申请/专利权人：长安大学

申请日：2019-07-19

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN110259485B

主分类号：E21D11/18

分类号：E21D11/18;E21D11/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.10.22#实质审查的生效;2019.09.20#公开

摘要：本发明公开了一种黄土隧道支护系统及其安装方法，支护系统包括若干个紧密排列的组合结构拱架，每个组合结构拱架均包括翼板和空心管，空心管安装在翼板内侧，在空心管内灌注有管内混凝土；相邻的组合结构拱架之间灌注有模筑混凝土；组合结构拱架沿环向分为拱顶支架、拱腰支架、拱脚支架和拱底支架，各支架采用承插式连接，连接紧密无缝隙。组合结构拱架、管内混凝土和模筑混凝土三部分共同作用，提高了隧道初期支护的承载能力。该支护系统结合了钢材与混凝土的优点，能够有效地使二者合二为一，形成具有更高刚度和高强度的组合结构，混凝土由于受到钢材的包裹，使其处于三向受压状态，更有利于强度的发挥。

主权项：1.一种黄土隧道支护系统，其特征在于，包括若干个紧密排列的组合结构拱架，每个组合结构拱架均包括翼板（3）和空心管（4），空心管（4）安装在翼板（3）内侧，在空心管（4）内灌注有管内混凝土（1）；相邻的组合结构拱架之间灌注有模筑混凝土（2）；空心管（4）上预设有注浆孔（8）；组合结构拱架沿环向分为拱顶支架（1-1）、拱腰支架（1-2）、拱脚支架（1-3）和拱底支架（1-4）；拱顶支架（1-1）和拱底支架（1-4）相对设置，拱腰支架（1-2）对称设置于拱顶支架（1-1）两端，拱脚支架（1-3）对称设置于拱底支架（1-4）两端，拱腰支架（1-2）一端与拱顶支架（1-1）连接，另一端与拱脚支架（1-3）的一端连接，拱脚支架（1-3）的另一端与拱底支架（1-4）连接；拱顶支架（1-1）与拱腰支架（1-2）、拱腰支架（1-2）与拱脚支架（1-3）及拱脚支架（1-3）与拱底支架（1-4）均采用承插式连接；注浆孔（8）预设在拱脚空心管（4-3）上；在拱顶翼板（3-1）上预设有排气孔（7）；拱顶支架（1-1）包括拱顶翼板（3-1）和拱顶空心管（4-1），拱顶空心管（4-1）固定在拱顶翼板（3-1）内侧；拱腰支架（1-2）包括拱腰翼板（3-2）和拱腰空心管（4-2），拱腰空心管（4-2）固定在拱腰翼板（3-2）内侧；拱脚支架（1-3）包括拱脚翼板（3-3）和拱脚空心管（4-3），拱脚空心管（4-3）固定在拱脚翼板（3-3）内侧；拱底支架（1-4）包括拱底翼板（3-4）和拱底空心管（4-4），拱底空心管（4-4）固定在拱底翼板（3-4）内侧；拱顶空心管（4-1）与拱腰空心管（4-2）、拱腰空心管（4-2）与拱脚空心管（4-3）及拱脚空心管（4-3）与拱底空心管（4-4）均通过管承口（5）和管插口（6）环向连接；拱顶空心管（4-1）两端采用管承口（5）；拱腰空心管（4-2）和拱脚空心管（4-3）一端采用管承口（5），另一端采用管插口（6）；拱底空心管（4-4）两端采用管插口（6）。

