CN111828053A - 钢管混凝土与喷射混凝土劲性组合结构隧道支护体系及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢管混凝土与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系及施工方法，钢管混凝土拱架设有多榀，沿隧道纵向依次排列，每榀钢管混凝土拱架包括多段拼接的方钢段以及钢管内灌注的细石混凝土材料；其中每榀钢管混凝土拱架在拼接完成以后分段进行灌注填实；每榀钢管混凝土拱架的纵向内外管面上均固定有多个栓钉剪力件；每个横隔板左右两侧与L型嵌板连接，L型嵌板固定在钢管混凝土拱架的纵向管面上；横隔板上贯穿并焊接多根环向钢筋；在每榀钢管混凝土拱架之间采用喷射混凝土填充，喷射混凝土厚度与钢管混凝土拱架齐平。本发明增强了方钢拱架的承载力与抗腐蚀性能，并提高了支护体系与喷射混凝土的粘结能力。

Description

钢管混凝土与喷射混凝土劲性组合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，具体为一种钢管混凝土与喷射混凝土劲性组合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。

传统的隧道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，因此改进隧道初期支护体系，提高隧道型钢与喷射混凝土支护体系整体承载能力具有重要工程意义，由此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钢管混凝土与喷射混凝土劲性组合结构隧道支护体系及施工方法。该体系中钢管与混凝土优势互补，提升拱架的抗压强度与耐腐蚀性能同时解决喷射混凝土与钢拱架之间粘结能力弱、协同作用差的问题，以及能够解决钢拱架在荷载作用下失稳发生扭曲变形的问题。

本发明的一种钢管混凝土与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系，包括钢管混凝土拱架、栓钉剪力件、横隔板、环向钢筋、L型嵌板、喷射混凝土；

所述的钢管混凝土拱架设有多榀，沿隧道纵向依次排列，其中每榀钢管混凝土拱架包括多段拼接的方钢段，方管内灌注的细石混凝土材料，方钢段的节点处通过螺栓、套合装置连接；

每榀钢管混凝土拱架的纵向外侧管面与纵向内侧管面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钢管混凝土拱架进行纵向连接；

每个横隔板左右两侧与L型嵌板通过五角螺栓进行连接，L型嵌板固定在钢管混凝土拱架的纵向管面上；隧道环向按一定间距设置多个横隔板将相邻两榀钢管混凝土拱架进行纵向连接；

横隔板面内外侧均对称布置有多个钢筋预留孔，每孔穿过一根环向钢筋，并与钢筋预留孔通过焊接固定；

在每榀钢管混凝土拱架之间采用喷射混凝土填充，喷射混凝土厚度与钢管混凝土拱架齐平。

所述栓钉剪力件在钢管混凝土拱架的纵向管面上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五角螺栓连接。

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)根据五角螺栓的螺杆直径对横隔板提前进行钻预留螺栓孔位，根据五角螺栓的分布和直径对L型嵌板进行钻矩形槽孔；

2)在钢管混凝土拱架的纵向管面上进行焊接L型嵌板；

3)在钢管混凝土拱架纵向管面上焊接栓钉剪力件；

4)拼接多段钢管混凝土段形成钢管混凝土拱架，节点处通过套合装置与螺栓进行连接；

5)将横隔板安设在已焊接好的L型嵌板上，通过五角螺栓加固其结构稳定性；

6)将环向钢筋穿过在横隔板并平均布设在指定位置；

7)通过灌注管对钢管混凝土拱架的每一段方钢进行灌注细石混凝土，在灌注结束以后关闭灌注阀门并用钢板对出浆孔进行焊接密封；

8)喷射混凝土覆盖钢管混凝土拱架，喷射混凝土厚度与钢管混凝土拱架齐平。

钢管混凝土拱架型号根据隧道围岩级别和地质条件进行调整；钢管混凝土拱架之间的间距根据隧道围岩级别和地质条件进行调整。

每榀钢管混凝土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钢管混凝土拱架与第二榀钢管混凝土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布置环向钢筋，即用于连接相邻上下两块横隔板。环向钢筋高度根据钢横隔板之间距离进行调整，此外，固定位置的环向钢筋倾斜弧度应随相应位置钢拱架弧度所对应，环向钢筋宽度应小于纵向管面的宽度。

所述连接横隔板所用的L型嵌板分别在钢管混凝土拱架纵向管面上平行焊接多处。

钢管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,而且与钢管及混凝土的粘结效果，以及结合面的连接形式有很大关系，通过在方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钢管混凝土与喷射混凝土组合劲性支护体系。

使用钢管混凝土拱架结构即在方钢拱架内灌注细石混凝土的结构代替工字钢拱架，并用环向钢筋以及横隔钢板取代原使用的钢筋网，并在钢拱架纵向管面上布设剪力件，旨在加强钢管混凝土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，用钢管混凝土拱架代替了工字钢拱架，钢管与混凝土两种材料优势互补，具有较高的塑形与韧性的同时提高了拱架结构的抗压强度，耐腐蚀性以及后期的稳定性。

