个体系形成变截面整体，钢贴片3与整体受力一致，主要是抗弯与抗剪。

作为本发明的一种具体实施方案，钢贴片3的两端设计为公头，第一内套筒2的外端和第二内套筒4的内端设计为母头，通过公头和母头配合，钢贴片与第一内套筒、第二内套筒连接固定，且连接方式简单、可靠、易于操作。

作为本发明的一种具体实施方案，参见图3，公头为钢贴片两端的插接段，母头为第一内套筒2连接钢贴片的一端设置的卡接内环202，第二内套筒4连接钢贴片的一端设置的卡接内环402，卡接内环的内径等于钢贴片的内径，卡接内环的外径等于钢贴片的外径。

作为本发明的另一种具体实施方案，参见图8-10，公头为钢贴片2两端设置的外螺纹301，母头为在第一内套筒、第二内套筒连接钢贴片的一端设置的内螺纹201、401。螺纹连接同样便于安装、连接可靠。

作为本发明的另一种具体实施方案，参见图4、5、8、11，第一内套筒2向内的一端设置有渐变的缩径段以形成锥形引导头；进一步地，外套筒5向内的一端设置有渐变的缩径段以形成锥形引导头。由于超前支护导管在安装时是旋转进入的，内外套筒的设置会对原支护导管的厚度有所增加，在安装过程中会增大套筒体与岩体之间的摩擦，设计成锥形引导头可以减小因边角过度摩擦造成的套筒旋转与平移，提高安装成功率与适应性。

作为本发明的另一种具体实施方案，参见图4、6、7、11，外套筒5为开缝钢管，管缝501宽度优选为10mm，开缝钢管的内径略大于内套筒的外径，开缝钢管的让压空间更灵活，围岩压力上升后到开缝钢管闭合之间也可以提供一个缓冲空间，同样对初期支护应力有一个细微的调整。

由于支护导管的挠度曲线与剪力曲线自洞口向内有一个增长的趋势，在第一个开挖进尺之后的半榀范围内迅速达到一个明显的峰值，然后随着开挖进深的增加而逐渐趋于平缓，为了匹配支护导管的这一趋势，本发明将第二内套筒设计为稍短，第一内套筒相对稍长，钢贴片最短，同时为了满足布置在距离洞口1.0-2.5m范围内，如图1所示，L1距洞口1.0m左右，L2距洞口2.5m左右，本发明一个具体实施例第一内套筒的长度为0.8m，的长度为0.2m，第二内套筒的长度为0.5m，外套筒的长度为0.5m，通过调整截面变化率以及截面变化率在第一个开挖进尺之后的半榀范围内（本发明中为距离洞口1.0-2.5m范围内）所持续的长度来达到提高稳定性的目的。

本发明还提供一种隧道超前支护注浆导管，采用隧道超前支护导管抗剪锁，并且在所述支护导管内注浆，与支护导管共同形成锚固体。

本发明还提供一种隧道超前支护注浆导管的施工方法，包括如下步骤：

S11、在支护导管上套装第一内套筒，并将其内端焊接固定于支护导管的外壁；

S12、在支护导管上套装钢贴片，并将钢贴片的公头与第一内套筒的母头连接固定；

S13、在支护导管上套装第二内套筒，并将第二内套筒的母头与钢贴片的公头连接固定；

S14、在第一内套筒和第二内套筒上套装外套筒，并将其内端焊接固定于第一内套筒的外壁；

S15、在支护导管内注浆形成锚固体，完成一根注浆导管的施工。

综上，本发明提供的一种隧道超前支护导管抗剪锁，属于一种三段式变截面抗剪锁，针对地基反力作用下产生的弯曲应力集中处，通过抗剪锁将进洞处的应力分散到锁上，改变受力杠杆作用点，使得导管全长的受力体系发生改变，扩大局部面积可以增加抗剪强度与减小挠度，使得挠度与剪力曲线趋于平滑，降低受剪断裂风险，为该段导管提供更高的抗剪能力。

此外，抗剪锁布设应用于洞口处，并且在导管上提前布置，对于整个超前管棚导管的架设无过程性影响，施工难度小，不影响施工流程，针对性强。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于：包括安装于支护导管上的第一内套筒、钢贴片、第二内套筒以及外套筒，其中，

第一内套筒、钢贴片、第二内套筒由支护导管的内端向外端依次套于支护导管上，并且第一内套筒的内端焊接固定于支护导管外壁；

钢贴片一端连接第一内套筒，另一端连接第二内套筒，并且第一内套筒、钢贴片、第二内套筒的内径等于支护导管的外径；

外套筒套于第一内套筒和第二内套筒上，外套筒的内端焊接固定于第一内套筒外壁，并且第一内套筒和第二内套筒的外径相等，外套筒的内径略大于第一内套筒和第二内套筒的外径，第一内套筒和第二内套筒的外径大于钢贴片的外径；

第一内套筒、钢贴片、第二内套筒和外套筒设置在支护导管上距支护导管外端1.0-2.5m范围内。

2.根据权利要求1所述的隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于，所述钢贴片的两端设计为公头，第一内套筒的外端和第二内套筒的内端设计为母头，通过公头和母头配合，钢贴片与第一内套筒、第二内套筒连接固定。

3.根据权利要求2所述的隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于，所述公头为钢贴片两端的插接段，所述母头为所述第一内套筒、第二内套筒连接钢贴片的一端设置的卡接内环，卡接内环的内径等于钢贴片的内径，卡接内环的外径等于钢贴片的外径。

4.根据权利要求2所述的隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于，所述公头为钢贴片两端设置的外螺纹，所述母头为在所述第一内套筒、第二内套筒连接钢贴片的一端设置的内螺纹。

5.根据权利要求1所述的隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于，所述第一内套筒的内端与支护导管外壁，以及所述外套筒的内端与第一内套筒外壁，均通过点焊焊接固定。

6.根据权利要求1所述的隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于，所述第一内套筒向内的一端设置有渐变的缩径段以形成锥形引导头；和/或，所述外套筒向内的一端设置有渐变的缩径段以形成锥形引导头。

7.根据权利要求1所述的隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于，所述第一内套筒的长度为0.8m，钢贴片的长度为0.2m，第二内套筒的长度为0.5m，外套筒的长度为0.5m。

8.根据权利要求1-7任一项所述的隧道超前支护导管抗剪锁，其特征在于，所述外套筒为开缝钢管。

9.一种隧道超前支护注浆导管，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的隧道超前支护导管抗剪锁，并且在所述支护导管内注浆，与支护导管共同形成锚固体。

10.一种根据权利要求9所述的隧道超前支护注浆导管的施工方法，其特征在于包括如下步骤：

S11、在支护导管上套装第一内套筒，并将其内端焊接固定于支护导管的外壁；

S12、在支护导管上套装钢贴片，并将钢贴片的公头与第一内套筒的母头连接固定；

S13、在支护导管上套装第二内套筒，并将第二内套筒的母头与钢贴片的公头连接固定；

S14、在第一内套筒和第二内套筒上套装外套筒，并将其内端焊接固定于第一内套筒的外壁；

S15、在支护导管内注浆形成锚固体，完成一根注浆导管的施工。

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