全文数据：一种黄土隧道支护系统及其安装方法技术领域本发明属于隧道支护结构技术领域，尤其涉及一种黄土隧道支护系统及其安装方法。背景技术黄土隧道现阶段常用的初期支护结构形式为型钢拱架和喷射混凝土，但是支护时仍存在支护强度不足、支护强度无法快速提供的问题。因此，在国内不少黄土隧道中都出现了拱架扭曲、断裂，喷射混凝土开裂，地表塌陷、洞内塌方的情况。这个问题主要体现在：1设计原因。深、浅埋分界深度界定不清；初支、二衬荷载分配比例难以明确；2施工原因。施工复杂、工序繁多，开挖、立架、喷射混凝土等工序存在相互干扰，无法同时进行，支护结构强度形成较慢，难以做到“强支护”、“快成环”。同时，施工质量也难以保证，拱架间螺栓难以全部连接，喷射混凝土与拱架连接粘结性差，特别在一些不良地质段，喷射混凝土难以完成，即便完成强度也难以形成。因此，高强支护结构对于黄土隧道的安全施工非常必要，尤其在黄土隧道处于急剧变形阶段，及早的限制其形变量对于大变形的控制尤为重要，也是防止围岩应力状态恶化的关键。发明内容本发明的目的在于提供一种黄土隧道支护系统及其安装方法，解决了黄土隧道早期支护强度不足、支护强度无法快速提供的问题。本发明是通过以下技术方案来实现：一种黄土隧道支护系统，包括若干个紧密排列的组合结构拱架，每个组合结构拱架均包括翼板和空心管，空心管安装在翼板内侧，在空心管内灌注有管内混凝土；相邻的组合结构拱架之间灌注有模筑混凝土；空心管上预设有注浆孔。进一步，组合结构拱架沿环向分为拱顶支架、拱腰支架、拱脚支架和拱底支架；拱顶支架和拱底支架相对设置，拱腰支架对称设置于拱顶支架两端，拱脚支架对称设置于拱底支架两端，拱腰支架一端与拱顶支架连接，另一端与拱脚支架的一端连接，拱脚支架的另一端与拱底支架连接；拱顶支架与拱腰支架、拱腰支架与拱脚支架及拱脚支架与拱底支架均采用承插式连接。进一步，拱顶支架包括拱顶翼板和拱顶空心管，拱顶空心管固定在拱顶翼板内侧；拱腰支架包括拱腰翼板和拱腰空心管，拱腰空心管固定在拱腰翼板内侧；拱脚支架包括拱脚翼板和拱脚空心管，拱脚空心管固定在拱脚翼板内侧；拱底支架包括拱底翼板和拱底空心管，拱底空心管固定在拱底翼板内侧。进一步，拱顶空心管与拱腰空心管、拱腰空心管与拱脚空心管及拱脚空心管与拱底空心管均通过管承口和管插口环向连接。进一步，拱顶空心管两端采用管承口；拱腰空心管和拱脚空心管一端采用管承口，另一端采用管插口；拱底空心管两端采用管插口。进一步，注浆孔预设在拱脚空心管上。进一步，在拱顶翼板上预设有排气孔。进一步，空心管采用矩形管、方形管或多边形管。本发明还公开了所述黄土隧道支护系统的安装方法，包括以下步骤：1土体开挖完成后，在掘进方向上将多个组合结构拱架紧密排列并安装于硐室内；2通过注浆孔进行注浆，完成管内混凝土的浇筑；3在每两个相邻的空心管外侧放置模板，在模板与空心管形成的空间内灌注混凝土，完成模筑混凝土的浇筑。进一步，组合结构拱架沿环向分为拱顶支架、拱腰支架、拱脚支架和拱底支架；步骤1中，组合结构拱架的安装步骤具体为：1.1首先在硐室两侧安装拱腰支架，完成拱腰支架的安装；1.2在两拱腰支架中间安装拱顶支架，在环向上完成拱顶支架的安装；1.3在每个拱腰支架的一端连接一个拱脚支架，在环向上完成拱脚支架的安装；1.4在两拱脚支架之间安装拱底支架，在环向上完成拱底支架的安装，完成第一个组合结构拱架的安装；1.5重复步骤1.1～1.4，完成下一个组合结构拱架。