一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的装置及方法

1.本发明涉及隧道施工中钢拱架沉降防护技术领域，特别涉及一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.目前，交通建设呈现出从平原微丘向山岭重丘的发展趋势，其中在各种复杂和恶劣地质条件下的长大隧道数量也急剧增加。在某些地区软弱岩层较多，风化程度高，极为松软，抗压强度极低，黏结力差，极不稳定。特别是经人工扰动后，岩石矿物成分及岩体完整性将发生不同程度的变化，隧道围岩体强度进一步降低。因此隧道开挖后自稳能力很差，故而软弱地层的开挖经常使用上下台阶开挖法甚至三台阶开挖法从而减小隧道围岩变形。
4.然而发明人发现，使用上下台阶开挖法又带来了另一个工程问题，那就是上台阶开挖并进行钢拱架初支后，在进行下台阶开挖时初支钢拱架受围岩压力有明显的下沉现象，如不加以控制会对围岩造成次生扰动使围岩强度进一步降低，从而进一步增大隧道初支钢拱架压力易导致更深层次的隧道围岩变形，并且会影响到隧道施工的规划等。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的装置及方法，对位于隧道钢拱架拱顶及拱脚处分别进行不同方式的锚杆固定，最大程度节约了工程量，增大了隧道的安全系数。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明第一方面提供了一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的装置。
8.一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的装置，至少包括：多根树脂锚杆和多根小导管注浆式抗滑锚杆；
9.钢拱架顶端沿着拱形方向设置多个钢垫板，每个钢垫板与多根树脂锚杆的第一端连接，树脂锚杆的第二端用于插入隧道侧壁，所有树脂锚杆的轴线均指向钢拱架的圆心位置；
10.钢拱架的两侧分别至少设置两个三角钢垫板，每个三角钢垫板上开设有多个连接孔，小导管注浆式抗滑锚杆沿钢拱架的切线方向设置，且其一端插装在该连接孔内与三角钢垫板相连，另一端用于插装在隧道侧壁内。
11.进一步的，小导管注浆式抗滑锚杆由无缝钢管加工制成，小导管注浆式抗滑锚杆的一端为圆锥形，小导管注浆式抗滑锚杆的管壁上每隔预设距离开有一组注浆孔，且注浆孔的轴线与小导管注浆式抗滑锚杆成预设角度。
12.更进一步的，注浆孔呈梅花形布设。
13.进一步的，钢垫板上布设四个用于连接树脂锚杆的螺纹孔，四个螺纹孔相对于钢垫板的中心线对称设置。
14.更进一步的，钢垫板的长度大于钢拱架的宽度，钢垫板沿着钢拱架的宽度方向延伸到钢拱架前侧和后两侧，在延伸出的前侧位置和后侧位置分别设置两个螺纹孔。
15.更进一步的，钢垫板的中心线与钢钢架宽度方向上的中心线对齐，四个螺纹孔相对于钢钢架宽度方向上的中心线前后对称。
16.进一步的，所述三角钢垫板为三角柱体，在三角柱体的两个矩形侧面上设置多个连接孔，两个矩形侧面上对应位置的连接孔的轴线在同一条直线上，小导管注浆式抗滑锚杆穿过两个矩形面上对应位置的螺纹孔，三角柱体未设置螺纹孔的矩形侧面与钢拱架焊接。
17.进一步的，在钢拱架的左侧和右侧各设置两个三角钢垫板，位于同一侧的两个三角钢垫板相对于钢拱架的中心线前后对称。
18.进一步的，多个钢垫板均匀设置在钢拱架顶部。
19.本发明第二方面提供了一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的方法。
20.一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的方法，包括以下过程：
21.清除松动土层，初喷混凝土，铺设钢筋网并架钢拱架；
22.根据现场反馈的数据及围岩的设计等级对隧道围岩进行综合分析，确定需用锚杆材质和长度以及注浆工艺；
23.在钢拱架顶端外侧焊接多个钢垫板，并沿钢垫板上锚杆连接孔向岩层内打入锚杆孔；
24.在钢拱架脚端的左右两侧、前后两侧各焊接一个三角钢垫板，并沿三角钢垫板锚杆连接孔向岩层内打入锚杆孔；
