基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构的制作方法

本实用新型属于隧道工程支护技术领域，具体是一种基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，是对现有隧道初期支护结构受力模式整体改变，适用于隧道工程初期支护大变形灾害的控制。

背景技术：

为解决我国东西部地区发展不平衡、不充分的问题，交通、水利等基础设施建设逐渐向西部倾斜，西部地区以山高谷深的地形为主，地势起伏大，导致中西部地区交通隧道及水工隧道等建设正处于高速发展时期。由于西部地区处于大陆板块碰撞区，导致围岩岩性多变、岩体破碎软弱、地应力高，不良地质及特殊岩土问题突出，隧道工程穿越地层时常遇到围岩大变形问题。其表现为隧道变形速度快、收敛稳定时间长，甚至无法收敛，变形量大，如果初期支护不当、不及时，在围岩变形过程中隧道可能发生初期支护掉块、侵限甚至失稳塌方。较为常见的是锚网喷初期支护开裂、剥落、压碎，而且伴随着初支钢架扭曲变形，甚至侵入限界。在隧道工程界，大变形问题素有隧道“癌症”之称。为避免初期支护结构大变形侵限后引起二次衬砌厚度不够，往往需要拆除侵限的初期支护结构，这一方面造成工程重复，滞后工程进度，同时初期支护拆换过程中也伴随着较大的安全风险，严重制约了隧道工程建设进度及成本控制。

目前隧道工程遇到大变形时，现有应对方法多为加大预留变形量，让其变形，但变形不至于导致侵限。在结构上通过调整衬砌轮廓曲率，使得受力更合理。在施工方面，短进尺，尽早初支钢架封闭成环，或结合系统锚杆加长，注浆加固等方式对围岩进行加固，尤甚者采用双层钢架抵抗变形。上述措施的综合利用，目前看并不能有效治理大变形问题。针对此种难题，其中一种治理思路为“刚性支护”，即依靠钢架喷射混凝土支护结构的足够刚度和强度，来抵抗软弱围岩变形。这种思路往往在施工中出现反复拆换初期支护，其本质就是在初期支护结构保障安全情况下逐步释放围岩应力，直至围岩压力释放至与初期支护抗力平衡，隧道初支变形才能趋于稳定。

另外一种治理思路为“刚柔并济”，即钢架喷射混凝土支护结构中，采用可伸缩钢架，如U型钢架、C型钢架均有应用，钢架受力后沿环向压缩变形。另外尚有采用让压锚杆(索)，以一定的恒定支护力对围岩施加“边支边让、先柔后刚”抗力。

目前应用的可伸缩钢架只注重钢架上下段的连接，在接头处为可缩式，喷混还是上下整体状。故该接头结构在应用过程中因在竖向、径向大变形情况下不能与喷射混凝土一起受力协同变形，往往表现为钢架和喷射混凝土分离开来，甚至喷射混凝土限制了可缩式钢架移动，或在不注重接头保护的情况下，将接头喷上混凝土导致可滑动接头失去其滑动功能。可见，仅仅在钢架接头处可滑动，并不能形成钢架与钢架间混凝土协同变形的机制，导致可伸缩钢架作用无法发挥。

技术实现要素：

针对上述现有可伸缩钢架技术的局限性，本实用新型提供一种基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变的初支结构。

本实用新型通过如下具体技术方案予以实现：

一种基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构，包括钢架、摩擦耗能纵梁、喷射混凝土、钢筋网片、纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋，所述钢架由型钢冷弯而成，所述摩擦耗能纵梁由采用槽钢制作的上承载件和下承载件构成，上承载件的翼板上设置螺栓孔，下承载件的翼板上设置条状滑槽，上承载件和下承载件间通过高强螺栓连接，上承载件和下承载件的腹板上预留螺栓孔，以便与钢架通过螺栓连接；两榀钢架间的喷射混凝土内增设纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋，纵向螺纹钢筋和环向螺纹钢筋交叉处绑扎，纵向螺纹钢筋两端焊接在钢架上，环向螺纹钢筋两端焊接在摩擦耗能纵梁上承载件和下承载件上。