2)本发明与普通钢拱架喷射混凝土支护体系相比，用环向钢筋以及横隔板代替传统钢筋网，加固钢管混凝土拱架之间连接以及增强了拱架的承载力，并提高了支护体系与喷射混凝土的粘结能力。

3)本发明针对于在实际情况下钢管混凝土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。提出了在钢管混凝土拱架的纵向管面上设置剪力件，加强钢管混凝土拱架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。

4)本发明支护体系的主体结构为“钢管混凝土拱架+横隔板+环向钢筋”，且横隔板作用为连接相邻钢拱架，防止钢管混凝土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。环向钢筋穿过横隔板并与之焊接组合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。

5)本发明支护体系中钢管混凝土拱架由“方钢段+套合装置+螺栓”，将方钢段组合后再分段灌注细石混凝土形成。方钢从套合装置两端嵌入，嵌入后通过螺栓进行固定，套合装置中部设有隔断两段方钢并向四周延伸的扩展钢板，能极大的提高拱架节点的抗弯承载力。

6)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方钢纵向管面上的固定，且L型嵌板设置在横隔板左右两侧，防止横隔板焊接在钢管纵向管面上受力时容易发生位移变形，增加了横隔板与钢管混凝土拱架的连接作用。

7)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纵向管面上布置示意图；

图3是本发明栓钉剪力件布置在钢管混凝土拱架内外侧示意图；

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是本发明五角螺栓示意图；

图7是本发明安装完成横隔板结构示意图；

图8是本发明钢管混凝土拱架之间横隔板连接结构示意图；

图9是本发明相邻钢管混凝土拱架之间连接结构侧视图；

图10是本发明钢管混凝土拱架之间连接整体结构示意图；

图11是本发明布设环向钢筋支护体系结构示意图；

图12是本发明喷射混凝土后环向钢筋植入剖面图；

图13是本发明喷射混凝土后钢管混凝土拱架示意图；

图14是本发明钢管混凝土拱架剖面图；

图15是本发明拱架节点套合装置示意图；

图16是本发明钢管混凝土段连接处节点示意图；

图17是本发明钢管混凝土灌注管示意图。

图18是本发明钢管混凝土出浆孔示意图。

附图标记说明

1.钢管混凝土拱架，2.栓钉，3.横隔板，4.环向钢筋，5.L型嵌板，6.五角螺栓，7.螺栓孔位，8.矩形槽孔，9.螺栓垫片，10.五角螺母，11.钢筋预留孔，12.扩展钢板13.喷射混凝土，14.方钢纵向外侧管面，15.方钢纵向内侧管面，16.套合装置，17.螺栓，18.螺栓孔，19.灌注管，20.出浆孔，22细石混凝土23.扩展钢板24.灌注阀门

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，钢管混凝土与喷射混凝土组合劲性结构隧道支护体系，包含钢管混凝土拱架1、栓钉剪力件2、横隔板3、环向钢筋4、L型嵌板5组成。钢管混凝土拱架1设有多榀，沿隧道纵向由内至外依次进行设置，每榀钢管混凝土拱架1包括多段拼接的钢管混凝土段，钢管混凝土段节点处通过套合装置16、螺栓17进行连接，如图15，图16所示。

如图2和图3所示，栓钉剪力件2，用焊机焊接在每榀钢管混凝土拱架1的方钢纵向外侧管面14与方钢纵向内侧管面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13与钢管混凝土拱架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将相邻两榀钢管混凝土拱架1纵向进行连接，如图7所示，每个横隔板3都设有L型嵌板5以及五角螺栓6、螺栓垫片9、五角螺母10构成。如图4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3两端均设置有螺栓孔位7，开孔位置为横隔板3宽度均分开孔，在横隔板3板面上内外侧还对称布设有两排钢筋预留孔11，并使用焊机将穿过横隔板的环向钢筋4与钢筋预留孔11焊接固定，如图11所示。布置的五角螺栓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、五角螺母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，同时增强钢管混凝土拱架1与喷射混凝土13之间的粘结能力。如图12和图13所示。

如图5所示，L型嵌板5与拱架的连接方式为焊接，用焊机将L型嵌板5焊接在钢管混凝土拱架1纵向管面上。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。请参考图14，L型嵌板5焊接于钢管混凝土拱架1纵向管面上，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。

如图15，图16所示，钢管混凝土拱架1的各节点通过套合装置16连接，套盒装置16除邻近岩体侧一面不开孔外其余三面均布置有螺栓孔18，在方钢套入套合装置16后使用螺栓17将节点固定。

