用于隧道支护的预制装配式空间网架结构的制作方法
本实用新型属于隧道工程施工技术领域，具体涉及一种用于隧道支护的预制装配式空间网架结构。
背景技术：
隧道工程施工因地形、地质条件复杂多变极易发生不同程度灾害，导致隧道初期支护发生变形，不同程度地对隧道稳定性产生威胁，严重的无法满足设计衬砌断面要求，影响隧道安全施工，尤其给跨度大、结构复杂、变形要求严格的隧道施工带来很大难度。目前传统的隧道初期支护结构有锚喷结构、格栅支护、钢筋混凝土支护结构等，现有的支护结构并不能满足其在承载能力和支护时间方面的要求。以最为常见的格栅支护结构为例，格栅支护结构是以格栅钢架、型钢钢架配合喷混、锚杆、钢筋网共同作用，其钢架以榀为单位，纵向间距一般0.5～1.5m/榀。由于其沿纵向的离散性以及格栅钢架自身承载能力弱的特性，在喷射混凝土之前的时间，钢架承受围岩荷载的能力较弱，必须喷射混凝土后方能进行下道工序，这样便会延长工期，降低支护结构施工效率。
随着构件预制装配技术的发展，隧道施工中支护结构的预制装配化也逐渐成为必然，是可以提供工程质量和修建速度、降低成本的主要措施。盾构法修建隧道工程就是装配式衬砌支护的典型代表，但是由于盾构法隧道施工成本较高，所以目前矿山法施工隧道仍然占相当大的比例，但是对于矿山法隧道支护结构的预制拼装技术研究较少。目前矿山法隧道支护最常用的是由喷射混凝土、锚杆、钢拱架等组成的联合支护体系，常用的钢拱架具有较大的支护强度和刚度，能够增强初期支护结构能力，但是传统的钢拱架纵向连接钢筋及锁脚与钢架均采用焊接连接，施工速度慢，不符合隧道施工的“早封闭”的要求，现场仰焊作业空间狭小，质量能以保证，而且，虽然钢拱架支护技术成熟，但是其容易发生由于侧向刚度低而发生弱轴扭曲失稳。在满足安全可靠的前提下，借鉴目前隧道区间盾构管片拼装技术，研发一种预制拼装式支护结构对于降低各工序交替作业时间，提高施工效率，显得十分必要。
对于空间网架结构而言，其作为一种空间杆系结构，具有三维受力特点，能承受各方向的作用，并且网架结构一般为高次超静定结构，倘若一杆局部失效，仅少一次超静定次数，内力可重新调整，整个结构一般并不失效，具有较高的安全储备。由于其整体性好，稳定性好，空间刚度大，能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载，并具有较好的抗震性能。其空间网架结构已经广泛应用于体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。但是空间网架结构汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂，再加上隧道支护结构的特殊性，施工空间的局限性以及隧道支护对于其承载力的计算以及要求的限定，目前并没有将空间网架结构应用于隧道施工中。
技术实现要素：
本实用新型针对传统支护型式施工时间长和承载能力不足的问题，本实用新型提出一种适用于隧道支护的预制装配式空间网架支护结构，该支护结构充分发挥空间网架结构良好的受力性能及快速装配式的施工便捷性，能保证隧道施工安全、提高施工效率。
本实用新型提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架支护结构，所述预制装配式空间网架支护结构包括至少两块预制的网架支护构件，每块网架支护构件的两端分别设有与相邻网架支护构件连接的连接构件，至少两块网架支护构件首尾通过连接构件连接形成截面与支护隧道断面形状相同的封闭支护结构；每块网架支护构件为是由上弦杆、下弦杆和腹杆组成的网格支撑结构，其上弦杆形成网架支护构件与隧道内壁接触的迎土网面，下弦杆形成网架支护构件的背土网面，腹杆连接在上弦杆与下弦杆之间，并在上弦杆与下弦杆之间分隔形成多个网格单元，在每块网架支护构件的迎土网面设有金属网。
本实用新型较优的技术方案：所述网架支护构件的网格单元迎土面和背土面为三角形、正方形、矩形、五边形或六边形，立面为三角形。
本实用新型较优的技术方案：所述网架支护构件是由多个三棱锥或多个四棱锥或多个六棱锥组成的网格支撑结构。
