CN111577336A - 型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系及施工方法，工字型钢拱架设有多榀，沿隧道纵向由内至外依次设置，每榀工字型钢拱架包括多段拼接的工字型钢段；每榀工字型钢拱架的腹板外侧与腹板内侧均固定有多个栓钉剪力件；多个横隔板将相邻两榀工字型钢拱架进行纵向连接；每个横隔板左右两侧与L型嵌板连接，L型嵌板固定在工字型钢拱架的腹板上；横隔板的上部与下部均焊接多个U型钢筋，上一块横隔板上的U型钢筋与下一块横隔板上U型钢筋相交，并用钢丝进行绑扎连接；在每榀工字型钢拱架之间采用喷射混凝土填充，喷射混凝土厚度与工字型钢拱架齐平。本发明增强了工字钢拱架的承载力，并提高了支护体系与喷射混凝土的粘结能力。

Description

型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道的初期支护结构领域，具体为一种型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道 支护体系及施工方法。

背景技术

近年来随着国家对基础设施建设的投入与推动。我国交通建设取得迅速发展，特别是隧 道建设取得了很大进步，隧道工程建设向高地应力、软弱破碎带等复杂地质条件方向发展。 在隧道建设工程中，隧道的初期支护类型对其结构稳定影响十分重要，一般隧道初期支护有 木支撑、型钢支撑、格栅支撑、锚喷支护等方式。而目前主要采用成品型钢制造钢拱架进行 支护，钢拱架的支护机制是在喷射混凝土尚未达到足够强度时，由钢拱架承受围岩荷载，减 缓围岩变形速率，随着混凝土喷层的凝结硬化和强度的逐渐增长，围岩压力转由喷射混凝土、 钢拱架、钢筋网或锚杆复合支护体系共同承担，但实际上型钢和混凝土的协同作用很差，型 钢钢架将喷射混凝土割裂成小块，使得钢架和喷射混凝土独自承担围岩荷载。同时型钢本是 一种在受压条件下时容易失稳而丧失轴向抗压能力的材料，型钢钢架与喷射混凝土粘结不好， 与围岩间的空隙难于用喷射混凝土紧密填充，导致钢架附近喷射混凝土出现裂缝，型钢容易 受压发生扭曲或剪断最终破坏丧失其支护能力。

隧道在进行开挖的时候，围岩的地质条件发生突变或存在岩层分界面、岩土分界面等不 利结构，隧道施工范围内或周边出现断层、破碎带等不利面等，隧道围岩容易出现失稳，因 此改进隧道初期支护体系，提高隧道整体的承载能力和保证型钢与喷射混凝土的整体工作性 能已经是刻不容缓的重大研究课题，势在必行。

传统的支护方式在当下条件日益复杂多变的工程中受到了极大的挑战，基于新型的支护 结构方式亟待提出。即要求隧道初期支护能提供更大的承载力和支护阻力外还能增强型钢拱 架与喷射混凝土间的共同作用。

发明内容

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧 道支护体系及施工方法。该体系能有效的解决喷射混凝土与型钢拱架之间粘结能力弱、协同 作用差的问题，以及能够解决型钢拱架在荷载作用下失稳发生扭曲变形的问题。

本发明的一种型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系，包括工字型钢拱架、栓钉 剪力件、横隔板、U型钢筋、L型嵌板；