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明公开的一种黄土隧道支护系统，包括组合结构拱架、管内混凝土和模筑混凝土三部分，采用组合结构拱架封闭开挖空间，形成支护体系的首层支护结构，承载开挖产生的围岩荷载，组合结构拱架作为拱架承载层；空心组合结构包括翼板和空心管，通过在空心管内灌注管内混凝土使空心组合结构拱架密实，形成钢管混凝土骨架结构，承担时效变化的围岩荷载，管内混凝土作为补强骨架承载层；采用模筑混凝土填充各骨架间的空间，模筑混凝土作为内部填充承载层，三个承载层形成完整的初期支护承载层。该支护系统结合了钢材与混凝土的优点，能够有效地使二者合二为一，形成具有更高刚度和高强度的组合结构，混凝土由于受到钢材的包裹，使其处于三向受压状态，更有利于强度的发挥。采用模筑混凝土的方式封闭拱架间的空隙，利用已架设的组合结构拱架的骨架结构作为模板支架，使其形成更大厚度的混凝土层，支护刚度得以提高，并且，模筑的方式更有利于混凝土的养护，保证混凝土施工的质量。进一步，隧道开挖是分部开挖的，并非全断面施工，将组合结构拱架沿环向分为拱顶支架、拱腰支架、拱脚支架和拱底支架四部分，采用分部连接，拱架分段后能够匹配隧道的施工方法，同时，分段也方便了拱架运输进洞。进一步，各支架之间通过管承口和管插口完成连接，不需要额外的螺栓螺母进行连接，安装更简便，实现支架间的环向连接，保证整个支护系统结构连接的紧密性。进一步，将注浆孔预设在拱脚空心管上，从下至上灌注混凝土，使得注浆更均匀。进一步，在拱顶翼板上预制有排气孔，在注浆作业时能够排出空心管内多余空气及浮渣，保证注浆作业质量。本发明还公开了黄土隧道支护系统的安装方法，首先安装组合结构拱架，组合结构拱架架设后，能立即封闭围岩，可以快速推进掌子面、快速成环；在保证安全允许条件下，管内灌注混凝土与模筑混凝土的施工更灵活，且其可与掌子面的推进同时进行，做到各施工工序的零干扰。组合结构拱架安装完成后能够完成对环向围岩的封闭，更早的提供径向应力，使围岩处于有利的三向受力状态，减小塑性区的扩展。可根据实际施工条件和围岩变形情况，灵活调整钢管内填混凝土的注浆时机和初衬混凝土模筑时机，提高施工效率。组合结构拱架安装完成后支护效果好的区段，掌子面可向前推进，一次完成数循环进尺内的管内注浆和初衬混凝土模筑工作，简化工序流程，加快施工进度。附图说明图1为本发明的支护系统的结构示意图；图2为组合结构拱架的结构示意图；图3为拱顶支架的结构示意图；图4为拱腰支架的结构示意图；图5为拱脚支架的结构示意图；图6为拱底支架的结构示意图；图7为本发明的支护系统施工工艺平面示意图。其中，1为管内混凝土，2为模筑混凝土，1-1为拱顶支架，1-2为拱腰支架，1-3为拱脚支架，1-4为拱底支架，3为翼板，3-1为拱顶翼板，3-2为拱腰翼板，3-3为拱脚翼板，3-4为拱底翼板，4为空心管，4-1为拱顶空心管，4-2为拱腰空心管，4-3为拱脚空心管，4-4为拱底空心管，5为管承口，6为管插口，7为排气孔，8为注浆孔。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。如图1所示，本发明的一种黄土隧道支护系统，包括组合结构拱架、管内混凝土1和模筑混凝土2三部分，组合结构拱架由翼板3及空心管4预制而成，空心管4安装在翼板3内侧，在空心管4内灌注有管内混凝土1，相邻的组合结构拱架之间灌注有模筑混凝土2。如图2所示，组合结构拱架分为拱顶支架1-1、拱腰支架1-2、拱脚支架1-3和拱底支架1-4，拱顶支架1-1和拱底支架1-4相对设置，拱腰支架1-2对称设置于拱顶支架1-1两端，拱脚支架1-3对称设置于拱底支架1-4两端，拱腰支架1-2一端与拱顶支架1-1连接，另一端与拱脚支架1-3的一端连接，拱脚支架1-3的另一端与拱底支架1-4连接；拱顶支架1-1、拱腰支架1-2、拱脚支架1-3和拱底支架1-4的环向连接均通过管承口5和管插口6承插连接。