基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架及连接方法与流程

本发明属于隧道工程支护技术领域，具体涉及一种基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架及连接方法。

背景技术

随着我国交通、能源、水利等隧道工程建设规模的不断增大，隧道工程穿越高地应力软岩地段时常遇到大变形问题。其特有的“膨胀性”、“挤压性”、“松动性”而使隧道缩径，围岩地应力大、变形速度快、收敛稳定时间长，甚至无法收敛，变形量大，采用普通支护时，支护结构承受极大的围岩压力而导致破坏，大变形隧道在施工过程中经常发生喷射混凝土掉块、钢架扭曲、锚杆拉断、初支侵限等各种问题。

针对此种难题，支护常用治理思路为“刚性支护”，采用刚性较强的支护结构，加大锚杆、钢架、喷射混凝土等初期支护及二衬参数，通过初支和二衬足够的刚度和强度来抵抗软弱围岩变形。这样一味地加强支护结构，一方面在拟制围岩变形的同时，也导致支护结构承受极大的围岩压力，容易引起喷射混凝土掉块、钢架扭曲、锚杆拉断、初支侵限、衬砌开裂等各种问题，另一方面也引起投资费用增加较多。

另外一种治理思路为“刚柔并济”，即钢架与喷锚网联合支护结构中，采用可伸缩钢架和让压锚杆（索）等优化支护结构。其中，采用钢架接头能滑移的可缩式钢架，支护断面随围岩变形而缩小，允许围岩有较大的变形并随之释放地应力，从而达到减小围岩荷载目的。可伸缩钢架如钢管钢架、u型钢架等均有应用，钢架受力后沿隧道环向压缩变形。传统的可伸缩钢架的钢拱架采用钢管、u型钢需要定制，其可缩接头卡环通过螺栓紧固提供滑动抗力，开始滑动抗力与卡环扭矩有关，卡环扭矩工艺控制要求高，且开始滑动后，卡环可能松动，滑动抗力不稳定，钢架提供的抗力难以定量，不能有效控制让变时机。

因此，根据围岩大变形特征合理控制围岩早期变形，让围岩压力适当释放，减少作用在结构上的荷载，这一隧道大变形治理思路得到认同，但是传统的可缩式钢架施工效果难以保证。急需一种简单易制、可以控制让压时机的可缩式钢架，可及时提供一定的支护抗力，使围岩不至发生松散或产生松动圈，同时又允许基岩的塑性变形有一定发展，以充分发挥围岩的自承作用。

技术实现要素：

针对上述现有可伸缩钢架技术的局限性，本发明提供一种基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架及连接方法，本发明的基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架接头简单、安装方便，可有效控制钢架的让压时机及让压量。

本发明具体技术方案如下：

一种基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架，包括可缩钢架单元、普通钢架单元、可缩接头和普通接头，所述可缩钢架单元的滑动端通过可缩接头与普通钢架单元连接，可缩钢架单元能够在可缩接头内缩进，普通钢架单元均采用普通接头连接；

所述可缩接头由l型支座、恒阻板、防护罩、滑动孔、恒阻滑动孔、高强螺栓、螺母、上垫板、下垫板、连接螺栓、螺栓孔一和连接角钢构成，l型支座上开设滑动孔，恒阻板上开设恒阻滑动孔，恒阻滑动孔与滑动孔对齐后将恒阻板固定在l型支座上，可缩钢架单元滑动端上开设螺栓孔二，通过高强螺栓和螺母把l型支座和可缩钢架单元连接在一起，l型支座底边与上垫板固定，防护罩下部与上垫板固定，并将l型支座罩起来；普通钢架单元与下垫板、连接角钢固定，通过上垫板和下垫板上开设的螺栓孔一采用连接螺栓连接。

进一步优选的：所述的可缩钢架单元、普通钢架单元可采用c型钢架、h型钢架等。

进一步优选的：普通接头为采用钢板、角钢和螺栓连接的钢架接头构造形式。

进一步优选的：所述的恒阻板采用高脆性低韧性钢板。

进一步优选的：恒阻板上的恒阻滑动孔边缘设置阻滑锯齿，锯齿形状、大小、间距可以有多种组合，以实现不同的恒定抗力。通过局部加大恒阻滑动孔锯齿尺寸、减小锯齿间距等方式可以实现两级或多级恒阻。

本发明还提供基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架的连接方法，包括如下具体操作步骤：

（1）、接头预制：加工可缩接头的各个组成构件，l型支座上的滑动孔、恒阻板上的恒阻滑动孔应进行精密机械加工，对恒阻滑动孔提供的恒阻值应进行剪损试验测定，根据试验数据确定阻滑锯齿的形状、尺寸和间距；

（2）、可缩钢架单元与可缩接头拼装：在洞外进行拼装，可缩钢架单元上开设螺栓孔二，并进行可缩钢架单元和l型支座的试拼装，检验两者能够连接紧密且高强螺栓滑动顺畅，恒阻滑动孔与滑动孔对齐后将恒阻板焊接在l型支座上，l型支座置于可缩钢架单元腹板两侧，通过高强螺栓连接，高强螺栓置于恒阻滑动孔顶端，上垫板焊接在l型支座底面，最后防护罩下部与上垫板焊接，并将l型支座完全罩起来；

