一种隧道早强支护系统及其安装方法与流程

本发明属于隧道支护结构技术领域，尤其涉及一种隧道早强支护系统及其安装方法。

背景技术：

目前隧道工程中的支护体系主要采用“初期支护+二次衬砌”的形式。其中初期支护一般有喷射混凝土、喷射混凝土加锚杆、喷射混凝土锚杆与钢架联合支护等形式，二次衬砌主要采用模筑混凝土进行现场浇筑。初期支护采用新奥法理念，意在使围岩可以进行有限变形，充分发挥围岩的自承能力，该体系适用围岩条件较好的情况，其可视为柔性支护结构。在围岩条件较差的地区，由于初期支护的刚度较低，不能满足围岩变形要求，往往需要采取额外措施进行加固处理，如增加初期支护厚度。

掘进机施工可以及时提供早强支护，但我国的山岭隧道施工较少采用掘进机等大型机械施工，其中既有资金原因，又受到施工场地条件限制，因此需要一种便于操作安装，可以为围岩条件较差的隧道提供快速早强支护能力的支护体系。

综上，现有技术上缺少针对山岭隧道软岩的早强支护措施，有必要提出改进的技术手段解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧道早强支护系统及其安装方法，为一种适用于山岭隧道软岩的早强支护结构，丰富隧道支护体系，便于操作安装，保障了隧道施工及运营安全。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种隧道早强支护系统，包括带肋钢壳和附着于带肋钢壳内壁的内衬混凝土，带肋钢壳沿环向分为拱顶管片、拱肩管片、拱脚管片和拱底管片；拱顶管片上预设有注浆孔；

在环向上，拱顶管片和拱底管片相对设置，拱肩管片对称设置于拱顶管片两端，拱脚管片对称设置于拱底管片两端，拱肩管片一端与拱顶管片连接，另一端与拱脚管片的一端连接，拱脚管片的另一端与拱底管片连接；拱顶管片与拱肩管片、拱肩管片与拱脚管片及拱脚管片与拱底管片均采用螺栓连接；

在纵向上，相邻的两个拱顶管片、相邻的两个拱肩管片、相邻的两个拱脚管片及相邻的两个拱底管片均采用螺栓连接。

进一步，拱顶管片包括拱顶钢壳和拱顶肋板，拱顶肋板固定布设在拱顶钢壳内侧；

拱肩管片包括拱肩钢壳和拱肩肋板，拱肩肋板固定布设在拱肩钢壳内侧；

拱脚管片包括拱脚钢壳和拱脚肋板，拱脚肋板固定布设在拱脚钢壳内侧；

拱底管片包括拱底钢壳和拱底肋板，拱底肋板固定布设在拱底钢壳内侧；

拱顶肋板、拱肩肋板、拱脚肋板及拱底肋板上均预设有钢筋连接孔和肋板环向连接孔，肋板环向连接孔设在各肋板两端环向连接处。

进一步，拱顶管片、拱肩管片、拱脚管片和拱底管片包括钢壳连接式和肋板连接式两种结构形式。

进一步，采用钢壳连接式结构时，拱顶钢壳沿环向两端均设有管片环向固定螺栓，拱肩钢壳、拱脚钢壳和拱底钢壳沿环向一端设有管片环向固定螺栓，另一端设有钢壳环向连接孔；拱顶钢壳、拱肩钢壳、拱脚钢壳和拱底钢壳沿纵向一端设有钢壳纵向固定螺栓，另一端设有钢壳纵向连接孔。

进一步，采用肋板连接式结构时，拱顶钢壳、拱肩钢壳、拱脚钢壳和拱底钢壳沿环向一端设有管片环向固定螺栓，另一端设有钢壳环向连接孔；相邻两管片的肋板在纵向上通过连接螺栓连接。

