一种防屈曲装配式隧道组合结构支护系统及其施工方法与流程

本发明属于隧道支护结构技术领域，尤其涉及一种防屈曲装配式隧道组合结构支护系统及其施工方法。

背景技术：

目前，不少黄土隧道在建设过程中都出现了拱架扭曲破坏，喷射混凝土开裂的情况，导致硐室变形侵界，甚至出现塌方等工程灾害。黄土隧道现阶段常用的初期支护结构形式为型钢拱架和喷射混凝土，然而结构失稳问题常有发生，轻则局部屈曲，重则整体屈曲，成“麻花状”。尤其针对存在纵向偏压条件的隧道，拱架常会出现面外失稳的现象，导致结构发生屈曲破坏，这是由于型钢拱架的强弱轴存在较大差异的抗弯刚度造成的。因此，加强隧道结构的防屈曲设计对于抵御失稳破坏尤为重要。

另外，目前国内隧道施工过程中机械化、装配化程度依然欠缺，不仅施工人员工作强度大，洞内作业环境条件也存在粉尘大、能见度低的情况，尤其是在喷射混凝土作业期间，不仅威胁了施工人员的健康，也无法保证支护结构的施工精度。不仅如此，考虑喷射混凝土回弹因素，初期支护最终形成有效强度所需时间较长，很难适应较差地质条件。因此，推进隧道装配化混凝土衬砌势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种防屈曲装配式隧道组合结构支护系统及其施工方法，解决了拱架结构发生屈曲破坏的问题，同时采用预制拼装衬砌，提升了隧道施工效率和施工精度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种防屈曲装配式隧道组合结构支护系统，包括若干个紧密排列的防屈曲组合拱架，防屈曲组合拱架包括翼板、核心管、加固角板和固定螺栓；核心管安装在翼板内侧，加固角板和固定螺栓都设置在核心管两侧；

在核心管内灌注有管内混凝土，在相邻的防屈曲组合拱架之间安装有预制混凝土衬砌；

预制混凝土衬砌包括四部分衬砌：拱顶衬砌、拱肩衬砌、拱脚衬砌和拱底衬砌，四部分衬砌上均开有角板安装缝，端部均预留有螺栓孔；

螺栓孔的位置与固定螺栓的位置相适应，角板安装缝的位置与加固角板的位置相适应；

防屈曲组合拱架上开有注浆孔。

进一步，在纵向上，相邻的翼板之间留有安装间隙，在四部分衬砌的外缘面上预设有拱架间凸起，拱架间凸起用于填充相邻防屈曲组合拱架的间隙。

进一步，每个防屈曲组合拱架沿环向分为拱顶支架、拱肩支架、拱脚支架和拱底支架；

拱顶支架和拱底支架相对设置，拱肩支架对称设置于拱顶支架两端，拱脚支架对称设置于拱底支架两端，拱顶支架与拱肩支架、拱肩支架与拱脚支架及拱脚支架与拱底支架均采用承插式连接。

进一步，拱顶衬砌的两端均位于相邻的拱顶支架之间，拱肩衬砌上端位于相邻的拱顶支架之间，下端位于相邻的拱肩支架之间，拱脚衬砌的上端位于相邻的拱肩支架之间，下端位于相邻的拱脚支架之间，拱底衬砌的两端均位于相邻的拱脚支架之间。

进一步，拱顶支架包括拱顶翼板和拱顶核心管，拱顶核心管固定在拱顶翼板内侧；在拱顶翼板上设有若干个加固角板和两组固定螺栓，加固角板和固定螺栓对称设置于拱顶核心管两侧；

