一种装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系及其施工方法

摘要

本发明属于隧道施工领域，具体涉及一种装配式波纹钢‑充填层复合隧道支护体系及其施工方法。技术方案如下：包括波纹钢‑充填层组合板、钢管‑混凝土组合梁、超前小导管及H型钢承托结构；钢管‑混凝土组合梁是设置于上一榀波纹钢‑充填层组合板与下一榀波纹钢‑充填层组合板之间的连接构件；波纹钢‑充填层组合板包括上台阶部分和下台阶部分，上台阶部分与下台阶部分通过H型钢承托结构组合在一起，H型钢承托结构的端头与钢管‑混凝土组合梁通过高强螺栓固定连接；多根超前小导管贯穿钢管‑混凝土组合梁后插入隧道开挖掌子面前方，超前小导管的尾端设置在钢管‑混凝土组合梁上。本发明具有工程成本低、质量轻、承载能力强、修复简便等优势，在隧道施工领域中具有更好的适用性。

说明书

技术领域

本发明属于隧道施工领域，具体涉及一种装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系及其施工方法。

背景技术

目前隧道施工中常采用明挖法和暗挖法两种施工方法，在暗挖隧道施工中，常采用喷锚支护作为隧道初期支护体系，整个支护体系由混凝土层、钢筋格栅、锚杆等构件组成，共同承受围岩压力。传统喷锚支护施工周期较长，无法实现围岩的快速封闭，同时成本较高，后期修复时较为困难，上述缺点使得暗挖隧道施工方法在应用时有一定局限性。

基于传统喷锚支护体系，许多学者提出了以波纹钢板为主要支撑结构的支护体系。波纹钢板具有强度高，抗弯性能良好等优点，波纹钢板等其他构件为装配式构件，工厂预制完成后现场拼装，施工简便，有效减少了施工周期，同时工厂预制保证了构件的精度，使施工质量得到满足。以波纹钢板作为支护结构，不需要在施工过程中喷射混凝土，减少了混凝土的使用，施工成本降低。

目前波纹钢板隧道支护体系中仍存在许多不足：

1)现有技术中对于隧道支护中的超前支护介绍很少，没有说明超前小导管在整个波纹钢板支护体系中如何和其他构件进行组合，也没有配套的施工方法，使得在施工过程中难以真正应用。

2)现有的技术中对于波纹钢板和环形梁的加固常采用钢支撑、角钢等构件，施工工序复杂且增加了施工周期和施工成本。

3)现有技术中波纹钢板纵向之间连接采用螺栓进行直接连接，无论采用搭接方式还是法兰盘，都很难实现对波纹钢板背后部分螺栓的固定。

现有技术具体如下：

1)波纹钢板隧道初期支护结构和隧道(授权公告号CN 212337366 U)

不足：环形梁和波纹钢板采用不同的加固措施来增强施工过程中上台阶的支撑能力，这些措施使得施工工序变得复杂，增加了施工周期，且需要的钢支撑、角钢和肋板数量较多，施工成本增加，同时本专利中没有配套的超前支护体系，使得该专利的应用有了一定的限制。

2)支护用波纹钢板组件和隧道支护方法(授权公告号CN 107435547 B)

不足：该专利中为了保证连接的牢固性，相邻的波纹钢板单元之间采用搭接方式用螺栓进行连接，无其他构件作为纵向波纹钢板之间的连接构件。此方法在施工过程中难以实现，波纹钢板背后是围岩，当相邻的波纹钢板单元之间搭接完成之后，难以对波纹钢板背后部分的螺栓进行固定。

3)一种钢—FRP复合波纹钢板隧洞支护方法(申请公布号CN 107780949 A)

