矩形钢架隧道初期支护构件及隧道初期支护结构的制作方法

本实用新型涉及土木工程技术领域，具体地涉及矩形钢架隧道初期支护构件及隧道初期支护结构。

背景技术：

随着我国城市经济的发展，城市人口大量集中，为公共交通造成了巨大的压力，市区交通堵塞问题屡见不鲜，严重制约了城市进一步发展，为了解决城市交通问题，修建了大量立交桥和高架桥。但由于地面桥梁对城市环境的影响较大，降低了周围土地的使用价值，跨江、河大桥对航道也有影响。同时，为了解决防空问题，故许多城市将交通转为地下，建成地下立交、地铁和地下快速交通主干道隧道。在国内的各大城市，近年来的发展，城市地铁隧道在城市建设中起到了至关重要的作用。

中国最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石门隧道，建成于东汉永平九年(公元66年)。古隧道为省去衬砌，多建于较坚硬的岩石中。隧道在施工时先将岩壁烧热，随即浇以冷水，使岩石先发胀后突然收缩而开裂，以利开凿。在中世纪，隧道主要是用于开矿和军事。17世纪和18世纪，随着运输事业的发展和技术的进步，尤其是工程炸药的应用，修建通航隧道和道路隧道的工程也发展起来。19世纪铁路建筑的发展，促使隧道工程迅速发展，修建的隧道数量也很多。20世纪以来，汽车运输量不断增加，公路路线标准相应提高，公路隧道也逐渐增多。

公路隧道的主体建筑物一般由洞身、衬砌和洞门组成，在洞口容易坍塌的地段，还加建明洞。隧道的附属构筑物有防水和排水设施、通风和照明设施、交通信号设施以及应急设施等。公路隧道设计通常先进行方案设计，然后进行隧道的平面和纵断面、净空、衬砌等具体设计。其中，隧道衬砌是为防止土、石风化和坍塌，阻止地下水流入隧道而沿隧道周边建造的结构物。通常用石料、混凝土和钢筋混凝土就地砌筑，或用混凝土、钢筋混凝土、铸铁或钢材做成预制构件拼装而成。

现有的隧道，无论公路隧道还是铁路隧道或者城市地下隧道工程，在隧道施工过程中均采用工字钢或用圆形钢筋加工成钢格栅来承受隧道围岩压力，这种技术存在耗钢量大且加工麻烦等问题，同时，没有充分发挥工字钢的受力特性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为解决目前隧道工程初期支护结构施工复杂、加工麻烦、耗钢量高、结构抗弯与抗压性能不足的问题，提供一种通过矩形截面的钢管作为核心支撑部件的矩形钢架隧道初期支护构件及隧道初期支护结构。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种矩形钢架隧道初期支护构件，包括拱形钢架，所述拱形钢架由一组横截面为矩形的钢管组合而成，相邻钢管通过其上设置的第一接头连接，所述拱形钢架的两端分别设置有用于连接地基第二接头。

优选的，所述第一接头为一连接钢板，所述连接钢板的厚度为6±1mm，其上设置有连接孔，相邻钢管的连接钢板螺接及焊接固定。

优选的，所述第二接头为一连接钢板，所述连接钢板的厚度为6±1mm，所述钢板上设置的拱形钢架内部填充有增强混凝土。

优选的，所述钢管的外周喷射有第一混凝土层。

优选的，所述拱形钢架包括位于拱形正中位置的第一钢管、位于第一钢管两端的第二钢管及与第二钢管连接的接地钢管，所述接地钢管内填充有所述增强混凝土。

优选的，所述增强混凝土为c30细石混凝土。

优选的，所述接地钢管上开设有注浆孔。

优选的，包括一组间隙设置的如上述的矩形钢架隧道初期支护构件，相邻矩形钢架隧道初期支护构件的拱形钢架之间采用钢筋连接。

优选的，所述拱形钢架的第一接头和第二接头处均设置有锚杆。

本实用新型的有益效果主要体现在：

1、采用钢管混凝土结构用作隧道工程的初期初期支护，能充分发挥钢管抗弯性能好的特性，也能充分利用钢管混凝土结构承压性能优的特点，并且钢管结构相对于常规的做法，更容易加工得到，且耗材少，能够极大地降低成本，隧道初期支护工程造价节约30％以上；

2、隧道初期支护在围岩压力作用下，初期支护结构在拱顶部位承受较大的弯矩作用、在拱脚承受最大轴向压力作用，采用钢管混凝土结构的性能特性能很好与之匹配以抵抗围岩压力作用，充分发挥钢与混凝土组合结构抗弯、抗压性能良好的优点；

3、钢管混凝土结构加工简单、方便，节省人工费，节约材料损耗。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

图1：本实用新型第一实施例示意图；

图2：本实用新型第一实施例示意图；

图3：本实用新型实施例的第一接头放大图；

图4：本实用新型实施例的第二接头放大图；

图5：本实用新型实施例的钢管结构示意图；

图6：本实用新型实施例的隧道地面结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限于本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。

如图1至图2所示，本实用新型揭示了一种矩形钢架隧道初期支护构件。所述矩形钢架隧道初期支护构件，包括拱形钢架1，所述拱形钢架1由一组横截面为矩形的钢管2组合而成，具体的，所述拱形钢架1包括位于拱形正中位置的第一钢管11、固定于第一钢管两端的第二钢管12及固定于第二钢管12两端的接地钢管13，相邻钢管通过其上设置的第一接头21连接，所述接地钢管13的下端固设有用于连接地基第二接头22。

