方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系及施工方法
2023-05-09 03:17:31
方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系及施工方法
【專利摘要】本發明公開了方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系及施工方法，包括高強錨杆、注漿錨杆、注漿錨索及多個方鋼約束混凝土拱架，相鄰方鋼約束混凝土拱架之間用縱向梁連接，縱向梁上設置有錨杆孔，縱向梁錨杆通過錨杆孔穿過縱向梁再錨入到圍巖中，方鋼約束混凝土拱架與圍巖之間設有壁後充填層，縱向梁錨杆將方鋼約束混凝土拱架、壁後充填層與隧道圍巖連接在一起；高強錨杆、注漿錨杆、注漿錨索均在架設方鋼約束混凝土拱架之前進行施打。本發明適用於軟弱破碎圍巖隧道等地下工程的支護，具有強度高、穩定性好、受力合理等優點，能夠有效提高隧道開挖後初期支護強度，保證隧道圍巖穩定性。
【專利說明】方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系及施工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及隧道支護領域，尤其涉及方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系及施工方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國經濟社會的發展，大斷面公路、鐵路隧道修建越來越多，隨之面臨的支護問題也越來越突出。尤其是當隧道埋深、斷面設計較大，或是處於某些軟弱地層之中時，隧道圍巖鬆散破碎，開挖後圍巖自穩時間短，而傳統的錨杆、噴射混凝土或鋼拱架，不能及時提供足夠的初期支護抗力，而造成隧道圍巖變形嚴重甚至坍塌破壞，因此，為了維持圍巖穩定和保證隧道設計斷面，必須尋求一種高強的支護技術，以保證隧道在開挖後短時間內給圍巖提供強有力的支護。
[0003]隧道初期支護技術通常採用噴射混凝土、錨杆、鋼筋網和鋼拱架等單一或組合的結構形式。其中，現有隧道鋼拱架常由工字鋼拼接而成，主要用於圍巖條件較差的隧道支護，但是在一些圍巖應力非常高或是地質條件極為複雜的隧道中，傳統鋼拱架出現失穩破壞也是屢見不鮮，其支護強度也面臨著新的考驗與挑戰。而約束混凝土技術作為建築、橋梁工程中一種較為成熟的加固技術，其成本低廉，支護強度較高，應用較為廣泛，但是在隧道支護工程中該技術還未曾得到推廣。一般的，常用的約束混凝土結構主要包括圓鋼約束混凝土與方鋼約束混凝土兩種類型，與方鋼約束混凝土相比，若將圓鋼約束混凝土結構用於隧道支護，則會造成圓鋼管與圍巖表面形成線接觸，支架受力不合理，承載性能不能有效發揮；同時，圓鋼約束混凝土結構拼接較困難，增加現場施工難度，影響隧道掘進速度。因此，本發明選用方鋼約束混凝土結構，將該技術引入到隧道支護工程領域，代替現有傳統的工字鋼拱架，旨在提出一種適用於軟弱破碎圍巖的快速、經濟、高強的隧道初期支護形式，保證隧道開挖圍巖的穩定。
【發明內容】
[0004]為解決現有技術存在的不足，本發明針對現有隧道初期支護中鋼拱架支護強度不足的缺點，提出了一種高強、穩定、受力合理的適用於軟弱破碎圍巖隧道初期支護的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系及施工方法。本發明適用於軟弱破碎圍巖隧道等地下工程的支護，具有強度高、穩定性好、受力合理等優點，能夠有效提高隧道開挖後初期支護強度，保證隧道圍巖穩定性。
[0005]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0006]方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，包括高強錨杆、注漿錨杆、注漿錨索及多個方鋼約束混凝土拱架，相鄰方鋼約束混凝土拱架之間用縱向梁連接，縱向梁上設置有錨杆孔，縱向梁錨杆通過錨杆孔穿過縱向梁再錨入到圍巖中，方鋼約束混凝土拱架與圍巖之間設有壁後充填層，縱向梁錨杆將方鋼約束混凝土拱架、壁後充填層與隧道圍巖連接