进一步，拱顶肋板与拱肩肋板、拱肩肋板与拱脚肋板、拱脚肋板与拱底肋板均通过肋板连接器连接，肋板连接器包括螺栓固定片、螺孔固定片和固定螺母；

使用时，螺栓固定片设置于待连接的两肋板的一侧，螺栓插入待连接的两肋板上的肋板环向连接孔，螺孔固定片设置于待连接的两肋板的另一侧，通过固定螺母完成固定。

进一步，在带肋钢壳内侧设有防水层。

进一步，采用钢壳连接式时，拱顶管片、拱肩管片、拱脚管片和拱底管片在纵向接口和环向接口的防水均由防水层完成。

进一步，采用肋板连接式结构时，拱顶管片、拱肩管片、拱脚管片和拱底管片在纵向接口的防水由纵向连接部的止水带完成，环向接口的防水由防水层完成。

本发明还公开了所述隧道早强支护系统的安装方法，包括以下步骤：

1)土体开挖完成后，首先在硐室上安装一个拱顶管片，然后在纵向上以已安装的拱顶管片为基体，依次连接多个待安装拱顶管片，完成拱顶管片的安装；

2)在每个拱顶管片两端各连接一个拱肩管片，在环向上将拱顶管片与拱肩管片对齐固定连接，在纵向上将相邻拱肩管片对齐固定连接，完成拱肩管片的安装；

3)在每个拱肩管片的一端连接一个拱脚管片，在环向上将拱肩管片与拱脚管片对齐固定连接，在纵向上将相邻拱脚管片对齐固定连接，完成拱脚管片的安装；

4)在两拱脚管片之间连接拱底管片，在环向上将拱脚管片与拱底管片对齐固定连接，在纵向上将相邻拱底管片对齐固定连接，完成拱底管片的安装；

5)从注浆孔进行注浆作业。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的隧道早强支护系统，包括带肋钢壳和内衬混凝土两部分，带肋钢壳沿环向拱顶管片、拱肩管片、拱脚管片和拱底管片，四部分管片环向螺栓固定连接，纵向上各部管片各自采用螺栓固定连接，进而在环向和纵向上形成紧密连接，能够将山岭隧道软岩整体包裹，形成隧道支护体系，保障隧道施工及运营安全。

进一步，各管片均由钢壳和肋板预制而成，并在肋板上预设了肋板环向连接孔和钢筋连接孔，各管片的强度好，并且方便肋板之间进行环向和纵向的连接，保证整个支护系统结构连接的紧密性。

进一步，各管片可采用钢壳连接式或肋板连接式，两种结构主要是纵向上的连接不同，均能实现管片间环向和纵向的连接，形式多样化，根据不同的客户需求而定。

进一步，当采用钢壳连接式时，无论是纵向还是环向，管片之间均是通过钢壳固定连接在一起的，采用的是“搭接+螺栓”的连接方式，可以保证结构连接紧密，安装迅速。

进一步，当采用肋板连接式时，环向上是钢壳通过螺栓螺孔连接的，采用的是“搭接+螺栓”的连接方式，可以保证结构连接紧密，安装迅速；纵向上是通过相邻管片的肋板连接的，连接形式简单。

进一步，在钢壳内侧设有防水层，管片之间横向接口的防水均由防水层完成，钢壳连接式管片纵向接口防水由纵向连接部上的防水层完成，肋板连接式管片由纵向连接部的止水带完成。连接紧密无缝隙，保证结构内部无渗漏水。

本发明公开了所述隧道早强支护系统的安装方法，管片采用钢壳连接式和肋板连接式，均适用于台阶法施工，因此施工安装顺序为由上至下，先安装拱顶管片，再依次安装拱肩管片、拱脚管片和拱底管片，最后进行注浆作业，填实支护结构与围岩间的空隙，保证支护结构受力均匀。安装过程由上至下，一一对接，保证了各管片之间的紧密连接。

