一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，包括多榀约束混凝土拱架，所述约束混凝土拱架支撑隧道围岩，沿隧道依次排布，相邻的约束混凝土拱架之间通过纵向连接机构连接进行拱架定位拼装，架设完成后焊设普通连接钢筋，形成支撑体系；所述支撑体系在围岩侧和隧道侧布设有若干层钢筋网，在支撑体系与钢筋网上喷有混凝土喷层。本发明专利技术为使拱架与混凝土喷层较好粘结，在受围岩荷载时不会剥离，在拱架上焊接加强肋板；相邻约束混凝土拱架之间用带有卡簧的纵向连接筋自动连接或者普通钢筋焊接；针对拱架受力较大部位采用钢筋或钢板进行补强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系。
技术介绍
随着隧道建设规模和速度的迅猛发展，对交通运输不断提出更新、更高的要求，极大地促进了交通基础设施建设规模的逐步扩大和高速公路建设的迅猛发展，公路隧道的建设无论在数量上还是在规模上均有一个较大的提高。可以预见未来几十年内，一大批具有“大断面、大埋深、高应力、长洞线、软弱破碎”等鲜明特点的隧道即将在复杂地质条件下修建，大跨度隧道软弱破碎围岩下的安全及稳定问题愈发突出，超大断面隧道软弱围岩破坏控制机理及支护对策亟待进行深入研究。软弱破碎围岩的大变形控制是目前软岩隧道工程面临的一大技术难题。隧道穿越软弱破碎围岩时，开挖扰动必然会引起较大的围岩变形，如果支护承载力不足，围岩变形可能超过其容许范围，严重时引起掌子面失稳、隧道塌方，造成重大经济损失。在大断面、破碎围岩隧道支护中，传统的工字钢拱架、格栅钢架支护方式，无法对围岩进行有效控制，造成支护成本过高、围岩失稳风险增大、施工和运行安全系数过低等问题。目前急需一种能够对大断面、破碎围岩进行有效控制的新型高强支护体系。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，本专利技术具有钢材的高强和延性以及混凝土耐压和造价低廉的优点，可以满足我们控制隧道围岩变形的要求。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，包括多榀约束混凝土拱架，所述约束混凝土拱架支撑隧道围岩，沿隧道依次排布，相邻的约束混凝土拱架之间通过纵向连接机构连接，形成支撑体系；所述支撑体系在围岩侧和隧道侧布设有若干层钢筋网，在支撑体系与钢筋网上喷射有混凝土喷层。进一步的，所述约束混凝土拱架为钢管内充填核心混凝土结构的拱形支架，根据隧道的侧压力系数的不同，约束混凝土拱架的截面形状不同。优选的，截面包括方形和圆形，方形截面惯性矩较大，抗弯性能好；圆形截面钢管对核心混凝土约束效果较好，轴压性能较好，一般来说，圆钢约束混凝土适用于侧压力系数在0.8-1.2之间的圆形截面隧道以及侧压力系数在1-1.5之间的三心圆截面隧道，其余条件下可选用方钢约束混凝土。进一步的，所述约束混凝土拱架由多节钢管拼接组成，钢管之间通过节点连接，所述节点为法兰连接方式，每节钢管间通过焊接的法兰盘并利用螺栓进行连接，在法兰盘和钢管连接处四周焊接多块加劲肋，对节点连接薄弱处进行加强。进一步的，所述约束混凝土拱架由多节钢管拼接组成，钢管之间通过节点连接，所述节点为连接件，所述连接件包括两个环形钢元件，所述环形钢元件通过铰链连接，两节钢管折叠时铰链闭合，利用卡簧进行位置固定。进一步的，所述约束混凝土拱架拱腿处设置伸缩结构，可有效减小地面超挖，方便整榀拱架安装时，拱腿可到达指定位置。进一步的，所述约束混凝土拱架的钢管内部填充有核心混凝土。核心混凝土分为普通混凝土和钢纤维混凝土，具体选择根据现场具体情况确定，混凝土强度等级为C20-C70之间，同时添加一定比例泵送剂和早强剂，约束混凝土拱架易于灌注、强度提高迅速，并可根据现场围岩条件来调整凝结时间，让轴压强度达到最终强度的80％以上。