一种隧道闭合型硐室钢架支护结构的制作方法

1.本实用新型涉及隧道施工技术领域，具体地说，是涉及一种隧道闭合型硐室钢架支护结构。


背景技术：

2.在隧道工程施工中，如图1至图3所示，硐室91与隧道正线92相交处会形成交叉口，目前，交叉口区域的初期支护设计施工做法是将正线初支钢拱架93与硐室初支钢拱架94直接进行连接。其中，正线初支钢拱架93与硐室钢拱架拱部94的弧段之间基本采用切割后焊接的方式进行固定连接，而交叉口底部初支则未闭合形成闭合环，导致正线初支钢拱架93环向极易出现纵断，且正线初支钢拱架93与硐室钢拱架94的连接效果和连接质量极差，尤其是当硐室91处于软弱围岩段时，由于交叉口本身既为隧道应力变化集中区域，交叉口处顶部初支应力集中、底部应力集中，同时这两个部位的变形会导致交叉口本身初支受力不均匀，并在后期二次衬砌施工完毕后，受力不均匀和应力集中的问题会导致衬砌出现变形、开裂，使得隧道的整体结构在交叉口区域不稳定，影响建设和运营期的安全。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本实用新型的主要目的是提供一种防止硐室与隧道正线交界处衬砌变形开裂，并提高隧道整体结构在硐室与隧道正线交界处的受力稳定性的隧道闭合型硐室钢架支护结构。
4.为了实现本实用新型的主要目的，本实用新型提供一种隧道闭合型硐室钢架支护结构，包括多榀正洞初支钢拱架和多榀硐室初支钢拱架，多榀正洞初支钢拱架沿隧道正线分布，多榀硐室初支钢拱架沿硐室的深度方向分布，其中，隧道闭合型硐室钢架支护结构还包括顶部横梁、多根底部横梁、两根侧边立柱、两榀正常段仰拱、多榀下沉段仰拱和第一支撑架，顶部横梁位于硐室与隧道正线的交界处，顶部横梁位于硐室初支钢拱架的顶部，正洞初支钢拱架的第一端与顶部横梁连接，多根底部横梁与多榀硐室初支钢拱架一一对应，底部横梁位于硐室初支钢拱架的底部，一根底部横梁的两端分别与相对应的一榀硐室初支钢拱架的两端连接，两根侧边立柱均位于交界处处，沿隧道正线，两根侧边立柱分别位于硐室初支钢拱架的两侧，侧边立柱的第一端与顶部横梁连接，一榀正常段仰拱的两端分别与一根侧边立柱的第二端、一榀正洞初支钢拱架的第二端连接，沿隧道正线，多榀下沉段仰拱均位于两榀正常段仰拱之间，一榀下沉段仰拱的两端分别与位于交界处的一根底部横梁、一榀正洞初支钢拱架的第二端连接，第一支撑架分别与位于交界处的一榀硐室初支钢拱架、顶部横梁和侧边立柱连接。
5.由上可见，通过对隧道闭合型硐室钢架支护结构的设计，使得底部横梁能够与硐室初支钢拱架之间形成闭合环，以避免正洞初支钢拱架的环向出现纵断，提高硐室与隧道正线的连接效果及连接质量。此外，通过设置顶部横梁和侧边立柱，使得顶部横梁和侧边立柱能够与正洞初支钢拱架、正常段仰拱和下沉段仰拱配合以提高硐室初支钢拱架与正洞初
支钢拱架之间连接的稳固性，保证隧道闭合型硐室钢架支护结构整体的稳定性。
6.一个优选的方案是，隧道闭合型硐室钢架支护结构还包括第二支撑架，第二支撑架连接在顶部横梁和侧边立柱之间。
7.由上可见，第二支撑架能够提高顶部横梁和侧边立柱之间连接的稳固性，提高隧道闭合型硐室钢架支护结构在硐室与隧道正线的交界处的受力能力，避免由于硐室顶部应力集中而导致硐室与隧道正线的交界处的衬砌变形开裂，从而保证隧道的建设及运营的安全性。