拱肩支架包括拱腰翼板和拱腰核心管，拱腰核心管固定在拱腰翼板内侧；在拱腰翼板上设有若干个加固角板和一组固定螺栓，加固角板和固定螺栓对称设置于拱腰核心管两侧；

拱脚支架包括拱脚翼板和拱脚核心管，拱脚核心管固定在拱脚翼板内侧；在拱脚翼板上设有若干个加固角板和一组固定螺栓，加固角板和固定螺栓对称设置于拱脚核心管两侧；

拱底支架包括拱底翼板和拱底核心管，拱底核心管固定在拱底翼板内侧，拱底翼板上设有若干个加固角板，加固角板对称设置于拱底核心管两侧。

进一步，拱顶核心管与拱腰核心管、拱腰核心管与拱脚核心管及拱脚核心管与拱底核心管均通过管承口和管插口环向连接。

进一步，拱顶核心管两端采用管承口；拱腰核心管和拱脚核心管一端采用管承口，另一端采用管插口；拱底核心管两端采用管插口。

进一步，注浆孔预设在拱脚核心管上；在拱顶翼板上预设有排气孔。

本发明还公开了所述防屈曲装配式隧道组合结构支护系统的施工方法，包括以下步骤：

1)土体开挖完成后，在掘进方向上将多个防屈曲组合拱架紧密排列并安装于硐室内；

2)通过注浆孔进行注浆，完成管内混凝土的浇筑；

3)在每两个相邻的防屈曲组合拱架之间安装预制混凝土衬砌，具体为：

3.1安装拱底衬砌：将拱底衬砌的螺栓孔与相邻2榀拱脚支架的固定螺栓对准，同时将角板安装缝与加固角板对齐后进行安装，完成拱底衬砌的安装；

3.2安装拱脚衬砌：将拱脚衬砌下部的螺栓孔与相邻2榀拱脚支架的固定螺栓对准，将拱脚衬砌上部的螺栓孔与相邻2榀拱肩支架的固定螺栓对准，同时将角板安装缝与加固角板对齐后进行安装，完成拱脚衬砌的安装；

3.3安装拱肩衬砌：将拱肩衬砌下部的螺栓孔与相邻2榀拱肩支架的固定螺栓对准，将拱肩衬砌上部的螺栓孔与相邻2榀拱顶支架的固定螺栓对准，同时将角板安装缝与加固角板对齐后进行安装，完成拱肩衬砌的安装；

3.4安装拱顶衬砌：对衬砌接缝和拱架间凸起表面进行防水处理，然后将螺栓孔与相邻2榀拱顶支架的固定螺栓对准，同时将角板安装缝与加固角板对齐后进行安装，完成拱顶衬砌的安装。