在一起。[0007]所述高強錨杆、注漿錨杆、注漿錨索均在架設方鋼約束混凝土拱架之前進行施打。
[0008]所述方鋼約束混凝土拱架為與隧道形狀一致的封閉式結構。
[0009]所述方鋼約束混凝土拱架包括多段約束方鋼管，相鄰約束方鋼管之間通過方鋼約束混凝土拱架節點相連。
[0010]所述約束方鋼管內填充混凝土。
[0011]所述方鋼約束混凝土拱架節點包括焊接在方鋼管內側的內隔板及連接約束方鋼管的套筒，套筒外側設有雙U形加強護板。
[0012]所述縱向梁為箱型截面形狀的鋼梁。
[0013]所述相鄰方鋼約束混凝土拱架的對立側均設有縱向梁連接基座，縱向梁連接基座開孔與縱向梁連接處開孔一致，縱向梁與縱向梁連接基座之間通過螺栓連接。
[0014]所述縱向梁連接基座形狀為「L」形，縱向梁連接基座開孔為橢圓形。
[0015]所述壁後充填層包括掛設在縱向梁內側的鋼筋網，鋼筋網上鋪設高強高韌性防滲漏膜，壁後充填層內充填材料。
[0016]所述高強高韌性防滲漏膜每兩架鋪設一道，採用搭接的方式進行連接。
[0017]所述方鋼約束混凝土拱架表面焊接有掛設鋼筋網的多個掛鈎。
[0018]所述注漿錨索為高強中空注漿錨索，注漿錨杆、注漿錨索與高強錨杆交替斷面布置。
[0019]方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系的施工方法，包括以下步驟:
[0020]步驟一:開挖隧道左上方第一部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第一道方鋼約束混凝土拱架；
[0021]步驟二:開挖隧道左下方第二部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第二道方鋼約束混凝土拱架；
[0022]步驟三:開挖隧道右上方第三部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第三道方鋼約束混凝土拱架；
[0023]步驟四:開挖隧道右上方第四部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第四道方鋼約束混凝土拱架；
[0024]步驟五:施做底拱，完成約束混凝土拱架安裝；
[0025]步驟六:安裝方鋼約束混凝土拱架縱向梁，掛設鋼筋網並鋪設高強高韌性防滲漏膜後，補打縱向梁錨杆；
[0026]步驟七:方鋼約束混凝土拱架約束鋼管類材料內部混凝土填充；
[0027]步驟八:方鋼約束混凝土拱架壁後充填；
[0028]步驟九:完成方鋼約束混凝土拱架高強支護體系的安裝。
[0029]方鋼約束混凝土拱架的具體施做過程:
[0030]開挖圍巖後，首先採取措施封閉隧道掌子面，安裝臨時支護；其次，掛設鋼筋網、施打普通錨杆，並初噴混凝土 ；第三，施打注漿錨杆與注漿錨索，並進行注漿；第四，架設方鋼約束混凝土拱架，並施打鎖棚錨杆；最後，應施打下一階段超前支護。
[0031]方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，主要由高強錨杆、注漿錨杆、注漿錨索、鋼筋網、方鋼約束混凝土拱架、縱向梁與壁後充填層等組成，其施工工序為:隧道開挖後首先掛網施打高強錨杆，並進行混凝土初噴，然後施打注漿錨杆、注漿錨索並進行注漿加固，最後進行方鋼約束混凝土拱架壁後充填支護體系安裝。整個工序遵循「先控後固再抗」的支護原理，能夠充分改善圍巖力學特性，調動圍巖的自承能力。
[0032]方鋼約束混凝土拱架為與隧道形狀一致的封閉式結構，其間隔一定距離布置，相鄰拱架之間用縱向梁連接，縱向梁上設置有錨杆孔，錨杆穿過縱向梁再錨入到巖層中；拱架與圍巖之間採用壁後充填的方式形成一個緊貼圍巖表面的整體結構，並通過縱向梁錨杆將方鋼約束混凝土拱架、壁後充填層與隧道圍巖連接形成一個立體支護體系。
[0033]所述方鋼約束混凝土拱架由多段方鋼管等約束材料通過節點連接並填充混凝土而成，形狀與隧道斷面設計形狀一致。其中，核心混凝土可為普通混凝土或鋼纖維混凝土等材料。
[0034]所述拱架節點具體連接方式為:首先在節點處方鋼管內側提前焊接好內隔板，並用套筒將拱架進行連接，待套筒安裝完畢後，在套筒外側施加雙U形加強護板，以增加拱架節點剛度與強度，防止節點發生破壞。
