一种封闭的预支护隧道结构的制作方法

本发明涉及隧道修建技术领域，具体地指一种封闭的预支护隧道结构。

背景技术：

浅埋软土大跨度矿山法隧道一直是隧道专业领域存在的工程难题，其主要的施工难点是：软弱地层自稳性较差，隧道施工引起的地层变形难以控制，开挖洞径容易收缩侵限，同时引起地表的沉降较大。

现有的浅埋矿山法隧道一般采用管棚、注浆等超前支护，增强支护刚度，然后采用分块开挖减少每次开挖坑道的跨度等方法来控制地层变形。以上既有技术手段可满足一般条件下的浅埋大跨度矿山法隧道，但在沉降要求高，工程环境复杂的情况下，存在以下问题：

1)现有的管棚等超前预支护措施，由于直径、间距受限，施工工序复杂等原因，导致超前支护刚度增加的幅度有限；

2)矿山法隧道一般初期支护均采用型钢(格栅钢架)+喷射混凝土的形式，但由于型钢的布设间距不宜过小(否则钢架之间的空间无法喷射混凝土)，同时型钢的尺寸增加的空间有限，在隧道开挖后至施作二次衬砌的这段时间内，初期支护对于地层变形的控制能力有限；

3)采用分块开挖时，初期支护也需要分块施工，相邻初期支护由于施工时间上的差异，导致初期支护间变形后常常产生衔接困难，进而无法形成整体的拱形承载结构，达不到预期的刚度。

针对上述问题，目前一种为增加超前支护和初期支护刚度而施作的大直径钢管管幕法逐渐被推广应用。现有的工程案例中，一般在隧道开挖范围的上方采用顶管或盾构施工大直径钢管管幕，然后在钢管内采用冻结、注浆等辅助工法进行地层加固，或将钢管横向切开，焊接相邻钢管并浇筑钢筋混凝土形成类似护拱的支护结构保护下方的隧道开挖。但上述改进后的方法在应用时仍然存在以下问题：

1)施工的大直径管幕仍属于隧道的超前支护以及初期支护，其施工完成后仍需进行分块开挖及二次衬砌施作，对于工期影响较大；

2)改进后的管幕加固尽管支护刚度提升较大，但是在软土地层中开挖时，由于隧道顶部的荷载作用于管幕上，传递至管幕拱脚处时，不可避免产生应力集中，而软弱地层承载力通常较低，可能导致隧道支护结构整体下沉，进而导致地表沉降加大。

技术实现要素：

本发明的目的就是要解决上述背景技术中提到的现有技术的预支护结构用于隧道修建存在容易沉降、需分块施工拖延工期、需施作二次衬砌等问题，提供一种封闭的预支护隧道结构。

本发明的技术方案为：一种封闭的预支护隧道结构，其特征在于：包括围绕在待开挖隧道限界外侧的环形管幕结构；所述的管幕结构包括多根沿隧道轴线方向布设的钢管，多根钢管沿隧道的圆周方向间隔布置围绕在隧道限界外侧形成环形结构，相邻钢管之间焊接有两片沿隧道圆周方向布置的钢板；所述的相邻钢管之间的两片钢板沿隧道的径向方向平行间隔布置，两片钢板之间的空间通过开设于钢管侧壁上的安装槽与钢管内部空间连通，钢板与钢管形成围绕在隧道限界外侧的环状连通空腔；所述的连通空腔内浇筑有钢筋混凝土。

进一步的所述的相邻钢管之间的两片钢板之间设置有立柱；所述的立柱为沿隧道径向方向布设的用于支撑钢板的杆状结构，立柱的两端分别焊接在相邻的两块钢板上，立柱浇筑于混凝土内。