优选的，钢架可为不同型号钢筋制作的格栅钢架或其它形式型钢钢架。

优选的，下承载件翼板上的条状滑槽边缘设置增阻锯齿。

优选的，上承载件反向放置，并与下承载件构成摩擦耗能纵梁。

优选的，上承载件和下承载件采用同型号槽钢，两者翼板错开交叠构成摩擦耗能纵梁。

优选的，上承载件和下承载件间设置高强弹簧。

优选的，上承载件和下承载件间设置U型弹片。

本实用新型的原理是：

（1）遵从“先柔后刚，柔刚并济”的大变形治理理念，围岩压力作用在钢架和喷射混凝土上，初期支护结构内力最终传递至摩擦型纵梁结构上，通过其摩擦耗能来释放围岩压力，通过纵梁承托将上下段喷混整体分开，达到钢架-喷混整体变形协调的目的。摩擦耗能纵梁作为一种新型让变结构，在允许一定变形的同时，通过上下承载件翼板间的摩擦作用也具备足够的环向抗压能力。

（2）围岩变形过程中可根据现场监控量测结果通过紧固摩擦耗能纵梁上条形滑槽上的高强螺栓及对摩擦耗能纵梁内注浆锁定变形量，使摩擦耗能纵梁作为刚性构件受力。

（3）通过在摩擦耗能纵梁内下承载件上增设高强弹簧或高强弹性垫片，在摩擦耗能纵梁发生一定变形实现一级让变后，上承载件下移一定距离后抵上高强弹簧或高强弹性垫片，叠加其弹性抗力实现二级让变。

（4）若摩擦耗能纵梁闭合时围岩应力尚未释放完，摩擦耗能纵梁作为整个初期支护结构中的刚性构件继续承载，达到允许初支结构有限变形且保障安全的目的。

（5）通过对钢架间喷射混凝土增设纵向和环向钢筋，钢筋固定在钢架和摩擦耗能纵梁上，喷射混凝土和钢架作为整体受力，并且摩擦耗能纵梁纵向通长设置，增强了初期支护结构的协调变形能力，可以避免喷射混凝土和钢架变形不协调导致的脱离破坏。

本实用新型的有益效果为：

1、摩擦耗能纵梁主要由采用槽钢的上承载件和下承载件构成，通过上承载件和下承载件两者翼板间的摩擦作用消耗能量，两榀钢架间的喷射混凝土内增设纵向螺纹钢筋、环向螺纹钢筋，在实现隧道初期支护与周边围岩协同变形的同时，摩擦耗能纵梁仍能保证初期支护具备一定抗压和抗剪能力，通过设置环向和纵向钢筋，摩擦耗能纵梁通长布置，极大增强了隧道钢架与钢架间喷射混凝土组成的初期支护结构共同变形能力，避免了钢架和喷射混凝土变形不协调引起结构破坏。本实用新型实现了针对围岩大变形“刚柔并济”治理，实现了初期支护结构整体变形协调。

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、摩擦耗能纵梁的各组件拆装方便、不增加施工工序，摩擦耗能纵梁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为本实用新型的结构立面示意图。

图2为本实用新型的结构纵断面示意图。

图3为本实用新型的结构三维示意图。

图4为图1中摩擦耗能纵梁的实施例一的结构示意图。

图5为图4的截面结构示意图。

图6为图4的侧面结构示意图。

图7为图4的俯视结构示意图。

图8为本实用新型的结构细部连接剖面示意图。

图9为图8的A-A截面示意图。

图10为条状滑槽7增设增阻锯齿1型示意图。

图11为条状滑槽7增设增阻锯齿2型示意图。

图12为条状滑槽7增设增阻锯齿3型示意图。

图13为条状滑槽7增设增阻锯齿4型示意图。

图14为摩擦耗能纵梁2的实施例二的结构示意图。

图15为摩擦耗能纵梁2的实施例三的结构示意图。

图16为摩擦耗能纵梁2的实施例四的结构示意图。

图17为摩擦耗能纵梁2的实施例五的结构示意图。

图中各标号为：1-钢架；2-摩擦耗能纵梁；3-喷射混凝土；4-上承载件；5-下承载件；6-螺栓孔；7-条状滑槽；8-高强螺栓；9-纵向螺纹钢筋；10-环向螺纹钢筋；11-高强弹簧；12-U型弹片；13-连接板；14-钢筋网片；15-上台阶；16-下台阶。

