一种吸能让压隧道初期支护结构体系及其施工方法

1.本发明属于隧道初期支护技术领域，具体涉及一种吸能让压隧道初期支护结构体系及其施工方法。


背景技术：

2.目前隧道使用复合式衬砌，包括初期支护和二次衬砌，其中初期支护通常由钢拱架、钢丝网配合喷射混凝土组成，喷射混凝土与钢拱架和钢筋网构成一个整体，并与围岩密贴，形成隧道的初期支护结构。
3.但是现有的隧道初期支护结构体系对于隧道围岩变形较小的情况是适用的，但对于较大的围岩变形，容易开裂和变形，最终由于变形过大而失稳破坏，丧失支护效果，对于变形压力的缓冲不佳，不利于实际的使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种吸能让压隧道初期支护结构体系及其施工方法，以解决上述背景技术中提出的现有的隧道初期支护结构体系对于隧道围岩变形较小的情况是适用的，但对于较大的围岩变形，容易开裂和变形，最终由于变形过大而失稳破坏，丧失支护效果，对于变形压力的缓冲不佳，不利于实际的使用的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种吸能让压隧道初期支护结构体系，包括工字钢a1单元、工字钢a2单元、工字钢a3单元和工字钢a4单元，设置于隧道围岩内侧，用于对隧道围岩进行支护；
6.钢拱架接头固定部，安装于工字钢a1单元与工字钢a2单元的中端、工字钢a3单元和工字钢a4单元的中端，用于将工字钢单元进行连接；
7.钢拱架接头伸缩部，安装于钢拱架接头固定部的中端用于缓冲隧道围岩变形产生的压力；
8.第一大网格钢筋网、第二大网格钢筋网和第三大网格钢筋网，安装于工字钢a1单元、工字钢a2单元、工字钢a3单元和工字钢a4单元的内部，用于配合喷射混凝土的实施，与钢拱架一起对隧道围岩进行支护；
9.密网格钢筋网，叠加在第一大网格钢筋网、第二大网格钢筋网和第三大网格钢筋网构成的整体结构上；
10.注浆管，钢拱架安装过程中同时将注浆管埋入隧道围岩内侧用于注入轻质弹性材料。
11.采用上述方案，通过设置钢拱架接头，该支护结构体系在工字钢a3单元的顶部和工字钢a4单元的两端均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部进行固定，工字钢a1单元的顶部与工字钢a2单元的底部均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部进行固定，钢拱架接头接触部安装方向均为朝向隧道围岩方向，使得当隧道围岩发生变形时会对钢拱架接头接触部产生压力，钢拱架接头接触部与钢拱架接头伸缩部内部的伸缩节连接，施加的压力通过伸缩节
进行缓冲，通过设置密网格钢筋网，该支护结构系统采用传统的大网格钢筋网前提下在大网格钢筋网的下面再布设一层密网格钢筋网，通过两层钢筋网进行两次加固，同时密网格钢筋网能够在喷射混凝土时阻隔喷射混凝土进入到预留空腔中，使得后续注入的轻质弹性材料不会与混凝土进行混合，保障轻质弹性材料的性能效果，通过设置轻质弹性材料，喷射混凝土完成后通过注浆管向预留空腔中注入轻质弹性材料，当隧道围岩变形时，先是轻质弹性吸能材料被压缩，当压力再继续增大时，钢拱架接头开始变形，改变钢拱架受力，进行二次缓冲，当隧道围岩变形到一定程度后就会自稳，使得该支护结构体系具有变形吸能功能，可以适应隧道围岩的较大变形，释放形变压力和能量，从而降低初期支护被隧道围岩压垮的风险。
12.作为一种优选的实施方式，所述工字钢a1单元、工字钢a2单元、工字钢a3单元和工字钢a4单元构成钢拱架外围层，所述工字钢a1单元、工字钢a2单元、工字钢a3单元均以隧道围岩中轴线为中心对称设置有两组，两组所述工字钢a1单元的中端设置有工字钢b单元，所述工字钢b单元用于隧道仰拱支护，且工字钢a1单元的底部均安装有砼垫块。
13.作为一种优选的实施方式，所述工字钢a1单元的顶部与工字钢a2单元的底部均通过钢拱架接头固定部连接，所述工字钢a1单元的顶部与工字钢a2单元的底部均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部固定安装。
