一种可施加预应力的隧道波纹钢支护结构及使用方法与流程

本发明涉及涉及隧道与地下工程领域，具体涉及一种可施加预应力的隧道波纹钢支护结构及使用方法。

背景技术：

1、目前，隧道初期支护结构的支护方式主要为钢拱架和喷射混凝土，在面对软弱围岩隧道时，时常会产生较大变形，从而导致初期支护结构变形破坏。因此，为了使围岩变形可控，提出了采用装配式波纹钢支护结构作为隧道初期支护。隧道波纹钢支护结构与传统支护结构相比，具有承载能力高、施工速度快等优点，波纹钢初期支护结构对围岩形成一种柔性支护，提供了足够的强度并且具有一定的变形协调性。

2、然而，对于软岩隧道工程建设中，常常面临围岩大变形灾害的威胁。软岩隧道大变形灾害具有危害程度大、治理费用高和施工风险大等特点，造成支护体系中支护结构开裂和波纹钢扭曲等各种灾害问题，从而很难取得理想的支护效果。所以，如何避免围岩变形，降低围岩坍塌风险是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可施加预应力的隧道波纹钢支护结构及使用方法，能够通过预紧构件对隧道波纹钢支护结构施加预紧力，补偿围岩开挖损失的部分应力，避免出现支护结构开裂及波纹钢扭曲现象，有效控制围岩变形，且施工效率高、经济性好。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可施加预应力的隧道波纹钢支护结构，包括波纹钢板片、钢管约束混凝土、预紧构件和锁脚锚杆，波纹钢板片内侧波谷位置间隔安装有钢管约束混凝土，多个波纹钢板片沿圆弧方向拼装形成拱形支护，且相邻波纹钢板片上的钢管约束混凝土一一对应形成多个拱形钢管结构，所述锁脚锚杆的一端插入到隧道壁的锚孔中，锁脚锚杆的另一端与拱形支护锚固；相邻波纹钢板片上的相对应的两两钢管约束混凝土之间通过预紧构件连接在一起，通过调整预紧构件的长度，对波纹钢支护结构产生一定的外扩。

3、在其中一个实施例中，所述预紧构件包括两根圆柱形的伸缩杆和一根套管，两根伸缩杆的一端轴向传动连接，所述套管套设于两根伸缩杆连接处的外围，两根伸缩杆的另一端分别插接于相对应的两根钢管约束混凝土的端部；所述伸缩杆的连接端沿其长度方向设有一半圆柱形齿牙平台，齿牙平台的齿条方向与伸缩杆长度方向垂直，两个齿牙平台上下对应且两者之间空腔内设有与之适配的第一齿轮杆和第二齿轮杆，第一齿轮杆和第二齿轮杆相互平行且与齿牙平台宽度相当，第一齿轮杆的端部设有多边形端头，所述多边形端头伸出所述套管外部，通过转动多边形端头驱使第一齿轮杆转动以调整预紧构件的长度。

4、进一步地，所述伸缩杆的外壁上沿其长度方向设有限位凸条，限位凸条与齿牙平台上下对应，所述套管上开设有与限位凸条相适配的导向槽。

5、进一步地，所述套管上设有开口，两伸缩杆之间形成一定间隙后与开口形成限位槽，用于当预紧构件伸长后在限位槽内插入限位块锁死整个预紧构件。

6、在其中一个实施例中，所述预紧构件包括一根丝杆、对称连接于丝杆两端的两根第一螺纹管、同时与两根第一螺纹管连接的第二螺纹管以及穿过第二螺纹管和丝杆的圆钢；

7、所述丝杆两端设置有旋向相反的外螺纹，所述第一螺纹管的一端设置有内螺纹及外螺纹，所述第二螺纹管两端设置有内螺纹，所述第一螺纹管的内螺纹与所述丝杆外螺纹配合，所述第二螺纹管两端的内螺纹与两根第一螺纹管的外螺纹配合，沿第二螺纹管圆周方向转动圆钢实现丝杆和第二螺纹管同步旋转，通过旋向相反的螺纹副实现第一螺纹管轴向位置的调节；

8、所述第一螺纹管的直径与钢管约束混凝土端部的直径相适配，用于将预紧构件两端插接于相对应的两根钢管约束混凝土之间。

9、进一步地，所述第一螺纹管的非螺纹端的外径比隧道波纹钢支护结构的钢管约束混凝土端部的内径略小。

10、进一步地，所述丝杆两端的外螺纹的长度相同，所述第一螺纹管上的内螺纹和外螺纹均与丝杆外螺纹的长度相同，所述第二螺纹管两端的内螺纹与丝杆外螺纹的长度相同。

11、进一步地，所述丝杆和第二螺纹管周向相对应的位置开设有多个大小相同的圆孔，圆孔的直径比圆钢的外径略大。

12、本技术同时提供一种可施加预应力的隧道波纹钢支护结构的使用方法，波纹钢板片内侧安装钢管约束混凝土，在隧道开挖后，拼装装配式波纹钢板片形成拱形支护，波纹钢板片拼接位置的每两根钢管约束混凝土相对应且之间具有一定的距离，将预紧构件安装于相对应的两根钢管约束混凝土之间；

