隧道支护钢架组件及隧道支护施工方法
阅读说明：本技术 隧道支护钢架组件及隧道支护施工方法 (Tunnel support steel frame assembly and tunnel support construction method ) 是由 姜波 张涛 周跃峰 吴华 罗永刚 刘国强 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种隧道支护钢架组件及隧道支护施工方法,该隧道支护钢架组件包括多段钢架单元,每一段钢架单元均包括工字钢单元,工字钢单元的两端均设置有连接接头；其中,每一段钢架单元还包括腹板加强单元,腹板加强单元包括设置在工字钢单元的腹板相对两侧的加强钢构件,位于腹板两侧的两根加强钢构件通过固定件固定在腹板上。该施工方法包括在开挖的隧道内表面初喷混凝土,并将多段工字钢单元首尾相接的拼装在隧道内表面,并且,在每一段工字钢单元的腹板两侧设置加强钢构件,并使用固定件将位于腹板两侧的加强钢构件固定在腹板上。本发明能够提高隧道支护钢架组件抗扭曲的性能,并降低隧道支护的施工成本。(The invention provides a tunnel supporting steel frame assembly and a tunnel supporting construction method, wherein the tunnel supporting steel frame assembly comprises a plurality of sections of steel frame units, each section of steel frame unit comprises an I-shaped steel unit, and two ends of each I-shaped steel unit are provided with connecting joints; wherein, each section steelframe unit still includes the web and strengthens the unit, and the web is strengthened the unit and is strengthened the steel member including setting up the reinforcing steel member in the relative both sides of web of I-steel unit, and two reinforcing steel members that are located the web both sides pass through the mounting to be fixed on the web. The construction method comprises the steps of firstly spraying concrete on the inner surface of an excavated tunnel, assembling a plurality of sections of I-steel units on the inner surface of the tunnel in an end-to-end connection mode, arranging reinforcing steel members on two sides of a web plate of each section of I-steel unit, and fixing the reinforcing steel members on the two sides of the web plate on the web plate by using fixing members. The invention can improve the anti-distortion performance of the tunnel support steel frame assembly and reduce the construction cost of tunnel support.)
技术领域
本发明涉及隧道施工的技术领域，具体地，是涉及一种隧道支护钢架组件及隧道支护施工方法。
背景技术
隧道施工时，需要在开挖的隧道内设置支护以支撑开挖的隧道内表面，从而避免隧道坍塌。通常，隧道的支护结构是混凝土与工字钢构成，参见图1，隧道10的支护结构包括钢架组件20，钢架组件20由多段钢架单元21首尾相接形成，因此每一段钢架单元21在首尾两端设置连接接头22，该连接接头能够与相邻的另一段钢架单元21连接。通常，钢架单元21为工字钢，参见图2，钢架单元21包括位于中部的腹板25，还包括连接在腹板25两端的翼缘26。
不论是普通型还是轻型的工字钢，由于腹板25的截面尺寸均较窄，故对截面两个主轴的惯性矩相差较大，因此仅能直接用于在其腹板25平面内受弯的构件或将其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板25平面还有弯曲的构件均不宜采用，这就使其在应用范围上有着很大的局限。
