CN211950517U - 一种约束桩及用于控制隧底变形的整体式结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及隧道变形控制领域，具体涉及一种约束桩及用于控制隧底变形的整体式结构，其中约束桩包括钢管和若干主筋，钢管和主筋的轴向均沿约束桩延伸方向设置，若干主筋分布固定在钢管外侧；整体式结构包括仰拱结构和上述约束桩，仰拱结构包括依次设置的仰拱初支、仰拱二衬及仰拱填充，仰拱二衬与仰拱填充为整体钢筋混凝土浇筑结构，约束桩连接仰拱结构与隧道底部。本实用新型一方面将原仰拱填充与仰拱二衬结构合为整体，都采用钢筋混凝土浇筑，从内部条件增强了仰拱结构的刚度和抗裂性能；另一方面通过设置约束桩连接仰拱与隧道底部，抵抗下部应力，从外部条件增加了仰拱结构的抗拔能力，并提供足够的承载能力，降低隧底变形的可能性。

Description

一种约束桩及用于控制隧底变形的整体式结构

技术领域

本实用新型涉及隧道变形控制领域，特别是一种约束桩及用于控制隧底变形的整体式结构。

背景技术

隧道四周不同程度地受到来自岩层的挤压力，隧道开挖后需要及时支护加固。在隧道底部施工仰拱时，如图1，首先对隧底开挖土层初喷混凝土、设置仰拱钢架、复喷混凝土，进行仰拱初支10；然后在初支结构的基础上设置仰拱钢筋，并浇筑混凝土，进行仰拱二衬20。其中，仰拱二衬20环向钢筋与拱墙钢筋进行有效连接，使仰拱与拱墙形成隧道整体。待仰拱二衬20混凝土终凝后，再施作仰拱填充30；仰拱填充30作为一种仅传递路面荷载的结构，一般采用低等级素混凝土进行浇筑。

在挤压性大变形隧道修建过程中，由于来自隧道底部方向的挤压力，仰拱二衬20及仰拱填充30不可避免的会出现隆起、开裂等变形情况。通过对运营隧道仰拱隆起的调查中可以发现：第一，对于高地应力软弱围岩段落隧道的仰拱结构整体隆起现象较为突出；第二，仰拱二衬20部分多为钢筋混凝土结构，未见明显的破坏现象，但素混凝土浇筑的仰拱填充30更容易出现开裂现象。

为解决高地应力软岩变形段落隧底变形的问题，以往主要通过调整隧底矢跨比、注浆加固围岩和在隧底增设锚杆(索)等方法来控制变形。

其中，优化矢跨比，是通过调整隧道轮廓使其更接近圆形，从而改善结构受力条件；但其受开挖宽度和经济性等条件约束，对抑制隧底变形能力有限。注浆加固围岩，主要是通过改善围岩物理力学指标，来提升围岩承载能力；但在挤压性大变形地段，由于高地应力的作用，围岩被挤压得非常密实，注浆效果很差，故控制仰拱变形能力有限；甚至会在软岩地带因注浆导致围岩进一步软化，产生更大的施工风险。而在隧底增设锚杆(索)的缺陷在于：锚杆受拉承载力有限，控制隆起效果不佳，且长锚杆施做困难；锚索虽然能提供较大的受拉承载力，但对于软岩沉降控制能力弱，且一旦锚固端松动会导致锚索失效，不适用高地应力软岩大变形地段的施工。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术底控制高地应力软岩变形段落隧道仰拱变形的效果不佳的问题，提供一种约束桩及用于控制隧底变形的整体式结构，能够适用于高地应力软岩大变形地段隧道变形控制。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供一种约束桩，它是钢筋混凝土结构，包括约束桩钢筋笼，所述约束桩钢筋笼包括钢管和若干主筋，所述钢管的轴向和所述主筋的轴向均沿约束桩延伸方向设置，若干所述主筋分布固定在所述钢管外侧。约束桩内部空隙用于灌注混凝土，一部分深层锚固在隧底，提高承载力；另一部分用于与仰拱结构连为一体，提供拉力。约束桩将仰拱结构与隧道底部紧密连接，防止仰拱上浮，约束变形。

