CN211370427U - 一种大断面隧道复合式衬砌结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于隧道技术领域，具体涉及一种大断面隧道复合式衬砌结构，包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架，每榀钢架均沿隧道轮廓线弯折形成环形；预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多根钢管；多根钢管通过多榀钢架固定于隧道净空轮廓的外侧，且相邻两根钢管之间通过一对钢板连接；钢架之间、钢架内、钢管内以及每对钢板之间均填充有混凝土。本实用新型的大断面隧道复合式衬砌结构的刚度大，有利于大断面隧道结构变形控制和地表沉降控制；通过预支护结构提供较大支撑力，提高施工期隧道开挖的安全性和施工速度，且在开挖后将超前预支护结构承载力转化为永久承载结构，可减少衬砌厚度和永久结构工程量，显著提高结构经济性。

Description

一种大断面隧道复合式衬砌结构

技术领域

本实用新型属于隧道施工技术领域，具体涉及一种大断面隧道复合式衬砌结构。

背景技术

大断面隧道由于其开挖跨度大，结构内力大，开挖分步多从而导致施工时风险大，工序多，工期长，成为隧道工程中的控制性节点。目前，针对大断面隧道，主要是通过采用多种预加固措施，通过将开挖面分割成多块减小每次开挖跨度，多工序协调有序分工提高施工安全性和施工进度。以图1所示的一种大断面隧道施工方法为例，施工时需要先在开挖范围上部打设管棚100，而后对两侧的导坑先进行开挖，待开挖完成后迅速设置位于隧道轮廓上的初期支护和位于隧道内侧的临时支护，然后分步开挖中间的部分，每完成一步开挖需马上施作钢架体200和临时支护300，且临时支护通过超前小导管500加固。待全断面开挖完成后再拆去位于隧道内的临时支护300及超前小导管500，并浇筑二次衬砌400，完成一个开挖循环。现有的其他施工方法与此类似，仅仅是在开挖面分割方式和超前加固措施上有所差异。

上述方法虽然可以解决大断面隧道的开挖安全问题，但是存在以下问题：1）预支护施工工序时间较长，且费用较高，而在结构施工完成后不能为结构提供承载力；2）分步开挖工序之间相互干扰，且操作空间狭小，工序耗时较一般开挖方法多，施工进度较慢；3）初期支护架设成环较晚，不利于控制结构变形，特别是在软弱地层中，局部变形难以有效控制，最后导致隧道净空侵限；4）由于初期支护刚度较低，最终形成的衬砌以二次衬砌受力为主，导致衬砌厚度较大，开挖轮廓增加，结构不经济。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种大断面隧道复合式衬砌结构，将超前预支护结构承载能力转化为永久承载结构，充分利用临时支护的承载能力，可减少衬砌厚度，降低成本，加快施工进度。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种大断面隧道复合式衬砌结构，包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架，每榀所述钢架均沿隧道轮廓线弯折形成环形；所述预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多根钢管；多根钢管通过多榀钢架固定于隧道净空轮廓的外侧，且相邻两根钢管之间通过一对钢板连接；所述钢架之间、所述钢架内、所述钢管内以及每对钢板之间均填充有混凝土。

进一步地，各所述钢管靠近隧道净空轮廓的一侧通过U型槽钢与多榀钢架连接，且所述U型槽钢的槽口朝向所述钢管，所述U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与所述钢管连接，所述U型槽钢的外槽底与所述钢架连接。

更进一步地，所述U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与所述钢管满焊连接。

更进一步地，所述U型槽钢位于每对钢板中的靠近所述钢架的钢板与所述钢架之间。

进一步地，所述钢架的隧道侧设有二次衬砌。

进一步地，所述钢管的直径为1～2m。

进一步地，相邻两根钢管之间的距离为0.3～0.5m。

进一步地，相邻两榀钢架之间的距离为0.3～0.5m。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型提供的大断面隧道复合式衬砌结构的刚度大，有利于大断面隧道结构变形控制和地表沉降控制；