（3）、普通钢架单元与可缩接头拼装：普通钢架单元与下垫板、连接角钢按常规钢架接头做法焊接在一起；

（4）、在隧道开挖完成并初喷混凝土后，将拼装完成的可缩钢架单元、普通钢架单元在洞内拼装形成完整的钢架。

本发明的技术构思为：一种基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架，通过可缩钢架单元滑动端在可缩接头上滑动实现钢架让压，可缩钢架单元受力后带动高强螺栓在可缩接头的l型支座上的滑动孔内滑动，高强螺栓滑动过程中需要剪损恒阻滑动孔上的锯齿，锯齿提供一定的滑动抗力，锯齿的形状、尺寸和间距控制滑动抗力大小，达到本发明可缩式钢架“边支边让”的目的。

本发明的有益效果为：

1、可缩式钢架接头工作时提供的抗力大小可根据围岩情况设计，让压时机和让压量可控。可缩接头连接钢架单元牢固，且具备一定抗弯和抗剪能力。滑动组件采用防护罩保护，极大避免了喷射混凝土对接头的影响。

2、适用的范围广，充分利用了钢材力学性能，型钢、钢板、螺栓等均为施工现场常见材料，加工方便，简单易用。

3、可缩式钢架接头的各组件拆装方便、不增加施工工序，可缩式钢架接头在构件厂进行焊接及开槽孔，隧道内拼装，施工简便，易于推广。

附图说明

图1为本发明的构造示意图。

图2为本发明图1中可缩接头结构示意图。

图3为本发明图2中剖面侧视图。

图4为本发明图2中俯视图。

图5为本发明图2中立体图。

图6为本发明的可缩接头连接时各组件布置示意图。

图7为本发明的可缩接头组装后各组件布置示意图。

图8为恒阻滑动孔9的一种形状示意图。

图9为恒阻滑动孔9的另一种形状示意图。

图中各标号为：1-可缩钢架单元、2-普通钢架单元、3-可缩接头、4-普通接头、5-l型支座、6-恒阻板、7-防护罩、8-滑动孔、9-恒阻滑动孔、10-高强螺栓、11-螺母、12-上垫板、13-下垫板、14-连接螺栓、15-螺栓孔一、16-连接角钢、17-螺栓孔二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示为一种基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架接头的布置示意，包括可缩钢架单元1、普通钢架单元2、可缩接头3、普通接头4。一般每榀钢架布置二个可缩接头，按隧道断面中线对称布置。普通接头4为采用钢板、角钢和螺栓连接的传统钢架接头。

如图2-5所示，可缩接头3由l型支座5、恒阻板6、防护罩7、滑动孔8、恒阻滑动孔9、高强螺栓10、螺母11、上垫板12、下垫板13、连接螺栓14、螺栓孔一15和连接角钢16构成。l型支座5上开设滑动孔8，恒阻板6上开设恒阻滑动孔9，恒阻滑动孔9与滑动孔8对齐后将恒阻板6焊接在l型支座5上，可缩钢架单元1滑动端上开设第二螺栓孔17，通过高强螺栓10和螺母11把l型支座5和可缩钢架单元1连接在一起，l型支座5底边与上垫板12固定，防护罩7下部与上垫板12固定，并将l型支座5罩起来；普通钢架单元2与下垫板13、连接角钢16固定，通过上垫板12和下垫板13上开设的螺栓孔一15采用连接螺栓14连接。

一种基于恒阻滑动孔剪损的多级让压可缩式钢架的连接方法，如图6-7所示，其具体步骤为：

1、接头预制：加工可缩式钢架接头的各个组成构件，l型支座5上的滑动孔8、恒阻板6上的恒阻滑动孔9应进行精密机械加工，对恒阻滑动孔9提供的恒阻值应进行剪损试验测定，根据试验数据确定阻滑锯齿的形状、尺寸、间距等。

2、可缩钢架单元1与可缩接头拼装：在洞外进行拼装，可缩钢架单元1上开设螺栓孔二17，并进行可缩钢架单元1和l型支座5的试拼装，检验两者能够连接紧密且高强螺栓10滑动顺畅。恒阻滑动孔9与滑动孔8对齐后将恒阻板6焊接在l型支座5上，l型支座5置于可缩钢架单元1腹板两侧，通过高强螺栓10连接，高强螺栓10置于恒阻滑动孔9顶端。上垫板12焊接在l型支座5底面，最后防护罩7下部与上垫板12焊接，并将l型支座5完全罩起来。

3、普通钢架单元2与可缩接头拼装：普通钢架单元2与下垫板13、连接角钢16按常规钢架接头做法焊接在一起。

4、在隧道开挖完成并初喷混凝土后，将拼装完成的可缩钢架单元1、普通钢架单元2在洞内拼装形成完整的钢架。

可缩式钢架架立要求：初喷混凝土厚度不小于40cm，钢架之间应设置直径为20~22mm的纵向连接钢筋，沿钢架环向每1~2m/根。钢架与初喷混凝土间采用混凝土垫块楔紧，保证围岩压力通过垫块传到钢架上。

如图8-9所示，恒阻板6上的恒阻滑动孔9边缘设置阻滑锯齿，锯齿形状、大小、间距可以有多种组合，以实现不同的恒定抗力。通过局部改变恒阻滑动孔9下端锯齿形状、减小锯齿间距等方式可以实现两级或多级恒阻。

每榀钢架可缩接头一般设二个，对称布置，隧道断面较大时可增加。每个可缩接头最大可缩量不宜超过100mm，可缩接头的滑动抗力一般按钢架可能承受最大轴力的50%进行设计，可以在试验段进行测定，根据施工效果进行调整。

接头的让压时机和让压量可控，接头的阻力可以根据需要设计，并可在现场灵活调整，特别适用围岩岩性和压力变化大的地层。例如现场监控量测数据分析接头需提供的总阻力为r，试验测定单个恒阻滑动孔提供的阻力值为r0，钢架单元上的开设滑动孔数为n≥r/r0。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。