一种蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架隧道支护结构

1.本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架隧道支护结构。


背景技术：

2.随着我国交通建筑事业的不断发展，软弱地层深埋隧道中的高地应力问题已成为危及隧道工程安全的主导因素。隧道周围岩体常常发生量级很大的急剧变形，随之而来的是支护扭曲、破坏以及侵入净空等棘手问题，若高地应力未适当释放，后期容易造成二次衬砌开裂变形，使其严重影响隧道结构的安全及正常使用。
3.目前在初期支护中所使用的钢拱架是用单独条形工型钢连接而成，钢拱架连接成环后再喷射混凝土进行覆盖，形成第一层初期支护。对于高地应力围岩“大变形”的处治，尤其是支护系统设计方面，强支撑 预留较大变形量的支护方案是目前应用较多的方案，然而效果却并不理想。当围岩变形较大时，钢拱架承受的荷载会很大，容易出现失稳破坏，从而造成工程安全事故。
4.因此，高地应力软岩隧道的合理支护结构需要既具有与围岩协调变形能力，又具有防止围岩变形过大的刚度，需采用刚柔并济的支护方案才可取得较好的效果。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种支护接触面积大、稳定性好、承受变形能力强、结构简单且经济效果良好的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架隧道支护结构，尤其是用于解决高地应力软弱、破碎地层大变形的控制问题。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架隧道支护结构，包括二次衬砌层、防水层、初支喷射混凝土层、上部多段蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架、底部多段传统条形钢拱架和锁脚锚杆，所述上部多段蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架和所述底部多段传统条形钢拱架由连接装置连接，并架设于所述初支喷射混凝土层中。
6.所述蜂窝结构和型钢结合的矩形钢拱架由工型钢、角钢、蜂窝夹芯结构和连接螺栓组成，所述工型钢和所述角钢通过焊接连接，所述角钢和所述蜂窝夹芯结构通过所述连接螺栓连接。
7.所述蜂窝夹芯结构是由上下两片金属板中间夹可压溃的单胞壁开孔金属多级类蜂窝层或双胞壁开孔金属多级类蜂窝层组成。
8.所述单胞壁开孔金属多级类蜂窝层和所述双胞壁开孔金属多级类蜂窝层包括多个蜂窝胞元，蜂窝胞元为中空结构，横截面为正六边形。所述单胞壁开孔金属多级类蜂窝结构层斜向胞壁上设有多个圆孔，所述双包壁开孔金属多级类蜂窝结构层竖向胞壁上设有多个圆孔。
9.所述蜂窝夹芯结构中，增加所述单胞壁开孔金属多级类蜂窝层或所述双胞壁开孔
金属多级类蜂窝层的层数会大大增加所述蜂窝夹芯结构的刚度，并且，所述蜂窝夹芯结构下增设所述角钢作为支撑，增加了结构的稳定性。
10.所述蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架中，所述工型钢和所述角钢在隧道围岩一侧焊接在同一平面上，且所述角钢上也敷设所述蜂窝夹芯结构，使所述角钢在起固定钢拱架的同时也承受围岩应力。
11.所述蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架，可以通过调整蜂窝夹芯结构中单胞壁开孔金属多级类蜂窝层或双胞壁开孔金属多级类蜂窝层的层数来满足不同隧道围岩条件下钢拱架所需要的变形量，而且可以通过调整所述蜂窝夹芯结构中蜂窝胞壁的厚度来调节所述蜂窝夹芯结构的强度。
12.与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架打破传统条形钢拱架观念，将钢拱架设计为矩形，增加了钢拱架与围岩的接触面积，在高地应力软岩和破碎地层中能较早且更大面积地约束围岩的变形。
13.2、本发明的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架表面敷设一层蜂窝夹芯结构层，蜂窝夹芯结构通过周围岩体的应力产生变形，使围岩能量得以释放，能有效解决高地应力软岩大变形隧道初期支护易发生变形破坏的问题。
14.3、本发明的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架中，工型钢和角钢在隧道围岩一侧焊接在同一平面上，且连接角钢上也敷设蜂窝夹芯结构层，使角钢在起固定相邻钢拱架的同时也承受围岩应力。
15.4、本发明的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架，增加蜂窝的层数会大大增加蜂窝夹芯结构的刚度，相比于其他强支硬顶支护结构重量的增加是最小的。并且，蜂窝夹芯结构下增设角钢作为支撑，增加了结构的稳定性。
16.5、本发明的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架，上部蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架在不改变工型钢型号的情况下，以另一种形式（型钢上敷设蜂窝夹芯结构，增加了型钢一侧翼缘的厚度和宽度）增加了钢拱架弱轴平面的惯性矩，防止钢拱架平面外失稳，提高了钢拱架的稳定性。
