一种破碎岩体隧道安全快速施工结构及其施工方法

1.本发明属于隧道支护的技术领域，具体涉及一种破碎岩体隧道安全快速施工结构及其施工方法。


背景技术：

2.随着地下工程技术向安全、快速的方向发展，隧道初期支护钢架的施作过程就成为当前施工风险较高的工序。
3.目前初期支护钢拱架的安装存在如下的不足：
4.1)钢架的安装普遍还是采用人工安装的方式，拱架安装过程中拱部围岩存在掉块风险，工人有受伤并导致死亡的风险。
5.2)钢拱架安装后，进行喷射混凝土施工，拱部回填量大，施工损耗大、施作时间长，延缓了施工速度。
6.3)拱架安装机能加快安装，但在复杂地质区段，拱架安装机的适应性不强，且价格高。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种破碎岩体隧道安全快速施工结构及其施工方法，以解决现有初期支护钢架存在安全风险、施工速度慢和成本高的问题。
8.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
9.第一方面，一种破碎岩体隧道安全快速施工结构，其包括若干块拼装的钢波纹板和钢拱架；钢波纹板设置于隧道的拱部，钢拱架安装于隧道内的边墙及仰拱部位；
10.钢波纹板和钢拱架之间通过连接组件固定相连；钢拱架所在区域设置钢筋网及纵向连接钢筋，并对该区域喷射混凝土作业；钢波纹板和钢拱架均与全环钢拱架固定连接。
11.进一步的，钢拱架为型钢钢拱架，钢拱架通过锁脚锚杆或锚管与围岩快速固定。
12.进一步的，钢波纹板上预留有若干个锚杆孔，通过在锚杆孔内安装锚杆将钢波纹板固定于围岩上。
13.进一步的，连接组件包括连接横板和法兰；法兰焊接于钢波纹板的端部，连接横板焊接于钢拱架的端部；连接横板和法兰之间通过螺栓固定连接。
14.进一步的，全环钢拱架和钢拱架通过焊接密封，并在钢拱架表面喷射混凝土。
15.进一步的，全环钢拱架与钢波纹板焊接相连，钢波纹板背后通过注浆或者浇筑自密实混凝土填充钢波纹板和围岩之间的空隙。
16.第二方面，一种破碎岩体隧道安全快速施工结构的施工方法，包括以下步骤：
17.s1、按照设计断面形状，开挖隧道；
18.s2、设计钢波纹板和钢拱架参数；
19.s3、现场拼接钢波纹板，拼接成整个环段后，采用铲车或钢架安装机提升至台架
上，并基于四个顶升千斤顶支撑钢波纹板；
20.s4、将钢拱架安装在边墙部位，并通过锁脚锚杆或锚管固定钢拱架；
21.s5、在边墙安装时，通过钢波纹板的保护进行锚杆作业，并通过钢波纹板中预留的锚杆孔进行钻孔作业和安装锚杆；
22.s6、驱动顶升千斤顶提升钢波纹板到达设计高度，通过连接组件连接钢架和钢波纹板，并将锚杆和钢波纹板焊接固定；
23.s7、在钢拱架支护的区域设置钢筋网及纵向连接钢筋，并对该区域进行喷射混凝土作业，直至达到喷射混凝土的设计厚度；
24.s8、重复步骤s3～s7，直至达到拼装的钢波纹板纵向设计的段落长度；
25.s9、施工全环钢架，将全环钢拱架分别与钢拱架和钢波纹板焊接密封；
26.s10、通过钢波纹板上预留的注浆孔或浇筑口进行注浆或浇筑自密实混凝土，以填充钢波纹板与围岩之间的空间。
27.进一步的，钢波纹板的参数包括钢波纹板的跨度、波形、板厚、环向及纵向宽度；钢拱架参数包括钢拱架的型号及纵向之间的间距。
28.进一步的，步骤s10中的注浆为水泥浆液或者聚氨酯高分子泡沫填充材料。
29.进一步的，当在易发生岩爆的地层中时，在钢波纹板上表面粘贴泡沫或橡胶层。
30.本发明提供的破碎岩体隧道安全快速施工结构及其施工方法，具有以下有益效果：
31.本发明通过拱部设置钢波纹板替代传统的钢拱架结构，并将钢波纹板和钢拱架有效结合形成组合结构，即可避免安装过程中拱部掉块对安装工人的安全损伤，也可充分发挥两种结构的优势。
32.本发明的钢波纹板通过工厂预制加工，现场拼装，一次安装成型，结构的质量可以得到有效保障，且有利于现场施工，提高施工效率；且钢波纹板属于柔性结构，能有效抵御岩爆冲击作用，在强烈岩爆区的安全施工有显著作用。
33.本发明拱部钢波纹板不采用喷射混凝土支护，有效减少了喷射混凝土的施作时间，极大的提高了工效；且钢波纹板可以和锚杆有效组成联合支护结构，对于复杂地质区段隧道结构的安全具有积极意义。
附图说明
34.图1为本发明隧道组合结构整体示意图。
35.图2为本发明隧道钢波纹板与钢拱架连接结构示意图。
36.图3为本发明隧道施工方法示意图。
37.其中，1、钢波纹板；2、围岩开挖面；3、钢波纹板上方的填充；4、钢拱架；5、喷射混凝土；6、连接组件；7、钢架连接件；8、台架；9、顶升千斤顶；10、锚管；11、锚杆；31、法兰；32、连接横板；33、螺栓。
具体实施方式