所述的工字型钢拱架设有多榀，沿隧道纵向由内至外依次设置，其中每榀工字型钢拱架 包括多段拼接的工字型钢段，工字型钢段的节点处通过螺栓、法兰盘连接；

每榀工字型钢拱架的腹板外侧与腹板内侧均固定有多个栓钉剪力件；

隧道环向按一定间距设置多个横隔板将相邻两榀工字型钢拱架进行纵向连接；

每个横隔板左右两侧与L型嵌板通过六角螺栓进行连接，L型嵌板固定在工字型钢拱架 的腹板上；

横隔板的上部与下部均焊接多个U型钢筋，U型钢筋沿隧道纵向方向布置，上一块横隔 板上的U型钢筋与下一块横隔板上U型钢筋相交，并用钢丝进行绑扎连接；

在每榀工字型钢拱架之间采用喷射混凝土填充，喷射混凝土厚度与工字型钢拱架齐平。

所述栓钉剪力件在工字型钢拱架的腹板内侧与腹板外侧按一定间距平行布置。

所述横隔板左右两侧设有螺栓孔位；L型嵌板上设矩形槽孔；螺栓孔位与矩形槽孔通过 六角螺栓连接。

所述的型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系的施工方法，包括以下步骤：

1)根据六角螺栓的螺杆直径对横隔板提前进行钻预留螺栓孔位，根据六角螺栓的分布和 直径对L型嵌板进行钻矩形槽孔；

2)在工字型钢拱架的腹板内外侧进行焊接L型嵌板；

3)在工字型钢拱架腹板内外侧焊接栓钉剪力件；

4)拼接多段工字型钢段形成工字型钢拱架，节点处通过法兰盘和螺栓进行连接；

5)将横隔板安设在已焊接好的L型嵌板上，通过六角螺栓加固其结构稳定性；

6)将U型钢筋布设在横隔板的下部与上部；

7)用钢丝将相交的U型钢筋部分进行绑扎；

8)喷射混凝土覆盖工字型钢拱架，喷射混凝土厚度与工字型钢拱架齐平。

工字型钢拱架型号根据隧道围岩级别和地质条件进行调整；工字型钢拱架之间的间距根 据隧道围岩级别和地质条件进行调整。

每榀工字型钢拱架纵向方向都采用横隔板进行连接，布置形式为平行布置，即用于纵向 连接第一榀工字型钢拱架与第二榀工字型钢与用于第二榀与第三榀型钢拱架的纵向连接。

横隔板间距具体尺寸可以根据隧道围岩级别和地质条件以及结构力学进行保证其在一定 荷载作用下，结构不失稳的前提下进行调整。

每个横隔板之间纵向方向按一定间距纵向布置U型钢筋，即用于连接相邻上下两块横隔 板。U型钢筋高度根据钢横隔板之间距离进行调整，此外，固定位置的U型钢筋倾斜弧度应 随相应位置钢拱架弧度所对应，U型钢筋宽度应小于腹板高度，上下U型钢筋高度之和应近 似于所述相邻横隔板之间的高度。U型钢筋直钩段可近视为直线段。所述U型钢筋宽度应小 于工字型钢腹板宽度，

所述连接横隔板所用的L型嵌板分别在工字型钢拱架腹板内外侧平行焊接多处。

型钢混凝土组合结构的力学性能不仅受到自身材料性质的影响,而且与结合面的连接形 式有很大关系，通过在型钢上布设剪力连接件以达到提高组合结构的力学性能。通过对隧道 初支结构支护体系特点进行探讨提出一种型钢喷射混凝土组合劲性支护体系。以用U型钢筋 以及横隔钢板取代原使用的钢筋网，并在钢拱架腹板上布设剪力件，旨在加强工字型钢钢架 与喷射混凝土的结合，增强其二者的协同作用，以形成一种型钢喷射混凝土组合劲性支护体 系，以期为我国隧道初期支护设计开辟新的蹊径。

本发明的有益效果是：

1)本发明与普通钢拱架喷射混凝土支护体系相比，用U型钢以及横隔板代替传统钢筋网， 加固工字型钢拱架之间连接以及增强了工字钢拱架的承载力，并提高了支护体系与喷射混凝 土的粘结能力。

2)本发明针对于在实际情况下工字型钢与喷射混凝土达到极限荷载时，两者产生相对滑 移，变形不能协调一致，其粘结强度大大降低。提出了再工字钢拱架腹板内外侧环向设置剪 力件，加强型钢和喷射混凝土之间的粘结作用，增加其在相对滑移时的机械咬合能力。

3)本发明支护体系的主体结构为“工字型钢+横隔板+U型钢筋”，且横隔板作用为连接 相邻钢拱架，防止工字型钢拱架在荷载作用下纵向失稳、扭曲破坏，使体系在纵向具有更好 的整体性，以及增大支护体系与喷射混凝土的工作面。U型钢筋可增强支护体系在环向上的 连接能力，提高支护体系整体的稳定性。

4)本发明支护体系横隔板由“L型嵌板+螺栓+横隔板”，L型嵌板用于横隔板在型钢腹板 上固定，且L型嵌板为横隔板左右两侧均设置，防止横隔板焊接在型钢腹板上受力容易发生 位移变形，增加横隔板与型钢拱架的连接作用。