附图说明

图1为本发明的支护系统的总体结构示意图；

图2-1为钢壳连接式带肋钢壳的整体结构示意图；

图2-2为肋板连接式带肋钢壳的整体结构示意图；

图3-1为钢壳连接式拱顶管片的结构示意图；

图3-2为肋板连接式拱顶管片的结构示意图；

图4-1为钢壳连接式拱肩管片的结构示意图；

图4-2为肋板连接式拱肩管片的结构示意图；

图5-1为钢壳连接式拱脚管片的结构示意图；

图5-2为肋板连接式拱脚管片的结构示意图；

图6-1为钢壳连接式拱底管片的结构示意图；

图6-2为肋板连接式拱底管片的结构示意图；

图7为肋板连接器示意图；

其中，1为带肋钢壳；1-1为拱顶管片；1-2为拱肩管片；1-3为拱脚管片；1-4为拱底管片；2为内衬混凝土；3为钢壳；3-1为拱顶钢壳；3-2为拱肩钢壳；3-3为拱脚钢壳；3-4为拱底钢壳；4为肋板；4-1为拱顶肋板；4-2为拱肩肋板；4-3为拱脚肋板；4-4为拱底肋板；5-1为钢壳纵向固定螺栓；5-2为钢壳纵向连接孔；6-1为管片环向固定螺栓；6-2为管片环向连接孔；7为注浆孔；8为固定螺母；9为钢筋连接孔；10为肋板环向连接孔；11为肋板连接器；12为螺栓固定片；13为螺孔固定片；14为防水层；15为止水带。

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，本发明的一种隧道早强支护系统，包括带肋钢壳1和内衬混凝土两部分，带肋钢壳1由钢壳3及肋板4预制而成。

带肋钢壳1分为拱顶管片1-1、拱肩管片1-2、拱脚管片1-3和拱底管片1-4，拱顶管片1-1、拱肩管片1-2、拱脚管片1-3和拱底管片1-4无论在纵向还是在横向的连接均通过螺栓固定连接，采用钢壳连接式(如图2-1)或肋板连接式(如图2-2)、连接结构。各部管片沿环向和纵向相互搭接，由钢壳上的螺栓螺母完成固定。各管片间连接采用“搭接+螺栓”固定模式，留有预制螺栓的壳体部分位于外侧，留有预留孔的管片通过搭接将预留孔安入预留螺栓中，最后通过螺栓完成拼装工作。

如图3-1所示，采用钢壳连接式结构，拱顶管片1-1包括拱顶钢壳3-1和拱顶肋板4-1，拱顶管片1-1的环向连接部为管片环向固定螺栓6-1，纵向连接由钢壳纵向固定螺栓5-1和钢壳纵向连接孔5-2完成。拱顶管片1-1顶部有预制的注浆孔7，完成一榀施工后使用注浆设备进行壁后注浆，保证结构与围岩密贴。

如图3-2所示，采用肋板连接式结构，拱顶管片1-1包括拱顶钢壳和拱顶肋板4-1，拱顶管片1-1环向连接部为管片环向固定螺栓6-1，两拱顶管片的纵向连接由纵向连接螺栓穿过临近2片肋板的钢筋连接孔9完成。

如图4-1所示，采用钢壳连接式结构，拱肩管片1-2包括拱肩钢壳3-2和拱肩肋板4-2，其中拱肩钢壳3-2环向连接上部为管片环向连接孔6-2，下部为管片环向固定螺栓6-1。纵向连接由钢壳纵向固定螺栓5-1和钢壳纵向连接孔5-2完成。

如图4-2所示，采用肋板连接式结构，拱肩管片1-2包括拱肩钢壳3-2和拱肩肋板4-2，其中拱肩钢壳3-2环向连接上部为管片环向连接孔6-2，下部为管片环向固定螺栓6-1。两拱肩管片的纵向连接由纵向连接螺栓穿过临近2片肋板的钢筋连接孔9完成。