进一步的，所述约束混凝土拱架在灌浆口处设有补强结构，灌浆口补强结构包括侧弯钢板补强、开口钢板补强和/或周边钢板补强。钢板厚度与拱架钢管壁厚比值为0.5-4，钢板长度为灌注口直径的1.2-3倍。通过补强降低应力集中程度，提高极限承载力。进一步的，所述约束混凝土拱架上设置有肋板，肋板焊设在拱架内外两侧，肋板长度超出拱架宽度10mm-200mm，肋板高度高于拱架平面5mm-100mm肋板间距在500mm-30000mm之间。肋板能够增加拱架与混凝土喷层接触面积，提高拱架与喷层的相互作用力，增加拱架和混凝土的粘结性和整体性。进一步的，所述纵向连接机构，为纵向连接筋，焊接在两榀约束混凝土拱架之间，且在不同的约束混凝土拱架靠围岩侧和靠隧道侧交替焊接，可以在围岩侧和隧道侧均焊接纵向连接筋。优选的，所述纵向连接机构为纵向连接杆，连接钢筋的一端配有螺纹，在约束混凝土拱架安装前与约束混凝土拱架上接口连接，连接钢筋另一端有突起，在约束混凝土拱架拼装时
插入到前一榀已经拼装的约束混凝土拱架对应位置的接口，倒楔形卡环自动固定，连接两榀约束混凝土拱架。优选的，所述纵向连接杆的连接钢筋的另一端带有环形凹槽，插入前一榀约束混凝土拱架对应位置的接口，张紧的卡簧卡在环形凹槽内，起到固定作用。进一步地，所述约束混凝土拱架的主要受力部位采用钢筋或钢板进行补强，拱架顶部和帮部靠近围岩侧焊设钢筋或钢板，增加关键位置的强度，提高拱架整体的承载能力。进一步地，所述钢筋网分别布置在两榀约束混凝土拱架之间，分别焊接在约束混凝土拱架靠围岩侧和隧道侧两侧的双层钢筋网，钢筋网与拱架焊接距离等于约束混凝土拱架的一半宽度，这样每榀拱架两侧钢筋网可以接触，钢筋网的覆盖可以增加钢管表面与混凝土喷层的摩擦，钢拱架和喷层结合性更好。进一步地，所述混凝土喷层可以是普通C20-C40混凝土也可以是钢纤维混凝土，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。进一步地，所述约束混凝土拱架间排距和喷层厚度，根据现场地质条件较传统的支护形式的拱架间排距可适当增大，喷层厚度可适当减小。进一步地，所述约束混凝土拱架可以外焊钢筋套，钢筋套包括四根主筋、若干箍筋、桁架筋及U型筋，所述四根主筋分别设置在约束混凝土拱架的四周，通过紧固件与约束混凝土拱架相连，且主筋与约束混凝土拱架平行，箍筋布设在径向平面上沿拱架方向分布，包裹主筋与约束混凝土拱架，相邻的主筋之间固定有桁架筋与U型筋，这样的设计可以增加体系的稳定性以及增加与混凝土喷层的粘结性能，整体性更好。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术具有钢材的高强和延性以及混凝土耐压和造价低廉的优点，可以满足控制隧道围岩变形的要求；(2)本专利技术约束混凝土拱架的承载能力是相同截面含钢量传统矿山支护U型钢拱架的2-3倍，外部钢管约束作用使内部混凝土具有更高的抗压强度，钢管与其内部混凝土共同承载；(3)就支护成本来讲，尽管约束混凝土在核心混凝土和壁后充填混凝土方面比传统型钢支护增加约20％的成本，但是由于其承载能力强大，避免了多次复修的高昂费用，本专利技术的总体成本更低；(4)在隧道中相同承载能力的约束混凝土拱架成本要低于型钢拱架，相同含钢量的约