（2）本实用新型采用沿隧道开挖轮廓设置的一圈大尺寸钢管作为隧道的预支护结构，并在钢管内灌注混凝土，可以提供较大的支撑力，有效支撑隧道四周的土岩荷载，能够简化分步开挖工序，提高施工期隧道开挖的安全性和施工速度；

（3）本实用新型在开挖前将钢管与钢管之间通过钢板对连接，形成环形支护结构；并在开挖后，将钢管与钢架焊接，并填充混凝土密实结合形成复合式衬砌结构，将超前预支护结构承载能力转化为永久承载结构，减少了隧道衬砌的临时支护和永久结构工程量，可减少衬砌厚度，显著提高结构经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型背景技术中提供的现有的大断面隧道衬砌结构；

图2为本实用新型实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的钢管布置图；

图3为本实用新型实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的纵断面示意图；

图4为本实用新型实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的横断面示意图；

图5为本实用新型实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的钢管与钢架的焊接示意图；

图中：1、钢管，2、隧道净空轮廓，3、钢架，4、钢架之间的间隙，5、岩土体，6、开挖面，7、U型槽钢，8、钢板，9、混凝土，100、管棚，200、钢架体，300、临时支护，400、二次衬砌。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

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；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图2-图4所示，本实用新型实施例提供一种大断面隧道复合式衬砌结构，包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架3，每榀所述钢架3均沿隧道轮廓线2弯折形成环形；所述预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多根钢管1；多根钢管1通过多榀钢架3固定于隧道净空轮廓2的外侧，且相邻两根钢管1之间通过一对钢板8连接；所述钢架3之间、所述钢架3内、所述钢管1内以及每对钢板8之间均填充有混凝土9。本实施例在开挖前，沿隧道开挖轮廓施工一圈钢管1作为隧道的预支护体系，且在钢管1内灌注混凝土9，可以提高结构刚度，有效支撑隧道四周的土岩荷载；然后将相邻钢管1之间通过一对钢板8连接，使得钢管1与钢板8在隧道净空轮廓2外形成环形支护结构；并在开挖后将每个钢管1均与多榀钢架3焊接，并与一定厚度的混凝土9结合形成复合式衬砌结构，不仅充分利用了钢管1的支护强度，提高结构经济性，并且可以构成永久承载结构，显著提高衬砌施工速度，有效控制结构变形。

进一步地，如图5所示，各所述钢管1靠近隧道净空轮廓2的一侧通过U型槽钢7与多榀钢架3连接，且所述U型槽钢7的槽口朝向所述钢管1，所述U型槽钢7的内槽底和两个槽壁均与所述钢管1连接，所述U型槽钢7的外槽底与所述钢架3连接。在环形支护结构的保护下，视地层条件可采用全断面开挖或台阶法开挖，也可以分多个开挖面6开挖，每开挖一定深度，立即施作由钢架3和混凝土9组成的复合式衬砌，并将每榀钢架3通过U型槽钢7与超前支护的钢管1焊接成一个整体，形成纵横梁体系，快速构成永久承载结构，提高施工速度。

更进一步地，所述U型槽钢7的内槽底和两个槽壁均与所述钢管1满焊连接，提高两者的连接强度，从而提高结构的刚度。更进一步地，所述U型槽钢7位于每对钢板8中的靠近所述钢架3的钢板8与所述钢架3之间，如图5所示，每对钢板8的两块钢板8分别位于与该对钢板8连接的两根钢管1的中心连线的两侧，而U型槽钢7的侧壁位于每对钢板8中的靠近所述钢架3的那块钢板8与钢架3之间。

进一步地，所述钢架3的隧道侧设有二次衬砌。本实施例中根据需要可以加设二次内衬，也可以不加设二次内衬；同时，填充的混凝土可以采用喷射混凝土，也可以用模筑混凝土代替。

进一步地，所述钢管1的直径为1～2m；相邻两根钢管1之间的距离为0.3～0.5m；相邻两榀钢架3之间的距离为0.3～0.5m。本实施例采用大尺寸钢管1作为预支护结构，并在钢管1中填充混凝土9，可以提供较大的支撑力，能够简化分步开挖工序，提高施工期隧道开挖的安全性和施工速度。