如图3所示，拱顶支架1-1包括拱顶翼板3-1和拱顶空心管4-1，拱顶支架1-1的环向连接部采用管承口5。拱顶支架1-1顶部有预制的排气孔7，在注浆作业时排出空心管4内多余空气及浮渣，保证注浆作业质量。如图4所示，拱腰支架1-2包括拱腰翼板3-2和拱腰空心管4-2，其中拱腰支架1-2环向连接上部为管插口6，下部为管承口5。如图5所示，拱脚支架1-3包括拱脚翼板3-3和拱脚空心管4-3，其中拱脚支架1-3环向连接上部为管插口6，下部为管承口5。拱脚支架1-3侧面部有预制的注浆孔8，封闭成环后通过注浆孔8进行注浆作业，完成管内混凝土1浇筑。如图6所示，拱底支架1-4包括拱底翼板3-4和拱底空心管4-4，拱底支架1-4的环向连接部均采用管插口6。拱顶支架1-1也可以是两端都采用管插口6结构，拱底支架1-4两端采用管承口5结构；或者四部分支架都是一端采用管承口5结构，另一端采用管插口6结构。只要将相邻的两部分支架连接在一起就可以。更优地，空心管4可采用矩形管、方形管或多边形管。组合结构支护体系的施工工艺具体为：1土体开挖完成后，在掘进方向上将多个组合结构拱架紧密排列并安装于硐室内；针对台阶法施工时，组合结构拱架的具体安装过程为：1.1首先在硐室两侧安装拱腰支架1-2，完成拱腰支架1-2的安装；1.2在两拱腰支架1-2之间放置拱顶支架1-1，在环向上将拱顶支架1-1与拱腰支架1-2通过管承口5与管插口6对齐固定连接，完成拱顶支架1-1的安装；1.3在每个拱腰支架1-2的一端连接一个拱脚支架1-3，在环向上将拱腰支架1-2与拱脚支架1-3通过管承口5与管插口6对齐固定连接，完成拱脚支架1-3的安装；1.4在两拱脚支架1-3之间放置拱底支架1-4，在环向上将拱脚支架1-3与拱底支架1-4通过管承口5与管插口6对齐固定连接，完成拱底支架1-4的安装，至此完成第一个组合结构拱架的安装；1.5重复步骤1.1～1.4，完成下一个组合结构拱架。相邻的拱顶支架1-1、相邻的拱腰支架1-2、相邻的拱脚支架1-3及相邻的拱底支架1-4在纵向上即掘进方向上只是紧挨在一起，没有额外的连接结构，沿着掘进方向，依次安装多个组合结构拱架。2组合结构拱架封闭成环后，从注浆孔8进行注浆作业，直至排气孔7中无空气及浮渣溢出，完成管内混凝土1的浇筑。3完成组合结构拱架和管内混凝土1作业后，在每两个相邻的空心管4外侧放置模板，在模板与空心管4形成的空间内灌注混凝土，完成模筑混凝土2作业，使其与组合结构拱架及管内混凝土1共同形成组合结构支护系统。4在模筑混凝土2内表面铺设防水板，并及时施作二次衬砌。初期支护表面平整，方便铺设防水层，使整体防水效果提升。本发明的支护系统具有以下优点：1增大支护刚度与强度：一方面体现在钢混组合结构具备更强的抗压、抗扭转、抗弯曲性能；另一方面体现在模筑混凝土层能够做到更大的厚度，克服了喷射混凝土挂网厚度的限制和回弹量大的问题。2改变初期支护、二次衬砌的刚度比例：将初期支护作为黄土隧道的承载主体，通过“高强、早强”的初期支护改善黄土围岩应力条件。3分时分部的提供支护强度：在空心拱架快速封闭围岩的基础上，通过管内灌注混凝土、模筑混凝土以适应黄土围岩压力渐变增长过程。4改善拱架结构稳定性能：骨架结构采用钢管混凝土，截面形状为矩形、方形或多边形，强弱轴抗弯刚度的不均匀性大幅减小，相比较原有型钢拱架，平面外稳定性能得以提升。5组合结构拱架立架后能够立即提供较大的支护强度，且由于组合结构拱架和模筑混凝土层作为初期支护，改变了初支与二衬的刚度比例，能够较早的提供较大的支护反力，对于限制围岩塑性区扩展、减小松动荷载的产生起到了积极作用。依据于此，可对二次衬砌的厚度适当减小，以保证不变的开挖断面和可控的施工成本。

