基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构及施工方法技术

本发明专利技术公开一种基于摩擦耗能纵梁的喷混‑钢架整体让变初支结构及施工方法，包括钢架、摩擦耗能纵梁、喷射混凝土、钢筋网片、纵向螺纹钢筋、环向螺纹钢筋，钢架由型钢冷弯而成；摩擦耗能纵梁主要由采用槽钢的上承载件和下承载件构成，通过上承载件和下承载件两者翼板间的摩擦作用消耗能量，两榀钢架间的喷射混凝土内增设纵向螺纹钢筋、环向螺纹钢筋，在实现隧道初期支护与周边围岩协同变形的同时，摩擦耗能纵梁仍能保证初期支护具备一定抗压和抗剪能力，通过设置环向和纵向钢筋，摩擦耗能纵梁通长布置，增强了隧道钢架与钢架间喷射混凝土组成的初期支护结构共同变形能力，避免了钢架和喷射混凝土变形不协调引起结构破坏，实现了“刚柔并济”治理。

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构及施工方法
本专利技术属于隧道工程支护
，具体是一种基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构及施工方法，是对现有隧道初期支护结构受力模式整体改变，适用于隧道工程初期支护大变形灾害的控制。
技术介绍
为解决我国东西部地区发展不平衡、不充分的问题，交通、水利等基础设施建设逐渐向西部倾斜，西部地区以山高谷深的地形为主，地势起伏大，导致中西部地区交通隧道及水工隧道等建设正处于高速发展时期。由于西部地区处于大陆板块碰撞区，导致围岩岩性多变、岩体破碎软弱、地应力高，不良地质及特殊岩土问题突出，隧道工程穿越地层时常遇到围岩大变形问题。其表现为隧道变形速度快、收敛稳定时间长，甚至无法收敛，变形量大，如果初期支护不当、不及时，在围岩变形过程中隧道可能发生初期支护掉块、侵限甚至失稳塌方。较为常见的是锚网喷初期支护开裂、剥落、压碎，而且伴随着初支钢架扭曲变形，甚至侵入限界。在隧道工程界，大变形问题素有隧道“癌症”之称。为避免初期支护结构大变形侵限后引起二次衬砌厚度不够，往往需要拆除侵限的初期支护结构，这一方面造成工程重复，滞后工程进度，同时初期支护拆换过程中也伴随着较大的安全风险，严重制约了隧道工程建设进度及成本控制。目前隧道工程遇到大变形时，现有应对方法多为加大预留变形量，让其变形，但变形不至于导致侵限。在结构上通过调整衬砌轮廓曲率，使得受力更合理。在施工方面，短进尺，尽早初支钢架封闭成环，或结合系统锚杆加长，注浆加固等方式对围岩进行加固，尤甚者采用双层钢架抵抗变形。上述措施的综合利用，目前看并不能有效治理大变形问题。针对此种难题，其中一种治理思路为“刚性支护”，即依靠钢架喷射混凝土支护结构的足够刚度和强度，来抵抗软弱围岩变形。这种思路往往在施工中出现反复拆换初期支护，其本质就是在初期支护结构保障安全情况下逐步释放围岩应力，直至围岩压力释放至与初期支护抗力平衡，隧道初支变形才能趋于稳定。另外一种治理思路为“刚柔并济”，即钢架喷射混凝土支护结构中，采用可伸缩钢架，如U型钢架、C型钢架均有应用，钢架受力后沿环向压缩变形。另外尚有采用让压锚杆(索)，以一定的恒定支护力对围岩施加“边支边让、先柔后刚”抗力。目前应用的可伸缩钢架只注重钢架上下段的连接，在接头处为可缩式，喷混还是上下整体状。故该接头结构在应用过程中因在竖向、径向大变形情况下不能与喷射混凝土一起受力协同变形，往往表现为钢架和喷射混凝土分离开来，甚至喷射混凝土限制了可缩式钢架移动，或在不注重接头保护的情况下，将接头喷上混凝土导致可滑动接头失去其滑动功能。可见，仅仅在钢架接头处可滑动，并不能形成钢架与钢架间混凝土协同变形的机制，导致可伸缩钢架作用无法发挥。
技术实现思路
