山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构及其施工方法技术

本发明专利技术公开了一种山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构及其施工方法，属于山区公路隧道盖挖法施工领域，其中的土拱胎模板拉杆结构主要包括设置在土拱胎上由钢模板、木模板、钢模板系杆、系杆套管和槽钢垫板所构成的套拱模板，及设置在钢模板和木模板底部的两对上、下拉杆，在木模板与钢模板之间浇筑形成套拱混凝土，然后再浇筑二次衬砌混凝土，这种山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构具有构造简单、使用方便、安全可靠、费用低廉、施工材料重复利用等优点，结合相应的施工方法能有利于减少盖挖法施工隧道边坡开挖的工程数量，节约弃土场，还具有节能减排的效果，经济效益和社会效益显著。

【技术实现步骤摘要】
山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构及其施工方法
本专利技术涉及一种山区公路隧道盖挖法施工领域，具体是指山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构及其施工方法。
技术介绍
公路隧道盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工。山区公路隧道需穿越谷地和山岭底下，谷地由于覆盖层较浅，地质条件变化较大，故谷地隧道施工难度一般比山岭底下隧道要大。工程中常遇到的谷地覆盖层较薄，隧道部分高度为地质较差的土层，以下为地质稍好的风化岩层，常采用土拱胎模板套拱支护逆挖法施工，如公开的中国专利号为201110451019.4的“盖挖逆作法土胎模的施工方法”，它提出的土胎模即土拱胎施工方法是用预留拱度方法解决土拱胎变形沉降的问题，但不能解决土拱胎和套拱钢模板整体稳定，如在开挖的边坡两侧用钢构件支撑土拱胎的套拱模板，边坡土体变形不易控制，土拱胎和套拱钢模板整体稳定也难以保证，存在安全隐患；而公开的中国专利号为201420739014.0的“山岭隧道桩拱盖挖法综合支护结构”，它是采用两排相互平行的钻孔桩措施，则费用更为高昂，而且也很难重复利用施工材料。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种构造简单、使用方便、安全可靠、费用低廉、施工材料重复利用的山区公路隧盖挖法土拱胎模板拉杆结构及其施工方法。本专利技术的技术问题通过以下技术方案实现：一种山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，包括由地面向下开挖并修整成拱形的土拱胎和两侧的坡面，在土拱胎和坡面之间预留操作空间，所述的土拱胎外表面预留沉降量并铺设中粗砂垫层，土拱胎的两侧拱脚处均预设有套拱基础，土拱胎的外表面设有多条按照土拱胎形状铺设在中粗砂垫层上的木模板和设置在木模板外层的钢模板，该木模板和钢模板均由套拱基础顶部包裹至土拱胎的拱顶；所述的木模板底设有多根沿土拱胎外表面形状作一定间距设置的槽钢垫板，每根槽钢垫板的凹槽部均嵌入中粗砂垫层内，每根槽钢垫板上间距设置多个呈梅花形布置的钻孔；所述的钢模板底部与套拱基础顶部固定连接，钢模板顶部预留混凝土浇筑孔；所述的钢模板外表面穿入多根钢模板系杆，每根钢模板系杆再依次穿过木模板而从槽钢垫板的钻孔穿出，该钢模板系杆的两端分别固定在钢模板和槽钢垫板上，在钢模板与木模