束混凝土拱架承载能力远大于型钢，因此约束混凝土在复杂条件隧道高强支护当中具有重要的推广价值；(5)本专利技术为使拱架与混凝土喷层较好粘结，在受围岩荷载时不会剥离，在拱架上焊接加强肋板；相邻约束混凝土拱架之间用带有卡簧的纵向连接筋自动连接或者普通钢筋焊接；针对拱架受力较大部位采用钢筋或钢板进行补强。附图说明图1为本专利技术节点法兰连接结构示意图；图2(a)、(b)为本专利技术两种节点铰连接结构示意图；图3为本专利技术焊接肋板结构示意图；图4(a)为本专利技术钢筋套截面图；图4(b)为本专利技术的钢筋套整体示意图。图5为本专利技术适用于非机械化施工的纵向连接筋结构示意图；图6(a)、(b)为本专利技术适应于机械化施工的两种纵向连接杆结构示意图；图7为本专利技术加强钢筋结构示意图；图8(a)、(b)、(c)为本专利技术灌浆口补强结构示意图；图9为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：包括多榀约束混凝土拱架，所述约束混凝土拱架支撑隧道围岩，沿隧道依次排布，相邻的约束混凝土拱架之间通过纵向连接机构连接，形成支撑体系；所述支撑体系在围岩侧和隧道侧布设有若干层钢筋网，在支撑体系与钢筋网上喷射有混凝土喷层。

【技术特征摘要】
1.一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：包括多榀约束混凝土拱架，所述约束混凝土拱架支撑隧道围岩，沿隧道依次排布，相邻的约束混凝土拱架之间通过纵向连接机构连接，形成支撑体系；所述支撑体系在围岩侧和隧道侧布设有若干层钢筋网，在支撑体系与钢筋网上喷射有混凝土喷层。2.如权利要求1所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：所述约束混凝土拱架为钢管内充填核心混凝土结构的拱形支架，根据隧道的侧压力系数的不同，约束混凝土拱架的截面形状不同。3.如权利要求2所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：截面包括方形和圆形，具体的截面为圆形的约束混凝土支架适用于侧压力系数在0.8-1.2之间的圆形截面隧道以及侧压力系数在1-1.5之间的三心圆截面隧道。4.如权利要求2所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：所述约束混凝土拱架由多节钢管拼接组成，钢管之间通过节点连接，所述节点为法兰连接方式，每节钢管间通过焊接的法兰盘并利用螺栓进行连接，在法兰盘和钢管连接处四周焊接多块加劲肋，对节点连接薄弱处进行加强。5.如权利要求2所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：所述约束混凝土拱架由多节钢管拼接组成，钢管之间通过节点连接，所述节点为连接件，所述连接件包括两个环形钢元件，所述环形钢元件通过铰链连接，两节钢管折叠时铰链闭合，利用卡簧进行位置固定。6.如权利要求1所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：所述约束混凝土拱架拱腿处设置伸缩结构。7.如权利要求1所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：所述约束混凝土拱架在灌浆口处设有补强结构，灌浆口补强结构包括侧弯钢板补强、开口钢板补强和/或周边钢板补强。8.如权利要求1所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：所述约束混凝土拱架上设置有肋板，肋板焊设在拱架内外两侧，肋板长度超出拱架宽度，肋板高度高于拱架平面，且肋板之间具有间距。9.如权利要求1所述的一种适用于地下隧洞的高强约束混凝土支护体系，其特征是：所述约束混凝土拱架外焊钢筋套，钢筋套包括四根主筋、若干箍筋、桁架筋及U型筋，所述四根主筋...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，李术才，秦乾，孙会彬，栾英成，江贝，潘锐，于恒昌，常涛，王雷，高松，鹿伟，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37