25.钢拱架顶端，清洗锚杆孔，在锚杆孔中插入树脂锚杆并将树脂药卷推至孔底，搅拌树脂，待其稳固后封孔，并施加一定预应力然后用螺母使其与钢垫板紧固；
26.钢拱架脚端，清洗锚杆孔，在锚杆孔中插入小导管注浆式抗滑锚杆，沿层注浆达到一定压力值，待其稳固后封孔，使用螺母使其与三角钢垫板紧固，并浇筑混凝土；
27.复喷混凝土到设计厚度，且覆盖住所有钢结构。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.1、本发明所述的装置及方法，所有树脂锚杆的轴线都指向钢拱架的圆心位置，在钢拱架的左侧和右侧各设置两个三角钢垫板，位于同一侧的两个三角钢垫板相对于钢拱架的中心线，前后对称，提高了锚杆固定的稳定性。
30.2、本发明所述的装置及方法，可以对位于隧道钢拱架拱顶及拱脚处分别进行不同方式的固定，可根据现场施工人员的反馈及围岩的设计等级对隧道围岩进行综合分析，从而判断需要用什么材质的锚杆用多长的锚杆用什么样的注浆工艺，才能使锚杆强度能够固定钢拱架减小其沉降达到规范，最大程度节约了工程量，增大了隧道的安全系数。
31.3、本发明所述的装置及方法，工艺简单，如注浆工艺、锚杆工艺和初支工艺均为传统工艺易于操作，便于工人熟练掌握；上拉下支防沉降的方法，便于后续分析与计算。
32.4、本发明所述的装置及方法，工程量小且简单易于操作，且在初支完成之后进行，不会影响工程进度；利用注浆式抗滑锚杆胶结在一起代替抗滑桩便于施工；利用树脂锚杆使施工较为困难的拱顶锚杆施工变为简单，且能很好的实现其作用。
33.5、本发明所述的装置及方法，采用小导管注浆式抗滑锚杆，由一定厚度的无缝钢
管加工制成，其一端加工成圆锥形，并在其壁上每隔一段距离设置一组呈梅花形布设的注浆孔，且注浆孔的轴线与小导管注浆式抗滑锚杆成一定角度，使得注浆方向与管径方向成一定角度，在受力下沉时能形成一个抵抗力。
34.6、本发明所述的装置及方法，钢拱架的每个脚端都是前后都有三角钢垫板焊接(即每个脚端有八个小导管注浆式锚杆)，小导管注浆式抗滑锚杆整体被动承压钢拱架沿钢拱架切线方向力，从而达到下支的目的。
35.7、本发明所述的装置及方法，树脂锚杆分组设置，每组与一个钢垫板螺母连接，从而达到预树脂锚杆与钢拱架连接的目的，起到主动上拉的作用。
附图说明
36.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
37.图1为本发明实施例1提供的隧道横断面结构示意图。
38.图2为本发明实施例1提供的钢垫板的俯视图。
39.图3为本发明实施例1提供的三角钢垫板的正视图与仰视图。
40.图4为本发明实施例1提供的小导管注浆式抗滑锚杆简化图。
41.其中，1、树脂锚杆；2、小导管注浆式抗滑锚杆；3、三角钢垫板；4、钢垫板；5、钢拱架；6、仰拱；7、上台阶；8、下台阶；9、树脂锚杆受力区域；10、小导管注浆式抗滑锚杆；11、螺纹孔；12、注浆孔；13、注浆方向。
具体实施方式
42.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
43.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
44.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
45.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
46.实施例1：
47.正如背景技术所介绍的，使用上下台阶开挖法又带来了另一个工程问题，那就是上台阶开挖并进行钢拱架初支后，在进行下台阶开挖时初支钢拱架受围岩压力有明显的下沉现象，如不加以控制会对围岩造成次生扰动使围岩强度进一步降低，从而进一步增大隧道初支钢拱架压力易导致更深层次的隧道围岩变形，并且会影响到隧道施工的规划等。
48.为了解决上述问题，如图1所示，本发明实施例1提供了一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的装置，设置有钢拱架5、上台阶7、下台阶8和仰拱6，钢拱架5的顶部焊接有钢垫板4，树脂锚杆1每四个一组与钢垫板4(如图2所示)通过螺母连接，从而达到树脂锚杆1与钢拱架5连接的目的，起到上拉的作用。