进一步，每个防屈曲组合拱架沿环向分为拱顶支架、拱肩支架、拱脚支架和拱底支架；

步骤1)中，防屈曲组合拱架的安装步骤具体为：

1.1首先在硐室顶部安装拱顶支架，完成拱顶支架的安装；

1.2然后在拱顶支架两端分别连接一个拱肩支架，完成拱肩支架的安装；

1.3在每个拱肩支架的下端连接一个拱脚支架，完成拱脚支架的安装；

1.4在两拱脚支架之间连接拱底支架，完成拱底支架的安装；

1.5重复步骤1.1～1.4，完成下一个防屈曲组合拱架。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种防屈曲装配式隧道组合结构支护系统，包括防屈曲组合拱架、管内混凝土和预制混凝土衬砌三部分；防屈曲组合拱架作为第一步支护结构，利用具有较大的覆盖面积的两侧翼板紧贴围岩，并通过加固角板的成肋作用，增加翼板的局部稳定性，增强承载能力，防止翼板出现“波浪式”、“对折式”屈服变形。相比于之前的拱架结构，防屈曲设计可以有效减小翼板的局部屈曲，保护开挖空间不损失；防屈曲组合拱架包括翼板、核心管、加固角板和固定螺栓，向核心管内部灌注管内混凝土，使防屈曲组合拱架和管内混凝土形成组合支护结构，进一步增强支护能力；采用预制混凝土衬砌填充拱架间的空间，与防屈曲组合拱架和管内混凝土组成完整的初期支护结构。相比于之前的模筑混凝土，本发明采用预制混凝土衬砌，在相邻2榀防屈曲组合拱架安装完毕后即可进行预制混凝土衬砌的安装，由于采用工厂预制，因此预制混凝土衬砌的制作精度和安装速度均能得到保证与提升，同时改善隧道内作业环境；在预制混凝土衬砌上开有角板安装缝和螺栓孔，对应的在防屈曲组合拱架上设置加固角板和螺栓，加固角板可以卡入角板安装缝内，螺栓正好插入螺栓孔内，通过改进后，组合拱架和预制混凝土衬砌连接强度更高，有效解决了预制衬砌分块拼装问题。安装防屈曲拱架、灌注管内混凝土和拼装预制衬砌是一个形成完整支护系统的过程，也是支护能力不断增强的过程。根据施工现场动态监测，灌注管内混凝土和拼装预制衬砌的工序可灵活调整，对于地质条件较差地段，可先完成衬砌拼装后再多榀拱架集中灌注管内混凝土。

进一步，在现场施工时，在纵向上很难保证相邻防屈曲组合拱架的翼板紧连在一起，因此设计相邻拱架翼板保留安装间隙，对应地需要在预制混凝土衬砌上预留拱架间凸起，拱架间凸起是为了填补拱架间隙。

进一步，大断面黄土隧道常用台阶法施工以减小开挖断面保证施工安全，将组合结构拱架沿环向分为拱顶支架、拱腰支架、拱脚支架和拱底支架四部分，采用分部连接，拱架分段后能够匹配隧道的施工方法，同时，分段也方便了拱架运输进洞。

进一步，防屈曲组合拱架与预制混凝土衬砌采取错缝拼装的方式，拱架连接缝与衬砌连接缝不在同一位置，主要是考虑到薄弱面错开，受力更好，并兼顾隧道防水要求。

进一步，各支架之间通过管承口和管插口完成连接，不需要额外的螺栓螺母进行连接，安装更简便，实现支架间的环向连接，保证整个支护系统结构连接的紧密性。

进一步，将注浆孔预设在拱脚核心管上，从下至上灌注混凝土，通过浆液自重作用达到密实，防止脱空；在拱顶核心管上预制有排气孔，在注浆作业时能够排出核心管内多余空气及浮渣，保证注浆作业质量。

本发明公开的防屈曲装配式隧道组合结构支护系统的施工方法，首先安装防屈曲组合拱架，防屈曲组合拱架架设后，就能立即封闭暴露围岩，提供支护反力，且防止翼板发生局部屈服变形，保护衬砌安装净空，可以做到快速推进掌子面和快速成环；然后向核心管内灌注混凝土，形成的钢管混凝土骨架结构，将进一步快速提高拱架的支护强度，这种主动的补强能够更好的适应黄土隧道围岩压力渐变增长的特点，保证结构安全与支护储备；最后每两个相邻的防屈曲组合拱架之间安装预制混凝土衬砌，由于已拱架成环，具备支撑能力，考虑到衬砌重量大，先落底施工更安全。另外由于预制混凝土衬砌采用工厂预制，简化工序流程，加快施工进度，因此预制混凝土衬砌的制作精度和安装速度均能得到保证与提升，同时改善隧道内作业环境。