不足：该专利对于隧道超前支护部分未做详细介绍，只是简单说明开挖前通过超前注浆小导管提前注浆对围岩进行加固，无相关的施工方法。同时该专利中波纹钢板纵向之间通过法兰和两排螺栓进行连接，该方法在施工过程中难以实现，波纹钢板背后是围岩，导致波纹钢板连接处的上排螺栓难以安装。该专利上台阶的波纹钢板、侧墙波纹钢板都是通过拱脚处的锁脚锚杆进行固定，这种方法需在波纹钢板预留较多孔洞，破坏了波纹钢板的完整性。

发明内容

本发明公开了一种装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系及其施工方法，构件由工厂标准化生产，现场装配，节省施工时间，可实现围岩的快速封闭，完成隧道的初期支护；具有工程成本低、质量轻、承载能力强、修复简便等优势。

本发明的技术方案如下：

一种装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，包括波纹钢-充填层组合板、钢管-混凝土组合梁、超前小导管及H型钢承托结构，钢管-混凝土组合梁是设置于上一榀波纹钢-充填层组合板与下一榀波纹钢-充填层组合板之间的连接构件；波纹钢-充填层组合板包括上台阶部分和下台阶部分，上台阶部分与下台阶部分通过H型钢承托结构组合在一起，H型钢承托结构的端头与钢管-混凝土组合梁通过高强螺栓固定连接；多根超前小导管贯穿钢管-混凝土组合梁后插入隧道开挖掌子面前方，超前小导管的尾端设置在钢管-混凝土组合梁上，超前小导管与波纹钢-充填层组合板之间的夹角为8～12°。

进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，其中所述波纹钢-充填层组合板包括波纹钢板和混凝土充填层；所述波纹钢板预留注浆孔一，通过注浆孔一对波纹钢板背后进行注浆，在波纹钢板背后与围岩界面之间形成混凝土充填层；所述波纹钢板与混凝土充填层形成组合结构共同受力以提高支撑能力。

进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，所述波纹钢板边缘焊接法兰；所述法兰上预留螺栓孔一；所述多个波纹钢板之间通过高强螺栓进行连接与错缝拼装。进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，所述波纹钢板分别为第一波纹钢板、第二波纹钢板、第三波纹钢板与第四波纹钢板；波纹钢-充填层组合板的上台阶部分由第一波纹钢板、第二波纹钢板及第三波纹钢板组合连接而成，第三波纹钢板的两端分别与第一波纹钢板及第二波纹钢板连接在一起；波纹钢-充填层组合板的下台阶部分由第四波纹钢板构成。

进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，所述第一波纹钢板、第二波纹钢板均连接于所述钢管-混凝土组合梁与第三波纹钢板之间，其二者的性质为过渡波纹钢板；第一波纹钢板、第二波纹钢板的波形为大波形与小波形的过渡波，大波形尺寸与第三波纹钢板一致，小波形尺寸小于第三波纹钢板的波形尺寸；第一波纹钢板板与第二波纹钢板在钢管-混凝土组合梁与第三波纹钢板之间起到过渡作用，有效降低超前小导管角度，避免波纹钢板与超前小导管施工过程中发生碰撞。

进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，所述波纹钢板构件背面波谷处焊接剪力钉，以提高波纹钢板与混凝土充填层之间的抗滑移性能。

进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，其中所述钢管-混凝土组合梁包括环状的钢管和管内混凝土，所述管内混凝土灌注在所述钢管内部；所述钢管由钢管构件拼装而成，所述钢管构件设有承插结构、螺栓孔二、预留孔及注浆孔二，所述钢管构件之间通过承插结构拼装在一起；所述预留孔用于承托所述超前小导管，所述注浆孔二用于向所述钢管内部注浆；所述承插结构之间、所述钢管与所述波纹钢板之间均采用高强度螺栓进行连接。