针对现有技术在大断面隧道开挖工序多、工期长、结构刚度不足、衬砌结构不经济等问题，本实施例还提供上述的大断面隧道复合式衬砌的施工方法，包括如下步骤：

1）在隧道开挖前，采用顶管法或盾构法施工沿隧道长度方向布置的钢管1，且多个钢管1沿隧道轮廓线间隔布置，在钢管1内灌注混凝土9，并预留复合式衬砌施作空间，如图2所示；

2）钢管1全部施工完成后，将钢管1之间的夹土逐一清除，然后在相邻的两个钢管1间设置一对钢板8，并将钢板8与钢管1焊接牢固，使开挖轮廓外的大直径钢管1与钢板8形成整环支护结构，然后将每对钢板8之间的空隙用混凝土9填充密实，如图4所示；

3）在形成的整环支护结构的保护下，进行隧道开挖，视地层条件可采用全断面开挖或台阶法开挖，也可以分多个开挖面6开挖，如图3所示；

4）在每一循环开挖完成后，将钢管1靠近隧道侧设置U型槽钢7，并将U型槽钢7的内槽底和两个槽壁均与对应的钢管1通过满焊焊接固定，然后架设钢架3，将U型槽钢7的外槽底和钢架3焊接牢固，使之形成纵横梁体系，共同承受岩土荷载，如图4和图5所示；

5）钢架3架设完成后，采用混凝土9将钢架3内的空隙填充密实，混凝土9可采用喷射混凝土或模筑混凝土，其强度应满足相关规范；

6）按照以上步骤，最终形成纵向钢管1、钢架3和混凝土9共同构成的复合式衬砌结构；其中，钢架3之间应采用混凝土9密实填充，复合式衬砌强度和刚度应通过计算确定，并满足相关规范和施工运营安全要求。

7）待混凝土9达到设计强度后，视工程需要可选择施工二次衬砌或者不施工二次衬砌。

本实施例在开挖前，沿隧道开挖轮廓施工一圈钢管1作为隧道的预支护体系，且在钢管1内灌注混凝土9，可以提高结构刚度，有效支撑隧道四周的土岩荷载，能够简化分步开挖工序，提高施工期隧道开挖的安全性和施工速度；待钢管1架设完毕后，将钢管1之间的夹土逐一清楚，然后将相邻钢管1之间通过一对钢板8横向连接，并将钢管1与钢板8焊接，使得钢管1与钢板8在隧道净空轮廓2外形成环形支护结构，并在每对钢板之间的空隙中浇筑混凝土；然后在环形支护结构的保护下开挖，将多榀钢架3通过U型槽钢7与超前支护的每个钢管1焊接，并与一定厚度的混凝土9结合形成复合式衬砌结构，将超前预支护结构承载能力转化为永久承载结构，减少了隧道衬砌的临时支护和永久结构工程量，可减少衬砌厚度，显著提高结构经济性，并且可以显著提高衬砌施工速度，有效控制结构变形；本实施例在保障大断面隧道施工安全的前提下，可以解决大断面隧道施工工序多，工期长，造价高，初期支护刚度较弱，结构不经济等问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架，每榀所述钢架均沿隧道轮廓线弯折形成环形；所述预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多根钢管；多根钢管通过多榀钢架固定于隧道净空轮廓的外侧，且相邻两根钢管之间通过一对钢板连接；所述钢架之间、所述钢架内、所述钢管内以及每对钢板之间均填充有混凝土。

2.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：各所述钢管靠近隧道净空轮廓的一侧通过U型槽钢与多榀钢架连接，且所述U型槽钢的槽口朝向所述钢管，所述U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与所述钢管连接，所述U型槽钢的外槽底与所述钢架连接。

3.如权利要求2所述的一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：所述U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与所述钢管满焊连接。

4.如权利要求2所述的一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：所述U型槽钢位于每对钢板中的靠近所述钢架的钢板与所述钢架之间。

5.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：所述钢架的隧道侧设有二次衬砌。

6.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：所述钢管的直径为1～2m。

7.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：相邻两根钢管之间的距离为0.3～0.5m。

8.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌结构，其特征在于：相邻两榀钢架之间的距离为0.3～0.5m。

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