本实用新型较优的技术方案：所述网架支护构件的上弦杆和下弦杆是由钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件通过焊接或直接弯曲或通过连接件连接而成的弧形杆体；并在上弦杆和下弦杆之间通过焊接或连接件连接腹杆形成弧形网架结构，所述腹杆为钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件。
本实用新型较优的技术方案：所述连接构件为相互匹配的榫接连接件或套筒连接件或卡扣连接件或插接或焊接连接件，每个连接构件相互匹配的第一连接件和第二连接件分别设置在相邻两个网架支护构件的对接部位，且所述每个网架支护构件的两端的连接构件也相互匹配；至少两个网架支护构件通过第一连接件和第二连接件拼接或焊接或拼接与焊接组合的方式连接成截面与支护隧道截面形状相同的环形、矩形、马蹄形或多边形封闭状支护结构。
本实用新型较优的技术方案：当网格支撑结构是由多个三棱锥组成时，相邻两个三棱锥的三角底面连为一个曲面，该曲面即为网架支护构件的迎土面，组成三棱锥三角底面的三根支撑杆即网架支护构件的上弦杆，相邻两个三棱锥的锥尖通过下弦杆连为一体，连接后组成三棱锥锥体的三根支撑杆即网架支护构件的腹杆；当网格支撑结构是由多个四棱锥组成时，相邻两个四棱锥的四边形底面连为一个曲面，该平面即为网架支护构件的迎土面，组成四棱锥四角底面的四根支撑杆即网架支护构件的上弦杆，相邻两个四棱锥的锥尖通过下弦杆连为一体，连接后组成四棱锥锥体的四根支撑杆即网架支护构件的腹杆；当网格支撑结构是由多个六棱锥组成时，相邻两个六棱锥的六边形底面连为一个曲面，该曲面即为网架支护构件的迎土面，组成六棱锥六角底面的六根支撑杆即网架支护构件的上弦杆，相邻两个六棱锥的锥尖通过下弦杆连为一体，连接后组成六棱锥锥体的六根支撑杆即网架支护构件的腹杆。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型中的支护结构利用充分发挥空间网架结构良好的受力性能及快速装配式的施工便捷性，将传统的钢拱架等“线支护”改为“面支护”，提升隧道安全性与稳定性；
(2)本实用新型中的预制装配式空间网架支护结构，可不喷射混凝土，依靠网架结构自身即可承担全部隧道荷载，拼装快速，且能在进行多个开挖和拼装循环后在进行喷射混凝土，减少了施工工序交替，提高了施工效率，保障了隧道施工安全，尤其适用于地质复杂、变形控制严格等隧道开挖段；也可根据需要，喷射混凝土后使得网架支护结构与混凝土结构共同承担隧道荷载。
(3)本实用新型中的空间网架支护结构是由多片弧形支护结构通过快速拼装接头连接而成，其弧形支护结构可直接根据隧道参数提前加工或现场加工，然后快速拼装形成一个整体的环形结构，避免了焊接引起的施工隧道慢、质量能难以保证等问题，提高了施工效率；
(4)本实用新型中的空间网架支护结构是由多个棱锥结构组成，每个棱锥结构其中一侧为面状，另一侧为点状，面与点之间通过多根拉杆连接，在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴向的拉力和压力，能充分发挥材料的强度，多个棱锥部件有规律的组合在一起，其整体性好，稳定性好，空间刚度大，能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载，并具有较好的抗震性能；
(5)本实用新型中在施工过程中提前针对喷射混凝土之前的隧道需要的承载力对网架支护结构的参数进行计算设计，保证设计出的支护结构能够满足施工安全，确保预制的支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。
(6)本实用新型中的空间网架结构组合有规律，大量节点和杆件的形状、尺寸相同，并且杆件和节点规格较少，便于生产，产品质量高。
本实用新型空间网架支护结构承载能力强，可不需喷射混凝土，依靠网架结构自身承担全部隧道荷载，也可喷射混凝土，与混凝土结构共同承担隧道荷载，其结构组合简单、安装方便，能有效地提高隧道支护的施工效率。
附图说明
图1是本实用新型的预制装配式空间网架支护结构的结构示意图；
图2是本实用新型中网架支护构件的结构示意图；
图3是本实用新型中网架支护构件的拼接示意图；
图4是本实用新型的网架支护构件的平面示意图；
图5是本实用新型的网架支护构件的剖面示意图；
图6a至6c是网架支护构件的不同网格单元的结构示意图；