14.作为一种优选的实施方式，所述工字钢a3单元的顶部和工字钢a4单元的两端均通过钢拱架接头固定部连接，所述工字钢a3单元的顶部和工字钢a4单元的两端均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部固定安装。
15.作为一种优选的实施方式，所述钢拱架接头固定部与钢拱架接头伸缩部的中端均通过橡胶减震板连接，所述六角螺栓与钢拱架接头固定部的连接端均安装有用于控制六角螺栓插入深度的垫片，所述钢拱架接头伸缩部的一端均连接有钢拱架接头接触部，所述钢拱架接头伸缩部的内部均安装有伸缩节，所述钢拱架接头接触部均与伸缩节为一体设置，所述钢拱架接头接触部安装方向均为朝向隧道围岩方向，所述钢拱架接头固定部、钢拱架接头伸缩部和钢拱架接头接触部构成钢拱架接头，且钢拱架接头伸缩部的外侧均通过胶带粘附有土工布。
16.作为一种优选的实施方式，所述工字钢a1单元的内部均焊接有第一大网格钢筋网，所述工字钢a2单元和工字钢a3单元的内部均焊接有第二大网格钢筋网，所述工字钢a4单元的内部焊接有第三大网格钢筋网。
17.作为一种优选的实施方式，所述密网格钢筋网与隧道围岩、钢拱架的弧度均相同，所述密网格钢筋网的两端均与工字钢b单元焊接。
18.作为一种优选的实施方式，所述注浆管设置于隧道围岩中轴线，所述隧道围岩内侧与钢拱架外侧的中端设置有预留空腔，所述注浆管的顶部打入到预留空腔中注入轻质弹性材料。
19.一种吸能让压隧道初期支护结构体系的施工方法，包括以下步骤：
20.s1、安装钢拱架，首先，在隧道的钢拱架布置环节，安置钢拱架可伸缩接头，接头数量根据隧道断面大小和钢拱架数量确定，通常为2个、4个或6个，其中钢拱架接头的钢拱架接头接触部安装方向均为朝向隧道围岩方向，钢拱架到现场，准备立架前，在拱顶位置，工字钢a3单元的顶部和工字钢a4单元的两端均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部固定安装，
在拱腰位置，工字钢a1单元的顶部与工字钢a2单元的底部均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部固定安装，立架完成后根据现场超挖情况利用加长套杆对径向接触点进行调整，使钢拱架与围岩密贴，同时在钢拱架接头伸缩部的外侧通过胶带粘附包裹土工布；
21.s2、安装大网格钢筋网，钢拱架安装完毕后在工字钢a1单元的内部焊接第一大网格钢筋网，工字钢a2单元和工字钢a3单元的内部焊接第二大网格钢筋网，工字钢a4单元的内部焊接第三大网格钢筋网，通过大网格钢筋网配合喷射混凝土的实施，与钢拱架一起对隧道围岩进行支护；
22.s3、安装密网格钢筋网，然后在传统大网格钢筋网的下面再布设一层密网格钢筋网，密网格钢筋网的两端均与工字钢b单元焊接，用于阻隔喷射混凝土进入，从而在隧道围岩的内表面形成一定高度的预留空腔，利用预埋注浆管；
23.s4、喷射混凝土，两种钢筋网均安装完毕后利用液压泵施加初始压力1mpa，对钢拱架内侧进行喷射混凝土，密网格钢筋网会阻隔喷射混凝土进入到预留空腔中，使得喷射的混凝土均与密网格钢筋网接触，对钢拱架内侧进行密封；
24.s5、注入轻质弹性材料，待钢拱架内侧喷射混凝土完成后，通过之前隧道围岩内侧预埋的注浆管，利用轻质弹性注浆材料进行压力注浆，填充前期的预留空腔，同时在钢拱架之间利用受力钢筋进行连接，增加钢拱架的整体性。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.该吸能让压隧道初期支护结构体系及其施工方法通过设置钢拱架接头，该支护结构体系在工字钢a3单元的顶部和工字钢a4单元的两端均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部进行固定，工字钢a1单元的顶部与工字钢a2单元的底部均通过六角螺栓与钢拱架接头固定部进行固定，钢拱架接头接触部安装方向均为朝向隧道围岩方向，使得当隧道围岩发生变形时会对钢拱架接头接触部产生压力，钢拱架接头接触部与钢拱架接头伸缩部内部的伸缩节连接，施加的压力通过伸缩节进行缓冲；