板之间的钢模板系杆外设有系杆套管，该系杆套管与钢模板、木模板的接缝处密封，所述的钢模板、木模板、钢模板系杆、系杆套管和槽钢垫板构成套拱模板，在木模板与钢模板之间浇筑形成套拱混凝土；所述的钢模板和木模板底部设有两对上拉杆和下拉杆，每对上拉杆依次穿过其中一侧的钢模板、木模板和土拱胎孔道而从另一侧的木模板和钢模板穿出，在钢模板与木模板之间的上拉杆外设有拉杆套管，该拉杆套管与钢模板、木模板的接缝处密封；每对下拉杆依次穿过其中一侧的钢模板、木模板和土拱胎孔道而从另一侧的木模板和钢模板穿出，在钢模板与木模板之间的下拉杆外设有拉杆套管，该拉杆套管与钢模板、木模板的接缝处密封；所述的钢模板外表面设有连接紧固上拉杆或下拉杆的契形垫板、拉杆螺栓。所述的木模板为具有一定强度的条形木板，长度方向沿土拱胎环状布置，相邻木模板之间相互嵌挤，不漏水漏浆，多条木模板铺设完成后的外形与套拱混凝土底面形状相同，木模板沿隧道轴线的每单元长度S=10～12m，从套拱基础顶部包裹至土拱胎的拱顶；所述的槽钢垫板每单元长度S=10～12m，长度方向沿隧道轴线布置，每单元10～20根，10～20号规格的槽钢，每条木模板的长度和槽钢垫板的间距长度相同，即每条木模板的环向接头在槽钢顶部宽度的中心；所述的钢模板系杆直径为18～25mm圆钢筋，系杆螺栓紧固钢模板和槽钢垫板，钢模板系杆长度=套拱混凝土厚度+钢模板厚度+木模板厚度+槽钢垫板厚度+2╳螺栓固定长度，每根槽钢垫板使用钢模板系杆和系杆套管5～7根，该系杆套管为PVC套管，内径与钢模板系杆直径相同，长度与套拱混凝土厚度相同，壁厚2～3mm，具有一定的刚度，在系杆螺栓紧固下不挠曲，与钢模板底面和木模板顶面用胶带或胶泥密封不漏水漏浆。所述的钢模板按照套拱混凝土的上顶面外形预留3～5cm的预拱度设置，为钢制模板，外围焊接工字钢或槽钢加强围檩，该钢模板沿隧道轴线的单元长度为S=10～12m，钢模板的底面与木模板的顶面之间形成套拱混凝土的高度，从套拱基础顶部包裹至土拱胎的拱顶，钢模板底部与套拱基础的预埋钢件用螺栓紧固或电焊焊接固定。所述的上拉杆和下拉杆均为预应力螺纹钢筋制成相同结构的拉杆，直径25～32mm；所述的上拉杆依次从钢模板上的上排上拉杆预留孔、拉杆套管、木模板预留孔和钻机钻出的土拱胎孔道至另一侧的木模板预留孔、拉杆套管和钢模板上的下排上拉杆预留孔穿出；所述的下拉杆依次从钢模板上的上排下拉杆预留孔、拉杆套管、木模板预留孔和钻机钻出的土拱胎孔道至另一侧的木模板预留孔、拉杆套管和钢模板上的下排下拉杆预留孔穿出；所述的拉杆套管为PVC管，内径与上、下拉杆直径相同，壁厚2～3mm；所述的契形垫板上设有大于拉杆直径1～2mm的孔道，契形垫板外表面与拉杆垂直，以便张拉拉杆和锚固拉杆准确受力；所述的拉杆套管与钢模板、木模板紧贴，在浇筑套拱混凝土时不漏浆，套拱混凝土凝固后，拆除上、下拉杆时，拉杆从拉杆套管中容易抽出；所述钢模板上的预留孔、土拱胎孔道和木模板预留孔的每节钢模板中间位置垂直方向和水平方向各设两排预留孔，为上排上拉杆孔、上排下拉杆孔和下排上拉杆孔、下排下拉杆孔，每排的上、下拉杆孔水平间距为，垂直间距为，两排预留孔的平均高度与套拱基础顶面高度差为的取值视土拱胎的土性而定，土质较好的取小值，土质较差的取大值；所述的上拉杆和下拉杆由多节预应力螺纹钢筋用连接器连接而成，每节的长度由边坡与土拱胎之间的操作空间而定，长度为2～5m，上拉杆或下拉杆在契形垫板、拉杆螺栓外预留千斤顶张拉长度。所述的拉杆在垂直方向和水平方向均作斜向布置，拉杆垂直方向与水平面之间的夹角为、水平方向与隧道纵向轴线成夹角。