用于提高胀缩性土质大断面隧道钢拱架承载性能的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种用于提高胀缩性土质大断面隧 道钢拱架承载性能的装置。
【背景技术】
[0002] 在胀缩性土质地区，进行铁路、公路等大断面隧道施工时，由于胀缩性土自身具有 吸水膨胀、失水收缩的特性，极易造成隧道地表开裂、围岩变形过大，造成坍塌、涌泥等地质 灾害发生，从而危及施工人员生命安全和损坏生产设备。依据多条铁路、公路大断面隧道围 岩变形监测结果可知，胀缩性土质隧道围岩变形具有显著的初期垂直变形较大的特性，钢 拱架下沉具有整体下沉特性，尤其在浅埋区域。由此可知，保证隧道开挖初期钢拱架整体的 稳定性是改善胀缩性土质隧道支护结构承载性能的关键因素之一。
[0003] 目前，胀缩性土质条件下的常用支护结构及其缺点包括：
[0004] 1、采用大拱脚结构：通过大拱脚支护结构虽然可以减少隧道掌子面上覆的土压 力、减小拱顶和地表沉降以及提高围岩自稳能力，但是对于胀缩性土自身吸水膨胀与失水 收缩的特点，大拱脚结构无法满足随着围岩变形而自由改变，从而造成隧道支护结构的不 均匀沉降变形。
[0005] 2、采用柔性支护结构：虽然可以实现隧道支护结构的可变形性，但是其加固范围 相对较小、而且作用时间较短、提高隧道围岩自稳能力有限、控制地表沉降的效果一般，不 能有效形成加固范围，从而可靠性降低。
【发明内容】
[0006] 本发明专利为了解决上述问题，提出了用于提高胀缩性土质大断面隧道钢拱架承 载性能的装置，该装置能够有效地减少胀缩性土质隧道围岩变形、持久地提高隧道自稳能 力、形成多功能围岩加固区域，保证隧道施工人员安全和设备的优点。
[0007] 为了实现上述目的，本发明专利采用如下技术方案：
[0008] 用于提高胀缩性土质大断面隧道钢拱架承载性能的装置，包括钢拱架，和分别与 钢拱架的两底端连接的拱脚支护结构；所述拱脚支护结构包括上层垫板和下层垫板，两层 垫板之间由若干个垂直于两垫板的螺旋钢筋进行柔性连接；每个所述螺旋钢筋的内部，设 有与上层垫板连接的刚性支座，所述下层垫板上设有与所述刚性支座相匹配的可供刚性支 座插入的插槽；所述刚性支座的底端与所述插槽底端设有预留空隙；当围岩变形大于所述 预留空隙时，所述上层垫板和所述下层垫板由刚性支座支撑连接。
[0009] 所述螺旋钢筋与所述上层垫板和下层垫板焊接固定。
[0010] 所述刚性支座与所述上层垫板焊接固定。
[0011] 所述螺旋钢筋为高强度圆形螺旋钢筋。
[0012] 所述刚性支座的截面为圆形。
[0013] 所述上层垫板和所述下层垫板为尺寸一致的矩形钢板。
[0014] 所述高强度圆形螺旋钢筋为五个，分布于所述上层垫板和下层垫板的四周和中 间。
[0015] 所述高强度圆形螺旋钢筋为四个，分布于所述上层垫板和下层垫板的四周。
[0016] 所述预留空隙为20mm-40mm。
[0017] 本发明专利的工作原理为：
[0018] 通过改善的大拱脚钢拱架支护结构，高强度圆形螺旋钢筋能够缓解初期隧道围岩 垂直变形过大而引起的不良地质灾害发生的可能性；与此同时，刚性支座能够逐渐地提高 隧道自稳，有效地减少隧道围岩长久变形，形成胀缩性土质隧道围岩稳定区域。
[0019] 本发明专利的有益效果为：
[0020] 上层垫板和下层垫板之间利用螺旋钢筋进行柔性连接，能够缓解初期隧道围岩垂 直变形过大而引起的不良地质灾害发生的可能性，满足随着围岩变形而自由改变，从而避 免不均匀沉降变形的发生。与此同时，当围岩变形超过设定值时，刚性支座能够逐渐的提高 隧道自稳，有效的减少隧道围岩长久变形，形成胀缩性土质隧道围岩稳定区域。下层垫板上 设有与刚性支座相匹配的插槽，便于刚性支座插入固定
[0021] 上层垫板和下层垫板采用刚度大的钢板，可以有效保证结构的承载性能。
[0022] 上层垫板和下层垫板设为矩形，形状规则，尺寸一致，便于施工。
[0023] 采用传统的焊接工艺进行相应部件的连接，施工过程简单，质量容易得到保证。 [0024] 使用高强度圆形螺旋钢筋，可以有效的承载钢拱架及上部荷载的重量，确保刚性 支座与插槽预留有一定间隙。
[0025] 所述预留空隙在20mm-40mm这个区间，既可以保证在一定范围内使拱脚结构随着 围岩变形发生一定的自由变形，避免不均匀沉降，又可以保证隧道围岩的稳定性。
[0026] 该方法是将高强度圆形螺旋钢筋柔性变形的特点用于满足缓解胀缩性土质隧道 开挖初期围岩沉降变形较大的性质，并且与刚性支座相互结合，控制隧道围岩沉降变形达 到某一设定值，以此提高隧道自稳能力，形成围岩稳定加固区域。（1)隧道围岩稳定性方面： 不仅可以减少了胀缩性土质隧道围岩、地表初期变形过大的问题，提高了隧道围岩自稳能 力，而且通过刚性支座形成加固稳定连续体体系，对于隧道围岩加固起到重要作用，最终形 成多功能围岩加固区域。（2)施工方面：由于本支护结构只针对大拱脚支护结构做了重要 改善，其施工工艺与大拱脚施工工艺相同，因此其施工进度易于掌握，且施工过程简单。
[0027] 综上所述，将柔性高强度圆形螺旋钢筋与刚性支座相结合的隧道围岩大拱脚支护 装置，在胀缩性土质隧道围岩稳定加固方面，不仅可以减少隧道掌子面上覆的土压力、减小 拱顶和地表沉降以及提高围岩自稳能力，而且可以实现隧道围岩预加固的目的，最终形成 多功能围岩加固区域，减少隧道地质灾害的发生，保证施工人员和生产设备的安全；与此同 时，该方法不仅降低了施工成本和难度，而且施工工艺简单易于施工人员操作，提高了工作 效率，支护效果优异。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明专利的正视图；
[0029] 图2为本发明专利的大拱脚局部正视图；
[0030] 图3为本发明专利的大拱脚上层钢板底面俯视图；
[0031] 图4为本发明专利的大拱脚下层钢板顶面俯视图；
[0032] 图5为本发明专利的高强度螺旋钢筋正视图；
[0033] 其中，1、钢拱架；2