38.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，
只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
39.实施例1
40.参考图1，本实施例提供一种破碎岩体隧道安全快速施工结构，本实施通过钢波纹板1和钢拱架4的组合，以保障施工时安装工人的安全，其具体包括：
41.若干块拼装的钢波纹板1和钢拱架4，钢波纹板1和钢拱架4之间采用连接组件6进行固定连接，以形成快速支撑的组合支护结构；
42.参考图2，连接组件6包括连接横板32和法兰31；法兰31焊接于钢波纹板1的端部，连接横板32焊接于钢拱架4的端部；连接横板32和法兰31之间通过多根高强度螺栓33固定连接；
43.其中，钢波纹板1设置于隧道的拱部，钢波纹板1包括工厂预制的钢波纹板1件，钢波纹板1件通过拼接的方式在施工现场制作成形钢波纹板1，钢波纹板1的纵向宽度根据设计取值，本实施例优选为1m～1.5m，纵向的钢波纹板1通过搭接或者内法兰31连接。
44.参考图3，本实施例的钢波纹板1的一次施工纵向长度由一次开挖掘进的长度决定，由单片、两片或三片钢波纹板1纵向连接形成一个掘进施工单元，在洞内拼装后，通过铲车或者钢拱架4安装机提升到台架8上，由台架8上安装的4台顶升千斤顶9固定，工人在钢波纹板1的保护下进行边墙钢拱架4的施工和定位，待钢拱架4安装就位后，由顶升千斤顶9顶升钢波纹板1就位，进行钢波纹板1与钢拱架4的连接作业。
45.本实施例在钢波纹板1上预留锚杆11孔，组合支护结构施作后进行锚杆11的施工，钢波纹板1与锚杆11进行有效连接，即通过在锚杆11孔内安装锚杆11将钢波纹板1固定于围岩上。
46.钢波纹板1和钢拱架4连接固定后，钢拱架4施作区域设置钢筋网和喷射混凝土5，以快速封闭围岩开挖面2。
47.拼装钢波纹板1的单个纵向段落一般设置为3次开挖进尺长度或不超过10m，拼装钢波纹板1完成一个纵向段落的施工后，设置一全环钢拱架4，全环钢拱架4和钢拱架4通过焊接密封，并在钢拱架4表面喷射混凝土5，全环钢拱架4与钢波纹板1焊接相连。
48.待这个纵向段落的钢波纹板1周围全部被喷射混凝土封闭后，通过预留的注浆孔或混凝土浇筑口注浆或浇筑自密实混凝土填充拼装钢波纹板1和围岩之间的空隙，保证其密贴，如图1中钢波纹板上方的填充3。
49.钢拱架4安装于隧道内的边墙及仰拱部位，其通过锁脚锚杆11或锚管10与快速与围岩固定；本实施例的钢拱架4为型钢钢拱架4，优选为工字钢或h型钢，钢拱架4的纵向设置间距可根据围岩级别进行调整；两个钢拱架4之间可通过钢架连接件7相连，钢架连接件7可以为横板，即两块横板之间的连接，可通过螺栓33将两块横板连接，以实现两个钢拱架4之间的固定连接。
50.钢拱架4所在区域设置钢筋网及纵向连接钢筋，并对该区域喷射混凝土5作业；钢波纹板1和钢拱架4均与全环钢拱架4固定连接。
51.实施例2
52.本实施例基于实施例1，参考图1～图3，提供一种破碎岩体隧道安全快速施工结构的施工方法，其具体包括以下步骤：
53.步骤s1、按照设计断面形状，开挖隧道；
54.步骤s2、设计钢波纹板1的跨度、波形、板厚、环向及纵向宽度，设计钢拱架4的型号及纵向间距；
55.步骤s3、将钢波纹板1在现场进行拼接，拼接成整个环段后，利用铲车或钢架安装机提升至施工台架8上，台架8上设置4个顶升千斤顶9，采用顶升千斤顶9支撑固定钢波纹板1；
56.步骤s4、安装边墙部位的钢拱架4，通过锁脚锚杆11或锚管10快速固定；
57.步骤s5、边墙安装的过程中，台架8上的工人在钢波纹板1的保护下进行锚杆11作业，通过钢波纹板1中预留的锚杆11孔进行钻孔作业和安装锚杆11；
58.步骤s6、钢拱架4及锚杆11安装完成后，驱动顶升千斤顶9提升钢波纹板1到达设计高度，钢拱架4和钢波纹板1进行固定连接，锚杆11和钢波纹板1进行焊接固定；
59.步骤s7、钢拱架4支护的区域设置钢筋网及纵向连接钢筋，进行喷射混凝土5作业，直至达到喷射混凝土5的设计厚度；
60.步骤s8、循环安装，重复步骤s3～s7，直到达到拼装的钢波纹板1纵向设计段落长度；
61.步骤s9、施工全环钢架，全环钢架与钢波纹板1焊接，并喷射混凝土5进行封闭；
62.步骤s10、通过钢波纹板1上预留的注浆孔或浇筑口进行注浆或浇筑自密实混凝土，填充钢波纹板1与围岩的空间；
63.其中，注浆液体可以为水泥浆液，也可以为聚氨酯等高分子泡沫填充材料。
64.在易发生岩爆的地层中，钢波纹板1上表面要粘贴泡沫或橡胶层，减少岩爆对组合结构的冲击，保证人员安全。
65.虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