17.6、本发明的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架，可以通过调节蜂窝夹芯结构中蜂窝的层数来满足不同隧道围岩条件下钢拱架所需要的变形量，而且可以通过调整蜂窝夹芯结构中蜂窝胞壁的厚度来调节蜂窝夹芯结构的强度。
18.7、本发明隧道支护结构由上部多段蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架和底部多段条形型钢钢拱架组合而成，更适合于隧道结构上部变形大，下部变形小的特性，从而节省材料，提高经济性。
19.8、本发明中的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架为预制构件，结构简易，制造简单。
20.9、本发明通过蜂窝夹芯结构的压缩变形释放围岩压力，隧道围岩能量被释放后，施加在隧道结构上的压力减少，无需大幅加强支护参数，提高了经济性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。
22.图1为本发明蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架隧道支护结构的结构示意图。
23.图2为本发明的蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架结构示意图。
24.图3为本发明的蜂窝夹芯结构中单胞壁开孔金属多级类蜂窝结构示意图。
25.图4为本发明的蜂窝夹芯结构中双胞壁开孔金属多级类蜂窝结构示意图。
26.图5为本发明的蜂窝夹芯结构与角钢的连接螺栓布置示意图。
27.图6为本发明的蜂窝夹芯结构与角钢的连接示意图。
28.图例说明：1、二次衬砌层；2、防水层；3、初支喷射混凝土层；4、蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架；41、工型钢；42、角钢；43、蜂窝夹芯结构；44、连接螺栓；45、金属夹板；46、单胞壁开孔金属多级类蜂窝层；47、双包壁开孔金属多级类蜂窝层；5、传统条形钢拱架；6、锁脚锚杆；7、连接装置。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，本领域的技术人员在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
30.如图1-6所示，本发明实施例提供了一种蜂窝夹芯窝结构和型钢结合的矩形钢拱架隧道支护结构，包括二次衬砌层1、防水层2、初支喷射混凝土层3、上部多段蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架4、底部多段传统条形钢拱架5和锁脚锚杆6，上部多段蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架4和底部多段传统条形钢拱架5由连接装置7连接，并架设于初支喷射混凝土层3中。
31.本实施例中，蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架4由工型钢41、角钢42、蜂窝夹芯结构43和连接螺栓44组成，其中工型钢41和角钢42通过焊接连接，角钢42和蜂窝夹芯结构43通过连接螺栓44连接。
32.本实施例中，蜂窝夹芯结构43是由上下两片金属板45中间夹可压溃的单胞壁开孔金属多级类蜂窝层46或双胞壁开孔金属多级类蜂窝层47组成。
33.本实施例中，单胞壁开孔金属多级类蜂窝层46和双胞壁开孔金属多级类蜂窝层47包括多个蜂窝胞元，蜂窝胞元为中空结构，横截面呈正六边形。单胞壁开孔金属多级类蜂窝结构层46斜向胞壁上设有多个圆孔，双包壁开孔金属多级类蜂窝结构层47竖向胞壁上设有多个圆孔。
34.本实施例中，增加单胞壁开孔金属多级类蜂窝层46或双胞壁开孔金属多级类蜂窝层47的层数会大大增加蜂窝夹芯结构43的刚度，并且，蜂窝夹芯结构43下增设角钢42作为支撑。
35.本实施例中，工型钢41和角钢42在隧道围岩一侧焊接在同一平面上，且角钢42上也敷设蜂窝夹芯结构43。
36.本实施例中，蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架4的宽度为l/2，长度为2l。蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架4之间相邻距离为l，所述两角钢42之间的距离为l/2，且角钢42间隔连接，相邻距离为l。
37.本实施例中，蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架4，可以通过调整蜂窝夹芯结构43中单胞壁开孔金属多级类蜂窝层46或双胞壁开孔金属多级类蜂窝层47的层数来满足不同隧道围岩条件下钢拱架所需要的变形量。
38.本实施例中，可以通过调整蜂窝夹芯结构43中蜂窝胞壁的厚度来调节蜂窝夹芯结构43的强度。
39.本实施例中，防水层2位于初支喷射混凝土层3底层，锁脚锚杆6与蜂窝夹芯结构和型钢结合的矩形钢拱架4、传统条形钢拱架5相连。
40.综上所述对本发明的实施方式进行了详细说明，但是本发明不限于上述特定实施方式。即使其对本发明做出各种变化，也并不影响本发明的实质内容。