具体实施方式

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

如图1~9所示，基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构包括钢架1、摩擦耗能纵梁2、喷射混凝土3。钢架1由型钢冷弯而成；摩擦耗能纵梁由采用槽钢的上承载件4和下承载件5构成，上承载件4的翼板上设置螺栓孔6，下承载件5的翼板上设置条状滑槽7，上承载件4和下承载件5间通过高强螺栓8连接。上承载件4和下承载件5的腹板上设置螺栓孔6，与钢架1通过螺栓连接。两榀钢架1间喷射混凝土3内增设纵向螺纹钢筋9、环向螺纹钢筋10，纵向螺纹钢筋9和环向螺纹钢筋10交叉处绑扎，纵向螺纹钢筋9两端焊接在钢架1上，环向螺纹钢筋10两端焊接在摩擦耗能纵梁的上承载件4和下承载件5上。

如图10-13所示，下承载件5翼板上的条状滑槽7边缘根据需要可设置各种形状的增阻锯齿。如波浪形锯齿、矩形锯齿、三角形锯齿等等。

如图14所示摩擦耗能纵梁2实施例二，上承载件4反向放置，并与下承载件5构成摩擦耗能纵梁。

如图15所示摩擦耗能纵梁2实施例三，上承载件4和下承载件5采用同型号槽钢，两者翼板错开交叠构成摩擦耗能纵梁。

如图16所示摩擦耗能纵梁2实施例四，上承载件4和下承载件5间设置高强弹簧11。

如图17所示摩擦耗能纵梁2实施例五，上承载件4和下承载件5间设置U型弹片12。

基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构的施工方法，其具体步骤为：

1、钢架1及摩擦耗能纵梁2制作：按隧道设计尺寸冷弯型钢制作钢架1。上承载件4的翼板上设置螺栓孔6，下承载件5的翼板上设置条状滑槽7，上承载件4和下承载件5间通过高强螺栓8连接组装成摩擦耗能纵梁2。上承载件4和下承载件5上开设螺栓孔6，以便与钢架1接头通过高强螺栓8连接；并在洞外进行试拼和检验。

2、隧道上台阶15开挖完成后，初喷混凝土3。架立钢架1前应先清除摩擦耗能纵梁2安装位置的虚渣及杂物。将摩擦耗能纵梁2置于牢固的基础上，上台阶钢架1与摩擦耗能纵梁2的上承载件4通过高强螺栓8连接，摩擦耗能纵梁2间通过连接板13焊接在一起，形成纵向托梁。钢筋网片14搭焊在两侧钢架1靠围岩侧翼缘的内侧。

3、安装纵向螺纹钢筋9和环向螺纹钢筋10，纵向螺纹钢筋9两端焊接在钢架1的翼板上，环向螺纹钢筋10两端焊接在摩擦耗能纵梁的上承载件4和下承载件5上。

4、复喷混凝土3。复喷混凝土3时，摩擦耗能纵梁2处应预留暂不喷混凝土，其余部位喷射混凝土覆盖，喷射混凝土3应落底填满上承载件4的表面，以便充分传递压力。

5、开挖下台阶16，初喷混凝土3后架立下台阶钢架1，钢架1与摩擦耗能纵梁2的下承载件5通过高强螺栓8连接。

6、同步骤3安装纵向螺纹钢筋9和环向螺纹钢筋10，同步骤4复喷混凝土3。注意喷射混凝土时应避免覆盖摩擦耗能纵梁2。

7、监测围岩变形稳定后，通过紧固隧道内侧条状滑槽7上的高强螺栓8和摩擦耗能纵梁2内注速凝膨胀混凝土以锁定变形。

8、围岩变形稳定或让变装置闭合后，可将预留部位喷满混凝土。

如图2所示，两榀钢架1间设置的纵向螺纹钢筋9和环向螺纹钢筋10可以增强喷射混凝土3的承载能力和变形能力，建议其纵向和环向最小配筋率均不小于0.2%，双向全部受力钢筋最小配筋率不小于0.4%。