技术特征：
1.一种破碎岩体隧道安全快速施工结构，其特征在于：包括若干块拼装的钢波纹板和钢拱架；所述钢波纹板设置于隧道的拱部，钢拱架安装于隧道内的边墙及仰拱部位；所述钢波纹板和钢拱架之间通过连接组件固定相连；所述钢拱架所在区域设置钢筋网及纵向连接钢筋，并对该区域喷射混凝土作业；所述钢波纹板和钢拱架均与全环钢拱架固定连接。2.根据权利要求1所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构，其特征在于：所述钢拱架为型钢钢拱架，所述钢拱架通过锁脚锚杆或锚管与围岩快速固定。3.根据权利要求2所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构，其特征在于：所述钢波纹板上预留有若干个锚杆孔，通过在所述锚杆孔内安装锚杆将所述钢波纹板固定于围岩上。4.根据权利要求3所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构，其特征在于：所述连接组件包括连接横板和法兰；所述法兰焊接于钢波纹板的端部，所述连接横板焊接于钢拱架的端部；所述连接横板和法兰之间通过螺栓固定连接。5.根据权利要求4所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构，其特征在于：所述全环钢拱架和钢拱架通过焊接密封，并在钢拱架表面喷射混凝土。6.根据权利要求5所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构，其特征在于：所述全环钢拱架与钢波纹板焊接相连，所述钢波纹板背后通过注浆或者浇筑自密实混凝土填充钢波纹板和围岩之间的空隙。7.一种根据权利要求1～6任一所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、按照设计断面形状，开挖隧道；s2、设计钢波纹板和钢拱架参数；s3、现场拼接钢波纹板，拼接成整个环段后，采用铲车或钢架安装机提升至台架上，并基于四个顶升千斤顶支撑钢波纹板；s4、将钢拱架安装在边墙部位，并通过锁脚锚杆或锚管固定钢拱架；s5、在边墙安装时，通过钢波纹板的保护进行锚杆作业，并通过钢波纹板中预留的锚杆孔进行钻孔作业和安装锚杆；s6、驱动顶升千斤顶提升钢波纹板到达设计高度，通过连接组件连接钢架和钢波纹板，并将锚杆和钢波纹板焊接固定；s7、在钢拱架支护的区域设置钢筋网及纵向连接钢筋，并对该区域进行喷射混凝土作业，直至达到喷射混凝土的设计厚度；s8、重复步骤s3～s7，直至达到拼装的钢波纹板纵向设计的段落长度；s9、施工全环钢架，将全环钢拱架分别与钢拱架和钢波纹板焊接密封；s10、通过钢波纹板上预留的注浆孔或浇筑口进行注浆或浇筑自密实混凝土，以填充钢波纹板与围岩之间的空间。8.根据权利要求7所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构的施工方法，其特征在于：所述钢波纹板的参数包括钢波纹板的跨度、波形、板厚、环向及纵向宽度；钢拱架参数包括钢拱架的型号及纵向之间的间距。9.根据权利要求7所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构的施工方法，其特征在于：所述步骤s10中的注浆为水泥浆液或者聚氨酯高分子泡沫填充材料。
10.根据权利要求7所述的破碎岩体隧道安全快速施工结构的施工方法，其特征在于：当在易发生岩爆的地层中时，在钢波纹板上表面粘贴泡沫或橡胶层。

技术总结
本发明公开了一种破碎岩体隧道安全快速施工结构及其施工方法，包括若干块拼装的钢波纹板和钢拱架；钢波纹板设置于隧道的拱部，钢拱架安装于隧道内的边墙及仰拱部位；钢波纹板和钢拱架之间通过连接组件固定相连；钢拱架所在区域设置钢筋网及纵向连接钢筋，并对该区域喷射混凝土作业；钢波纹板和钢拱架均与全环钢拱架固定连接。本发明通过拱部设置钢波纹板替代传统的钢拱架结构，并将钢波纹板和钢拱架有效结合形成组合结构，即可避免安装过程中拱部掉块对安装工人的安全损伤，也可充分发挥两种结构的优势。结构的优势。结构的优势。


技术研发人员：冯冀蒙 姚仕钰 宋佳黛 赵建华 张俊儒 王志杰 王兴平 谭玉梅 孔超 卢峰
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/7/18