8.进一步的方案是，隧道闭合型硐室钢架支护结构还包括第三支撑架，第三支撑架连接在顶部横梁和正洞初支钢拱架之间。
9.由上可见，第三支撑架能够提高顶部横梁与正洞初支钢拱架之间连接的稳固性，进一步提高隧道闭合型硐室钢架支护结构在硐室与隧道正线的交界处的受力能力，以进一步避免硐室顶部应力集中而导致的硐室与隧道正线的交界处的衬砌变形开裂，从而进一步保证隧道的建设及运营的安全性。
10.另一个优选的方案是，隧道闭合型硐室钢架支护结构还包括多组第一固定锁脚组，第一固定锁脚组靠近交界处设置并位于硐室初支钢拱架上方，一组第一固定锁脚组与一榀正洞初支钢拱架连接，第一固定锁脚组的第一固定锁脚自所正洞初支钢拱架倾斜于深度方向朝向硐室初支钢拱架的顶部延伸。
11.由上可见，第一固定锁脚组能够增加隧道闭合型硐室钢架支护结构在硐室顶部与隧道正线的交界处的受力能力，以更好的防止由于硐室顶部与隧道正线的交界处的应力集中而导致衬砌变形开裂。
12.进一步的方案是，第一固定锁脚组包括2根至6根第一固定锁脚。
13.由上可见，上述设计能够保证第一固定锁脚的作用及效果。
14.另一个优选的方案是，隧道闭合型硐室钢架支护结构还包括两组第二固定锁脚组和多组第三固定锁脚组，第二固定锁脚组靠近交界处设置并位于硐室初支钢拱架下方，一组第二固定锁脚组与一根侧边立柱连接，第二固定锁脚组的第二固定锁脚自侧边立柱倾斜于深度方向并背向硐室的下方延伸，第三固定锁脚组靠近交界处设置并位于硐室初支钢拱架下方，一组第三固定锁脚组与一榀下沉段仰拱连接，第三固定锁脚组的第三固定锁脚自下沉段仰拱倾斜于深度方向并背向硐室的下方延伸。
15.由上可见，第二固定锁脚组和第三固定锁脚组均能够增加隧道闭合型硐室钢架支护结构在硐室底部与隧道正线的交界处的受力能力，以更好的防止由于硐室底部与隧道正线的交界处的应力集中而导致衬砌变形开裂。
16.进一步的方案是，第二固定锁脚组包括2根至6根第二固定锁脚，第三固定锁脚组包括2根至6根第三固定锁脚。
17.由上可见，上述设计能够保证第二固定锁脚和第三固定锁脚的作用及效果。
18.另一个优选的方案是，隧道闭合型硐室钢架支护结构还包括第一斜支撑组和第二斜支撑组，第一斜支撑组靠近硐室的洞口设置，第一斜支撑组包括两根第一斜支撑，沿隧道正线，两根第一斜支撑分别位于洞口的两侧处，一根斜支撑分别与第一榀硐室初支钢拱架和第二榀硐室初支钢拱架连接，第二斜支撑组靠近硐室的洞口设置，第二斜支撑组包括两根第二斜支撑，沿隧道正线，两根第二斜支撑分别位于洞口的两侧处，一根斜支撑分别与第
二榀硐室初支钢拱架和第三榀硐室初支钢拱架连接。
19.由上可见，通过在硐室入口处设置第一斜支撑组和第二斜支撑组，能够有效保证硐室与隧道正线交界处的初期支护和隧道闭合型硐室钢架支护结构的受力统一，并解决硐室与隧道正线整体受力集中存在的问题。
20.另一个优选的方案是，侧边立柱包括第一立柱段和第二立柱段，第一立柱段连接在顶部横梁和第二立柱段之间。
21.由上可见，上述设计使得隧道闭合型硐室钢架支护结构能够更好的适应于隧道开挖、支护施工，并保证施工过程中隧道正线和/或硐室的整体的稳定性，同时提高隧道闭合型硐室钢架支护结构的支护效果。
22.进一步的方案是，正洞初支钢拱架与顶部横梁之间通过法兰相互连接，顶部横梁与侧边立柱之间通过法兰相互连接，侧边立柱与正常段仰拱之间通过法兰相互连接，正常段仰拱与正洞初支钢拱架之间通过法兰相互连接，底部横梁与下沉段仰拱之间通过法兰相互连接，下沉段仰拱与正洞初支钢拱架之间通过法兰相互连接。