在完成钢管混凝土拱架1节点组合以后，通过预设在方钢端部的灌注管19对钢管混凝土拱架1进行分段灌注，如图17所示。预留的出浆孔20起到排气作用，同时在也用于观察灌注情况，以确保灌注密实，如图18所示。在结束灌注以后，需使用钢板对出浆孔20进行焊接密封。

在相邻钢管混凝土拱架1之间喷射混凝土13，喷射混凝土13厚度与钢管混凝土拱架1齐平。如图13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宽度为钢管混凝土拱架1纵向管面宽度，厚度为30mm。

套合装置16中部设有隔断的扩展钢板23，钢板向四周扩展的宽度为20mm，套合装置套筒两端长度均为100mm，厚度为10mm，其内部截面尺寸与方钢截面尺寸一致。

如图13所示，环向钢筋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。

钢筋预留孔11的直径与环向钢筋4直径一致。

钢管混凝土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)根据五角螺栓6的螺杆直径对横隔板3提前进行钻预留螺栓孔位7，根据五角螺栓6的分布和直径对L型嵌板5进行钻矩形槽孔8；

2)在钢管混凝土拱架1的纵向管面上焊接L型嵌板5；

3)在钢管混凝土拱架11的纵向管面上焊接栓钉剪力件2；

4)拼接多段钢管混凝土段形成钢管混凝土拱架1，节点处通过套合装置与螺栓进行连接；

5)将横隔板3安设在已焊接好的L型嵌板5上，通过五角螺栓6加固其结构稳定性；

6)将环向钢筋4穿过横隔板3并平均布设在指定位置；

7)对钢管混凝土拱架1的每一段方钢进行灌注填实，并在灌注结束以后关闭灌注阀门24并用钢板对出浆孔20进行焊接密封；

8)喷射混凝土13覆盖钢管混凝土拱架1，喷射混凝土13厚度与钢管混凝土拱架1齐平。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (4)

1.一种钢管混凝土与喷射混凝土劲性组合结构隧道支护体系，其特征在于，包括钢管混凝土拱架(1)、栓钉剪力件(2)、横隔板(3)、环向钢筋(4)、L型嵌板(5)、喷射混凝土(13)；

所述的钢管混凝土拱架(1)设有多榀，沿隧道纵向依次排列，其中每榀钢管混凝土拱架(1)包括多段拼接的方钢段，以及方钢内灌注的细石混凝土(22)材料，方钢段的节点处通过套合装置(16)与螺栓(17)连接；

每段方钢在环向内侧面均预设有灌注管(19)与出浆孔(20)，其中拱顶处方钢段两端均设有灌注管(19)，在顶部设有一个出浆孔(20)以便排气与观察灌注情况，其余方钢段皆是在底端设置一灌注管(19)，顶端设置一出浆孔(20)；

每榀钢管混凝土拱架(1)的纵向外侧管面(14)与纵向内侧管面(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)将相邻两榀钢管混凝土拱架(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)固定在钢管混凝土拱架(1)的纵向管面上；

横隔板(3)板面内外侧对称布置有多个钢筋预留孔(11)，每孔穿过一根环向钢筋(4)，并在与横隔板(3)的连接处通过焊接固定；

在每榀钢管混凝土拱架(1)之间采用喷射混凝土(13)填充，喷射混凝土(13)厚度与钢管混凝土拱架(1)齐平。

2.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土与喷射混凝土劲性组合结构隧道支护体系，其特征在于，所述栓钉剪力件(2)在钢管混凝土拱架(1)的纵向内侧管面(15)与纵向外侧管面(14)按一定间距平行布置。

3.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土与喷射混凝土劲性组合结构隧道支护体系，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)通过五角螺栓(6)连接。

4.根据权利要求1到3任一项所述的钢管混凝土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)根据五角螺栓(6)的螺杆直径对横隔板(3)提前进行钻预留螺栓孔位(7)，根据五角螺栓(6)的分布和直径对L型嵌板(5)进行钻矩形槽孔(8)；

2)在钢管混凝土拱架(1)的纵向管面上进行焊接L型嵌板(5)；

3)在钢管混凝土拱架(1)的纵向管面上焊接栓钉剪力件(2)；

4)拼接多段方钢段并分段灌注细石混凝土(22)形成钢管混凝土拱架(1)，拱架节点处通过套合装置(16)与螺栓(17)进行连接；

5)将横隔板(3)安设在已焊接好的L型嵌板(5)上，通过五角螺栓(6)加固其结构稳定性；

6)将环向钢筋(4)穿过横隔板(3)上预设的钢筋预留孔(11)平均布设在指定位置，并与钢筋预留孔(11)通过焊接固定；

7)通过灌注管(19)对钢管混凝土拱架(1)的每一段方钢进行灌注细石混凝土(22)，在灌注填实以后关闭灌注阀门(24)并用钢板对出浆孔(20)进行焊接密封；

8)喷射混凝土(13)覆盖钢管混凝土拱架(1)，喷射混凝土(13)厚度与钢管混凝土拱架(1)齐平。

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