[0035]縱向梁與拱架之間具體連接方式為:相鄰方鋼拱架對立側面靠近洞內邊緣處焊接有「L」形縱向梁連接基座，基座開孔為橢圓形，並與縱向梁連接處開孔保持一致，縱向梁與基座之間通過螺栓連接。
[0036]所述拱架與圍巖之間壁後充填層，是在縱向梁內側掛設鋼筋網，鋪設高強高韌性防滲漏膜後，並充填具有膨脹特性可讓壓的化學材料或混凝土材料，具體材料選擇根據現場實際情況而定；壁後充填過程應遵循「由下而上」原則進行充填。其中，鋪設高強高韌性防滲漏膜是為了以防止壁後充填過程中充填材料外漏，具體鋪設時，可每兩架鋪設一道，並採用搭接的方式進行連接；同時，為便於掛設鋼筋網，可在方鋼約束混凝土拱架表面焊接一定數量的掛鈎。
[0037]所述注漿錨索為高強中空注漿錨索；注漿錨杆、注漿錨索與高強錨杆交替斷面布置；注漿時應遵循「同一斷面由下向上」、「不同斷面隔排注漿」原則進行；注漿錨杆、注漿錨索所用注漿材料為早強、高韌性水泥或其他化學注漿材料，可及時填充圍巖裂隙，改善軟弱破碎圍巖的力學性能，充分調動並提高圍巖的自承能力。
[0038]本發明中該種方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系可適用於各種隧道的初期支護，尤其適用於鬆散軟弱破碎圍巖隧道開挖後的初期支護。
[0039]本發明的有益效果:
[0040]1.隧道開挖後，選用早強、高韌性水泥或其他化學注漿材料，通過注漿錨杆與注漿錨索對圍巖進行注漿加固，能夠及時填充圍巖裂隙，改善軟弱破碎圍巖的力學性能，充分調動並提聞圍巖的自承能力。
[0041 ] 2.方鋼約束混凝土拱架造價低廉，但具有高強的承載能力，且護表面積大，塑性和韌性性能較好，抗變形能力強，對大變形、高圍壓的隧道圍巖具有顯著支護效果。
[0042]3.通過縱向梁錨杆的連接，使方鋼約束混凝土拱架、壁後充填層與圍巖共同作用，形成空間的立體支護體系，充分發揮方鋼約束混凝土拱架的高強支撐能力，為圍巖提供足夠支護力，將圍巖變形控制在允許範圍內，避免因過度變形而導致圍巖本身的承載力喪失，從而保證隧道圍巖的穩定性。
[0043]4.方鋼約束混凝土拱架與圍巖之間採用壁後充填的方式，而不是採用傳統意義上的噴射混凝土方式，能夠有效避免因噴射混凝土而產生大量粉塵，大大改善工人作業環境；該種充填方式，在充填材料的選擇上具有廣義性，可選擇具有膨脹性可讓壓的化學材料，也可選擇混凝土材料；壁後充填層外側受到縱向梁錨杆與鋼筋網共同約束，能夠有效避免開裂脫落，且成型較好。
[0044]5.支護體系支護強度高，整體支護性能調節空間大，方鋼約束混凝土拱架與縱向梁、注漿錨杆(索)配合使用，可結合現場地質情況調整拱架間距、縱向梁排距、方鋼約束混凝土拱架尺寸及注漿錨杆型號和間排距等參數以進行力學性能的耦合，對圍巖進行有效的支護。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]圖1為本發明實施例的結構示意圖；
[0046]圖2為本發明實施例的注漿錨杆、注漿錨索斷面結構示意圖；
[0047]圖3為本發明實施例的方鋼約束混凝土拱架結構三維示意圖；
[0048]圖4a為本發明實施例的方鋼約束混凝土拱架縱向梁連接示意圖一；
[0049]圖4b為本發明實施例的方鋼約束混凝土拱架縱向梁連接示意圖二 ；
[0050]圖4c為本發明實施例的方鋼約束混凝土拱架縱向梁連接示意圖三；
[0051]圖5為圖1中A-A截面圖；
[0052]圖6為圖1中節點放大示意圖；
[0053]圖7CRD法施工工序示意圖；
[0054]圖8為本發明實施例的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系工藝流程圖；
[0055]其中:1 一方鋼約束混凝土拱架；2—方鋼約束混凝土拱架節點；3—壁後充填層；4一聞強錨杆；5—注眾錨杆；6—注眾錨索；7—縱向梁；8—鋼筋網；9一聞強聞韌性防滲漏膜；10—縱向梁錨杆；11一約束方鋼管；12—約束混凝土 ；13—圍巖；14一套筒；15—內隔板；16—雙U形加強護板。
【具體實施方式】:
[0056]下面結合附圖對本發明進行詳細說明:
[0057]對於軟弱破碎圍巖隧道，一般採用臺階法、⑶法、CRD法和雙側壁導洞法進行開挖。以CRD法為例，下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