49.钢拱架脚部采用三角钢垫板3与钢拱架5焊接，而后用小导管注浆式抗滑锚杆10，四个一组与三角钢垫板(如图3所示)螺母连接后用混凝土浇筑，从而达到注浆式抗滑锚杆10整体承压钢拱架5沿钢拱架切线方向力，达到下支的目的。
50.小导管注浆式抗滑锚杆(2，10)的结构如图4所示，其注浆方向13与管径方向成一定角度，从而受力下沉时能形成一个抵抗力。
51.在本实施例中，树脂锚杆1每组为四个，其一端与钢垫板4通过螺母连接；所述钢垫板4与所述钢拱架5外侧焊接连接；另一端插装在隧道壁上，且每个树脂锚杆1的轴线穿过隧道在宽度方向上的中心线(即所有树脂锚杆的轴线都与隧道轴线相交)，树脂锚杆受力区域9如图1所示。
52.在图1中，在钢拱架的顶部布置了5个钢垫板4，形成五组树脂锚杆1，且5个钢垫板4沿着钢拱架的拱形方向均匀设置；五组树脂锚杆1中的每个树脂锚杆的轴线均穿过隧道在宽度方向上的中心线。
53.在本实施例中，所述钢垫板其上对称布设4个螺纹孔11，左右设置的两个螺纹孔11相对于钢垫板中心线左右对称；前后设置的两个螺纹孔相对于钢垫板中心线前后对称；且钢垫板比钢拱架宽，钢垫板的两侧延伸到钢拱架外，且钢垫板的中心线与钢钢架宽度方向上的中心线对齐，使得四个螺纹孔相对于钢钢架宽度方向上的中心线前后对称。
54.在本实施例中，所述小导管注浆式抗滑锚杆(2，10)每组为四个，四个注浆式抗滑锚杆与一三角钢垫板用螺母连接；所述三角钢垫板与所述钢拱架焊接连接。
55.所述三角钢垫板成三角柱体，三角柱体包括三个矩形侧面、一个三角形顶面和一个三角形底面，在其中两个矩形侧面上均布置四个螺纹孔11，且两个矩形面上对应位置上的两个螺纹孔11的轴线在同一条直线上，小导管注浆式抗滑锚杆(2，10)穿过两个矩形面上对应位置的螺纹孔11，实现小导管注浆式抗滑锚杆(2，10)在三角柱体上的固定；三角柱体未设置螺纹孔的矩形侧面与钢拱架焊接。
56.进一步的，在整个钢拱架上设置四个三角钢垫板；以图1为例，在图1的左侧设置两个三角钢垫板，在图1的右侧设置两个三角钢垫板；其中左侧的两个三角钢垫板在钢拱架上前、后设置；右侧的两个三角钢垫板在钢拱架上前、后设置；优选的，左右三角钢垫板相对于钢拱架的中心线左右对称；前后三角钢垫板相对于钢拱架在宽度方向上的中心线左右对称。
57.在本实施例中，所述树脂锚杆1为普通树脂锚杆，因其安装方便操作简单，锚固快等特点适用于钢拱架顶端锚固，起主动锚固钢拱架的目的，承载钢拱架受围岩压向下沉降的力。
58.在本实施例中，所述小导管注浆式抗滑锚杆(2，10)如图4所示，由一定厚度的无缝钢管加工制成，其一端加工成圆锥形，并在无缝钢管的侧壁上每隔一段距离设置有几个梅花形布设圆孔状的注浆孔12；且注浆孔12的轴线与管径方向成一定角度的注浆孔。
59.在本实施例中，所述钢拱架为普通软弱围岩初支所用钢拱架。
60.在本实施例中，所述锚杆紧固螺母：为普通锚杆紧固螺母，用于连接锚杆与钢垫板。
61.实施例2：
62.本发明实施例2提供了一种用于软弱围岩隧道抗钢拱架沉降的方法，包括以下步
骤：
63.步骤1：清除松动土层，初喷混凝土，铺设钢筋网并架钢拱架。
64.步骤2：根据现场施工人员的反馈及围岩的设计等级对隧道围岩进行综合分析，判断需要用什么材质的锚杆用多长的锚杆及用什么样的注浆工艺。
65.步骤3：在钢拱架顶端外侧且在其左右各一定角度(圆心角)焊接5个钢垫板，并沿钢垫板上锚杆连接孔向岩层内打入锚杆孔；
66.在钢拱架脚端的左右两端、前后两侧各焊接一个三角钢垫板，并沿三角钢垫板锚杆连接孔向岩层内打入锚杆孔；一共是四个三角钢垫板。
67.步骤4：钢拱架顶端，清洗锚杆孔，并于打好锚杆孔中插入树脂锚杆并将树脂药卷推至孔底，搅拌树脂，待其稳固后封孔并施加一定预应力然后用螺母使其与钢垫片紧固；钢拱架脚端，清洗锚杆孔，并于打好锚杆孔中插入小导管注浆式抗滑锚杆，沿层注浆达到一定压力值，待其稳固后封孔，并用螺母使其与三角钢垫片紧固，并浇筑混凝土。
68.步骤5：复喷混凝土到设计厚度，且覆盖住所有钢结构。
69.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。