如图5-1所示，采用钢壳连接式结构，拱脚管片1-3包括拱脚钢壳3-3和拱脚肋板4-3，其中拱脚钢壳3-3环向连接上部为管片环向连接孔6-2，下部为管片环向固定螺栓6-1。纵向连接由钢壳纵向固定螺栓5-1和钢壳纵向连接孔5-2完成。

如图5-2所示，采用肋板连接式结构，拱脚管片1-3包括拱脚钢壳3-3和拱脚肋板4-3，其中拱脚钢壳3-3环向连接上部为管片环向连接孔6-2，下部为管片环向固定螺栓6-1。两拱脚管片的纵向连接由纵向连接螺栓穿过临近2片肋板的钢筋连接孔9完成。

如图6-1所示，采用钢壳连接式结构，拱底管片1-4包括拱底钢壳3-4和拱底肋板4-4，其中拱底钢壳3-4环向连接部为管片环向连接孔6-2。纵向连接由钢壳纵向固定螺栓5-1和钢壳纵向连接孔5-2完成。

如图6-2所示，采用肋板连接式结构，拱底管片1-4包括拱底钢壳3-4和拱底肋板4-4，其中拱底钢壳3-4环向连接部为管片环向连接孔6-2。两拱脚管片的纵向连接由纵向连接螺栓穿过临近2片肋板的钢筋连接孔9完成。

所有的肋板上均预制有钢筋连接孔9和肋板环向连接孔10，由肋板连接器完成环向固定连接。如图7所示，肋板连接器包括螺栓固定片12和螺孔固定片13，使用时将螺栓固定片12设置于待连接的两肋板的一侧，螺栓插入待连接肋板的肋板环向连接孔10，另一侧套入螺孔固定片13，用固定螺母8完成肋板固定。

更优地，在各管片的钢壳内侧设有防水层14。采用钢壳连接式时，拱顶管片1-1、拱肩管片1-2、拱脚管片1-3和拱底管片1-4在纵向接口和环向接口的防水均由防水层完成。采用肋板连接式结构时，拱顶管片1-1、拱肩管片1-2、拱脚管片1-3和拱底管片1-4在纵向接口的防水由纵向连接部的止水带15完成，环向接口的防水由防水层14完成。

每榀支护完成安装前使用临时支撑，已安装结构编号后加“o”进行区分，钢壳连接式和肋板连接式适用于台阶法施工，因此施工安装顺序为由上至下。

钢壳连接式支护系统的安装方法(由上至下)，具体为：

1)土体开挖完成后，采用喷射混凝土对硐室表面进行处理，首先在硐室上安装一个拱顶管片1-1，将待安装拱顶管片1-1的钢壳纵向连接孔5-2与已安装拱顶管片1-1o的钢壳纵向固定螺栓5-1对齐，使用螺母进行固定，完成拱顶管片1-1的安装；

2)将拱肩管片1-2的钢壳环向连接孔6-2与拱顶管片1-1的钢壳环向固定螺栓6-1对齐，并使待安装拱肩管片1-2的钢壳纵向连接孔5-2与已安装拱肩管片1-2o的钢壳纵向固定螺栓5-1对齐，然后使用螺母进行固定，完成拱肩管片1-2钢壳部分安装；

3)使用肋板连接器11连接拱顶肋板4-1与拱肩肋板4-2，将螺栓固定片12同时穿过拱顶肋板4-1和拱肩肋板4-2的肋板环向连接孔10，套上螺孔固定片13后使用固定螺母8完成拱肩管片1-2肋板部分安装；

4)将拱脚管片1-3的钢壳环向连接孔6-2与拱肩管片1-2的钢壳环向固定螺栓6-1对齐，并使待安装拱脚管片1-3的钢壳纵向连接孔5-2与已安装拱脚管片1-3o的钢壳纵向固定螺栓5-1对齐，然后使用螺母进行固定，完成拱脚管片1-3钢壳部分安装；