附图说明

图1为本发明的防屈曲装配式隧道组合结构支护系统结构示意图；

图2为防屈曲组合拱架结构示意图；

图3为预制混凝土衬砌结构示意图；

图4为衬砌拱架拼装图；

图5为拱顶支架示意图；

图6为拱肩支架示意图；

图7为拱脚支架示意图；

图8为拱底支架示意图；

图9为拱顶衬砌示意图；

图10为拱肩衬砌示意图；

图11为拱脚衬砌示意图；

图12为拱底衬砌示意图。

其中，1为防屈曲组合拱架，1-1为拱顶支架，1-2为拱肩支架，1-3为拱脚支架，1-4为拱底支架，2-1为管内混凝土，2-2为预制混凝土衬砌，2-2-1为拱顶衬砌，2-2-2为拱肩衬砌，2-2-3为拱脚衬砌，2-2-4为拱底衬砌，3为翼板，3-1为拱顶翼板，3-2为拱肩翼板，3-3为拱脚翼板，3-4为拱底翼板，4为核心管，4-1为拱顶核心管，4-2为拱肩核心管，4-3为拱脚核心管，4-4为拱底核心管，5为加固角板，6为管承口，7为管插口，8为固定螺栓，9为螺栓孔，10为角板安装缝，11为排气孔，12为注浆孔，13为衬砌接缝，14为拱架间凸起。

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，本发明的一种防屈曲装配式隧道组合结构支护系统，包括防屈曲组合拱架1、管内混凝土2-1和预制混凝土衬砌2-2三部分。防屈曲组合拱架1包括翼板3、核心管4、加固角板5和固定螺栓8；核心管4安装在翼板3内侧，加固角板5和固定螺栓8都设置在核心管4两侧；在核心管4内灌注有管内混凝土2-1，在相邻的防屈曲组合拱架1之间安装有预制混凝土衬砌2-2。

防屈曲组合拱架1作为拱架承载部。采用防屈曲组合拱架立即封闭开挖空间，形成支护体系的首层支护结构，承载开挖产生的围岩荷载，增强翼板的局部抗屈曲变形能力，保护衬砌安装净空。

向核心管4内部灌注管内混凝土2-1，使防屈曲组合拱架1和管内混凝土2-1形成组合支护结构，进一步增强支护能力。核心管内灌注混凝土形成的钢管混凝土骨架结构，将进一步快速提高拱架的支护强度，这种主动的补强能够更好的适应黄土隧道围岩压力渐变增长的特点，保证结构安全与支护储备。

采用预制混凝土衬砌2-2填充拱架间的空间，与防屈曲组合拱架1和管内混凝土2-1组成完整的初期支护结构。

如图2所示，防屈曲组合拱架1分为拱顶支架1-1、拱肩支架1-2、拱脚支架1-3和拱底支架1-4，相邻支架间采用承插连接。相邻拱架的接缝处需在安全前进行防水处理，以确保隧道内无渗漏水。

具体地，拱顶支架1-1和拱底支架1-4相对设置，拱腰支架1-2对称设置于拱顶支架1-1两端，拱脚支架1-3对称设置于拱底支架1-4两端，拱腰支架1-2一端与拱顶支架1-1连接，另一端与拱脚支架1-3的一端连接，拱脚支架1-3的另一端与拱底支架1-4连接；拱顶支架1-1、拱腰支架1-2、拱脚支架1-3和拱底支架1-4的环向连接均通过管承口6和管插口7承插连接。

如图3所示，预制混凝土衬砌2-2分为拱顶衬砌2-2-1、拱肩衬砌2-2-2、拱脚衬砌2-2-3和拱底衬砌2-2-4，各部分衬砌上均开有角板安装缝10，端部均预留有螺栓孔9，外缘面上设有拱架间凸起14。

拱顶衬砌2-2-1、拱肩衬砌2-2-2、拱脚衬砌2-2-3和拱底衬砌2-2-4连接均通过固定螺栓8和螺栓孔9与相应拱架连接，其中衬砌接缝13及拱架间凸起14在安装前均需要对其表面进行防水处理。

如图4所示，防屈曲组合拱架1与预制混凝土衬砌2-2采取错缝拼装的方式。拱顶衬砌2-2-1的两端均位于相邻的拱顶支架1-1之间，拱肩衬砌2-2-2上端位于相邻的拱顶支架1-1之间，下端位于相邻的拱肩支架1-2之间，拱脚衬砌2-2-3的上端位于相邻的拱肩支架1-2之间，下端位于相邻的拱脚支架1-3之间，拱底衬砌2-2-4的两端均位于相邻的拱脚支架1-3之间。