设计约束桩时，一方面，根据实际施工中初支钢架间距和钢架翼缘板宽度限制，约束桩直径不宜过大，小于或者等于300mm更为合适；另一方面，桩径小的约束桩有利于减小隧底变形。但是，由于约束桩的孔径较小，导致施作环形箍筋较为困难，故本实用新型利用钢管代替一般钢筋笼中的环形箍筋。

优选地，所述钢管包括若干段，若干段所述钢管沿所述约束桩延伸方向平行设置，所述主筋均匀分布在若干段所述钢管外侧。钢管分为若干段，可直接向钢管内部注浆，便于施工，还节约材料。

优选地，相邻两段所述钢管之间距离47cm-53cm。合理分布钢管之间的距离，节约材料的同时，保证约束桩的结构强度。

优选地，所述钢管为长4cm-6cm的无缝钢管。长度合适，结构稳定、强度好。

优选地，所述主筋的顶端呈折弯状。折弯状的顶端可用于与仰拱结构中的钢筋绑扎牢固，连接性更好，还可防止主筋顶端应力集中，以减小变形。

本实用新型又提供一种用于控制隧底变形的整体式结构，包括仰拱结构和上述约束桩，所述仰拱结构包括从下到上依次设置的仰拱初支、仰拱二衬及仰拱填充，所述仰拱二衬与所述仰拱填充为整体钢筋混凝土浇筑结构，所述约束桩连接所述仰拱结构与隧道底部。

一方面将原仰拱填充与仰拱二衬结构合为整体，采用钢筋混凝土整体式浇筑，从内部条件增强了仰拱结构的刚度和抗裂性能；另一方面通过设置约束桩将整体式仰拱结构与隧道底部紧密连接，抵抗下部应力的同时又提供拉力，防止仰拱上浮，从外部条件增加了仰拱结构的抗拔能力，具有足够的承载能力，降低隧底变形的可能性。

优选地，所述约束桩与所述仰拱结构为一体结构。将仰拱结构与隧道底部之间紧密连接，减小变形。

优选地，所述约束桩包括若干个，沿隧道的横向方向和/或纵向方向，相邻两个所述约束桩每隔1.5m-2m设置。约束桩的间距需要根据围岩参数，地应力等条件进行计算得出，进而选择合适的布置方式，使抵抗下部应力的效果更佳。

优选地，所述仰拱初支包括依次设置的初喷混凝土结构、钢架和复喷混凝土结构，所述初喷混凝土结构的厚度为3cm-5cm，所述复喷混凝土结构覆盖所述钢架的厚度超过3cm。其中，所述钢架优选抗扭性能更好的HW型钢。增加结构安全度，方便施工。

施工时，包括以下步骤：

A.在隧底对开挖仰拱部分进行初期支护；

B.施作上述约束桩，在隧底钻取约束桩桩孔，将约束桩钢筋笼部分结构放入所述桩孔中，然后向所述桩孔灌注砂浆；

C.在原仰拱二衬及仰拱填充结构范围，分层绑扎钢筋，同时连接约束桩钢筋笼，整体式浇筑混凝土。

本实用新型对来自隧道底部的挤压力影响仰拱结构变形得到有效控制，避免了现有技术中分层浇筑结构间可能发生隆起、开裂等变形，减少仰拱填充表面开裂的情况，保证行车运营安全。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过设置约束桩控制基底变形，既能提供充足的抗拔力，也能提高基底承载能力，相对隧底设置锚索仅能提供抗拔能力有较大的优势。

