CN112112669B - 一种连拱隧道中墙钢架布设方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连拱隧道中墙钢架布设方法，连拱隧道的双洞各自设置独立的钢拱架结构，先行洞与后行洞的钢拱架结构错开设置，在先行洞开挖过程中，把后行洞靠近共用边墙一侧的下部钢架预埋至先行洞共用边墙中，待后行洞开挖时，将预埋的下部钢架与后行洞钢拱架结构其它部位钢架固定，从而构成完整的后行洞钢拱架结构。该方法通过改变连拱、无中隔墙隧道钢拱架传统搭接方式，利用钢拱架错位布设方式，改变传统钢拱架搭接产生集中受力的形式，使隧道结构受力更为合理，使隧道施工更加安全，保证隧道后期安全运营。
Description
技术领域
本发明涉及一种连拱隧道中墙钢架布设方法，属于隧道支护技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速增长以及人口的不断增加，使得基础交通建设的进程也在不断加快。公路隧道的修建的主要类型有分离式隧道和连拱隧道，连拱隧道可以适应更多的地形，空间利用率高，建设成本低，并且可以有效的解决公路建设过程中桥隧连接、短隧连接等问题，所以在高速公路修建过程中，连拱隧道的修建较分离式隧道有着显著的优点。
但是连拱隧道的施工方法较分离式隧道复杂，其在国内的建设水平与国外相比相差甚远，主要原因在于连拱隧道的设计没有与实际的施工情况有效结合，致使现场施工过程与设计屡屡脱节，即使连拱隧道经过施工人员们的努力得以完成，隧道投入运营后很快就出现开裂，使得连拱隧道的建设总是达不到安全要求。在连拱隧道实际施工中，常常采用后行洞钢拱架搭接于先行洞钢拱架上的方式进行支护，相当于以一个集中力的方式作用在先行洞钢拱架上，然而对于隧道结构而言，最好是以均布受力的形式作用于结构上，否则对隧道结构的稳定性极为不利。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种连拱隧道中墙钢架布设方法。该方法通过改变连拱、无中隔墙隧道钢拱架传统搭接方式，利用钢拱架错位布设方式，改变传统钢拱架搭接产生集中受力的形式，使隧道结构受力更为合理，使隧道施工更加安全，保证隧道后期安全运营。
本发明的技术方案：一种连拱隧道中墙钢架布设方法，连拱隧道的双洞各自设置独立的钢拱架结构，先行洞与后行洞的钢拱架结构错开设置，在先行洞开挖过程中，把后行洞靠近共用边墙一侧的下部钢架预埋至先行洞共用边墙中，待后行洞开挖时，将预埋的下部钢架与后行洞钢拱架结构其它部位钢架固定，从而构成完整的后行洞钢拱架结构。
前述的连拱隧道中墙钢架布设方法中，所述钢拱架结构包括有上部钢架、中部钢架、下部钢架和仰拱钢架，钢架在洞外按照设计要求加工成型，洞内安装在初喷混凝土之后进行，安装时钢架与定位系筋、锚杆连接，放样时根据工艺要求预留焊接收缩余量和切割的加工余量。
前述的连拱隧道中墙钢架布设方法中，所述方法具体包括：
A.针对先行洞的开挖首先按照设计要求进行相应超前支护，然后开挖先行洞①部，施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，包括架立上部钢架和临时钢架，上部钢架预留焊接点，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测；
B.在滞后于上台阶一段距离后，利用上一循环架立的钢架施作②部、③部隧道侧壁注浆小导管及导坑侧壁水平锚杆超前支护，错开开挖②部和③部，施作②部和③部导坑周边的初期支护和临时支护，包括施作中部钢架、中部钢架与上部钢架进行焊接，最后再开挖中台阶④部，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测；