[0058]如圖1-6所示，方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，主要包括:方鋼約束混凝土拱架1、拱架節點2、壁後充填層3、高強錨杆4、注漿錨杆5、注漿錨索6、縱向梁7、鋼筋網8、高強高韌性防滲漏膜9等組成。其特點是:注漿錨杆5、注漿錨索6所用注漿材料為早強型高韌性水泥或者其他化學注漿材料；方鋼約束混凝土拱架I為與隧道形狀一致的封閉式拱形結構，其間隔一定距離布置，相鄰方鋼約束混凝土拱架I之間用縱向梁7連接，縱向梁7上設置有錨杆孔，縱向梁錨杆10穿過縱向梁7再錨入到圍巖13中；縱向梁錨杆10通過縱向梁7將方鋼約束混凝土拱架1、壁後充填層3與圍巖13形成一個立體支護體系，且能保證拱架I與圍巖13緊密接觸並使拱架I承受均勻壓力。其中，方鋼約束混凝土拱架I為由截面形狀為方形的約束方鋼管11內部填充鋼纖維混凝土或普通混凝土 12組成的構件；單榀方鋼約束混凝土拱架I由6節約束鋼管類材料通過節點2連接而成；拱架節點具體連接方式為:首先在節點處方鋼管內側提前焊接好內隔板15，並用套筒14將拱架I進行連接，待套筒14安裝完畢後，在套筒外側施加雙U形加強護板16，以增加拱架節點2剛度與強度，防止節點2發生破壞；縱向梁7為箱型截面形狀的鋼梁，長度與相鄰拱架間距一致，縱向梁7與拱架I之間具體連接方式為:相鄰方鋼拱架I對立側面靠近洞內邊緣處焊接有縱向梁連接基座，基座開孔為橢圓形，並與縱向梁連接處開孔保持一致，縱向梁與基座之間通過螺栓連接。壁後充填層3是在縱向梁內側掛設鋼筋網8，鋪設高強高韌性防滲漏膜9後，並充填具有膨脹特性可讓壓的化學材料或混凝土材料，具體可根據實際情況選擇，壁後充填過程應遵循「由下而上」原則進行充填；高強高韌性防滲漏膜是為了以防止壁後充填層充填施工時外漏。
[0059]方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其施工流程可參見圖7-8，具體步驟為:
[0060]( I)開挖圍巖①，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第一道方鋼約束混凝土拱架。開挖圍巖①後，首先採取措施封閉隧道掌子面，安裝臨時支護；其次，掛設鋼筋網、施打普通錨杆，並初噴混凝土；第三，施打注漿錨杆與注漿錨索，並進行注漿；第四，架設第一道方鋼約束混凝土拱架，並施打鎖棚錨杆；最後，應施打下一階段超前支護。
[0061](2)開挖圍巖②，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第二道方鋼約束混凝土拱架，詳細工序同(I )。
[0062](3)開挖圍巖③，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第三道方鋼約束混凝土拱架，詳細工序同(I )。
[0063](4)開挖圍巖④，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第四道方鋼約束混凝土拱架，詳細工序同(I )。
[0064](5)施做底拱，完成約束混凝土拱架安裝。
[0065](6)安裝方鋼約束混凝土拱架縱向梁，掛設鋼筋網並鋪設高強高韌性防滲漏膜後，補打縱向梁錨杆。
[0066]( 7 )進行拱架約束鋼管類材料內部混凝土填充。
[0067](8)進行方鋼約束混凝土拱架壁後充填。
[0068](9)完成方鋼約束混凝土拱架高強支護體系的安裝。
[0069]本發明該種適用於軟弱破碎圍巖的隧道方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其具體拱架分段數可由隧道的具體開挖方法決定，拱架間距、縱向梁布置密度以及錨杆、注漿錨索間排距等參數可根據實際情況調整。
[0070]由技術常識可知，本發明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特徵的實施方案來實現。因此，就各方面而言，都只是舉例說明，並不是僅有的。所有在本發明範圍內或在等同於本發明的範圍內的改變均被本發明包含。
【權利要求】