2、本实用新型通过对仰拱填充和仰拱二衬结构形式的改造，并在原仰拱填充范围内配置受力钢筋，能够有效的加大仰拱结构刚度，抑制仰拱填充面开裂变形等病害发生。

3、本实用新型控制隧底变形的效果好，能够适用于高地应力软岩大变形地段隧道变形控制。

附图说明

图1是现有技术隧道仰拱的结构示意图。

图标：10-仰拱初支；20-仰拱二衬；30-仰拱填充。

图2是约束桩钢筋笼的立体示意图。

图3是约束桩的横截面示意图。

图4是整体式仰拱结构的断面示意图。

图5是整体式仰拱结构施工工序图。

图6是约束桩施工工序图。

图标：1-仰拱初支；2-仰拱二衬；3-仰拱填充；4-约束桩；41-桩孔；42-主筋；43-钢管；44-注浆管。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种约束桩4，为钢筋混凝土结构。如图2、3，约束桩4包括约束桩钢筋笼，约束桩钢筋笼包括若干小段钢管43和若干条主筋42，钢管43轴向和主筋42轴向均沿约束桩4延伸方向设置，若干小段的钢管43沿约束桩4延伸方向平行设置，若干主筋42均匀分布并焊接固定在钢管43外侧，利用钢管43代替环形箍筋的作用。

约束桩4一部分深层锚固在隧底，内部空隙灌注高强度砂浆，加强约束桩4的自身强度，提高承载力；为保证约束桩4与仰拱形成整体结构，另一部分未嵌入隧道底部范围的结构，用于与仰拱结构一同浇筑施工，提供拉力。

为约束桩4制作钢筋笼时，其主筋42长度等于桩长(埋入隧道底部范围的钢筋长度)加埋入仰拱范围内的钢筋长度。

具体地，如图2，相邻两段钢管43之间间距50cm左右，钢管43选取长约5cm的无缝钢管43，结构强度好，并节约了材料。主筋42的顶端呈折弯状。折弯状的顶端可用于与仰拱结构中的钢筋绑扎牢固，连接性更好，还可防止主筋42顶端应力集中，以减小变形。

约束桩4将仰拱结构与隧道底部紧密连接，防止仰拱上浮，约束变形。

设计约束桩4时，一方面，根据实际施工中初支钢架间距和钢架翼缘板宽度限制，约束桩4直径不宜过大，小于或者等于300mm更为合适；另一方面，桩径小的约束桩4有利于减小隧底变形。但是，由于约束桩4的孔径较小，导致施作环形箍筋较为困难，故本实施例利用钢管43代替一般钢筋笼中的环形箍筋。

实施例2

基于实施例1，本实施例提供一种用于控制隧底变形的整体式结构，如图4，包括仰拱结构和上述约束桩4，仰拱结构包括从下到上依次设置的仰拱初支1、仰拱二衬2及仰拱填充3，仰拱二衬2与仰拱填充3为整体钢筋混凝土浇筑结构，约束桩4连接仰拱结构与隧道底部。

本实用新型一方面将原仰拱填充3与仰拱二衬2结构合二为一，作为整体式仰拱，采用钢筋混凝土整体式浇筑，从内部条件增强了仰拱结构的刚度和抗裂性能；另一方面通过设置约束桩4将整体式仰拱结构与隧道底部紧密连接，抵抗下部应力的同时又提供拉力，防止仰拱上浮，从外部条件增加了仰拱结构的抗拔能力，具有足够的承载能力，降低隧底变形的可能性。

具体地，约束桩4与仰拱结构为一体结构。将仰拱结构与隧道底部之间紧密连接，减小变形。

约束桩4包括若干个，沿隧道的横向方向和/或纵向方向，相邻两个约束桩4每隔1.5m-2m设置。约束桩4的间距需要根据围岩参数，地应力等条件进行计算得出，进而选择合适的布置方式，使抵抗下部应力的效果更佳。

仰拱初支1包括依次设置的初喷混凝土结构、钢架和复喷混凝土结构，初喷混凝土结构的厚度为3cm-5cm，复喷混凝土结构覆盖钢架的厚度超过3cm；增加结构安全度，方便施工。其中，钢架采用抗扭性能好的HW型钢，以增加仰拱初支1刚度。

实施例3

为有效的保证软岩大变形地段隧道开挖变形控制和仰拱结构的顺利施作，基于上述实施例，本实施例提供一种控制隧底变形的施工方法，如图3-图6所示，包括以下步骤：

步骤S01：隧道拱墙开挖并完成拱墙初期支护。

步骤S02：在隧底进行仰拱开挖，并完成初期支护，即仰拱初支1结构。施工时，应尽量跟进拱墙开挖支护，使得初期支护尽快封闭成环，拱墙施工与隧底仰拱施工之间的施工距离一般建议控制在10m以内。