23.由上可见，上述设计使得隧道闭合型硐室钢架支护结构各部件之间的连接更加的方便，且保证隧道闭合型硐室钢架支护结构的整体受力效果。
附图说明
24.图1是本实用新型现有的硐室与隧道正线交界处的第一视角下的受力示意图。
25.图2是本实用新型现有的硐室支护结构与隧道正线支护结构的示意图。
26.图3是本实用新型现有的硐室与隧道正线交界处的第二视角下的受力示意图。
27.图4是本实用新型隧道闭合型硐室钢架支护结构实施例的第一省略部分组件后的结构示意图。
28.图5是本实用新型隧道闭合型硐室钢架支护结构实施例的第二省略部分组件后的结构示意图。
29.图6是本实用新型隧道闭合型硐室钢架支护结构实施例的结构示意图。
30.图7是本实用新型隧道闭合型硐室钢架支护结构实施例的正洞初支钢拱架、顶部横梁和侧边立柱的连接结构示意图。
31.图8是图6中a处的放大图。
32.图9是本实用新型隧道闭合型硐室钢架支护结构实施例的施工过程中的状态示意图。
33.以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
34.参照图4至图6，隧道闭合型硐室钢架支护结构1包括多榀正洞初支钢拱架11、多榀硐室初支钢拱架12、顶部横梁13、多根底部横梁14、两根侧边立柱15、两榀正常段仰拱16、多榀下沉段仰拱17、第一支撑架18、第二支撑架19、第三支撑件、第一固定锁脚组21、第二固定锁脚组22、第三固定锁脚组23、第一斜支撑组24和第二斜支撑组25。
35.多榀正洞初支钢拱架11临近硐室设置，且多榀正洞初支钢拱架11沿隧道正线分布，即多榀正洞初支钢拱架11沿硐室的宽度方向分布。多榀硐室初支钢拱架12沿硐室的深
度方向分布，硐室的深度方向垂直于隧道正线。
36.顶部横梁13位于硐室与隧道正线的交界处，即顶部横梁13位于硐室的洞口处，且顶部横梁13位于硐室初支钢拱架12的顶部。每榀正洞初支钢拱架11的第一端均与顶部横梁13固定连接，且如图7所示，正洞初支钢拱架11与顶部横梁13之间通过法兰相互连接，使得正洞初支钢拱架11与顶部横梁13之间的连接更加的牢固和稳定。
37.多根底部横梁14沿硐室的深度方向分布，且多根底部横梁14与多榀硐室初支钢拱架12一一对应。底部横梁14位于硐室初支钢拱架12的底部，且一根底部横梁14的两端分别与相对应的一榀硐室初支钢拱架12的两端连接，优选地，底部横梁14与硐室初支钢拱架12之间通过法兰相互连接，以使得底部横梁14与硐室初支钢拱架12之间的连接更加的牢固和稳定。此外，底部横梁14与硐室初支钢拱架12连接使得两者之间能够形成一个闭合环，并能够避免正洞初支钢拱架11的环形出现中断，从而提高硐室与隧道正线的连接效果和连接质量，防止硐室与隧道正线交界处的由于受力不均匀和应力集中而出现衬砌变形开裂。
38.两根侧边立柱15均位于硐室与隧道正线的交界处，即两根侧边立柱15均位于硐室的洞口处。此外，沿隧道正线，两根侧边立柱15分别位于硐室初支钢拱架12的两侧，即在硐室的宽度方向上，两个侧边立柱15分别位于硐室的洞口两侧并靠近洞口设置。优选地，侧边立柱15包括第一立柱段151和第二立柱段152，且第一立柱段151连接在顶部横梁13和第二立柱段152之间。通过对侧边立柱15的结构设计，使得隧道闭合型硐室钢架支护结构1能够更好的适应于隧道开挖、支护施工，并保证施工过程中隧道正线和/或硐室的整体的稳定性，同时提高隧道闭合型硐室钢架支护结构1的支护效果。进一步地，如图7所示，第一立柱段151的第一端通过法兰与顶部横梁13连接，第一立柱段151的第二端通过法兰与第二立柱段152的第一端连接，从而使得第一立柱段151与顶部横梁13、第二立柱段152之间的连接更加的牢固和稳定。
