隧道变形洞身支护结构的制作方法

1.本实用新型涉及钢拱架施工领域，尤其是涉及一种隧道变形洞身支护结构。


背景技术：

2.随着我国公路工程的快速发展，工程施工所面对的地质背景愈为复杂，而隧道作为开挖穿越地质岩层的施工工程，受地层、构造等地质因素的影响更大。近年来，针对穿越褶皱区软岩隧道的大变形问题，一直是隧道施工领域研究的热点，而通过对褶皱区构造应力及围岩岩性的研究，工程上基于卸荷高地应力的放抗结合支护原则，提出了采用双层钢拱架、让压锚杆等支护结构，在工程实践中取得了较好的应用效果。但随着隧洞逐步深入至愈为复杂地质环境，隧道软弱围岩受应力集中影响后极易松散出现拱顶塌落问题，而传统的支护方式中的挂网喷混对于解决该类问题收效较少；同时，由于掌子面前端围岩受应力集中影响，围岩裂隙紧密闭合致使超前注浆受限，致使开挖后松散围岩砂砾化后沿初支拱架间隙倾泻，持续造成洞身变形不收敛情况，采用传统的拱架支护结构难以达到设计预期。褶皱核心区片理化强风化安山岩隧道洞身开施工过程中，在双层拱架、让压锚杆等传统支护体系下，仍出现洞身变形不收敛、工地松散围岩塌落情况，表明了在褶皱核心区软岩隧道洞身变形处治研究中，构造应力集中条件下松散围岩支护的技术难题较为突出。因此，针对以上情况，亟需设计一种能解决构造应力集中、松散围岩隧道洞身大变形问题的支护体系，以解决以上问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的在于提供一种隧道变形洞身支护结构，解决道软弱围岩受应力集中影响后极易松散出现拱顶塌落问题，而传统的支护方式中的挂网喷混对于解决该类问题收效较少；同时，由于掌子面前端围岩受应力集中影响，围岩裂隙紧密闭合致使超前注浆受限，致使开挖后松散围岩砂砾化后沿初支拱架间隙倾泻，持续造成洞身变形不收敛情况的问题。
4.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种隧道变形洞身支护结构，多根钢体组成环形结构的格栅拱架，格栅拱架内侧设有多根钢体组成环形结构钢拱架，钢拱架与格栅拱架之间设置有外层钢筋网，钢拱架内壁设置有内层钢筋网，钢拱架底部开口位置设置有下台阶拱架，下台阶拱架与钢拱架形成闭环。
5.优选方案中，格栅拱架外壁还设有多根竖直设置的钢花管。
6.优选方案中，钢拱架和格栅拱架外部还均设有多根朝下方向倾斜设置的锁脚锚管。
7.优选方案中，格栅拱架、下台阶拱架和钢拱架均通过第一拱架连接头连接刚体组装而成。
8.优选方案中，第一拱架连接头的结构为：第二钢体的第二固定板两侧设置有定位卡爪，定位卡爪穿过第二固定板与转动轴连接，第一钢体的第一固定板两侧卡在定位卡爪
上，第一固定板和第二固定板通过多个双头螺母连接。
9.优选方案中，第二钢体两侧还设有滑动槽，转动轴一端设有滑动头，滑动头设置在滑动槽内部，滑动头在滑动槽内部轴向限位。
10.优选方案中，定位卡爪的卡槽下表面与第二固定板表面齐平；
11.第一固定板上还设有多个第一角度固定螺丝，第一角度固定螺丝穿过第一固定板抵靠在第二固定板表面；
12.第一固定板一侧呈楔形结构，楔形结构卡在定位卡爪的卡槽内部，楔形结构一侧设有限位的凸台，凸台抵靠在定位卡爪一侧限位；
13.第二固定板上的螺栓孔均为腰型孔。
14.优选方案中，下台阶拱架与钢拱架之间通过第二拱架连接头连接组成。
15.优选方案中，第二拱架连接头的结构为：钢拱架一侧设置有第三固定板，第三固定板两侧设置有限位卡爪，限位卡爪穿过第三固定板，且限位卡爪尾端设置有限位板，下台阶拱架端部的第四固定板卡在限位卡爪上，第四固定板与第三固定板通过多个双头螺栓连接；
16.第三固定板上的螺栓孔均为腰型孔；
17.第四固定板上还设有多个第二角度固定螺丝，第二角度固定螺丝穿过第四固定板抵靠在第三固定板上。
18.本实用新型提供了一种隧道变形洞身支护结构，本实用新型针对褶皱核心区隧道洞身软弱围岩特性，在考虑到超前注浆受限的前提下，利用双层拱架让压机理的对开挖后松散围岩进行注浆固结处理，直接解决构造应力集中挤压后的松散围岩砂砾化塌落问题，同时在洞身松动圈范围内形成固结围岩自稳圈，分化部分洞身支护压力，相比于直接增强支护结构刚度、密度的传统支护结构，具有针对性强、实用性高、经济便捷的优势。
附图说明
19.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