5)使用肋板连接器11连接拱肩肋板4-2与拱脚肋板4-3，将螺栓固定片12同时穿过拱肩肋板4-2和拱脚肋板4-3的肋板环向连接孔10，套上螺孔固定片13后使用固定螺母8完成拱脚管片1-3肋板部分安装；

6)将拱底管片1-4的钢壳环向连接孔6-2与拱脚管片1-3的钢壳环向固定螺栓6-1对齐，并使待安装拱底管片1-4的钢壳纵向连接孔5-2与已安装拱底管片1-4o的钢壳纵向固定螺栓5-1对齐，然后使用螺母进行固定，完成拱底管片1-4钢壳部分安装；

7)使用肋板连接器11连接拱脚肋板4-3与拱底肋板4-4，将螺栓固定片12同时穿过拱脚肋板4-3和拱底肋板4-4的肋板环向连接孔10，套上螺孔固定片13后使用固定螺母8完成拱底管片1-4肋板部分安装；

8)支护结构封闭成环后，使用注浆设备从注浆孔7进行注浆作业，填实结构与围岩间的空隙，保证支护结构受力均匀。

肋板连接式支护系统的安装方法(由上至下)，具体为：

1)土体开挖完成后，采用喷射混凝土对硐室表面进行处理，首先在硐室上安装一个拱顶管片1-1，然后将待安装拱顶管片1-1与已安装拱顶管片1-1o对齐，使用螺栓穿过已安装拱顶管片1-1o和待安装管片1-1的钢筋连接孔9进行预固定，完成拱顶管片1-1钢壳部分预安装；

2)将拱肩管片1-2的钢壳环向连接孔6-2与拱顶管片1-1的钢壳环向固定螺栓6-1对齐，并使待安装拱肩管片1-2的钢筋连接孔9与已安装拱肩管片1-2o的钢筋连接孔9对齐，然后使用螺栓进行预固定，完成拱肩管片1-2钢壳部分预安装；

3)使用肋板连接器11连接拱顶肋板4-1与拱肩肋板4-2，将螺栓固定片12同时穿过拱顶肋板4-1和拱肩肋板4-2的肋板环向连接孔10，套上螺孔固定片13后使用固定螺母8完成拱肩管片1-2肋板部分安装；

4)将拱脚管片1-3的钢壳环向连接孔6-2与拱肩管片1-2的钢壳环向固定螺栓6-1对齐，并使待安装拱脚管片1-3的钢筋连接孔9与已安装拱脚管片1-3o的钢筋连接孔9对齐，然后使用螺栓进行预固定，完成拱脚管片1-3钢壳部分预安装；

5)使用肋板连接器11连接拱肩肋板4-2与拱脚肋板4-3，将螺栓固定片12同时穿过拱肩肋板4-2和拱脚肋板4-3的肋板环向连接孔10，套上螺孔固定片13后使用固定螺母8完成拱脚管片1-3肋板部分安装；

6)将拱底管片1-4的钢壳环向连接孔6-2与拱脚管片1-3的钢壳环向固定螺栓6-1对齐，并使待安装拱底管片1-4的钢筋连接孔9与已安装拱底管片1-4o的钢筋连接孔9对齐，然后使用螺栓进行预固定，完成拱底管片1-4钢壳部分预安装；

7)使用肋板连接器11连接拱脚肋板4-3与拱底肋板4-4，将螺栓固定片12同时穿过拱脚肋板4-3和拱底肋板4-4的肋板环向连接孔10，套上螺孔固定片13后使用固定螺母8完成拱底管片1-4肋板部分安装；

8)完成全断面预安装后，锁紧肋板纵向连接螺栓，完成一榀管片安装；

9)支护结构封闭成环后，使用注浆设备从注浆孔7进行注浆作业，填实结构与围岩间的空隙，保证支护结构受力均匀。