步骤S03：施作约束桩4，在隧底钻取约束桩4的桩孔41，将约束桩钢筋笼部分结构放入对应桩孔41中，然后向对应桩孔41灌注砂浆。

步骤S04：如图4，在原仰拱二衬2及仰拱填充3结构范围，分层绑扎钢筋：仰拱二衬2范围的环向钢筋仍与拱墙环向钢筋进行连接，在原仰拱填充3范围分层配置受力钢筋并锚入仰拱二衬2范围内，并将钢筋与约束桩钢筋笼绑扎连接，连同约束桩钢筋笼，整体式浇筑混凝土，以增大仰拱刚度。

步骤S05：待仰拱结构变形收敛后，再施作拱墙二衬。

具体地，步骤S02包括步骤：测量放样，爆破开挖，初喷混凝土，架设钢架并与拱墙钢架进行有效连接，钢架背后的间隙采用混凝土垫块充填密实，最后复喷混凝土至设计厚度。

在步骤S03中，如图6，具体地包括步骤：施工准备，测量放样，利用钻机按顺序在相应孔位处钻取桩孔41至设计深度，并清孔；然后按照将约束桩钢筋笼安放在隧底对应桩孔41处，在钢管43内设置注浆管44，利用注浆泵通过伸入孔底的注浆管44自下而上灌注高强水泥砂浆；起始注浆压力应控制在1.0～1.5MPa之间，工作压力宜为0.1～0.3MPa，浆液泛出孔口时停止注浆。待施作一定数量约束桩4后进行桩身质量检验。其中，钻孔宜采用干钻，避免施工用水浸泡基底围岩。清孔则采用大功率风机向孔底输送高压风，将孔底渣体吹出孔外。

本实施例对来自隧道底部的挤压力影响仰拱结构变形得到有效控制，避免了现有技术中分层浇筑结构间可能发生隆起、开裂等变形，减少仰拱填充3表面开裂的情况，保证行车运营安全。

以上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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种约束桩，它为钢筋混凝土结构，其特征在于，包括约束桩钢筋笼，所述约束桩钢筋笼包括竖向连接的钢管(43)和若干主筋(42)，所述钢管(43)和所述主筋(42)的轴向均沿约束桩(4)延伸方向设置，若干所述主筋(42)分布固定在所述钢管(43)外侧。

2.根据权利要求1所述的约束桩，其特征在于，所述钢管(43)包括若干段，若干段所述钢管(43)沿所述约束桩(4)延伸方向平行设置，所述主筋(42)均匀分布在若干段所述钢管(43)外侧。

3.根据权利要求2所述的约束桩，其特征在于，相邻两段所述钢管(43)之间距离47cm-53cm。

4.根据权利要求2所述的约束桩，其特征在于，每段所述钢管(43)长4cm-6cm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的约束桩，其特征在于，所述主筋(42)的顶端呈折弯状。

6.一种用于控制隧底变形的整体式结构，其特征在于，包括仰拱结构和如权利要求1-5任一项所述的约束桩(4)，所述仰拱结构包括从下到上依次设置的仰拱初支(1)、仰拱二衬(2)及仰拱填充(3)，所述仰拱二衬(2)与所述仰拱填充(3)为整体钢筋混凝土浇筑结构，所述约束桩(4)连接所述仰拱结构与隧道底部。

7.根据权利要求6所述的整体式结构，其特征在于，所述约束桩(4)与所述仰拱结构为一体结构。

8.根据权利要求6所述的整体式结构，其特征在于，所述约束桩(4)包括若干个，沿隧道的横向方向和/或纵向方向，相邻两个所述约束桩(4)之间的距离为1.5m-2m。

9.根据权利要求6-8任一项所述的整体式结构，其特征在于，所述仰拱初支(1)包括依次设置的初喷混凝土结构、钢架和复喷混凝土结构，所述初喷混凝土结构的厚度为3cm-5cm，所述复喷混凝土结构覆盖所述钢架的厚度超过3cm。

10.根据权利要求9所述的整体式结构，其特征在于，所述钢架为HW型钢。

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