图7a至图7c分别是图6a至6b中网格单元的组拼示意图。
图8是网架架构支护宽度和距离示意图；
图9是本实用新型的施工状态示意图；
图10a至图10e为本实用新型中不同连接构件的结构示意图。
图中：1—网架支护构件，2—待支护隧道，3—上弦杆，4—下弦杆，5—腹杆，6—金属网，7—连接构件，7-1—第一连接件，7-2—第二连接件，8—混凝土砌衬，a—网架支护构件的宽度，b—相邻两环网架支护结构的间距。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至图8均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。
如图1至图5所示，本实用新型专利提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架支护结构，具体包括至少两块预制的网架支护构件1，每块网架支护构件1的两端分别设有与相邻网架支护构件1连接的连接构件7，本实用新型中的连接构件7为相互匹配的榫接连接件(如图10a和图10b)或套筒连接件或卡扣连接件(如图10c和图10d)或盘扣连接(如图10e)或插接连接件，每个连接构件7相互匹配的第一连接件7-1和第二连接件7-2分别设置在相邻两个网架支护构件1的对接部位，且所述每个网架支护构件1的两端的连接构件7也相互匹配；至少两个网架支护构件1通过第一连接件7-1和第二连接件7-2拼接成截面与支护隧道2截面形状相同的环形、矩形、马蹄形或多边形封闭状支护结构。预制的网架支护构件1根据隧道断面形状分段预制的，与隧道断面形状相适配的，并不对拼装成的具体形状作限定。
本实用新型中提供的隧道支护的预制装配式空间网架支护结构中每块网架支护构件1为是由上弦杆3、下弦杆4和腹杆5组成的网格支撑结构，其上弦杆3形成网架支护构件1与隧道内壁接触的迎土网面，下弦杆4形成网架支护构件1的背土网面，腹杆5连接在上弦杆3与下弦杆4之间，并在上弦杆3与下弦杆4之间分隔形成多个网格单元，在每块网架支护构件1的迎土网面设有金属网6。其中，网架支护构件1的迎土网面和背土网面分别形成整个支架的外圈结构和内圈结构，由于外圈结构和内圈结构上的杆体是均匀设置的，这样可保证外圈结构和内圈结构上的受力均匀。
本实用新型中网架支护构件1网格单元的迎土面和背土面为三角形、正方形、矩形、五边形或六边形，其立面均为三角形，确保其迎土网面与背土网面中的杆件通过腹杆5围成的最小形状单元为三角形，通过三角形稳定结构可进一步提高预制构件的支撑强度。所述网架支护构件1的上弦杆3和下弦杆4是由钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件通过焊接或直接弯曲或通过连接件连接而成的弧形杆体；并在上弦杆3和下弦杆4之间通过焊接或连接件连接腹杆5形成弧形网架结构，所述腹杆5为钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件。
本实用新型中提供的网架支护构件1是由多个三棱锥或多个四棱锥或多个六棱锥组成的网格式支撑架，其三棱锥如图6a和7a所示，相邻两个三棱锥的三角底面连为一个曲面，该曲面即为网架支护构件1的迎土面，组成三棱锥三角底面的三根支撑杆即网架支护构件1的上弦杆，相邻两个三棱锥的锥尖通过下弦杆4连为一体，连接后组成三棱锥锥体的三根支撑杆即网架支护构件1的腹杆。其四棱锥如图6b和7b所示，同三棱锥一样，其四边形底面连为一个曲面，该平面即为网架支护构件1的迎土面，组成四棱锥四角底面的四根支撑杆即网架支护构件1的上弦杆，相邻两个四棱锥的锥尖通过下弦杆4连为一体，连接后组成四棱锥锥体的四根支撑杆即网架支护构件1的腹杆。六棱锥如图6c和7c所示，其六边形底面连为一个曲面，该曲面即为网架支护构件1的迎土面，组成六棱锥六角底面的六根支撑杆即网架支护构件1的上弦杆，相邻两个六棱锥的锥尖通过下弦杆4连为一体，连接后组成六棱锥锥体的六根支撑杆即网架支护构件1的腹杆。
下面结合实施例对本实用新型进一步说明，本实用新型实施例的中参数值确定方案计算可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