隧道支护中采用工字钢拼装而成的钢架组件20是隧道支护的重要组成部分，在软弱围岩支护中几乎不可替代。钢架组件20施工时，需要将按工字钢按隧道轮廓分段预制，并运输至隧道的洞内，然后在隧道开挖后按一定间距后，在预设的隧道截面进行拼装。在钢架组件20拼装完毕后，需要用喷射混凝土的方式填平两榀钢架组件20之间的空隙，从而形成初期支护系统。钢架组件20中，一般是将翼缘26一侧贴靠围岩，最大程度发挥钢架组件20的特性。
但是，当隧道处高地应力、软弱破碎围岩等不良地质段，经常出现钢架单元21受力过大而发生扭曲的现象，通常是腹板25处发生扭曲，从而导致支护失去承载力，而支护承载力降低，则会导致围岩变形进一步加剧，可能迅速发展至侵入建筑限界而导致支护拆换，甚至导致隧道坍塌的现象，引起安全风险增加、投资浪费及工期损失等问题，这是由于工字钢不仅承受径向作用的围岩压力，还将传递相邻钢架单元21传递的轴向力，因此对钢架单元21的适应性提出了挑战。
为减少钢架单元21扭曲的情况，一般采用加大工字钢型号或采用宽翼缘的工字钢以提高其支护能力，但这将带来一下几个问题：一是加大工字钢的型号必然带来工字钢高度增加，则需加大开挖满足隧道内净空要求；二是为了填平两榀钢架单元21之间的空隙，需要喷涂更多的混凝土，从而增加工程造价；三是加大工字钢的型号，则单位长度重量更大，运输安装难度更大，在当前施作仍以人工为主的条件下，人力投入更大，带来的施工风险大大增加，虽然可以通过减少每一段钢架单元21的长度来解决这一问题，但却带来钢架组件20的连接接头22数量增加的问题，而连接接头22处往往成为受力的薄弱环节，增加连接接头22的数量则会增加隧道支护的安全风险。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种能够有效避免发生扭曲现象的隧道支护钢架组件。
本发明的第二目的是提供一种造价成本低、提高支护安全性能的隧道支护施工方法。
为实现上述的第一目的，本发明提供的隧道支护钢架组件包括多段钢架单元，每一段钢架单元均包括工字钢单元，工字钢单元的两端均设置有连接接头；其中，每一段钢架单元还包括腹板加强单元，腹板加强单元包括设置在工字钢单元的腹板相对两侧的加强钢构件，位于腹板两侧的两根加强钢构件通过固定件固定在腹板上。
由上述方案可见，在每一段钢架单元上设置腹板加强单元，使用加强钢构件对腹板处进行补强，能够增加腹板处的受力，使得钢架单元能够抵抗更大的受力，在不增加工字钢单元型号的情况下，能够获得良好的抗扭曲能力，提高隧道支护的安全性。
一个优选的方案是，固定件包括一个U型箍，U型箍的开口端穿设有螺栓。
由此可见，使用U型箍将位于腹板两侧的加强钢构件固定在腹板上，一方面使得加强钢构件不轻易从工字钢单元上掉落，另一方面，固定件的结构简单，并且容易施工。
进一步的方案是，U型箍的支臂穿过腹板，U型箍在腹板的两侧分别形成第一区域与第二区域，两根加强钢构件分别位于第一区域与第二区域内。
这样，通过U型箍与腹板形成限制一根加强钢构件的区域，通过螺栓与腹板形成限制一根加强钢构件的区域，从而确保两根加强钢构件能够牢固的固定在腹板的两侧。
进一步的方案是，加强钢构件包括一根中空钢管，中空钢管内填充有混凝土。
可见，在中空钢管内填充有混凝土，使得加强钢构件的强度较高，且制作成本低，能够低成本的实现提高支护结构的强度。
更进一步的方案是，加强钢构件为钢板或者槽钢，可选的，固定件为卡箍。
为实现上述的第二目的，本发明提供的隧道支护施工方法包括在开挖的隧道内表面初喷混凝土，并将多段工字钢单元首尾相接的拼装在隧道内表面，并且，在每一段工字钢单元的腹板两侧设置加强钢构件，并使用固定件将位于腹板两侧的加强钢构件固定在腹板上。
由上述方案可见，在支护施工时，将加强钢构件固定在工字钢单元的腹板两侧，能够提高工字钢单元抗扭曲的能力，从而提高支护的强度，在不是要更大型号的工字钢单元的情况下提高支护的安全性，从而降低隧道施工的成本。此外，通过增加加强钢构件，可以避免使用更多段的钢架单元，连接接头的数量不会增加，也能够提高支护结构的安全性。
一个优选的方案是，使用固定件将位于腹板两侧的加强钢构件固定在腹板后，在多段工字钢单元的表面上复喷混凝土。
由此可见，通过复喷混凝土的方式能够将加强钢构件牢固的固定在腹板上，避免加强钢构件从工字钢单元上脱落，从而确保钢架组件的安全性与强度。
进一步的方案是，每一加强钢构件包括一根中空钢管，中空钢管内填充有混凝土。
进一步的方案是，每一段工字钢单元均为弯折状，将加强钢构件固定在腹板两侧前，预先按照该段工字钢单元的弯曲弧度将加强钢构件弯折成相应的弧度。
这样，支护施工时，可以直接将预先弯曲的加强钢构件安装到腹板的两侧，不需要现场弯曲加强钢构件，使得支护的施工非常简单、方便。另外，加强钢构件是使用中空的钢管灌注混凝土制成，将中空的钢管进行弯曲非常简单，能够降低弯曲加强钢构件的成本。
附图说明
图1现有隧道支护的结构示意图。
图2现有隧道钢架组件的工字钢单元的剖视图。
图3本发明隧道支护钢架组件实施例的一段钢架单元中工字钢单元与加强钢构件的结构分解图。
图4本发明隧道支护钢架组件实施例的一段钢架单元的结构示意图。
图5本发明隧道支护钢架组件实施例的一段钢架单元的剖视图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
本发明的隧道支护钢架组件是隧道支护结构的一部分，用于对隧道进行支撑避免隧道坍塌。本发明提供的隧道支护钢架组件具有较高的强度，能够避免工字钢单元扭曲而导致的安全隐患。本发明提供的隧道支护施工方法是在隧道内安装上述隧道支护钢架组件，并且进行喷淋混凝土的操作，将隧道支护钢架组件固定在隧道的内表面，并由此形成牢固的隧道支护结构。