13、其中，所述预紧构件包括两根圆柱形的伸缩杆和一根套管，两根伸缩杆的一端轴向传动连接，所述套管套设于伸缩杆连接处的外围，两根伸缩杆的另一端分别插接于相对应的两根钢管约束混凝土的端部；

14、所述伸缩杆的连接端沿其长度方向设有一半圆柱形齿牙平台，齿牙平台的齿条方向与伸缩杆长度方向垂直，两个齿牙平台上下对应且两者之间空腔内设有与之适配的第一齿轮杆和第二齿轮杆，第一齿轮杆和第二齿轮杆相互平行且与齿牙平台宽度相当，第一齿轮杆的端部设有多边形端头，所述多边形端头伸出所述套管外部，通过转动多边形端头驱使第一齿轮杆转动以调整预紧构件的长度；

15、通过手持式电动扳手转动预紧构件上的多边形端头，调整预紧构件的长度，使波纹钢支护结构产生一定的外扩，然后在预紧构件的限位槽内插入限位块锁死整个预紧构件。

16、进一步地，所述伸缩杆的外壁上沿其长度方向设有限位凸条，限位凸条与齿牙平台上下对应，所述套管上开设有与限位凸条相适配的导向槽。

17、进一步地，所述套管上设有开口，两伸缩杆之间形成一定间隙后与开口组成限位槽，用于当预紧构件伸长后在限位槽内插入限位块锁死整个预紧构件。

18、本技术同时提供一种可施加预应力的隧道波纹钢支护结构的使用方法，波纹钢板片内侧安装钢管约束混凝土，在隧道开挖后，拼装装配式波纹钢板片形成拱形支护，波纹钢板片拼接位置的每两根钢管约束混凝土相对应且之间具有一定的距离，将预紧构件安装于相对应的两根钢管约束混凝土之间，

19、其中，所述预紧构件包括一根丝杆、对称连接于第二螺纹管两端的两根第一螺纹管、一根与第一螺纹管相适配的第二螺纹管以及同时穿过第二螺纹管和丝杆的圆钢；

20、所述丝杆两端设置有旋向相反的外螺纹，所述第一螺纹管的一端设置有内螺纹及外螺纹，所述第二螺纹管两端设置有内螺纹，所述第一螺纹管的内螺纹与所述丝杆外螺纹配合，所述第二螺纹管两端的内螺纹与两根第一螺纹管的外螺纹配合，沿第二螺纹管圆周方向转动圆钢实现丝杆和第二螺纹管同步旋转，通过旋向相反的螺纹副实现第一螺纹管轴向位置的调节；所述第一螺纹管的直径与钢管约束混凝土端部的直径相适配，用于将预紧构件两端插接于相对应的两根钢管约束混凝土之间；

21、将圆钢插入丝杆和第二螺纹管上相对应的圆孔中，沿第二螺纹管圆周方向转动圆钢，使第二螺纹管和丝杆同时旋转，调整预紧构件的长度，使波纹钢支护结构产生一定的外扩。

22、进一步地，所述第一螺纹管的非螺纹端的外径比钢管约束混凝土端部的内径略小。

23、进一步地，所述丝杆两端的外螺纹的长度相同，所述第一螺纹管上的内螺纹和外螺纹均与丝杆外螺纹的长度相同，所述第二螺纹管两端的内螺纹与丝杆外螺纹的长度相同。

24、进一步地，所述丝杆和第二螺纹管周向相对应的位置开设有多个大小相同的圆孔，圆孔的直径比圆钢的外径略大。作为优选，所述圆孔的数量为4个，沿圆周方向均匀分布。

25、采用以上技术方案，本发明可达到以下有益效果：本发明可有效解决软弱围岩开挖后应力补偿、应力过度释放等问题；采用该预紧构件使装配式波纹钢板片-钢管约束混凝土结构产生一定的外扩，主动支护围岩，补偿一部分应力损失，从而有效控制围岩的变形，避免软岩大变形及支护结构破坏等情况的发生，降低围岩坍塌风险。与现有技术相比，本发明的优势如下：

26、（1）该预紧构件施加的作用力首先传递在钢管约束混凝土上，之后钢管约束混凝土把施加的作用力传递给波纹钢支护结构，从而实现波纹钢支护结构的预紧。该预紧构件能够增加支护结构承载能力，对围岩产生主动支护力，控制围岩变形，降低围岩坍塌的风险。

27、（2）该预紧构件属于可拆卸结构，在初期支护结构成环或二衬结构施工前，可拆除重复使用，有利于降低工程造价，具有很好的经济性。

28、（3）该预紧构件属于机械预紧构件，可采用内外双螺纹结构，保证结构在伸长过程不滑丝，确保预紧效果；也可采用齿轮杆传动机构，通过手持式电动扳手，快速调节预紧构件长度，进而调整支护结构施加的预紧力。

29、（4）该构件重量小，操作方便，通过调整构件长度对支护结构施加预紧力，施工便捷、效率高。