C.在滞后于中台阶一段距离后，利用上一循环架立的钢架施作⑤部、⑥部隧道侧壁注浆小导管及导坑侧壁水平锚杆超前支护,错开开挖下台阶⑤部和⑥部，施作⑤部和⑥部导坑周边的初期支护和临时支护，包括施作下部钢架、下部钢架与中部钢架进行焊接，最后再开挖中台阶⑦部，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测，初期支护稳定后施作二次衬砌，共用边墙开挖过程中，将后行洞靠近共用边墙的下部钢架预埋至其中；
D.待隧道仰拱开挖完毕后，安装仰拱钢架并与下部钢架进行焊接，使得该断面钢架形成一个完整的钢拱架结构，并铺设钢筋，填充混凝土，然后开始施作下一循环；
E.待先行洞掘进一段距离后，按照先行洞的施工方法开挖后行洞，开挖后行洞⑨和⑩部后，施作中部钢架，其中靠近共用边墙的中部钢架底端直接与前期预埋的下部钢架外露出来的顶端焊接，开挖后行洞
和
部后，不再施作靠近共用边墙的下部钢架，仰拱开挖完毕后，仰拱钢架靠近共用边墙一端直接与前期预埋的下部钢架外露出来的底端焊接。
前述的连拱隧道中墙钢架布设方法中，各洞相邻钢拱架结构之间间隔60cm～70cm。
前述的连拱隧道中墙钢架布设方法中，先行洞掌子面与后行洞掌子面之间的距离≤50m。
前述的连拱隧道中墙钢架布设方法中，后行洞的钢拱架结构设置在先行洞相邻钢拱架结构的中间位置。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明改变连拱、无中隔墙隧道钢拱架传统搭接方式，利用双洞钢拱架结构错位布设方式，改变传统钢拱架结构搭接产生集中受力的形式，双连拱隧道的先行洞和后行洞均有各自独立的钢拱架，先行洞每榀钢拱架上不再受到集中力作用，这种受力形式更有利于隧道结构的稳定，使隧道结构受力更为合理，使隧道施工更加安全，保证隧道后期安全运营。
后行洞与先行洞叠合部位的钢拱架从原预留焊接处直接落底，使得后行洞钢拱架结构材料有所增加，但各洞的钢拱架结构间距可由常规的50cm调整为60cm～70cm，这样各洞室受力更明确，更加符合隧道均布受力设计理念，安全性更好，而且钢拱架结构间距调整后成本降低，更加经济。
本方法综合考虑了隧道断面的面积、地质情况、施工的速度、以及经济成本等因素对修建隧道的影响，从而提出控制因素、施工要点，制定出详细的施工步骤、工艺；同时通过对施工后的沉降变形和应力-应变进行现场监测，实时反馈和校验隧道施工质量，满足隧道的施工速度、承载、变形量的要求，保障了隧道在施工过程中安全、可靠运行。
本发明的方法很好地解决了连拱隧道传统钢拱架设计导致隧道开裂的问题，且结构简单，安全可靠、灵活、经济效益显著。
本方法是在连拱隧道传统钢拱架设计的理论基础上进行改进的，它的突出优势在于改变隧道钢拱架受力形式，使得隧道钢拱架受力更为合理，更有效的参与抵抗围岩变形，将钢拱架的承载能力发挥到最大。对以后连拱隧道尤其是无中隔墙连拱隧道施工有很好的借鉴作用。
附图说明
附图1为本发明连拱隧道施工横断面图；
附图2为本发明连拱隧道施工平面图；
附图3为本发明上台阶开挖施工示意图；
附图4为本发明中台阶开挖施工示意图；
附图5为本发明下台阶开挖施工示意图；
附图6为本发明钢拱架形成整体的施工示意图；
附图7为本发明先行洞钢拱架施工完成图；
附图8为本发明后行洞钢拱架施工完成图；
附图9为传统方法围岩数值计算位移云图；
附图10为本发明方法围岩数值计算位移云图；
附图11为传统方法围岩数值计算应力云图；
附图12为本发明方法围岩数值计算应力云图；
附图13为传统方法钢拱架数值计算位移云图；
附图14为本发明方法钢拱架数值计算位移云图；
附图15为传统方法钢拱架数值计算受力云图；
附图16为本发明方法钢拱架数值计算受力云图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例