39.一榀正常段仰拱16的两端分别与一根侧边立柱15的第二立柱段152的第二端、一榀正洞初支钢拱架11的第二端连接。优选地，第二立柱段152的与正洞初支钢拱架11的之间通过法兰连接，正常段仰拱16与振动初支钢拱架之间通过法兰连接，以保证两者之间连接的牢固性及稳定性。
40.沿隧道正线，多榀下沉段仰拱17均位于两榀正常段仰拱16之间，且多榀下沉段仰拱17沿隧道正线分布。一榀下沉段仰拱17的两端分别与位于交界处的一根底部横梁14、一榀正洞初支钢拱架11的第二端连接，其中，位于交界处的一根底部横梁14指的是位于硐室的洞口且最靠近隧道正线的一根底部横梁14。优选地，下沉段仰拱17与底部横梁14之间通过法兰连接，下沉段仰拱17与正洞初支钢拱架11之间通过法兰连接，以保证下沉段仰拱17与底部横梁14、正洞初支钢拱架11之间连接的牢固性和稳定性。通过设置顶部横梁13和侧边立柱15，使得顶部横梁13和侧边立柱15能够与正洞初支钢拱架11、正常段仰拱16和下沉段仰拱17配合以提高硐室初支钢拱架12与正洞初支钢拱架11之间连接的稳固性，保证隧道闭合型硐室钢架支护结构1整体的稳定性。
41.第一支撑架18分别与位于交界处的一榀硐室初支钢拱架12、顶部横梁13和侧边立柱15连接。第一支撑架18用于增加顶部横梁13、侧边立柱15和位于硐室的洞口处的一榀硐室初支钢拱架12之间连接的牢固性和稳定性，保证隧道闭合型硐室钢架支护结构1能够有效抵抗硐室与隧道交界处的应力集中，从而提高隧道闭合型硐室钢架支护结构1的整体稳
定性，防止硐室与隧道交界处出现衬砌变形开裂。优选地，第一支撑架18的数量为两个，两个第一支撑架18分别位于硐室中线的两侧，且第一支撑架18呈“m”型设置；其中，第一支撑架18与硐室初支钢拱架12、顶部横梁13和侧边立柱15之间可采用焊接的方式进行连接，也可采用法兰结构进行连接。
42.第二支撑架19连接在顶部横梁13和侧边立柱15之间，第二支撑架19能够提高顶部横梁13和侧边立柱15之间连接的稳固性，提高隧道闭合型硐室钢架支护结构1在硐室与隧道正线的交界处的受力能力，避免由于硐室顶部应力集中而导致硐室与隧道正线的交界处的衬砌变形开裂，从而保证隧道的建设及运营的安全性。
43.第三支撑架20连接在顶部横梁13和正洞初支钢拱架11之间，第三支撑架20能够提高顶部横梁13与正洞初支钢拱架11之间连接的稳固性，进一步提高隧道闭合型硐室钢架支护结构1在硐室与隧道正线的交界处的受力能力，以进一步避免硐室顶部应力集中而导致的硐室与隧道正线的交界处的衬砌变形开裂，从而进一步保证隧道的建设及运营的安全性。
44.多组第一固定锁脚组21均靠近硐室和隧道正线的交界处设置，且多组第一固定锁脚组21均位于硐室初支钢拱架12的上方，具体地，多组第一固定锁脚组21均位于顶部横梁13的上方。其中，一组第一固定锁脚组21与一榀正洞初支钢拱架11连接，第一固定锁脚组21包括2根至6根第一固定锁脚，如在本实施例中，第一固定锁脚组21包括4根第一固定锁脚，第一固定锁脚自相对应的一榀正洞初支钢拱架11倾斜于硐室的深度方向朝向硐室初支钢拱架12的顶部延伸。