27.该吸能让压隧道初期支护结构体系及其施工方法通过设置密网格钢筋网，该支护结构系统采用传统的大网格钢筋网前提下在大网格钢筋网的下面再布设一层密网格钢筋网，通过两层钢筋网进行两次加固，同时密网格钢筋网能够在喷射混凝土时阻隔喷射混凝土进入到预留空腔中，使得后续注入的轻质弹性材料不会与混凝土进行混合，保障轻质弹性材料的性能效果；
28.该吸能让压隧道初期支护结构体系及其施工方法通过设置轻质弹性材料，喷射混凝土完成后通过注浆管向预留空腔中注入轻质弹性材料，当隧道围岩变形时，先是轻质弹性吸能材料被压缩，当压力再继续增大时，钢拱架接头开始变形，改变钢拱架受力，进行二次缓冲，当隧道围岩变形到一定程度后就会自稳，使得该支护结构体系具有变形吸能功能，可以适应隧道围岩的较大变形，释放形变压力和能量，从而降低初期支护被隧道围岩压垮的风险。
附图说明
29.图1是本发明的整体结构示意图；
30.图2是本发明的钢拱架结构示意图；
31.图3是本发明的钢拱架接头结构示意图；
32.图4是本发明的整体正面结构示意图；
33.图5是本发明的整体正剖图。
34.图中：1、隧道围岩；2、工字钢a1单元；3、工字钢a2单元；4、工字钢a3单元；5、工字钢a4单元；6、工字钢b单元；7、砼垫块；8、第一大网格钢筋网；9、第二大网格钢筋网；10、第三大网格钢筋网；11、密网格钢筋网；12、注浆管；13、钢拱架接头固定部；14、土工布；15、钢拱架接头伸缩部；16、六角螺栓；17、钢拱架接头接触部；18、预留空腔；19、橡胶减震板；20、垫片。
具体实施方式
35.下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
36.以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。
37.请参阅图1-5，本发明提供一种吸能让压隧道初期支护结构体系，包括工字钢a1单元2、工字钢a2单元3、工字钢a3单元4和工字钢a4单元5，设置于隧道围岩1内侧，用于对隧道围岩1进行支护，工字钢a1单元2、工字钢a2单元3、工字钢a3单元4和工字钢a4单元5构成钢拱架外围层，工字钢a1单元2、工字钢a2单元3、工字钢a3单元4均以隧道围岩1中轴线为中心对称设置有两组，两组工字钢a1单元2的中端设置有工字钢b单元6，工字钢b单元6用于隧道仰拱支护，且工字钢a1单元2的底部均安装有21cm厚度复喷c25型的砼垫块7。
38.钢拱架接头固定部13，安装于工字钢a1单元2与工字钢a2单元3的中端、工字钢a3单元4和工字钢a4单元5的中端，用于将工字钢单元进行连接，工字钢a1单元2的顶部与工字钢a2单元3的底部均通过钢拱架接头固定部13连接，工字钢a1单元2的顶部与工字钢a2单元3的底部均通过六角螺栓16与钢拱架接头固定部13固定安装，工字钢a3单元4的顶部和工字钢a4单元5的两端均通过钢拱架接头固定部13连接，工字钢a3单元4的顶部和工字钢a4单元5的两端均通过六角螺栓16与钢拱架接头固定部13固定安装，提高钢拱架接头与工字钢连接的牢固性。
39.钢拱架接头伸缩部15，安装于钢拱架接头固定部13的中端用于缓冲隧道围岩1变形产生的压力，钢拱架接头固定部13与钢拱架接头伸缩部15的中端均通过橡胶减震板19连接，六角螺栓16与钢拱架接头固定部13的连接端均安装有用于控制六角螺栓16插入深度的垫片20，钢拱架接头伸缩部15的一端均连接有钢拱架接头接触部17，钢拱架接头伸缩部15的内部均安装有伸缩节，钢拱架接头接触部17均与伸缩节为一体设置，钢拱架接头接触部17安装方向均为朝向隧道围岩1方向，钢拱架接头固定部13、钢拱架接头伸缩部15和钢拱架接头接触部17构成钢拱架接头，且钢拱架接头伸缩部15的外侧均通过胶带粘附有土工布14，当隧道围岩1发生变形时会对钢拱架接头接触部产生压力，钢拱架接头接触部17与钢拱架接头伸缩部15内部的伸缩节连接，施加的压力通过伸缩节进行缓冲。