所述第一钢管11、第二钢管12、接地钢管13的弧度可以根据需要进行设计，例如优选的实施例中，所述第一钢管的弧度在1rad左右，所述第二钢管的弧度在0.8rad左右，所述接地钢管的上端至隧道路面之间的弧度在0.26rad左右，所述接地钢管延伸到隧道的地面下方的部分可以是直线延伸也可以是弧线延伸。在其他实施例中，所述拱形钢架1也可以是更多个钢管连接而成，同时，所述拱形钢架1优选为热镀锌钢，可以有效的利用材料特性，提高防锈蚀性能，从而更好的适应隧道内潮湿的环境。

如图3至图4所示，所述第一接头21和第二接头22均为一矩形的连接钢板3，且所述连接钢板3优选为厚度在6±1mm之间的热镀锌钢，所述连接钢板3焊接在所述钢管的两端，所述钢管焊接在所述连接钢板3的中心位置，并且，它们的焊缝位置通过防水密封胶密封，以防止焊缝位置出现锈蚀，所述第一接头21上的连接钢板3上形成有四个位于钢管两侧的连接孔31。所述第二接头22中的接地钢管13的内部填充有增强混凝土44。

相邻钢管的连接钢板通过螺栓连接，同时两个连接钢板焊接固定，将两种连接方式结合，有效的保证了钢管之间的连接牢固性，从而保证了整个拱形钢架的支撑强度，所述螺栓型号为4m16；所述第二接头22为一焊接在所述接地钢管的下端的钢板，所述钢板与所述连接钢板3相同，其上同样可以设置有用于连接螺栓的通孔，此处不作赘述。

如图5所示，所述钢管2的外周喷射有一层厚度为4cm的第一混凝土层41，所述第一混凝土层41的外部设置有防水层43，所述防水层43可以是已知的各种防水卷材，优选，所述防水层43包括防水基材，所述防水基材的一面涂布有防水胶粘层，所述防水胶粘层上形成有网状的排气槽，所述排气槽用于在贴附时将气泡进行挤出，避免贴装时产生气泡褶皱，所述防水基材的防水表面为磨砂面，从而便于提高与混凝土材料的结合力，所述防水层43覆盖于第二混凝土层42下，所述第二混凝土层42的厚度不小于2cm，从而形成钢柱混凝土单元，能够有效的改善各单元的承载能力和防水性能。

为提高所述拱形钢架1的拱脚部位的抗压承载能力，可以在所述接地钢管13内填充有增强混凝土44，所述增强混凝土44优选为强度不小于c30细石混凝土，由于接地钢管13内部通过增强混凝土填充为一个实体结构，其受力同时由内部的增强混凝土和接地钢管承担，因而可以极大的提高接地的钢柱混凝土单元处的抗压承载能力。在将所述c30细石混凝土填充到所述接地钢管中时可以采用两种方式，其一：在所述接地钢管13安装前，向其内部填充c30细石混凝土，等c30细石混凝土凝固后在进行安装，这种方式，由于增加了接地钢管13的自重，因此在安装时有一定难度；另外一种就是为方便安装，在所述接地钢管13上开设有注浆孔（图中未示出），例如在所述接地钢管13的上端开设，在整个拱形钢架安装结束后，在进行防水层铺设前，通过所述注浆孔向钢管内灌注c30细石混凝土，灌注完成后，将注浆孔封堵。

如图2至图5所示，所述拱形钢架1的内壁处设有混凝土内衬5，所述混凝土内衬5为一闭环结构，并且，所述混凝土内城5的底部为弧形，相对于平直的结构，弧形更容易进行位置的限定，避免移动，混凝土内衬可以更好的提高拱形钢架1的支撑性能。

现采用矩形的钢管并在拱墙部位的钢管内灌注混凝土方案代替工字钢或钢筋格栅钢架，不仅能充分发挥材料特性，可节约钢材用量30％以上；而且方便加工成型，可节约加工的劳动力成本50％以上。钢管混凝土支护结构形式可满足隧道结构受力并节约投资成本，对隧道工程建设具有节能降耗作用，利于绿色工程建设。

本方案进一步揭示了一种隧道初期支护结构，包括一组间隙设置的矩形钢架隧道初期支护构件，相邻矩形钢架隧道初期支护构件的拱形钢架1之间采用hrb400钢筋（图中未示出）焊接，环向间距为1.0m，纵向焊接在钢管组成的钢架下边缘。

所述拱形钢架1的第一接头21和第二接头处22均焊接有锚杆（图中未示出），所述第二接头22处还焊接有锁脚锚杆，所述锁脚锚杆采用2个直径为20且l=3.5m的药卷锚杆进行拱脚固定。将3至5榀拱形钢架组成一组设置成拱墙，每榀拱形钢架之间通过钢筋焊接在内侧翼缘形成排架结构。

该实用新型中所有焊接严格按照钢结构焊接要求执行，且焊缝高度为3mm。

如图6所示，该图是隧道内地面结构的示意图，首先在地面上喷射2.4cm厚的c25混凝土61，再在其上铺上一层c30的钢筋混凝土62，所述钢筋混凝土62的厚度为45cm，在所述钢筋混凝土上方填充有一层c15的混凝土仰拱63，所述仰拱63上喷射有26cm厚的水泥混凝土64，最后，在地表面覆盖一层10cm厚的沥青混凝土65。

本实用新型采用钢管混凝土结构用作隧道工程的初期支护，能充分发挥钢管抗弯性能好的特性，也能充分利用钢管混凝土结构承压性能优的特点。

隧道初期支护在围岩压力作用下，初期支护结构在拱顶部位承受较大的弯矩作用、在拱脚承受最大轴向压力作用，采用钢管混凝土结构的性能特性能很好与之匹配以抵抗围岩压力作用，充分发挥钢与混凝土组合结构抗弯、抗压性能良好的优点。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。