45.第一固定锁脚组21能够增加隧道闭合型硐室钢架支护结构1在硐室顶部与隧道正线的交界处的受力能力，以更好的防止由于硐室顶部与隧道正线的交界处的应力集中而导致衬砌变形开裂。在本实施例中，第一固定锁脚优选采用直径为42毫米、长度为4米的钢花管。
46.结合图8，两组第二固定锁脚组22均靠近硐室和隧道正线的交界处设置，且两组第二固定锁脚组22均位于硐室初支钢拱架12的下方，具体地，两组第二固定锁脚组22均位于底部横梁14的下方。其中，一组第二固定锁脚组22与一根侧边立柱15连接，第二固定锁脚组22包括2根至6根第二固定锁脚，如在本实施例中，第二固定锁脚组22包括2根第二固定锁脚，第二固定锁脚自侧边立柱15倾斜于深度方向并背向硐室的下方延伸。
47.第二固定锁脚组22能够增加隧道闭合型硐室钢架支护结构1在硐室底部与隧道正线的交界处的受力能力，以更好的防止由于硐室底部与隧道正线的交界处的应力集中而导致衬砌变形开裂。在本实施例中，第二固定锁脚优先采用直径为42毫米、长度为4米的钢花管。
48.多组第三固定锁脚组23均靠近硐室和隧道正线的交界处设置，且多组第三固定锁脚组23均位于硐室初支钢拱架12的下方，具体地，多组第三固定锁脚组23均位于底部横梁14的下方。其中，多组第三固定锁脚组23与多榀下沉段仰拱17一一对应，一组第三固定锁脚组23与相对应的一榀下沉段仰拱17连接，第三固定锁脚组23包括2根至6根第三固定锁脚，第三固定锁脚自下沉段仰拱17倾斜于深度方向并向硐室的下方延伸。
49.第三固定锁脚组23能够增加隧道闭合型硐室钢架支护结构1在硐室底部与隧道正线的交界处的受力能力，以更好的防止由于硐室底部与隧道正线的交界处的应力集中而导
致衬砌变形开裂。在本实施例中，第三固定锁脚优先采用直径为42毫米、长度为4米的钢花管。
50.第一斜支撑组24靠近硐室的洞口设置，第一斜支撑组24优选包括两根第一斜支撑，沿隧道正线，两根第一斜支撑分别位于洞口的两侧处，且一根第一斜支撑分别与第一榀硐室初支钢拱架12和第二榀硐室初支钢拱架12连接。其中，第一斜支撑与硐室初支钢拱架12之间的通过焊接的方式连接，也可通过法兰进行连接。
51.第二斜支撑组25靠近硐室的洞口设置，沿硐室的深度方向，第二斜支撑组25位于第一斜支撑组24的下游端。沿隧道正线，两根第二斜支撑分别位于洞口的两侧处，且一根第二斜支撑分别与第二榀硐室初支钢拱架12和第三榀硐室初支钢拱架12连接。其中，沿硐室的深度方向，第一榀硐室初支钢拱架12、第二榀硐室初支钢拱架12和第三榀硐室初支钢拱架12依次自洞口向硐室内分布。此外，第二斜支撑与硐室初支钢拱架12之间的通过焊接的方式连接，也可通过法兰进行连接。通过在硐室入口处设置第一斜支撑组24和第二斜支撑组25，能够有效保证硐室与隧道正线交界处的初期支护和隧道闭合型硐室钢架支护结构1的受力统一，并解决硐室与隧道正线整体受力集中存在的问题。