20.图1是本实用新型整体施工示意图；
21.图2是本实用新型支护结构多层示意图；
22.图3是本实用新型混凝土层包裹示意图；
23.图4是本实用新型上台阶开挖施工示意图；
24.图5是本实用新型中台阶开挖后施工示意图；
25.图6是本实用新型下台阶及仰拱开挖后施工示意图；
26.图7是本实用新型喷射混凝土施工示意图；
27.图8是本实用新型第一拱架连接头主视结构图；
28.图9是本实用新型第一拱架连接头角度调节后主视结构图；
29.图10是本实用新型第一拱架连接头侧视结构图；
30.图11是本实用新型第一拱架连接头侧视第一角度固定螺丝锁紧角度结构图；
31.图12是本实用新型第一拱架连接头拆解结构图；
32.图13是本实用新型第一拱架连接头剖视结构图；
33.图14是本实用新型第二拱架连接头主视结构图；
34.图15是本实用新型第二拱架连接头安装侧视结构图；
35.图16是本实用新型第二拱架连接头角度调节结构图；
36.图17是本实用新型第二拱架连接头拆解结构图。
37.图中：格栅拱架1；第一钢体101；第二钢体102；第一固定板103；第二固定板104；滑动槽105；钢花管2；第一拱架连接头3；定位卡爪301；转动轴302；第一角度固定螺丝303；滑动头304；外层钢筋网4；钢拱架5；第三固定板501；内层钢筋网6；第一锁脚锚管7；第二锁脚锚管8；第三锁脚锚管9；第二拱架连接头10；限位卡爪1001；限位板1002；下台阶拱架11；第四固定板1101；第二角度固定螺丝1102；混凝土层12；喷射混凝土13。
具体实施方式
38.实施例1
39.如图1~17所示，一种隧道变形洞身支护结构，多根钢体组成环形结构的格栅拱架1，格栅拱架1内侧设有多根钢体组成环形结构钢拱架5，钢拱架5与格栅拱架1之间设置有外层钢筋网4，钢拱架5内壁设置有内层钢筋网6，钢拱架5底部开口位置设置有下台阶拱架11，下台阶拱架11与钢拱架5形成闭环。格栅拱架1外壁还设有多根竖直设置的钢花管2。钢拱架5和格栅拱架1外部还均设有多根朝下方向倾斜设置的锁脚锚管。格栅拱架1、下台阶拱架11和钢拱架5均通过第一拱架连接头3连接刚体组装而成。格栅拱架1上、中台阶拱脚分别设置2根6m长φ108*6mm锁脚锚管，下台阶拱脚分别设置2根4.5m长φ42*4mm锁脚锚管，外层钢筋网4安装至格栅拱架1内侧，在分台阶施工中按工序安装；φ42*4 mm钢花管2沿洞身环向按间距1.2*1.2 m梅花形布置，采用水泥浆液，水灰比1:1进行注浆，注浆压力0.5～1 mpa。
40.钢拱架5拱脚处设置2根4.5m长φ42*4mm锁脚锚管，内层钢筋网6安装至格钢拱架5内侧，在分台阶施工中按工序安装；喷射混凝土13包括整体支护体系，形成混凝土层12结构，如图3所示结构，施工过程中按工序分层喷射，洞身开挖后初喷2~5cm，安装外层钢筋网4后分层复喷至设计厚度。拱架为分段加工后洞内连接，各段拱架之间采用连接头连接，拱墙、拱顶处为第一拱架连接头3，仰拱、拱脚处为第二拱架连接头10，皆为传统连接工艺。
41.针对构造应力集中条件下，掌子面前部围岩裂隙紧闭超前支护受限，已开挖段极破碎围岩松散塌陷导致的洞身大变形问题，利用外层小刚度格栅拱架、大锁脚锚管在上、中台阶开挖时，使围岩在一定支护阻力条件下变形卸荷，同时在围岩卸荷张开裂隙时采用注浆钢花管注浆固结洞身松动圈，固结松散围岩阻止其塌陷并构建围岩自稳圈以降低支护阻力，结合内层大刚度钢拱架组成支撑主体结构，最终挂网喷锚后在仰拱拱架安装闭环后形成完整支护体系。
42.实施例2
43.如图8~13所示，优选方案中，第一拱架连接头3的结构为：第二钢体102的第二固定板104两侧设置有定位卡爪301，定位卡爪301穿过第二固定板104与转动轴302连接，第一钢体101的第一固定板103两侧卡在定位卡爪301上，第一固定板103和第二固定板104通过多个双头螺母连接。格栅拱架1、下台阶拱架11和钢拱架5均通过第一拱架连接头3连接刚体组装而成。第一拱架连接头3主要通过第一固定板103和第二固定板104通过多个双头螺母连接并且通过定位卡爪301简单定位后来再组装格栅拱架1、下台阶拱架11和钢拱架5，组装效率高。
