一种用于软岩大变形地质中的衬砌钢拱架补强结构的制作方法

1.本实用新型涉及建筑设备领域，具体涉及一种用于软岩大变形地质中的衬砌钢拱架补强结构。


背景技术：

2.在隧道工程中，隧道区地质构造发育，穿越多条断裂带、破碎带，隧道洞身基岩富水性较好，地下水相当丰富，施工难度较大。隧道左幅zk44+640～zk44+840段埋深70～85m，处于地表冲沟侧翼。设计围岩级别为ⅳ3，岩性呈褐红、紫红色强风化细砂岩、泥质粉砂岩、碎石～碎块状结构松散结构，岩质较软，岩体节理裂隙很发育。地下水主要为基岩裂隙水，富水性好，围岩自稳能力极差。
3.在围岩级别为
ⅴ
1(衬砌类型为sf5b)的地质情况中，围岩为褐红、紫红色泥岩、泥质粉砂岩、页岩，岩层呈强风化碎石-碎块状不均，岩质较软、岩体节理裂隙很发育很破碎呈碎裂状松散结构；洞室开挖后无自稳能力易坍塌，断层岩性接触带围岩稳定性差，处理不当会产生较大坍塌，侧壁经常失稳；施工不当可能导致洞项仰坡失稳；地下水为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，富水性一般呈点滴-淋雨状出水，雨季时地下水较发育，在断层带可呈涌流状出水，水文地质条件一般～较差。
4.在上述地质中，施工依据设计衬砌参数要求对左幅zk44+800～zk44+820段按照sf5b台阶法施工。设计主要参数：φ25中空注浆锚杆3.0m，100*80cm梅花型布置；拱架为i18工字钢，间距0.8m/榀；喷射厚25cm；超前小导管4榀/环，打设45根，搭接长度1.5米；二衬为c30防水钢筋混凝土厚50cm；zk44+800掌子面从2020年8月31日开始施工，至2020年9月12日施工至zk44+820掌子面时，根据监控量测数据分析：左幅zk44+800～zk44+820段已不同程度侵限(收敛达20～25cm，沉降达6～10cm)，根据观察：喷射的混凝土局部环向开裂且局部小块脱落。为了施工人员的安全，立即停止了掘进工作，并在zk44+800～zk44+820段原初期支护拱架位置加设i20a工字钢作为临时护拱，至2020年9月26日(收敛达32～43cm，沉降达13～20cm)i20a工字钢护拱同原衬砌工字钢受力扭曲形变，局部位置拱架弯折，形变较大。地应力过大且释放不匀导致该段初期支护拱架变形、喷射混凝土开裂及脱落、初支侵限的主要原因。所以，根据此地质情况，需要重新设计隧道支护，否则会对施工安全及施工质量产生影响。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种用于软岩大变形地质中的衬砌钢拱架补强结构，该支护结构解决了软岩大变形地质中混凝土易开裂和变形的问题，并且沉降和收敛得到了较为显著的控制。
6.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
7.一种用于软岩大变形地质中的衬砌钢拱架补强结构，包括工字型钢拱架，钢拱架的两端焊接有底板，底板上预留有螺栓孔，沿着钢拱架长度方向的平面架体上等间距焊接
有腹板，腹板和钢拱架的架体上留有同孔径的导管孔，在工字型钢拱架的两边垂直截面之间焊接有等间距布置的劲板。
8.进一步的，钢拱架安装于隧道内，安装时钢拱架的平面架体贴于隧道拱壁，在导管孔内焊接有超前小导管，超前小导管处于隧道拱壁一侧的端头插入隧道拱壁内。
9.进一步的，多排钢拱架并排安装时，超前小导管穿过多排钢拱架的导管孔。
10.进一步的，同一个工字型钢拱架上相邻两个劲板之间的间隔距离为90cm。
11.进一步的，钢拱架材料采用i18工字钢。
12.进一步的，钢拱架的拱形弧长等于隧道拱壁的拱形弧长。
13.以上技术方案与现有技术相比的有益效果是：将原有i20a钢拱架材料改为i18工字钢材料的钢拱架，并增加“腹板”优化施作超前小导管时拱架开孔强度降低的问题，相比较之下，同一围岩段施工中，采用i20a传统加工衬砌钢拱架支护的喷射混凝土出现了开裂、拱架不均匀变形的情况，而采用加“劲板”补强型i18衬砌钢拱未出现喷射混凝土开裂和变形，并且沉降和收敛得到了较为显著的控制。实践证明，衬砌钢拱架加“劲板”补强设计在软岩大变形地质条件具有较强的适用能力，值得继续探索，推广。
附图说明
14.图1为本实用新型的主视状态结构示意图；
15.图2为图1的a向结构结构示意图；
16.图3为钢拱架安装在隧道拱壁上做支护的结构示意图。
具体实施方式
17.为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本实用新型。
18.如图1—图3所示的一种用于软岩大变形地质中的衬砌钢拱架补强结构，包括工字型钢拱架1，钢拱架1的两端焊接有底板2，底板2上预留有螺栓孔，方便用地脚螺栓固定在隧道地面，沿着钢拱架1长度方向的平面架体上等间距焊接有腹板3，腹板3和钢拱架1的架体上留有同孔径的导管孔4，在工字型钢拱架1的两边垂直截面之间焊接有等间距布置的劲板5，基本间隔三块腹板3的距离就焊接有一块劲板5，劲板5不会遮挡着腹板3，因为腹板3的垂直方向需要安装超前小导管6。
19.钢拱架1安装于隧道内，钢拱架1的拱形弧长等于隧道拱壁7的拱形弧长，安装时钢拱架1的平面架体贴于隧道拱壁7，在导管孔4内焊接有超前小导管6，超前小导管6处于隧道拱壁7一侧的端头插入隧道拱壁7内。
20.进一步的，同一个工字型钢拱架1上相邻两个劲板5之间的间隔距离为90cm，钢拱架1材料采用i18工字钢。把较大受力单元分割成数个受力小单元，增加钢拱架1强度，均衡受力矢高和弧长。经现场加工成品后与未加“劲板”拱架作受力比对试验，同样i18工字钢经过加“劲板”后，其受力强度堪比i22a材料的钢拱架。
21.以鹤庆至剑川至兰坪高速公路全长100.839公里，云岭雪邦山隧道是该工程的关键控制性工程之一，为分离式特长隧道，全长10535米。以该工程为例，隧道左幅以现有技术安装支护加强结构，隧道右幅安装本设计的衬砌钢拱架补强结构，两者对比，明显隧道右幅
未出现拱架变形、初喷混凝凝土开裂等现象，实践证明，衬砌钢拱架加“劲板5”补强设计在软岩大变形地质条件具有较强的适用能力。并且更改材料和增加腹板3、劲板5后的钢拱架1在成本上控制得更低。
22.在此隧道路段内，衬砌钢拱架1加“劲板5”补强设计增加了16cm
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4cm
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8mm钢板19块，合计0.76kg，成本3.5元；人工和焊接成本增加约80元/榀；合计83.5元。
23.同条件对比，工字钢市场价格4300元/吨，设计强度需要i20a衬砌工字钢，整榀工字钢总重1063.53kg，成本4573.18元；加“劲板”补强i18工字钢加工后整榀总重900.56kg，包含人工和焊接成本3955.9元，节约成本617.28元。
24.工程实践证明，衬砌钢拱架补强设计在软岩大变形地质条件适用条件优越，经济效益明显，具有较高的推广价值。
25.以上对本实用新型提供的一种用于软岩大变形地质中的衬砌钢拱架补强结构进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。