进一步的所述的相邻钢管之间的钢板沿隧道的轴向方向连续布置。

进一步的所述的连通空腔内穿设有多根沿隧道轴向方向间隔布置的环形钢筋；所述的环形钢筋沿隧道的圆周方向穿过安装槽布置于钢管和钢板之间，环形钢筋浇筑于混凝土内。

进一步的所述的钢管内径满足人员进入其内部切割、浇筑钢筋混凝土工作的空间要求。

一种封闭的预支护隧道结构施工方法，其特征在于：所述的施工方法包括以下步骤：

1)、在待开挖的隧道限界外侧，沿隧道轴向方向插打钢管，依顺序间隔施作钢管直至形成围绕在隧道限界外侧的环形结构；

2)、从钢管内部在钢管侧壁开设安装槽，在安装槽中插入两块钢板，将钢板的两端分别焊接在相邻的两根钢管上，两块钢板沿隧道径向间隔分布，钢板与钢管形成封闭的环形连通空腔；

3)、施工人员进入到钢管内部开挖相邻钢管之间的两块钢板之间的土体，在两块钢板之间施作内支撑；

4)、向连通空腔内浇筑混凝土，混凝土流入钢管内和钢板之间形成钢筋混凝土结构；

5)待混凝土养护完成后，完成隧道预支护结构的施工。

进一步的所述的步骤1中，钢管插打施工的顺序为：先插打施工隧道限界底部的钢管，再插打施工隧道限界两侧的钢管，最后插打施工隧道限界顶部的钢管。

进一步的所述的步骤2中，相邻钢管之间的钢板的施工方法为：先施工位于隧道限界下方钢管之间的钢板，其次施工隧道限界两侧钢管之间的钢板，最后施工隧道限界顶部钢管之间的钢板。

进一步的所述的步骤3中，在两块钢板之间施作内支撑的方法为：在两块钢板之间焊接立柱，将立柱的两端分别焊接在相邻的两根钢管之间的两块钢板上，使立柱在隧道径向方向上支撑钢板。

进一步的所述的步骤4中，向连通空腔内浇筑混凝土形成钢筋混凝土结构的方法为：在连通空腔内沿隧道的圆周方向架设环形钢筋，将钢筋焊接在钢管的内壁上，然后向连通空腔内浇筑混凝土，混凝土流入到钢管内和钢板之间与立柱和钢筋形成钢筋混凝土结构。

本发明的优点有：1、本专利可将大断面隧道开挖转化为小直径盾构开挖，可有效控制开挖初期的地层变形。

2、本专利隧道支护结构刚度较大，在形成的支护结构内部进行隧道开挖，可采用全断面开挖的方式，可明显提高隧道施工速度。

3、本专利下部的结构同上部结构形成了一个整体，则施工过程中作用在隧道结构上的荷载以及结构本身的自重可由下部的隧道支护结构范围内的全部土体承受，大大减小了应力集中的程度，可有效控制施工时隧道的整体沉降以及地表的沉降变形。

4、本专利由于支护结构形成了封闭的组合结构，在施工完成后可直接作为永久的衬砌主体结构，节省了施作二次衬砌的成本。

本发明的结构简单，施工方便，能够形成稳定的隧道开挖预支护，有利于隧道的快速开挖，且无需进行二次衬砌，降低了施工的成本，具有极大的推广价值。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明的结构放大示意图；

其中：1—钢管；2—钢板；3—立柱；4—钢筋；5—混凝土；6—连通空腔；7—安装槽；a—隧道限界。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1～2，一种封闭的预支护隧道结构，包括围绕在待开挖隧道限界(如图1中所示的a，为隧道的建筑限界)外侧的环形管幕结构，本实施例的管幕结构为环状拱形结构，具有良好的稳定性，沉降小，特别是位于隧道限界下方的部位，由于环形管幕具有底部支撑，管幕结构上方和两侧的压力可传递到管幕结构的底部进行消散，相当于在现有技术上增大了受力面积，降低了压强。