一种连拱隧道中墙钢架布设方法，连拱隧道的双洞中各自设置独立的钢拱架结构，先行洞与后行洞的钢拱架结构错开独立设置，在先行洞开挖过程中，把后行洞靠近共用边墙一侧的下部钢架预埋至先行洞共用边墙中，待后行洞开挖时，将预埋的下部钢架与后行洞钢拱架结构其它部位钢架固定，从而构成完整的后行洞钢拱架结构。
钢拱架结构包括有上部钢架、中部钢架、下部钢架和仰拱钢架。钢架在洞外按照设计要求加工成型，洞内安装在初喷混凝土之后进行，为保证钢架的整体稳定性和有效性，安装时钢架与定位系筋、锚杆连接。放样时根据工艺要求预留焊接收缩余量和切割的加工余量。
连拱隧道的先行洞和后行洞分别划分为上、中、下三个台阶，其中中、下台阶又分为左、中、右三部，共计七个区域，根据开挖顺序先行洞依次编号为①—⑦部，后行洞依次编号为⑧—
部。总体施工顺序如1和图2所示。
先行洞和后行洞的具体施工方法为：
A.如附图3所示，针对先行洞的开挖首先按照设计要求进行相应超前支护，然后开挖先行洞①部，施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，包括初喷混凝土、铺设钢筋网、架立上部钢架和架设临时钢架。上部钢架预留焊接点，并设锁脚锚杆和定位锚杆，安设工字钢横撑。钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测。
B.如附图4所示，在滞后于上台阶一段距离后，利用上一循环架立的钢架施作②部、③部隧道侧壁注浆小导管及导坑侧壁水平锚杆超前支护。错开开挖②部和③部，施作②部和③部导坑周边的初期支护和临时支护：包括初喷混凝土、铺设钢筋网、施作中部钢架、中部钢架与上部钢架进行焊接、架设临时钢架、并设锁脚锚杆和定位锚杆、安设工字钢横撑。最后再开挖中台阶④部，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测。
C.如附图5所示，在滞后于中台阶一段距离后，利用上一循环架立的钢架施作⑤部、⑥部隧道侧壁注浆小导管及导坑侧壁水平锚杆超前支护。错开开挖下台阶⑤部和⑥部，施作⑤部和⑥部导坑周边的初期支护和临时支护：包括初喷混凝土、铺设钢筋网、施作下部钢架、下部钢架与中部钢架进行焊接、架设临时钢架、并设锁脚锚杆和定位锚杆、安设工字钢横撑。最后再开挖中台阶⑦部，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测。先行洞与后行洞的共用边墙开挖过程中，将后行洞靠近共用边墙的下部钢架预埋至共用边墙中。预埋的后行洞下部钢架通过定位系筋、锚杆，以及复喷混凝土固定住。
D.如附图6所示，待隧道仰拱开挖完毕后，安装仰拱钢架并与下部钢架进行焊接，使得该断面钢架形成一个完整的钢拱架结构，并铺设钢筋，填充混凝土，然后开始施作下一循环。
E.待先行洞掘进40m后，按照先行洞的施工方法开挖后行洞。开挖过程中，以下几个方面与先行洞的施工稍有不同。
(1)开挖后行洞⑨部过程中，会使得前期预埋至共用边墙中的下部钢架顶端外露出来。开挖后行洞⑨和⑩部后，施作中部钢架，其中靠近共用边墙的中部钢架底端直接与预埋的下部钢架外露出来的顶端焊接；
(2)开挖后行洞
和
部后，不再施作靠近共用边墙的下部钢架；
(3)仰拱开挖完毕后，会使得前期预埋至共用边墙中的下部钢架底端外露出来。施作仰拱钢架时，其靠近共用边墙一端直接与预埋的下部钢架外露出来的底端焊接。
先行洞与后行洞的钢拱架结构施工完成后如图7和图8所示。
施工过程中各洞相邻钢拱架结构之间间隔60cm～70cm。
先行洞掌子面与后行洞掌子面之间的距离≤50m。
后行洞的钢拱架结构设置在先行洞相邻钢拱架结构的中间位置。
数值模拟
下面通过有限元数值模拟软件对连拱隧道钢拱架传统布设方法和此新方法进行数值分析，两种布设方法的围岩变形及应力计算结果如图9-12所示：
由图9和图10可知，传统布设方法和新方法的围岩最大位移值分别为：1.27×10-2m和4.36×10-3m，计算结果表明，新方法的围岩变形位移最大值比传统布设方法小65.67％。这说明，随着布设方法的变更，新方法更能有效的控制围岩变形。