5)本发明支护体系横隔板上预留螺栓孔，L型嵌板上预留矩形槽孔方便现场螺栓穿孔， 施工简单易行，效率高且容易对接，同时加强L型嵌板与横隔板之间的整体性。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是本发明劲性结构隧道支护体系示意图；

图2是本发明栓钉剪力件在腹板处布置示意图；

图3是本发明栓钉剪力件布置在工字型钢拱架内外侧示意图；

图4是本发明横隔板示意图；

图5是本发明L型嵌板结构示意图；

图6是本发明六角螺栓示意图；

图7是本发明安装完成横隔板结构示意图；

图8是本发明工字型钢拱架之间横隔板连接结构示意图；

图9是本发明相邻工字型钢拱架之间连接结构侧视图；

图10是本发明工字型钢拱架之间连接整体结构示意图；

图11是本发明U型钢筋与横隔板之间连接示意图；

图12是本发明布设U型钢筋支护体系结构示意图；

图13是本发明喷射混凝土后U型钢筋植入剖面图；

图14是本发明喷射混凝土后工字型钢拱架示意图；

图15是本发明工字型钢段连处节点示意图。

附图标记说明

1.工字型钢拱架，2.栓钉，3.横隔板，4.U型钢筋，5.L型嵌板，6.六角螺栓，7.螺栓孔位， 8.矩形槽孔，9.螺栓垫片，10.六角螺母，11.钢丝，12.横隔板下部，13.横隔板上部，14.型钢 腹板外侧，15.型钢腹板内侧，16.喷射混凝土层，17.螺栓，18.法兰盘

具体实施方式

本具体实施方式采用以下技术方案：

如图1所示，型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系，包含工字型钢拱架1、栓 钉剪力件2、横隔板3、U型钢筋4、L型嵌板5组成。工字型钢拱架1设有多榀，沿隧道纵 向由内至外依次进行设置，每榀工字型钢拱架1包括多段拼接的工字型钢段，工字型钢段节点处通过法兰盘18、螺栓17进行连接，如图15所示。

如图2和图3所示，栓钉剪力件2，用焊机焊接在每榀工字型钢拱架1腹板外侧14与腹 板内侧15，栓钉剪力件2按一定间距沿隧道环向方向进行布置，且栓钉剪力件2布置形式为 横向平行布置以提高喷射混凝土16与工字型钢拱架1的粘结性；

如图8、图9、图10所示，隧道环向按一定间距平行设置多个横隔板3将相邻两榀工字 型钢拱架1纵向进行连接，如图4所示，每个横隔板3都设有L型嵌板5以及六角螺栓6、 螺栓垫片9、六角螺母10构成，如图6所示。横隔板3左右两端为对称结构，即左右两端都 有L型嵌板5能有效加强其与隧道连接能力。如图7所示，每个横隔板3上设置有螺栓孔位 7，开孔位置为横隔板3宽度均分开孔，六角螺栓6通过横隔板3上螺栓孔位7以及L型嵌板 5预留的矩形槽孔8，然后用螺栓垫片9、六角螺母10加固L型嵌板5与横隔板3的整体性， 以提高支护体系在隧道纵向上的稳定性以及支护强度，可防止支护体系在纵向受力时发生局 部失稳导致支护强度降低，同时增强工字型钢拱架1之间与喷射混凝土16的粘结能力。如图 13和图14所示。

如图5所示，L型嵌板5与隧道的连接方式为焊接，用焊机将L型嵌板5焊接在工字型钢拱架1腹板处。L型嵌板5在其尾部设置一个矩形槽孔8，槽孔宽为螺身直径，长度为L型 嵌板5长度两端各预留一个螺帽直径。L型嵌板5焊接于工字型钢拱架1腹板内外侧，L型嵌 板5与横隔板3连接方式为螺栓连接，即可加强各个结构之间连接的整体性又可使现场施工 操作难度降低。

横隔板3的下部12与上部14均焊接U型钢筋4，如图11所示，U型钢筋4沿隧道纵向方向布置，如图12和图13所示，U型钢筋4间距根据围岩等级以及地质条件设置，上一块 横隔板3上U型钢筋4与下一块横隔板3上U型钢筋4相交，相交部分用钢丝11进行绑扎， 以提高支护体系在环向上的稳定性，提高钢拱架的受力。