52.此外，隧道闭合型硐室钢架支护结构1还包括多榀第二正洞初支钢拱架27、多榀第二正常段仰拱、多榀第三正洞初支钢拱架28和多榀第三正常段仰拱。多榀第二正洞初支钢拱架27沿隧道正线分布，且多榀第二正洞初支钢拱架27均位于硐室的第一侧。多榀第二正常段仰拱与多榀第二正洞初支钢拱架27一一对应，且第二正常段仰拱的两端分别与相对应的一榀第二正洞初支钢拱架27的两段连接。多榀第三正洞初支钢拱架28沿隧道正线分布，且多榀第三正洞初支钢拱架28均位于硐室的第二侧。多榀第三正常段仰拱与多榀第三正洞初支钢拱架28一一对应，且第三正常段仰拱的两端分别与相对应的一榀第三正洞初支钢拱架28的两段连接。其中，第二正洞初支钢拱架27与第三正洞初支钢拱架28的功能及作用相同；第二正常段仰拱与第三正常段仰拱的功能及作用相同。
53.以下，结合图4至图9对隧道闭合型硐室钢架支护结构1的搭建过程进行简述：
54.首先，按照隧道正线开挖施工方法进行施工，当采用上下两台阶法开挖时，若当前开挖段无需进行硐室开挖时，按照现有开挖支护方法采用第二正洞初支钢拱架27(或第三正洞初支钢拱架28)和第二正常段仰拱(或第三正常段仰拱)对开挖出的隧道正线进行支护。
55.当当前开挖段需要进行硐室开挖时，在开挖至硐室的设计位置处时，由于采用的是上下两台阶法，因此待开挖的硐室上部区域会先露出，此时，先施工顶部横梁13、侧边立柱15的第一立柱段151、部分正洞初支钢拱架11。其中，第一立柱段151的高度与开挖出的上台阶适配；此外，根据开挖段的开挖长度确定是否进行部分第二正洞初支钢拱架27和/或部分第三正洞初支钢拱架28的施工。
56.接着，施工第一固定锁脚组21。此外，为了确保上台阶开挖支护的封闭和稳定，采用临时支撑钢拱架26对硐室与隧道交界处进行临时支护。其中，临时支撑钢拱架26包括第一支撑段261和第二支撑段262，当硐室的设计位置处仅完成上台阶开挖时，先施工第一支撑段261，第一支撑段261与顶部横梁13进行连接，优选地，第一支撑段261与顶部横梁13之间通过法兰连接。需要说明的是，第一支撑段261的高度与开挖出的上台阶适配。此外，临时支撑钢拱架26区域无需进行喷砼施工。
57.当硐室的设计位置处完成下台阶开挖时，安装侧边立柱15的第二立柱段152和临时支撑钢拱架26的第二支撑段262，同时，将第二支撑段262与靠近隧道正线的第一根底部横梁14连接，以在整体上形成临时封闭支撑。其中，临时支撑钢拱架26区域无需进行喷砼施工。
58.当硐室的设计位置处完成隧底开挖时，将隧底支护(至少包括正常段仰拱16和下沉段仰拱17)、底部横梁14和剩余部分正洞初支钢拱架11进行封闭连接。接着，第二固定锁脚组22和第三固定锁脚组23，以形成硐室与隧道正线交界部位的临时封闭支护。其中，根据开挖段的开挖长度确定是否进行剩余部分第二正洞初支钢拱架27和/或剩余部分第三正洞初支钢拱架28的施工以及第二正常段仰拱和/或第三正常段仰拱的施工。
59.接着，随着隧道整体向前掘进，当硐室距离掌子面超出变形影响区段(尤其是软弱围岩区段时更要注意)后，先将临时支撑钢拱架26进行拆除，然后进行硐室后续的开挖和支护施工。需要说明的是，随着硐室的开挖掘进，要及时完成硐室内部的硐室初支钢拱架12的安装，尤其是要及时完成底部横梁14与硐室初支钢拱架12的封闭成环，此外，还要重点完成硐室的洞口处的第一斜支撑组24和第二斜支撑组25的施工。
60.综上可见，本实用新型通过对隧道闭合型硐室钢架支护结构的设计，使其能够防止硐室与隧道正线交界处衬砌变形开裂，并提高隧道整体结构在硐室与隧道正线交界处的受力稳定性。
61.最后需要强调的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。