所述的山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构的计算模型为：每对上、下拉杆的平均高度即两排预留孔平均高度与套拱基础顶面高度差为，并与钢模板连接处节点B、C作为拉杆和钢模板圆轴线的等效计算矢高，B、C为钢模板拱轴线的等效拱脚，由于土拱胎与隧道拱轴线为三圆组合拱，钢模板为薄板壳体，为叠在土拱胎上带拉杆的弹性地基壳，精确的计算需用三维有限元进行计算，在编制初步方案阶段时，为了加快计算进度提高工作效率，不失安全性，将钢模板和每对上、下拉杆简化作为带拉杆二铰圆弧拱计算，每对上、下拉杆的平均高度作为等效拉杆，即等效拉杆轴线位置，在套拱混凝土和套拱模板的荷载作用下的套拱基础垂直反力、水平反力和每对上、下拉杆等效拉力由下式计算：公式一、公式二、公式一、公式二中——分别为钢模板B、C拱脚在套拱混凝土和套拱模板的荷载作用下的垂直反力，由于结构和荷载对称，；——分别为钢模板B、C拱脚在套拱混凝土和套拱模板的荷载作用下的水平反力，即每对上、下拉杆的等效拉力，由于结构和荷载对称，；——分别为套拱混凝土和套拱模板的荷载强度，；——每对上、下拉杆的范围为沿隧道轴线的一个计算单元长度，；——钢模板的圆轴线半径，；——钢模板的圆轴线矢高，；——钢模板的圆轴线等效矢高，即每对拉杆的平均高度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，包括由地面（9）向下开挖并修整成拱形的土拱胎（3）和两侧的坡面（2），在土拱胎（3）和坡面（2）之间预留操作空间，其特征在于：a、所述的土拱胎（3）外表面预留沉降量（12）并铺设中粗砂垫层，土拱胎（3）的两侧拱脚处均预设有套拱基础（1），土拱胎（3）的外表面设有多条按照土拱胎（3）形状铺设在中粗砂垫层上的木模板（4）和设置在木模板外层的钢模板（5），该木模板（4）和钢模板（5）均由套拱基础（1）顶部包裹至土拱胎（3）的拱顶；b、所述的木模板（4）底设有多根沿土拱胎（3）外表面形状作间距设置的槽钢垫板（54），每根槽钢垫板的凹槽部均嵌入中粗砂垫层内，每根槽钢垫板（54）上间距设置多个呈梅花形布置的钻孔；所述的钢模板（5）底部与套拱基础（1）顶部固定连接，钢模板（5）顶部预留混凝土浇筑孔；所述的钢模板（5）外表面穿入多根钢模板系杆（53），每根钢模板系杆再依次穿过木模板（4）而从槽钢垫板（54）的钻孔穿出，该钢模板系杆（53）的两端分别固定在钢模板（5）和槽钢垫板（54）上，在钢模板（5）与木模板（4）之间的钢模板系杆（53）外设有系杆套管（56），该系杆套管与钢模板（5）、木模板（4）的接缝处密封，所述的钢模板（5）、木模板（4）、钢模板系杆（53）、系杆套管（56）和槽钢垫板（54）构成套拱模板，在木模板（4）与钢模板（5）之间浇筑形成套拱混凝土（7）；c、所述的钢模板（5）和木模板（4）底部设有两对上拉杆（61）和下拉杆（62），每对上拉杆（61）依次穿过其中一侧的钢模板（5）、木模板（4）和土拱胎孔道而从另一侧的木模板（4）和钢模板（5）穿出，在钢模板（5）与木模板（4）之间的上拉杆（61）外设有拉杆套管（52），该拉杆套管与钢模板（5）、木模板（4）的接缝处密封；每对下拉杆（62）依次穿过其中一侧的钢模板（5）、木模板（4）和土拱胎孔道而从另一侧的木模板（4）和钢模板（5）穿出，在钢模板（5）与木模板（4）之间的下拉杆（62）外设有拉杆套管（52），该拉杆套管与钢模板（5）、木模板（4）的接缝处密封；所述的钢模板（5）外表面设有连接紧固上拉杆（61）或下拉杆（62）的契形垫板（63）、拉杆螺栓（64）。...