针对上述现有可伸缩钢架技术的局限性，本专利技术提供一种基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变的初支结构及施工方法。本专利技术通过如下具体技术方案予以实现：一种基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，包括钢架、摩擦耗能纵梁、喷射混凝土、钢筋网片、纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋，所述钢架由型钢冷弯而成，所述摩擦耗能纵梁由采用槽钢制作的上承载件和下承载件构成，上承载件的翼板上设置螺栓孔，下承载件的翼板上设置条状滑槽，上承载件和下承载件间通过高强螺栓连接，上承载件和下承载件的腹板上预留螺栓孔，以便与钢架通过螺栓连接；两榀钢架间的喷射混凝土内增设纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋，纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋交叉处绑扎，纵向螺纹钢筋两端焊接在钢架上，环向螺纹钢筋两端焊接在摩擦耗能纵梁上承载件和下承载件上。优选的，钢架可为不同型号钢筋制作的格栅钢架或其它形式型钢钢架。优选的，下承载件翼板上的条状滑槽边缘设置增阻锯齿。优选的，上承载件反向放置，并与下承载件构成摩擦耗能纵梁。优选的，上承载件和下承载件采用同型号槽钢，两者翼板错开交叠构成摩擦耗能纵梁。优选的，上承载件和下承载件间设置高强弹簧。优选的，上承载件和下承载件间设置U型弹片。基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构的施工方法，具体操作步骤为：1、钢架及摩擦耗能纵梁制作：按隧道设计尺寸冷弯型钢制作钢架。上承载件的翼板上设置螺栓孔，下承载件的翼板上设置条状滑槽，上承载件和下承载件间通过高强螺栓连接组装成摩擦耗能纵梁。上承载件和下承载件上开设螺栓孔，以便与钢架接头通过高强螺栓连接。并在洞外进行试拼和检验。2、隧道上台阶开挖完成后，初喷混凝土。架立钢架前应先清除摩擦耗能纵梁安装位置的虚渣及杂物。将摩擦耗能纵梁置于牢固的基础上，上台阶钢架与摩擦耗能纵梁的上承载件通过高强螺栓连接，摩擦耗能纵梁间通过连接板焊接在一起，形成纵向贯通梁。钢筋网片搭焊在两侧钢架1靠围岩侧翼缘的内侧。3、安装纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋，纵向螺纹钢筋两端焊接在钢架上，环向螺纹钢筋两端焊接在摩擦耗能纵梁的上承载件和下承载件上。4、复喷混凝土，复喷混凝土时，摩擦耗能纵梁处应预留暂不喷混凝土，其余部位喷射混凝土覆盖，喷射混凝土应落底填满上承载件的表面，以便充分传递压力。5、开挖下台阶，初喷混凝土后架立下台阶钢架，钢架与摩擦耗能纵梁的下承载件通过高强螺栓连接。6、同步骤3安装纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋，同步骤4复喷混凝土。注意喷射混凝土时应避免覆盖摩擦耗能纵梁。7、监测围岩变形稳定后，通过紧固隧道内侧条状滑槽上的高强螺栓和摩擦耗能纵梁内注速凝膨胀混凝土以锁定变形。8、围岩变形稳定或让变装置闭合后，可将预留部位喷满混凝土。本专利技术的原理是：（1）遵从“先柔后刚，柔刚并济”的大变形治理理念，围岩压力作用在钢架和喷射混凝土上，初期支护结构内力最终传递至摩擦型纵梁结构上，通过其摩擦耗能来释放围岩压力，通过纵梁承托将上下段喷混整体分开，达到钢架-喷混整体变形协调的目的。摩擦耗能纵梁作为一种新型让变结构，在允许一定变形的同时，通过上下承载件翼板间的摩擦作用也具备足够的环向抗压能力。（2）围岩变形过程中可根据现场监控量测结果通过紧固摩擦耗能纵梁上条形滑槽上的高强螺栓及对摩擦耗能纵梁内注浆锁定变形量，使摩擦耗能纵梁作为刚性构件受力。（3）通过在摩擦耗能纵梁内下承载件上增设高强弹簧或高强弹性垫片，在摩擦耗能纵梁发生一定变形实现一级让变后，上承载件下移一定距离后抵上高强弹簧或高强弹性垫片，叠加其弹性抗力实现二级让变。（4）若摩擦耗能纵梁闭合时围岩应力尚未释放完，摩擦耗能纵梁作为整个初期支护结构中的刚性构件继续承载，达到允许初支结构有限变形且保障安全的目的。（5）通过对钢架间喷射混凝土增设纵向和环向钢筋，钢筋固定在钢架和摩擦耗能纵梁上，喷射混凝土和钢架作为整体受力，并且摩擦耗能纵梁纵向通长设置，增强了初期支护结构的协调变形能力，可以避免喷射混凝土和钢架变形不协调导致的脱离破坏。