一种自适应应力的隧洞初支钢支撑结构及其施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种自适应应力的隧洞初支钢支撑结构及其施工方法。


背景技术：

2.现有隧洞基本面临软岩、变形硬岩、岩爆等不良地质问题，不良洞段的施工基本上控制整座隧洞的施工工期。不良地质洞段为了确保施工期安全，均采用型钢钢支撑为骨架的锚喷支护体系。目前国内外一般都通过机械冷外预加工将型钢钢支撑做成设计断面，加工后的断面与设计断面高度吻合，但是却与实际开挖断面不能密贴，这种情况是隧洞松弛变形产生支护破坏的一项重大风险源。
3.型钢预制成设计断面，再刚性连接成整体之后只能被动受力，无法主动提供支撑力，且应力集中后一旦突破极限就会瞬时破坏，带来的影响是灾难性的。此外，软岩变形洞段会预留变形量，现有型钢钢支撑在被动受压变形后就会被破坏，不具备承受支护的能力，需拆除或增设贴合副拱；而硬岩洞段型钢钢支撑的刚性支撑又不能实现围岩应力释放，这些都是施工期安全隐患的主要诱因，一方面不易察觉，另一方面破坏存在突发性，施工期安全隐患极大。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、贴合性好、实现主动支撑和避免突发性破坏的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构，以及该钢支撑结构的施工方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种自适应应力的隧洞初支钢支撑结构，所述钢支撑由位于两侧边墙处的开口分割成位于上部的拱形部和位于下部的支撑部，所述钢支撑的每个开口处均设有连接在拱形部和支撑部之间的连接装置，连接装置沿钢支撑边墙部位的走向弹性顶撑拱形部和支撑部。
7.作为上述钢支撑结构的进一步改进：
8.所述连接装置包括顶板、底板和弹性件，所述顶板连接在拱形部的端头上，底板连接在支撑部的端头上，弹性件顶撑连接在顶板和底板之间。
9.所述连接装置还包括预紧结构，所述预紧结构包括螺栓和螺母，所述螺栓套接在弹性件内，且一端在弹性件的支撑下顶撑顶板或底板中的一个，另一端穿过顶板或底板中的另一个，且穿出端连接螺母。
10.所述弹性件设有多组，每组弹性件包括弹簧和限位轴，所述限位轴沿钢支撑边墙部位的走向连接在顶板和/或底板上，弹簧套接在限位轴的外部。
11.所述连接装置还包括外壳，所述外壳呈内截面与顶板和/或底板适配的筒状，外壳的轴线沿钢支撑边墙部位的走向布置，顶板和/或底板沿外壳的轴线活动套接在外壳内。
12.所述外壳的端口处设有限位条，限位条遮挡部分端口以限制顶板和/或底板从端口脱出。
13.所述外壳的一端端口连接底板并由底板封闭，另一端端口设有限位条并活动套接顶板；所述限位轴沿钢支撑边墙部位的走向连接在底板上。
14.所述连接装置还包括柔性的填充块，填充块填充在外壳和弹性件的间隙中。
15.一种如上述的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构的施工方法，包括以下步骤：
16.s1：安装前准备：根据隧洞断面加工钢支撑，在钢支撑的支撑部的两端头焊接底板；拱形部的两端头焊接顶板；
17.s2：预应力设置：调整螺母在螺栓穿出端的位置并压紧弹性件；
18.s3：钢支撑安装：按照施工顺序完整安装钢支撑并固定；
19.s4：释放预应力：再次调整螺母在螺栓穿出端的位置，直至螺母不受弹性件向上的拉力；
20.s5：安装工序完成，可进行后续操作。
21.与现有技术相比，本发明的优点在于：
22.本发明的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构，钢支撑由位于两侧边墙处的开口分割成位于上部的拱形部和位于下部的支撑部，钢支撑的每个开口处均设有连接在拱形部和支撑部之间的连接装置，连接装置沿钢支撑边墙部位的走向弹性顶撑拱形部和支撑部，使得钢支撑整体会存在竖直方向的活动余量。
23.在设计钢支撑时，即便设计断面与实际开挖端面结构不一致，存在活动余量的钢支撑也能在弹性作用下保证和隧洞密贴，并主动提供支撑力，避免隧洞松弛变形造成的支护破坏。在用于软岩隧洞段时，存在余量的钢支撑能够良好适应预留的变形量；用于硬岩洞段时，存在余量的钢支撑能够自适应围岩结构，实现围岩的应力释放。总体来说，本钢支撑由于良好的随动性和贴合性，能够有效避免突发性破坏，提高施工安全程度。
附图说明
24.图1是本发明的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构的示意图；
25.图2是本发明的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构中连接装置的示意图；
26.图3是本发明的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构中连接装置的拆解结构图。