【技术特征摘要】
1.一种山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，包括由地面（9）向下开挖并修整成拱形的土拱胎（3）和两侧的坡面，在土拱胎（3）和坡面之间预留操作空间，其特征在于：a、所述的土拱胎（3）外表面预留沉降量（12）并铺设中粗砂垫层，土拱胎（3）的两侧拱脚处均预设有套拱基础（1），土拱胎（3）的外表面设有多条按照土拱胎（3）形状铺设在中粗砂垫层上的木模板（4）和设置在木模板外层的钢模板（5），该木模板（4）和钢模板（5）均由套拱基础（1）顶部包裹至土拱胎（3）的拱顶；b、所述的木模板（4）底设有多根沿土拱胎（3）外表面形状作间距设置的槽钢垫板（54），每根槽钢垫板的凹槽部均嵌入中粗砂垫层内，每根槽钢垫板（54）上间距设置多个呈梅花形布置的钻孔；所述的钢模板（5）底部与套拱基础（1）顶部固定连接，钢模板（5）顶部预留混凝土浇筑孔；所述的钢模板（5）外表面穿入多根钢模板系杆（53），每根钢模板系杆再依次穿过木模板（4）而从槽钢垫板（54）的钻孔穿出，该钢模板系杆（53）的两端分别固定在钢模板（5）和槽钢垫板（54）上，在钢模板（5）与木模板（4）之间的钢模板系杆（53）外设有系杆套管（56），该系杆套管与钢模板（5）、木模板（4）的接缝处密封，所述的钢模板（5）、木模板（4）、钢模板系杆（53）、系杆套管（56）和槽钢垫板（54）构成套拱模板，在木模板（4）与钢模板（5）之间浇筑形成套拱混凝土（7）；c、所述的钢模板（5）和木模板（4）底部设有两对上拉杆（61）和下拉杆（62），每对上拉杆（61）依次穿过其中一侧的钢模板（5）、木模板（4）和土拱胎孔道而从另一侧的木模板（4）和钢模板（5）穿出，在钢模板（5）与木模板（4）之间的上拉杆（61）外设有拉杆套管（52），该拉杆套管与钢模板（5）、木模板（4）的接缝处密封；每对下拉杆（62）依次穿过其中一侧的钢模板（5）、木模板（4）和土拱胎孔道而从另一侧的木模板（4）和钢模板（5）穿出，在钢模板（5）与木模板（4）之间的下拉杆（62）外设有拉杆套管（52），该拉杆套管与钢模板（5）、木模板（4）的接缝处密封；所述的钢模板（5）外表面设有连接紧固上拉杆（61）或下拉杆（62）的契形垫板（63）、拉杆螺栓（64）。2.根据权利要求1所述的山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，其特征在于所述的木模板（4）为具有一定强度的条形木板，长度方向沿土拱胎（3）环状布置，相邻木模板（4）之间相互嵌挤，不漏水漏浆，多条木模板（4）铺设完成后的外形与套拱混凝土（7）底面形状相同，木模板（4）沿隧道轴线的每单元长度S=10～12m，从套拱基础（1）顶部包裹至土拱胎（3）的拱顶；所述的槽钢垫板（54）每单元长度S=10～12m，长度方向沿隧道轴线布置，每单元10～20根，10～20号规格的槽钢，每条木模板（4）的长度和槽钢垫板（54）的间距长度相同；所述的钢模板系杆（53）直径为18～25mm圆钢筋，系杆螺栓（55）紧固钢模板（5）和槽钢垫板（54），钢模板系杆（53）长度=套拱混凝土厚度+钢模板厚度+木模板厚度+槽钢垫板厚度+2╳螺栓固定长度，每根槽钢垫板（54）使用钢模板系杆（53）和系杆套管5～7根，该系杆套管（56）为PVC套管，内径与钢模板系杆（53）直径相同，长度与套拱混凝土（7）厚度相同，壁厚2～3mm，具有一定的刚度，在系杆螺栓（55）紧固下不挠曲，与钢模板（5）底面和木模板（4）顶面用胶带或胶泥密封不漏水漏浆。3.根据权利要求1所述的山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，其特征在于所述的钢模板（5）按照套拱混凝土（7）的上顶面外形预留3～5cm的预拱度设置，为钢制模板，外围焊接工字钢或槽钢加强围檩，该钢模板（5）沿隧道轴线的单元长度为S=10～12m，钢模板（5）的底面与木模板（4）的顶面之间形成套拱混凝土（7）的高度，从套拱基础（1）顶部包裹至土拱胎（3）的拱顶，钢模板（5）底部与套拱基础（1）的预埋钢件用螺栓紧固或电焊焊接固定。4.