由图11和图12可知，传统布设方法和新方法的围岩应力最大值分别为：666kN/m2和329kN/m2，计算结果表明，新方法的围岩应力最大值比传统布设方法小50.60％。
两种布设方法的钢拱架变形及应力计算结果如图13-16所示：
由图13和图14可知，传统布设方法和新方法的钢拱架最大位移值分别为：1.27×10-2m和4.28×10-3m，计算结果表明，新方法的钢拱架变形位移最大值比传统布设方法小66.30％。
由图15和图16可知，传统布设方法和新方法的钢拱架受力最大值分别为：243kN和312kN，计算结果表明，新方法的钢拱架受力最大值比传统布设方法大22.12％。这说明，随着布设方法的变更，钢拱架更能有效的提供围岩变形后的支承力，有效的发挥钢拱架的作用。
Claims (4)
1.一种连拱隧道中墙钢架布设方法，其特征在于：连拱隧道的双洞各自设置独立的钢拱架结构，先行洞与后行洞的钢拱架结构错开设置，在先行洞开挖过程中，把后行洞靠近共用边墙一侧的下部钢架预埋至先行洞共用边墙中，待后行洞开挖时，将预埋的下部钢架与后行洞钢拱架结构其它部位钢架固定，从而构成完整的后行洞钢拱架结构；
所述钢拱架结构包括有上部钢架、中部钢架、下部钢架和仰拱钢架，钢架在洞外按照设计要求加工成型，洞内安装在初喷混凝土之后进行，安装时钢架与定位系筋、锚杆连接，放样时根据工艺要求预留焊接收缩余量和切割的加工余量；
所述方法具体包括：
A.针对先行洞的开挖首先按照设计要求进行相应超前支护，然后开挖先行洞①部，施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，包括架立上部钢架和临时钢架，上部钢架预留焊接点，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测；
B.在滞后于上台阶一段距离后，利用上一循环架立的钢架施作②部、③部隧道侧壁注浆小导管及导坑侧壁水平锚杆超前支护，错开开挖②部和③部，施作②部和③部导坑周边的初期支护和临时支护，包括施作中部钢架、中部钢架与上部钢架进行焊接，最后再开挖中台阶④部，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测；
C.在滞后于中台阶一段距离后，利用上一循环架立的钢架施作⑤部、⑥部隧道侧壁注浆小导管及导坑侧壁水平锚杆超前支护,错开开挖下台阶⑤部和⑥部，施作⑤部和⑥部导坑周边的初期支护和临时支护，包括施作下部钢架、下部钢架与中部钢架进行焊接，最后再开挖中台阶⑦部，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，同时进行施工监控量测，共用边墙开挖过程中，将后行洞靠近共用边墙的下部钢架预埋至其中；
D.待隧道仰拱开挖完毕后，安装仰拱钢架并与下部钢架进行焊接，使得该断面钢架形成一个完整的钢拱架结构，并铺设钢筋，填充混凝土，然后开始施作下一循环；
E.待先行洞掘进一段距离后，按照先行洞的施工方法开挖后行洞，开挖后行洞⑨和⑩部后，施作中部钢架，其中靠近共用边墙的中部钢架底端直接与前期预埋的下部钢架外露出来的顶端焊接，开挖后行洞⑫和⑭部后，不再施作靠近共用边墙的下部钢架，仰拱开挖完毕后，仰拱钢架靠近共用边墙一端直接与前期预埋的下部钢架外露出来的底端焊接。
2.根据权利要求1所述的连拱隧道中墙钢架布设方法，其特征在于：各洞相邻钢拱架结构之间间隔60cm～70cm。
3.根据权利要求1所述的连拱隧道中墙钢架布设方法，其特征在于：先行洞掌子面与后行洞掌子面之间的距离≤50m。
4.根据权利要求1所述的连拱隧道中墙钢架布设方法，其特征在于：后行洞的钢拱架结构设置在先行洞相邻钢拱架结构的中间位置。
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