在相邻发工字型钢拱架1之间喷射混凝土16，喷射混凝土16厚度与工字型钢拱架1齐 平。如图14所示。

L型嵌板5高度为横隔板厚度基础上增加10mm。

横隔板3宽度为工字型钢拱架1腹板高度，厚度为30mm。

如图13所示，U型钢筋4纵向布置间距为20mm，选用φ10，可根据地质条件和围岩级别进行调整。

型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系的施工方法，具体步骤如下：

1)根据六角螺栓6的螺杆直径对横隔板3提前进行钻预留螺栓孔7，根据六角螺栓6的 分布和直径对L型嵌板5进行钻矩形槽孔8。

2)在工字型钢拱架1的腹板内外侧进行焊接L型嵌板5。

3)在工字型钢拱架1腹板内外侧焊接栓钉剪力件2。

4)拼接多段工字型钢段形成工字型钢拱架1，节点处通过法兰盘和螺栓进行连接。

5)将横隔板3安设在已焊接好的L型嵌板5上，通过六角螺栓6加固其结构稳定性，如 图7所示。

6)将U型钢筋4布设在横隔板3的下部12与上部14，如图11所示。

7)用钢丝11将相交的U型钢筋4部分进行绑扎，使其环向上稳定性更强。

8)喷射混凝土16覆盖工字型钢拱架1，喷射混凝土16厚度与工字型钢拱架1齐平。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描 述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化 和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权 利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系，其特征在于，包括工字型钢拱架(1)、栓钉剪力件(2)、横隔板(3)、U型钢筋(4)、L型嵌板(5)；

所述的工字型钢拱架(1)设有多榀，沿隧道纵向由内至外依次设置，其中每榀工字型钢拱架(1)包括多段拼接的工字型钢段，工字型钢段的节点处通过螺栓(17)、法兰盘(18)连接；

每榀工字型钢拱架(1)的腹板外侧(14)与腹板内侧(15)均固定有多个栓钉剪力件(2)；

隧道环向按一定间距设置多个横隔板(3)将相邻两榀工字型钢拱架(1)进行纵向连接；

每个横隔板(3)左右两侧与L型嵌板(5)连接，L型嵌板(5)固定在工字型钢拱架(1)的腹板上；

横隔板(3)的上部(13)与下部(12)均焊接多个U型钢筋(4)，U型钢筋(4)沿隧道纵向方向布置，上一块横隔板(3)上的U型钢筋(4)与下一块横隔板(3)上U型钢筋(4)相交，并用钢丝(11)进行绑扎连接；

在每榀工字型钢拱架(1)之间采用喷射混凝土(16)填充，喷射混凝土(16)厚度与工字型钢拱架(1)齐平。

2.根据权利要求1所述的一种型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系，其特征在于，所述栓钉剪力件(2)在工字型钢拱架(1)的腹板内侧(15)与腹板外侧(14)按一定间距平行布置。

3.根据权利要求1所述的一种型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系，其特征在于，所述横隔板(3)左右两侧设有螺栓孔位(7)；L型嵌板(5)上设矩形槽孔(8)；螺栓孔位(7)与矩形槽孔(8)通过六角螺栓(6)连接。

4.根据权利要求1到3任一项所述的型钢与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据六角螺栓(6)的螺杆直径对横隔板(3)提前进行钻预留螺栓孔位(7)，根据六角螺栓(6)的分布和直径对L型嵌板(5)进行钻矩形槽孔(8)；

2)在工字型钢拱架(1)的腹板内外侧进行焊接L型嵌板(5)；

3)在工字型钢拱架(1)腹板内外侧焊接栓钉剪力件(2)；

4)拼接多段工字型钢段形成工字型钢拱架(1)，节点处通过法兰盘和螺栓进行连接；

5)将横隔板(3)安设在已焊接好的L型嵌板(5)上，通过六角螺栓(6)加固其结构稳定性；

6)将U型钢筋(4)布设在横隔板(3)的下部(12)与上部(14)；

7)用钢丝(11)将相交的U型钢筋(4)部分进行绑扎；

8)喷射混凝土(16)覆盖工字型钢拱架(1)，喷射混凝土(16)厚度与工字型钢拱架(1)齐平。

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