如图1～2所示，本实施例的管幕结构包括多根沿隧道轴线方向布设的钢管1，钢管1的施工可以使用盾构法或是顶进法进行，多根钢管1沿隧道的圆周方向间隔布置围绕在隧道限界外侧形成环形结构，相邻钢管1之间通过钢板2连接形成封闭的环形预支护结构。本实施例的钢管1内径满足人员进入其内部切割、浇筑钢筋混凝土工作的空间要求。

相邻钢管1之间设置有两片钢板2，两片钢板2沿隧道的径向方向平行间隔布置，钢板2本身沿隧道的圆周方向布设，钢板2的两端分别焊接在相邻的两根钢管1外壁。本实施例的钢板2安装是先从钢管1的内部进行开槽，通过切割的方式在钢管1的侧壁开设安装槽7，然后将钢板2的两端分别焊接在安装槽7沿隧道径向方向的两侧管壁上，通过钢板2连接将所有的钢管1连接成为整体结构，两块钢板2之间的空间与钢管1内部空间连通形成环形的连通空腔6。

本实施例在钢板2之间设置有立柱3，立柱3为沿隧道径向方向布设的用于支撑钢板2的杆状结构，立柱3的两端分别焊接在相邻的两块钢板2上。通过立柱3支撑钢板2，能够增强钢板2在沿隧道径向方向的受压强度，避免了在压力过大的情况下，两块钢板2被挤坏。

本实施例在相邻钢管1之间设置连续的钢板2，钢板2沿隧道的轴向方向连续布置，因此，本实施例的管幕结构在隧道轴向方向上只有一个连通空腔6，通过在连通空腔6内灌注混凝土5形成围绕在隧道限界外侧的钢筋混凝土管幕结构。

另外，连通空腔6内穿设有多根沿隧道轴向方向间隔布置的环形钢筋4，环形钢筋4沿隧道的圆周方向穿过所有的钢管1将其连接为整体结构。环形钢筋4通过安装槽7穿过所有的钢管1和相邻钢管1之间的两块钢板2之间，环形钢筋4浇筑在混凝土5内形成钢筋混凝土结构，这样的设置能够增强整个管幕结构的强度。立柱3也浇筑在混凝土5内。

本实施例的钢板2沿隧道的轴向方向贯穿整个施工区域，也可以沿隧道的轴向间隔布置多块钢板2，钢板2间隔布置，实际上，连续满铺钢板2的结构稳定性更好。

本实施例通过在连通空腔6内浇筑混凝土5形成钢筋混凝土结构，有利于对整个隧道施工的保护，避免了二次衬砌的进行，极大程度的节省了成本。

本实施例的管幕结构施工方法包括以下步骤：

1、在待开挖的隧道限界外侧，沿隧道轴向方向插打钢管1，先插打施工隧道限界底部的钢管1，再插打施工隧道限界两侧的钢管1，最后插打施工隧道限界顶部的钢管1，依该顺序间隔施作钢管1直至形成围绕在隧道限界外侧的环形结构，

2、从钢管1内部在钢管1侧壁开设安装槽7，在安装槽7中插入两块钢板2，先施工位于隧道限界下方钢管1之间的钢板2，其次施工隧道限界两侧钢管1之间的钢板2，最后施工隧道限界顶部钢管1之间的钢板2，按照该顺序依次施工钢板2，将钢板2的两端分别焊接在相邻的两根钢管1上，两块钢板2沿隧道径向间隔分布，钢板2与钢管1形成封闭的环形连通空腔6，

3、施工人员进入到钢管1内，开挖相邻钢管1之间的两块钢板2之间的土体，在两块钢板2之间焊接立柱3，使立柱3沿隧道的径向方向支撑钢板2，

4、在连通空腔6内沿隧道的圆周方向架设环形钢筋4，将钢筋4焊接在钢管1的内壁上，

5、向连通空腔6内浇筑混凝土，混凝土流入钢管1内和钢板2之间与钢筋4、立柱3形成钢筋混凝土结构，

6待混凝土养护完成后，完成隧道预支护结构的施工。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。