如图5所示，拱顶支架1-1包括拱顶翼板3-1、拱顶核心管4-1、加固角板5和固定螺栓8，拱顶核心管4-1固定在拱顶翼板3-1内侧，加固角板5和固定螺栓8都设置在拱顶核心管4-1两侧，拱顶支架1-1的环向连接部均为管承口6。拱顶支架1-1顶部有预制的排气孔11，在注浆作业时排出核心管内多余空气及浮渣，保证注浆作业质量。

如图6所示，拱肩支架1-2包括拱肩翼板3-2、，拱肩核心管4-2、加固角板5和固定螺栓8，拱肩核心管4-2固定在拱肩翼板3-2内侧，加固角板5和固定螺栓8都设置在拱肩核心管4-2两侧，其中拱肩核心管4-2环向连接上部为管插口7，下部为管承口6。

如图7所示，拱脚支架1-3包括拱脚翼板3-3、拱脚核心管4-3、加固角板5和固定螺栓8，拱脚核心管4-3固定在拱脚翼板3-3内侧，加固角板5和固定螺栓8都设置在拱脚核心管4-3两侧，其中拱脚核心管4-3环向连接上部为管插口7，下部为管承口6。拱脚核心管4-3侧面部有预制的注浆孔12，封闭成环后通过注浆孔12进行注浆作业，完成管内混凝土2-1浇筑。

如图8所示，拱底支架1-4包括拱底翼板3-4、拱底核心管4-4和加固角板5，拱底核心管4-4固定在拱底翼板3-4内侧，加固角板5和固定螺栓8都设置在拱底核心管4-4两侧，拱底核心管4-4的环向连接部均为管插口7，由于采用错缝拼装，因此拱底支架1-4上无固定螺栓8。

防屈曲组合拱架1可减少拱架失稳破坏的风险，尤其可有效提高翼板抗屈曲能力，立架后能封闭暴露围岩，在接触面内立即提供较大的支护强度，使其处于三向受力的有利环境，保护围岩自承能力。依据“强初支”支护理念，通过匹配防屈曲拱架上设置安装构件，采用装配安装方式形成初期混凝土衬砌。相比于现有支护系统，初期支护的刚度和强度得到加强，且由于减少了混凝土养护时间，配装后就能立即发挥支护作用，对于减少围岩塑性区扩展和松动荷载的产生起到了积极作用，从整体设计角度来看，可缩减二衬厚度，降低工程造价。

如图9所示，拱顶衬砌2-2-1表面预制有螺栓孔9、角板安装缝10和拱架间凸起14，其中螺栓孔9与拱肩衬砌2-2-2上的螺栓孔位置相连接，角板安装缝10与拱顶支架的加固角板5位置相同，加固角板5能够卡入角板安装缝10。

如图10所示，拱肩衬砌2-2-2表面预制有螺栓孔9、角板安装缝10和拱架间凸起14，其中上部的螺栓孔9与拱顶衬砌2-2-1的螺栓孔9相连接，下部的螺栓孔9与拱脚衬砌2-2-3的螺栓孔9相连接，角板安装缝10与拱肩支架1-2的加固角板5位置相同。

如图11所示，拱脚衬砌2-2-3表面预制有螺栓孔9、角板安装缝10和拱架间凸起14，其中上部的螺栓孔9与拱肩衬砌2-2-2的螺栓孔9相连接，下部的螺栓孔9与拱底衬砌2-2-4的螺栓孔9相连接，角板安装缝10与拱脚支架1-3的加固角板5位置相同。