40.第一大网格钢筋网8、第二大网格钢筋网9和第三大网格钢筋网10，安装于工字钢a1单元2、工字钢a2单元3、工字钢a3单元4和工字钢a4单元5的内部，用于配合喷射混凝土的实施，与钢拱架一起对隧道围岩1进行支护，工字钢a1单元2的内部均焊接有第一大网格钢筋网8，工字钢a2单元3和工字钢a3单元4的内部均焊接有第二大网格钢筋网9，工字钢a4单元5的内部焊接有第三大网格钢筋网10，该第一大网格钢筋网8单孔面积为10x10cm，支护结
构系统采用传统的大网格钢筋网进行初步加固。
41.密网格钢筋网11，叠加在第一大网格钢筋网8、第二大网格钢筋网9和第三大网格钢筋网10构成的整体结构上，设置于第一大网格钢筋网8、第二大网格钢筋网9和第三大网格钢筋网10的内侧，进行二次加固并阻隔喷射混凝土进入到隧道围岩1内侧，密网格钢筋网11与隧道围岩1、钢拱架的弧度均相同，密网格钢筋网11的两端均与工字钢b单元6焊接，该密网格钢筋网11单孔面积为1x1cm，通过两层钢筋网进行两次加固，同时密网格钢筋网11能够在喷射混凝土时阻隔喷射混凝土进入到预留空腔18中，使得后续注入的轻质弹性材料不会与混凝土进行混合，保障轻质弹性材料的性能效果。
42.注浆管12，钢拱架安装过程中同时将注浆管12埋入隧道围岩1内侧用于注入轻质弹性材料，注浆管12设置于隧道围岩1中轴线，隧道围岩1内侧与钢拱架外侧的中端设置有预留空腔18，喷射混凝土完成后通过注浆管12向预留空腔18中注入4cm厚度轻质弹性材料，当隧道围岩变形时，先是轻质弹性吸能材料被压缩，当压力再继续增大时，钢拱架接头开始变形，改变钢拱架受力，进行二次缓冲，当隧道围岩1变形到一定程度后就会自稳，使得该支护结构体系具有变形吸能功能，可以适应隧道围岩1的较大变形，释放形变压力和能量，从而降低初期支护被隧道围岩1压垮的风险。
43.本发明还提供一种吸能让压隧道初期支护结构体系及其施工方法，包括以下步骤：
44.s1、安装钢拱架，首先，在隧道的钢拱架布置环节，安置钢拱架可伸缩接头，接头数量根据隧道断面大小和钢拱架数量确定，通常为2个、4个或6个，其中钢拱架接头的钢拱架接头接触部17安装方向均为朝向隧道围岩1方向，钢拱架到现场，准备立架前，在拱顶位置，工字钢a3单元4的顶部和工字钢a4单元5的两端均通过六角螺栓16与钢拱架接头固定部13固定安装，在拱腰位置，工字钢a1单元2的顶部与工字钢a2单元3的底部均通过六角螺栓16与钢拱架接头固定部13固定安装，立架完成后根据现场超挖情况利用加长套杆对径向接触点进行调整，使钢拱架与围岩密贴，同时在钢拱架接头伸缩部15的外侧通过胶带粘附包裹土工布14；
45.s2、安装大网格钢筋网，钢拱架安装完毕后在工字钢a1单元2的内部焊接第一大网格钢筋网8，工字钢a2单元3和工字钢a3单元4的内部焊接第二大网格钢筋网9，工字钢a4单元5的内部焊接第三大网格钢筋网10，通过大网格钢筋网配合喷射混凝土的实施，与钢拱架一起对隧道围岩1进行支护；
46.s3、安装密网格钢筋网11，然后在传统大网格钢筋网的下面再布设一层密网格钢筋网11，密网格钢筋网11的两端均与工字钢b单元6焊接，用于阻隔喷射混凝土进入，从而在隧道围岩1的内表面形成一定高度的预留空腔18，利用预埋注浆管12；
47.s4、喷射混凝土，两种钢筋网均安装完毕后利用液压泵施加初始压力1mpa，对钢拱架内侧进行喷射混凝土，密网格钢筋网11会阻隔喷射混凝土进入到预留空腔18中，使得喷射的混凝土均与密网格钢筋网11接触，对钢拱架内侧进行密封；
48.s5、注入轻质弹性材料，待钢拱架内侧喷射混凝土完成后，通过之前隧道围岩1内侧预埋的注浆管12，利用轻质弹性注浆材料进行压力注浆，填充前期的预留空腔18，同时在钢拱架之间利用受力钢筋进行连接，增加钢拱架的整体性。
49.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以
理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。