44.优选方案中，第二钢体102两侧还设有滑动槽105，转动轴302一端设有滑动头304，滑动头304设置在滑动槽105内部，滑动头304在滑动槽105内部轴向限位。定位卡爪301通过转动轴302转动，转动轴302端部的滑动头304在滑动槽105内部上下滑动或者转动，能够使滑动头304多角度转动，能够改变第二钢体102和第二钢体102之间的连接角度，如图9所示结构，适应不同的弧形结构。
45.优选方案中，定位卡爪301的卡槽下表面与第二固定板104表面齐平；方便卡入第二固定板104到定位卡爪301卡槽内部。
46.第一固定板103上还设有多个第一角度固定螺丝303，第一角度固定螺丝303穿过第一固定板103抵靠在第二固定板104表面；第一角度固定螺丝303方便固定第二钢体102和第二钢体102之间的连接角度。
47.第一固定板103一侧呈楔形结构，楔形结构卡在定位卡爪301的卡槽内部，楔形结构一侧设有限位的凸台，凸台抵靠在定位卡爪301一侧限位；能够定位和简单固定第一固定板103的位置。
48.第二固定板104上的螺栓孔均为腰型孔。腰型孔能够多角度锁紧。
49.实施例3
50.如图14~17所示，优选方案中，下台阶拱架11与钢拱架5之间通过第二拱架连接头10连接组成。第二拱架连接头10的结构为：钢拱架5一侧设置有第三固定板501，第三固定板501两侧设置有限位卡爪1001，限位卡爪1001穿过第三固定板501，且限位卡爪1001尾端设置有限位板1002，下台阶拱架11端部的第四固定板1101卡在限位卡爪1001上，第四固定板1101与第三固定板501通过多个双头螺栓连接；第二拱架连接头10能够连接钢拱架5和下台阶拱架11，且下台阶拱架11能够与钢拱架5之间的角度通过第二拱架连接头10进行调节，限位卡爪1001用于限制下台阶拱架11的第四固定板1101的位置。
51.第三固定板501上的螺栓孔均为腰型孔；腰型孔能够多角度锁紧。
52.第四固定板1101上还设有多个第二角度固定螺丝1102，第二角度固定螺丝1102穿过第四固定板1101抵靠在第三固定板501上；第二角度固定螺丝1102方便固定下台阶拱架11和钢拱架5之间的连接角度。
53.实施例4
54.结合实施例1进一步说明，如图1-17所示结构，洞身上台阶开挖后，初喷2~5cm喷射混凝土13，安装格栅拱架1并在拱脚处设置两根6m长φ108*6m第一锁脚锚管7，然后安装外层钢筋网4，完成上台阶支护；本实用新型的有效作用为：利用小刚度格栅拱架1支护围岩，使围岩挤压格栅拱架1后变形释放应力，形成初期卸荷体系，同时采用大强度锁脚锚管增强格栅拱架1整体稳定性，避免拱架失稳。
55.洞身中台阶开挖后，初喷2~5cm喷射混凝土13，安装格栅拱架1并在拱脚处设置两根6m长φ108*6mm第二锁脚锚管8，然后安装外层钢筋网4，完成中台阶支护。
56.根据监控量测数据判断洞身变形是否达到预留变形量，当洞身变形至预留变形量时，按间距1.2*1.2 m梅花形布置径向φ42*4 mm钢花管2，并采用水泥浆液，水灰比1:1进行注浆，注浆范围应不小于松动圈尺寸；
57.注浆后安装内层钢拱架5及内层钢筋网6，拱架拱脚处设置一根4.5m长φ42*4mm第三锁脚锚管9，并分层复喷喷射混凝土层12至设计厚度，厚度应包裹外层钢筋网4形成中、上
台阶支护体系；
58.当洞身变形未达到预留变形量时，现场应调整工序安装钢拱架5，并做好即时监测用于指导径向注浆时机；当洞身变形未达到预留变形量时，现场应调整工序安装钢拱架5，并做好即时监测用于指导径向注浆时机。本实用新型的有效作用为：利用洞身卸荷后围岩裂隙张开间隙，对洞身环形松动圈进行径向注浆加固，既阻止应力集中区极破碎围岩松散塌陷，同时提高围岩圈自稳性以降低洞身支护阻力。
59.下台阶及仰拱开挖后，初喷2~5cm喷射喷射混凝土13，依次安装格栅拱架1、外层钢筋网4、钢拱架5及内层钢筋网6，并在拱脚处再设置一根6m长φ108*6mm第三锁脚锚管9。
60.然后分层复喷喷射混凝土至设计厚度，厚度应包裹外层钢筋网4，下台阶拱架11。
61.仰拱处同步安装钢拱架5闭合支护环向结构，并进行仰拱回填；本实用新型的有效作用为：采用φ108*6mm锁脚锚管提高拱架闭环前格栅拱架1结构稳定性，并为仰拱开挖拱架闭环提供充足的施作时机。
62.拱架为分段加工后洞内连接，各段拱架之间采用连接头连接，拱墙、拱顶处通过第一拱架连接头3组装，仰拱、拱脚处通过第二拱架连接头10连接。
63.上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。