如图12所示，拱底衬砌2-2-4表面预制有螺栓孔9、角板安装缝10和拱架间凸起14，其中螺栓孔9与拱脚衬砌2-2-3的螺栓孔9相连接，角板安装缝10与拱底支架1-4的加固角板5位置相同。

本发明的防屈曲装配式隧道组合结构支护系统的施工工艺具体为：

1)土体开挖完成后，首先在硐室顶上安装一个拱顶支架1-1，完成拱顶支架1-1的安装。

2)分别对每个拱顶支架1-1两端接缝进行防水处理，然后分别连接一个拱肩支架1-2，在环向上将拱顶支架1-1的管承口6与拱肩支架1-2的管插口7对齐固定连接，完成拱肩支架1-2的安装。

3)分别对每个拱肩支架1-2的下部接缝进行防水处理后，在每个拱肩支架1-2的下端连接一个拱脚支架1-3，在环向上将拱肩支架1-2的管承口6与拱脚支架1-3的管插口7对齐固定连接，完成拱脚支架1-3的安装。

4)分别对每个拱脚支架1-3的下部接缝进行防水处理后，在两拱脚支架1-3之间连接拱底支架1-4，在环向上将拱底支架1-4的管插口7与拱脚支架1-3的管承口7对齐固定连接，完成拱底支架1-4的安装。

5)防屈曲组合拱架封闭成环后，从注浆孔12进行注浆作业，直至排气孔11中无空气及浮渣溢出，完成管内混凝土2-1的浇筑。

6)完成相邻2榀的防屈曲组合拱架1和管内混凝土2-1作业后，进行拱架间预制混凝土衬砌2-2拼装作业，使其与防屈曲组合拱架1及管内混凝土2-1共同形成组合结构支护系统。

7)安装拱底衬砌2-2-4，对衬砌接缝13和拱架间凸起14表面进行防水处理，然后将螺栓孔9与相邻2榀拱脚支架1-3的固定螺栓8对准，同时将角板安装缝10与加固角板5对齐后进行安装，完成拱底衬砌2-2-4的安装。

8)安装拱脚衬砌2-2-3，对衬砌接缝13和拱架间凸起14表面进行防水处理，然后将下部的螺栓孔9与相邻2榀拱脚支架1-3的固定螺栓8对准，将上部的螺栓孔9与相邻2榀拱肩支架1-2的固定螺栓8对准，同时将角板安装缝10与加固角板5对齐后进行安装，完成拱脚衬砌2-2-3的安装。

9)安装拱肩衬砌2-2-2，对衬砌接缝13和拱架间凸起14表面进行防水处理，然后将下部的螺栓孔9与相邻2榀拱肩支架1-2的固定螺栓8对准，将上部的螺栓孔9与相邻2榀拱顶支架1-1的固定螺栓8对准，同时将角板安装缝10与加固角板5对齐后进行安装，完成拱肩衬砌2-2-2的安装。

10)安装拱顶衬砌2-2-1，对衬砌接缝13和拱架间凸起14表面进行防水处理，然后将螺栓孔9与相邻2榀拱顶支架1-1的固定螺栓8对准，同时将角板安装缝10与加固角板5对齐后进行安装，完成拱顶衬砌2-2-1的安装。

11)完成预制混凝土衬砌2-2的安装后，可根据工程具体需要进行二次衬砌施工。

为了解决了现存黄土隧道拱架易扭曲失稳、喷射混凝土支护强度不足、施工环境粉尘大、施工效率不高的问题，本发明提出了隧道防屈曲装配式组合支护结构，通过防屈曲设计改善拱架的稳定性，防止翼板出现“波浪式”、“对折式”屈服变形。通过采用装配式混凝土衬砌，改善了混凝土养护过程而缺失的支护承载能力，形成适应隧道开挖工法的节段拼装方案。防屈曲装配式组合支护结构更好的强化了隧道的初期支护，能够更快速地提供支护反力，具有更稳定的承载结构和更快捷的配装施工。