1.方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其特徵是，包括高強錨杆、注漿錨杆、注漿錨索及多個方鋼約束混凝土拱架，相鄰方鋼約束混凝土拱架之間用縱向梁連接，縱向梁上設置有錨杆孔，縱向梁錨杆通過錨杆孔穿過縱向梁再錨入到圍巖中，方鋼約束混凝土拱架與圍巖之間設有壁後充填層，縱向梁錨杆將方鋼約束混凝土拱架、壁後充填層與隧道圍巖連接在一起； 所述高強錨杆、注漿錨杆、注漿錨索均在架設方鋼約束混凝土拱架之前進行施打； 所述方鋼約束混凝土拱架為與隧道形狀一致的封閉式結構； 所述方鋼約束混凝土拱架包括多段約束方鋼管，相鄰約束方鋼管之間通過方鋼約束混凝土拱架節點相連。
2.如權利要求1所述的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其特徵是，所述約束方鋼管填充混凝土； 所述方鋼約束混凝土拱架節點包括焊接在方鋼管內側的內隔板及連接約束方鋼管的套筒，套筒外側設有雙U形加強護板。
3.如權利要求1所述的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其特徵是，所述縱向梁為箱型截面形狀的鋼梁。
4.如權利要求1所述的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其特徵是，所述相鄰方鋼約束混凝土拱架的對立側均設有縱向梁連接基座，縱向梁連接基座開孔與縱向梁連接處開孔一致，縱向梁與縱向梁連接基座之間通過螺栓連接。
5.如權利要求4所述的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其特徵是，所述縱向梁連接基座形狀為「L」形，縱向梁連接基座開孔為橢圓形。
6.如權利要求1所述的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其特徵是，所述壁後充填層包括掛設在縱向梁內側的鋼筋網，鋼筋網上鋪設高強高韌性防滲漏膜，壁後充填層內充填材料； 所述充填材料為混凝土材料。
7.如權利要求6所述的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系，其特徵是，所述高強高韌性防滲漏膜每兩架鋪設一道，採用搭接的方式進行連接； 所述方鋼約束混凝土拱架表面焊接有掛設鋼筋網的多個掛鈎； 所述注漿錨索為高強中空注漿錨索，注漿錨杆、注漿錨索與高強錨杆交替斷面布置。
8.如權利要求1所述的方鋼約束混凝土拱架壁後充填錨注支護體系的施工方法，其特徵是，包括以下步驟: 步驟一:開挖隧道左上方第一部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第一道方鋼約束混凝土拱架； 步驟二:開挖隧道左下方第二部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第二道方鋼約束混凝土拱架； 步驟三:開挖隧道右上方第三部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第三道方鋼約束混凝土拱架； 步驟四:開挖隧道右上方第四部分圍巖，錨噴施工後，安裝注漿錨杆、注漿錨索並注漿，架設第四道方鋼約束混凝土拱架； 步驟五:施做底拱，完成約束混凝土拱架安裝；步驟六:安裝方鋼約束混凝土拱架縱向梁，掛設鋼筋網並鋪設高強高韌性防滲漏膜後，補打縱向梁錨杆； 步驟七:方鋼約束混凝土拱架約束鋼管類材料內部混凝土填充； 步驟八:方鋼約束混凝土拱架壁後充填； 步驟九:完成方鋼約束混凝土拱架高強支護體系的安裝。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵是，所述方鋼約束混凝土拱架的具體施做過程:開挖圍巖後，首先採取措施封閉隧道掌子面，安裝臨時支護；其次，掛設鋼筋網、施打普通錨杆，並初噴混凝土 ；第三，施打注漿錨杆與注漿錨索，並進行注漿；第四，架設方鋼約束混凝土拱架，並施打鎖 棚錨杆；最後，施打下一階段超前支護。
【文檔編號】E21D21/00GK103615273SQ201310647057
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】李術才, 王 琦, 郭小紅, 王洪濤, 王德超, 李為騰, 王新, 邵行 申請人:山東大學