实施例提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架支护结构的施工方法，该施工方法主要是针对网架支护构件1由多个四棱锥组成的网格式支撑架，相邻两环网架支护结构的间距b的根据实际情况可取为0，如图1所示，其隧道断面周长
(1)确定隧道支护结构的施工参数值：
a.获取隧道支护结构的各项参数设定值和隧道模型；其参数项包括但不限于：每片空间网架支护结构的纵向支护长度、每延米空间网架支护结构纵向截面的配钢筋(管)根数(单侧)、初期支护的厚度、杆体的材料厚度(如钢筋直径，钢管壁厚)、连接件的直径以及连接件的环向间距等。这些参数的设定值可以是参数经验值，也可以是设计值。本实用新型实施例的隧道模型用于模拟实际隧道情况，与隧道工程地质、水文地质情况、以及现有隧道设计及施工经验等相关，隧道情况与隧道处围岩级别、隧道延伸方式、隧道深度、隧道断面形状等参数相关；
b.根据参数项的设定值和隧道模型，计算隧道支护结构的承力荷载和等效空间壳体的弹性模量，其承力荷载主要包括自重荷载和外荷载，外荷载主要包括：地层抗力和围岩压力等；将隧道支护结构可等效为空间壳体结构，利用隧道支护结构各参数项的设定值，来计算等效空间壳体的弹性模量，采用该方式能够更好的模拟隧道支护结构，计算得到的弹性模量可等效为隧道支护结构整体的弹性模量；
c.将承力荷载和弹性模量作为有限元算法的输入，计算隧道支护结构的内力参数，其内力参数包括：弯矩、轴力(轴向力)和剪力等；根据内力参数，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果，根据验证结果，调整参数项的值，若验证结果指示不满足安全性要求，则需要调整各参数项的值继续验证，以确定出满足安全性的参数项。若验证结果指示满足安全性要求，且超出安全性要求较多，则需要调整个参数项的值继续验证，以节省材料，降低成本；
d.最后根据所述验证结果，调整所述参数项的值，得到最终隧道支护结构的施工参数值；
(2)根据步骤(1)中计算出来的隧道支护结构的施工参数值，确定每环预制装配式空间网架支护结构的分段，并选择合适的杆件和连接件，根据分段情况在工厂或现场制作每环预制装配式空间网架支护结构的单块网架支护构件以及网架支护构件的连接件；
(3)隧道开挖后，在已经完成的开挖段快速拼装预制的单块网架支护构件形成隧道支护闭合环；在进行网架支护构件安装时，本实用新型采用电动多功能拱架安装机代替传统立架台车，通过多功能拱架安装台车顶升和手臂抓取等操作手段进行自动安装，多功能拱架安装机具有多功能拱架安装台车具备自动行走、自动定位系统，采用手臂加吊篮相结合，实现多功能拱架台车全方位移动、精确吊装拱架，完成拱架安装施工工艺，其整体移动快捷方便，适用性广，可以实现拱架全方位移动，任意位置就位，整个设备采用安全液压、电控系统控制；
(4)继续开挖隧道，并在开挖段继续采用多功能拱架安装机拼装下一环预制装配式空间网架支护结构；
(5)根据工程实际情况，完成单环预制装配式空间网架支护结构后或完成若干环预制装配式空间网架支护结构后，在网架支护结构上喷射或浇筑混凝土，并将预制装配式空间网架支护结构包裹形成衬砌结构；由于空间网架支护结构具有较强刚度，能够承担施工期间的围岩松弛荷载，无需马上喷射混凝土也可进行下道工序，为了加快开挖进度，距离掌子面一定距离范围内，延缓施作喷射混凝土，可以仅以空间网架支护结构为初期支护的承载结构。
在本实用新型的实施例中，如图8所示，需要至少两片空间网架支护结构，初步拟定每片空间网架支护结构的纵向支护长度l、每延米空间网架支护结构纵向截面的配钢筋(管)根数(单侧)n、初期支护的厚度h及其他构造参数，这些参数项可取行业经验值。而对于其他参数项可假定一个设定值，如杆体材料厚度，来进行结构力学分析，检算结构安全系数是否满足要求。通过对这些参数项进行试算，得到满足安全性要求的参数项的值。
本实用新型中空间网架支护结构可不需喷射混凝土，依靠网架结构自身承担全部隧道荷载，也可喷射混凝土，与混凝土结构共同承担隧道荷载，能够满足施工安全，而且由于支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。
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