本专利技术的有益效果为：1、摩擦耗能纵梁主要由采用槽钢的上承载件和下承载件构成，通过上承载件和下承载件两者翼板间的摩擦作用消耗能量，两榀钢架间的喷射混凝土内增设纵向螺纹钢筋、环向螺纹钢筋，在实现隧道初期支护与周边围岩协同变形的同时，摩擦耗能纵梁仍能保证初期支护具备一定抗压和抗剪能力，通过设置环向和纵向钢筋，摩擦耗能纵梁通长布置，极大增强了隧道钢架与钢架间喷射混凝土组成的初期支护结构共同变形能力，避免了钢架和喷射混凝土变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦耗能纵梁的喷混‑钢架整体让变初支结构，其特征在于，包括钢架（1）、摩擦耗能纵梁（2）、喷射混凝土（3）、钢筋网片（14）、纵向螺纹钢筋（9）和环向螺纹钢筋（10），所述钢架（1）由型钢冷弯而成，所述摩擦耗能纵梁（2）由采用槽钢制作的上承载件（4）和下承载件（5）构成，上承载件（4）的翼板上设置螺栓孔（6），下承载件（5）的翼板上设置条状滑槽（7），上承载件（4）和下承载件（5）间通过高强螺栓（8）连接，上承载件（4）和下承载件（5）的腹板上预留螺栓孔（6），以便与钢架（1）通过螺栓连接；两榀钢架（1）间的喷射混凝土（3）内增设纵向螺纹钢筋（9）和环向螺纹钢筋（10），纵向螺纹钢筋（9）和环向螺纹钢筋（10）交叉处绑扎，纵向螺纹钢筋（9）两端焊接在钢架（1）上，环向螺纹钢筋（10）两端焊接在摩擦耗能纵梁的上承载件（4）和下承载件（5）上。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，其特征在于，包括钢架（1）、摩擦耗能纵梁（2）、喷射混凝土（3）、钢筋网片（14）、纵向螺纹钢筋（9）和环向螺纹钢筋（10），所述钢架（1）由型钢冷弯而成，所述摩擦耗能纵梁（2）由采用槽钢制作的上承载件（4）和下承载件（5）构成，上承载件（4）的翼板上设置螺栓孔（6），下承载件（5）的翼板上设置条状滑槽（7），上承载件（4）和下承载件（5）间通过高强螺栓（8）连接，上承载件（4）和下承载件（5）的腹板上预留螺栓孔（6），以便与钢架（1）通过螺栓连接；两榀钢架（1）间的喷射混凝土（3）内增设纵向螺纹钢筋（9）和环向螺纹钢筋（10），纵向螺纹钢筋（9）和环向螺纹钢筋（10）交叉处绑扎，纵向螺纹钢筋（9）两端焊接在钢架（1）上，环向螺纹钢筋（10）两端焊接在摩擦耗能纵梁的上承载件（4）和下承载件（5）上。2.根据权利要求1所述的基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，其特征在于，所述钢架（1）为不同型号型钢钢架或钢筋制作的格栅钢架。3.根据权利要求1所述的基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，其特征在于，所述下承载件（5）翼板上的条状滑槽（7）边缘设置增阻锯齿。4.根据权利要求1所述的基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，其特征在于，所述上承载件（4）反向放置，并与下承载件（5）构成摩擦耗能纵梁（2）。5.根据权利要求1所述的基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，其特征在于，两榀钢架（1）间设置的纵向螺纹钢筋（9）和环向螺纹钢筋（10），其纵向和环向最小配筋率均不小于0.2%，双向全部受力钢筋最小配筋率不小于0.4%。6.根据权利要求1或4所述的基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，其特征在于，所述上承载件（4）和下承载件（5）采用同型号槽钢，两者翼板错开交叠构成摩擦耗能纵梁（2）。7.根据权利要求6所述的基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，其特征在于，所述上承载件（4）和下承载件（5）间设置高强弹簧（11）。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭永发，田鲁鲁，殷洪波，杨进京，丁文云，杜建军，徐涛，张海波，陶伟明，杨翔，罗云飞，罗胜利，刘正初，赵海燕，李贵民，
申请(专利权)人：中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：云南,53