如图3所示，两节摩擦耗能纵梁2间分别于上承载件4和下承载件5上焊接连接板13，构成一条纵梁，以增强整个初支支护结构的变形协调能力。

如图4-7所示，上承载件4和下承载件5要求平直，表面无瑕疵，组装后上下承载件的翼板必须密贴，以充分发挥两者之间的摩擦作用。条状滑槽7竖向高度控制着摩擦耗能纵梁最大变形量，其宽度稍大于高强螺栓8直径。如图6所示，条状滑槽7边缘可设置增阻锯齿，增加摩擦耗能纵梁的抗力，锯齿的形状、尺寸及间距实施前应进行测试，确保起到要求的增阻作用。

如图8-9所示，钢架1和摩擦耗能纵梁2拼装时，通过螺栓将上承载件4与上台阶钢架1接头固定在一起，下承载件5与下台阶钢架1接头固定在一起。钢筋网片14搭焊在两侧钢架1靠围岩侧翼缘的内侧，纵向螺纹钢筋9两端焊接在钢架1的翼板上，焊接时应考虑搭接一定长度，保证连接牢固。

如图16和图17所示，可根据工程需要，通过在摩擦耗能纵梁2内下承载件5上增设高强弹簧11或U型弹片12，在摩擦耗能纵梁2发生一定变形实现一级让变后，上承载件抵上高强弹簧11或U型弹片12，叠加其弹性抗力实现二级让变。

基于摩擦耗能纵梁的喷混-钢架整体让变初支结构的施工方法，具体操作步骤为：

1、钢架1及摩擦耗能纵梁2制作：按隧道设计尺寸冷弯型钢制作钢架1。上承载件4的翼板上设置螺栓孔6，下承载件5的翼板上设置条状滑槽7，上承载件4和下承载件5间通过高强螺栓8连接组装成摩擦耗能纵梁2。上承载件4和下承载件5上开设螺栓孔6，以便与钢架1接头通过高强螺栓8连接。并在洞外进行试拼和检验。

2、隧道上台阶15开挖完成后，初喷混凝土3。架立钢架1前应先清除摩擦耗能纵梁2安装位置的虚渣及杂物。将摩擦耗能纵梁2置于牢固的基础上，上台阶钢架1与摩擦耗能纵梁2的上承载件4通过高强螺栓8连接，摩擦耗能纵梁2间通过连接板13焊接在一起，形成纵向贯通梁。钢筋网片14搭焊在两侧钢架1靠围岩侧翼缘的内侧。

3、安装纵向螺纹钢筋9和环向螺纹钢筋10，纵向螺纹钢筋9两端焊接在钢架1上，环向螺纹钢筋10两端焊接在摩擦耗能纵梁的上承载件4和下承载件5上。

4、复喷混凝土3。复喷混凝土3时，摩擦耗能纵梁2处应预留暂不喷混凝土，其余部位喷射混凝土覆盖，喷射混凝土3应落底填满上承载件4的表面，以便充分传递压力。

5、开挖下台阶16，初喷混凝土3后架立下台阶钢架1，钢架1与摩擦耗能纵梁2的下承载件5通过高强螺栓8连接。

6、同步骤3安装纵向螺纹钢筋9和环向螺纹钢筋10，同步骤4复喷混凝土3。注意喷射混凝土时应避免覆盖摩擦耗能纵梁2。

7、监测围岩变形稳定后，通过紧固隧道内侧条状滑槽7上的高强螺栓8和摩擦耗能纵梁内注速凝膨胀混凝土以锁定变形。

8、围岩变形稳定或让变装置闭合后，可将预留部位喷满混凝土。

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