根据权利要求1所述的山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，其特征在于所述的上拉杆（61）和下拉杆（62）均为预应力螺纹钢筋制成相同结构的拉杆，直径25～32mm；所述的上拉杆（61）依次从钢模板（5）上的上排上拉杆预留孔、拉杆套管（52）、木模板预留孔和钻机钻出的土拱胎孔道至另一侧的木模板预留孔、拉杆套管（52）和钢模板（5）上的下排上拉杆预留孔穿出；所述的下拉杆（62）依次从钢模板（5）上的上排下拉杆预留孔、拉杆套管（52）、木模板预留孔和钻机钻出的土拱胎孔道至另一侧的木模板预留孔、拉杆套管（52）和钢模板（5）上的下排下拉杆预留孔穿出；所述的拉杆套管（52）为PVC管，内径与上、下拉杆直径相同，壁厚2～3mm；所述的契形垫板（63）上设有大于拉杆直径1～2mm的孔道，契形垫板（63）外表面与拉杆垂直，以便张拉拉杆和锚固拉杆准确受力；所述的拉杆套管（52）与钢模板（5）、木模板（4）紧贴，在浇筑套拱混凝土（7）时不漏浆，套拱混凝土（7）凝固后，拆除上、下拉杆时，拉杆从拉杆套管（52）中容易抽出；所述钢模板（5）上的预留孔、土拱胎孔道和木模板预留孔的每节钢模板（5）中间位置垂直方向和水平方向各设两排预留孔（51），为上排上拉杆孔、上排下拉杆孔和下排上拉杆孔、下排下拉杆孔，每排的上、下拉杆孔水平间距为，垂直间距为，两排预留孔（51）的平均高度与套拱基础（1）顶面高度差为的取值视土拱胎（3）的土性而定，土质较好的取小值，土质较差的取大值；所述的上拉杆（61）和下拉杆（62）由多节预应力螺纹钢筋用连接器连接而成，每节的长度由边坡（2）与土拱胎（3）之间的操作空间而定，长度为2～5m，上拉杆（61）或下拉杆（62）在契形垫板（63）、拉杆螺栓（64）外预留千斤顶张拉长度。5.根据权利要求4所述的山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，其特征在于所述的拉杆在垂直方向和水平方向均作斜向布置，拉杆垂直方向与水平面之间的夹角为、水平方向与隧道纵向轴线成夹角。6.根据权利要求4所述的山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构，其特征在于所述的山区公路隧道盖挖法土拱胎模板拉杆结构的计算模型为：每对上、下拉杆的平均高度即两排预留孔（51）平均高度与套拱基础（1）顶面高度差为，并与钢模板（5）连接处节点B、C作为拉杆和钢模板圆轴线的等效计算矢高，B、C为钢模板拱轴线的等效拱脚，由于土拱胎（3）与隧道拱轴线为三圆组合拱，钢模板（5）为薄板壳体，为叠在土拱胎（3）上带拉杆的弹性地基壳，精确的计算需用三维有限元进行计算，在编制初步方案阶段时，为了加快计算进度提高工作效率，不失安全性，将钢模板（5）和每对上、下拉杆简化作为带拉杆二铰圆弧拱计算，每对上、下拉杆的平均高度作为等效拉杆，即等效拉杆轴线（10）位置，在套拱混凝土（7）和套拱模板的荷载作用下的套拱基础垂直反力、水平反力和每对上、下拉杆等效拉力由下式计算：公式一、公式二、公式一、公式二中——分别为钢模板B、C拱脚在套拱混凝土（7）和套拱模板的荷载作用下的垂直反力，由于结构和荷载对称，；——分别为钢模板B、C拱脚在套拱混凝土（7）和套拱模板的荷载作用下的水平反力，即每对上、下拉杆的等效拉力，由于结构和荷载对称，；——分别为套拱混凝土（7）和套拱模板的荷载强度，；——每对上、下拉杆的范围为沿隧道轴线的一个计算单元长度，；——钢模板（5）的圆轴线半径，；——钢模板（5）的圆轴线矢高，；——钢模板（5）的圆轴线等效矢高，即每对拉杆的平均高度与钢模板连接处节点C，作为拉杆和钢模板圆轴线的等效计算矢高，，于是等效计算矢高为为钢模板圆轴线半弧的等效圆心角，；为上拉杆（61）与下拉杆（62）于钢模板圆轴线处的垂直距离；为同一排中上拉杆（61）与下拉杆（62）中心的垂直间距，取值视土拱胎（3）的土性而定，为下排下拉杆中心至套拱基础（1）顶面的距离，由下拉杆（62）的倾斜情况和施工便利确定；单位均为计，为钢模板圆轴线半弧的圆心角，；——钢模板圆轴线等效跨径，，即每对上、下拉杆的平均高度与钢模板连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海圣，冉平，朱千明，谢瑜军，朱一湘，陈兴艾，单建波，杨磊，王建成，郑国增，罗锋，周望蜀，段群苗，周一勤，
申请(专利权)人：宁波交通工程建设集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33