27.图例说明：1、拱形部；2、支撑部；3、连接装置；31、顶板；32、底板；33、弹性件；331、弹簧；332、限位轴；34、预紧结构；341、螺栓；342、螺母；35、外壳；351、限位条；36、填充块。
具体实施方式
28.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
29.实施例：
30.如图1和图2所示，本实施例的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构，钢支撑由位于两侧边墙处的开口分割成两段，分别是位于上部的拱形部1和位于下部的支撑部2，钢支撑的每个开口处均设有连接在拱形部1和支撑部2之间的连接装置3，连接装置3沿钢支撑边墙部位的走向弹性顶撑拱形部1和支撑部2，使得钢支撑整体会存在竖直方向的活动余量，这
一活动余量的方向恰好与隧洞由于重力产生的变形方向一致。
31.在设计钢支撑时，即便设计断面与实际开挖端面结构不一致，存在活动余量的钢支撑也能在弹性作用下保证和隧洞密贴，并主动提供支撑力，避免隧洞松弛变形造成的支护破坏。在用于软岩隧洞段时，存在余量的钢支撑能够良好适应预留的变形量；用于硬岩洞段时，存在余量的钢支撑能够自适应围岩结构，实现围岩的应力释放。总体来说，本钢支撑由于良好的随动性和贴合性，能够有效避免突发性破坏，提高施工安全程度。确保钢支撑自适应，与其围岩应力实现一定范围的自平衡，可有效收集变形数据和变形趋势，有利于分析并为地质灾害争取时间。
32.本实施例中，如图3所示，连接装置3包括顶板31、底板32和弹性件33，顶板31连接在拱形部1的端头上，底板32连接在支撑部2的端头上，二者为弹性件33提供作用平面，弹性件33顶撑连接在顶板31和底板32之间，从而使拱形部1和支撑部2之间存在弹性活动余量。
33.本实施例中，连接装置3还包括预紧结构34，预紧结构34包括螺栓341和螺母342，螺栓341套接在弹性件33内，且一端在弹性件33的支撑下顶撑顶板31或底板32中的一个，另一端穿过顶板31或底板32中的另一个，且穿出端连接螺母342。通过螺母342可以调整位于顶板31和底板32之间的螺栓341的长度，而螺栓341的该段长度限制了弹性件33能够伸展的最长长度，伸展长度又决定了弹性件33的顶撑力，所以通过调节预紧结构34便能够实现弹性件33顶撑力的预调，从而根据情况适用于不同软硬程度的隧洞。
34.本实施例中，弹性件33设有多组，每组弹性件33包括弹簧331和限位轴332，限位轴332沿钢支撑边墙部位的走向连接在顶板31和/或底板32上，弹簧331套接在限位轴332的外部，限位轴332从内部对弹簧331起到了径向限位作用，并确保弹簧331只沿设定轴线、即钢支撑边墙部位的走向这一方向伸缩。
35.本实施例中，连接装置3还包括外壳35，外壳35呈内截面与顶板31和/或底板32适配的筒状，外壳35的轴线沿钢支撑边墙部位的走向布置，顶板31和/或底板32沿外壳35的轴线活动套接在外壳35内。外壳35起到了限定顶板31和底板32相对移动方向的作用，确保二者的相对移动方向是钢支撑边墙部位的走向。
36.本实施例中，外壳35的端口处设有限位条351，限位条351遮挡部分端口以限制顶板31和/或底板32从端口脱出。
37.本实施例中，外壳35的一端端口连接底板32并由底板32封闭，另一端端口设有限位条351，整体呈盒状，盒状开口内活动套接顶板31。限位轴332沿钢支撑边墙部位的走向连接在底板32上，弹簧331套接在限位轴332外，螺栓341穿过弹簧331和限位轴332的内孔，端部从底板32穿出并连接螺母342。在其他实施方式中，也可以采用底板32活动或底板32和顶板31都活动的连接形式。
38.本实施例中，连接装置3还包括柔性的填充块36，填充块36填充在外壳35和弹性件33的间隙中。填充块36起到了从外部对弹簧331限位的作用。
39.本实施例的自适应应力的隧洞初支钢支撑结构的施工方法，同样具备上述优点，且步骤简单、施工操作方便，包括以下步骤：
40.s1：安装前准备：根据隧洞断面加工钢支撑，钢支撑选用了工字钢型钢，在钢支撑的支撑部2的两端头焊接底板32，其中工字钢截面的几何中心和底板32的几何中心重合，确保受力稳定性；拱形部1的两端头焊接顶板31，工字钢的几何中心和顶板31的几何中心重
合，同样确保受力稳定性；
41.s2：预应力设置：调整螺母342在螺栓341穿出端的位置并压紧弹性件33，使支撑部2和拱形部1之间的间隙尽可能小，方便安装；
42.s3：钢支撑安装：按照常规的施工顺序完整安装钢支撑并固定在隧洞内；
43.s4：释放预应力：再次调整螺母342在螺栓341穿出端的位置，直至螺母342不受弹性件33向上的拉力，即完全由弹性件33来发挥顶撑的作用，而不是由螺栓341来顶替，以确保具备弹性活动能力；
44.s5：安装工序完成，可进行后续操作。
45.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。