本发明的隧道支护钢架组件由多段钢架单元组成，每一段钢架单元包括工字钢单元，参见图3与图4，工字钢单元30的两端均设置有连接接头33、34，工字钢单元30通过连接接头33、34与相邻的工字钢单元30连接。
参见图5，工字钢单元30的横截面为工字型，工字钢单元30包括位于中部的腹板31以及位于腹板31两端的翼缘32，从图5可见，腹板31的厚度较小，当其中一侧的翼缘32抵靠在隧道的内壁时，腹板31将受到较大的力，容易导致工字钢单元30扭曲。为了解决这一问题，本实施例在工字钢单元30上设置腹板加强单元，具体的，在腹板31的两侧均设置加强钢构件40。
本实施例中，每一个加强钢构件40均包括一根中空钢管42，在中空钢管42内填充有混凝土41，优选的，每一个加强钢构件40均抵接在腹板31的一个表面上。为了将加强钢构件40固定在腹板31的两侧，本实施例设置了一个固定件，通过固定件将两个加强钢构件40固定在腹板31上。固定件包括一个U型箍46，U型箍46的开口端穿设有螺栓48，螺栓48的一端设置有螺栓头49，螺帽50可以旋入螺栓48中。可见，位于腹板31两侧的加强钢构件40以及U型箍46、螺栓48构成本实施例的腹板加强单元。
U型箍46具有两根支臂47，每一根支臂47均穿过腹板31，优选的，可以预先在腹板31上开设供支臂47穿过的通孔，进一步的，腹板31上的通孔的孔径稍大于与支臂47的外径。并且，螺栓头49和螺帽50分别位于两个支臂47的外侧，通过螺帽50可以将U型箍46的开口端锁紧，避免两个加强钢构件40与支臂47之间的间隙过大而影响加强钢构件40的补强效果。
由于U型箍46的支臂47穿过腹板31，因此，U型箍46在腹板31的两侧分别形成第一区域43与第二区域44，其中第一区域43是U型箍46的U型部分与腹板31围成的区域，第二区域44是U型箍46的两个支臂47、腹板31与螺栓48围成的区域。从图5可见，两根加强钢构件40分别位于第一区域43与第二区域44内，这样，可以将加强钢构件40牢固的固定在腹板31的两侧。
由于隧道支护钢架组件是封闭的环状，因此每一段钢架单元都是具有一定的弧度的，即工字钢单元30并不是沿直线延伸，而是沿着弧线延伸。因此，固定在腹板31两侧的加强钢构件40也是沿弧线延伸，优选的，加强钢构件40需要与该工字钢单元30具有相同的曲率半径，以确保加强钢构件40能够贴合在腹板31的表面上。
由于加强钢构件40包括中空的钢管42，中空钢管42能够方便的进行弯折，在弯折后的中空钢管42内灌注混凝土即可以获得一根加强钢构件40，加强钢构件40的制作非常方便。
由于在腹板31的两侧设置加强钢构件40，当腹板31受力较大时，通过加强钢构件40对腹板31进行支撑，可以有效增加钢架单元的抗扭曲性能，钢架单元不容易发生扭曲的现象。这样，在高地应力、软弱破碎围岩等不良地质段的隧道内，不需要设置大型号的工字钢单元，可以降低支护结构的生产、运输、施工成本。并且，应用本实施例的钢架组件，也不需要将每一段的工字钢单元的长度设置较短，从而使得的连接接头数量较少，进而提高支护结构的强度。
当然，在其他实施例中，加强钢构件可以是钢板或者槽钢，固定件可以是卡箍，或者，加强钢构件通过焊接的方式固定在腹板31的两侧，也能够满足提高钢架组件强度的要求。
下面介绍隧道支护的施工方法。首先，根据待施工的隧道内表面的轮廓形状，分段制作多段钢架单元，每一段钢架单元包括一个工字钢单元30，优选的，需要将工字钢单元30预先弯折成满足要求的弧线形状，使得工字钢单元30其中一端的翼缘32能够紧密贴合在隧道的内表面。并且，每一段工字钢单元30的两端均需要设置相应的连接接头33、34，并且在腹板31上开设供U型箍46的支臂47穿过的通孔。优选的，按照一定的间隔在腹板31开设多个通孔，使得每一段工字钢单元30上布置有多组通孔，即每一段工字钢单元30设置有多个U型箍46。
另外，需要根据每一段工字钢单元30的长度、曲率半径等制作多段中空钢管42，每一段中空钢管42需要与对应的工字钢单元30具有大致相同的曲率半径。
然后，将多段工字钢单元30、中空钢管42运输至开外的隧道内，并对开外的隧道内表面进行初喷混凝土的操作，接着在初喷混凝土后的隧道内表面逐段拼装工字钢单元30，在相邻的两段工字钢单元30上使用相应的连接接头进行固定连接。
接着，在每一段中空钢管42内灌注混凝土41，并形成加强钢构件40，然后在每一段工字钢单元30的腹板31两侧安装加强钢构件40，并使用U型箍46与螺栓48将腹板31两侧的加强钢构件40固定在工字钢单元30上。
最后，在完成隧道支护钢架组件的安装后，在隧道的内表面复喷混凝土以覆盖隧道支护钢架组件形成初期支护结构。待复喷混凝土干固后，混凝土能够将隧道支护钢架组件固定，并且通过混凝土的固定作用，使得加强钢构件40能够更好的固定在工字钢单元30上，更好的避免加强钢构件40脱落的问题，隧道支护钢架组件的强度更好。
最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如加强钢构件具体结构的改变，或者，工字钢单元的弯曲弧度的改变等，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。
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