权利要求：1.一种黄土隧道支护系统，其特征在于，包括若干个紧密排列的组合结构拱架，每个组合结构拱架均包括翼板3和空心管4，空心管4安装在翼板3内侧，在空心管4内灌注有管内混凝土1；相邻的组合结构拱架之间灌注有模筑混凝土2；空心管4上预设有注浆孔8。2.根据权利要求1所述的黄土隧道支护系统，其特征在于，组合结构拱架沿环向分为拱顶支架1-1、拱腰支架1-2、拱脚支架1-3和拱底支架1-4；拱顶支架1-1和拱底支架1-4相对设置，拱腰支架1-2对称设置于拱顶支架1-1两端，拱脚支架1-3对称设置于拱底支架1-4两端，拱腰支架1-2一端与拱顶支架1-1连接，另一端与拱脚支架1-3的一端连接，拱脚支架1-3的另一端与拱底支架1-4连接；拱顶支架1-1与拱腰支架1-2、拱腰支架1-2与拱脚支架1-3及拱脚支架1-3与拱底支架1-4均采用承插式连接。3.根据权利要求2所述的黄土隧道支护系统，其特征在于，拱顶支架1-1包括拱顶翼板3-1和拱顶空心管4-1，拱顶空心管4-1固定在拱顶翼板3-1内侧；拱腰支架1-2包括拱腰翼板3-2和拱腰空心管4-2，拱腰空心管4-2固定在拱腰翼板3-2内侧；拱脚支架1-3包括拱脚翼板3-3和拱脚空心管4-3，拱脚空心管4-3固定在拱脚翼板3-3内侧；拱底支架1-4包括拱底翼板3-4和拱底空心管4-4，拱底空心管4-4固定在拱底翼板3-4内侧。4.根据权利要求3所述的黄土隧道支护系统，其特征在于，拱顶空心管4-1与拱腰空心管4-2、拱腰空心管4-2与拱脚空心管4-3及拱脚空心管4-3与拱底空心管4-4均通过管承口5和管插口6环向连接。5.根据权利要求4所述的黄土隧道支护系统，其特征在于，拱顶空心管4-1两端采用管承口5；拱腰空心管4-2和拱脚空心管4-3一端采用管承口5，另一端采用管插口6；拱底空心管4-4两端采用管插口6。6.根据权利要求2所述的黄土隧道支护系统，其特征在于，注浆孔8预设在拱脚空心管4-3上。7.根据权利要求2所述的黄土隧道支护系统，其特征在于，在拱顶翼板3-1上预设有排气孔7。8.根据权利要求1所述的黄土隧道支护系统，其特征在于，空心管4采用矩形管、方形管或多边形管。9.权利要求1～8任意一项所述黄土隧道支护系统的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：1土体开挖完成后，在掘进方向上将多个组合结构拱架紧密排列并安装于硐室内；2通过注浆孔8进行注浆，完成管内混凝土1的浇筑；3在每两个相邻的空心管4外侧放置模板，在模板与空心管4形成的空间内灌注混凝土，完成模筑混凝土2的浇筑。10.根据权利要求9所述的黄土隧道支护系统的安装方法，其特征在于，组合结构拱架沿环向分为拱顶支架1-1、拱腰支架1-2、拱脚支架1-3和拱底支架1-4；步骤1中，组合结构拱架的安装步骤具体为：1.1首先在硐室两侧安装拱腰支架1-2，完成拱腰支架1-2的安装；1.2在两拱腰支架1-2中间安装拱顶支架1-1，在环向上完成拱顶支架1-1的安装；1.3在每个拱腰支架1-2的一端连接一个拱脚支架1-3，在环向上完成拱脚支架1-3的安装；1.4在两拱脚支架1-3之间安装拱底支架1-4，在环向上完成拱底支架1-4的安装，完成第一个组合结构拱架的安装；1.5重复步骤1.1～1.4，完成下一个组合结构拱架。

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