进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，其中所述H型钢承托结构包括H型钢及锁脚锚杆；所述H型钢的腹板设有加劲肋和锁脚锚杆孔；通过所述锁脚锚杆孔向围岩内钻孔，将所述锁脚锚杆贯穿所述锁脚锚杆孔后插入围岩，以此将所述H型钢固定于围岩之上；所述H型钢两端焊接端头连接板，所述端头连接板设有螺栓孔三；所述H型钢的上、下翼缘部分设有螺栓孔四；所述H型钢之间、所述H型钢与所述波纹钢板之间、所述H型钢与所述钢管-混凝土组合梁之间均采用高强螺栓进行连接。

上述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系的施工方法，包括如下步骤：

1)进行超前支护作业：

在隧道洞口处先进行所述钢管构件的拼接工作，所述钢管构件之间通过所述承插结构进行连接，由一侧向另一侧依次进行拼接施工；所述钢管构件拼装完成之后，通过所述预留孔向围岩内进行钻孔，再向围岩打入所述超前小导管，随后对所述超前小导管进行注浆，实现施工过程的超前支护作业；

2)进行上台阶支护施工：

首先对隧道上台阶部分进行开挖，保留核心土部分；开挖完成后安装H型钢，在拱脚处的标高位置安装H型钢，通过所述锁脚锚杆孔向围岩内进行钻孔，再向围岩打入锁脚锚杆，以此对H型钢进行固定，再将所述钢管构件与H型钢通过高强螺栓连接；

随后进行波纹钢板的拼装工作，先进行第一波纹钢板的拼装工作，第一波纹钢板的拼装从两侧向拱顶进行拼装，第一波纹钢板在拱脚两侧与H型钢连接，第一波纹钢板与所述钢管构件通过高强螺栓进行连接；第一波纹钢板拼装完成之后进行第三波纹钢板的拼装工作，第三波纹钢板拼装完成之后拼装第二波纹钢板，第二波纹钢板与下一环的钢管构件通过高强螺栓进行连接；第三波纹钢板、第二波纹钢板在拱脚两侧与H型钢连接；第一波纹钢板、第三波纹钢板、第二波纹钢板之间通过高强螺栓连接；所述波纹钢板的拼装方式采用错缝拼装；

3)进行隧道下台阶施工：

对隧道上台阶核心土部分与下台阶部分进行开挖；开挖完成之后进行第四波纹钢板的拼装，拼装顺序为从两侧向底部对称施工，下台阶两侧的第四波纹钢板与H型钢通过高强螺栓进行连接，使上、下台阶的波纹钢板形成一个封闭的环状整体，拼装完一环之后，沿纵向施工进行下一环的隧道支护施工；

4)进行注浆施工：

所述波纹钢板拼装完成之后，通过注浆孔二对所述钢管构件内部灌注混凝土浆液，形成管内混凝土；然后通过注浆孔一对所述波纹钢板背后灌注混凝土浆液，注浆顺序为从两侧向中间沿纵向施工方向注浆，形成混凝土充填层；所述波纹钢板通过所述剪力钉与所述混凝土充填层形成组合结构，待混凝土初凝后，即形成了完整的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系。

进一步地，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系的施工方法，所述钢管拼装方式为半环或整环。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出了基于波纹钢板-充填层组合板结构与钢管-混凝土组合梁结构的隧道初期支护理念，通过在波纹钢板构件背后和钢管构件内部充填混凝土的方式，形成组合结构，以解决钢结构承载能力低、混凝土结构抗变形能力差的问题，提高了支护结构的承载能力。

2)本发明提出了钢管-混凝土组合梁构件，用该构件作为上一环与下一环波纹钢板之间的连接构件，解决了纵向波纹钢板之间通过螺栓连接不便的缺点。该构件中钢管预留有与两侧波纹钢板连接的螺栓孔、用于钢管自身拼装成环的承插结构、用于承托超前小导管的预留孔以及用于钢管内部注浆的注浆孔。钢管内部灌浆，不仅可以形成组合结构，提高构件承载能力，同时也提高了该连接节点处的连接强度。

3)本发明提出了波纹钢板、钢管与超前小导管的组合支护体系，完整的介绍了波纹钢板隧道支护体系中超前支护的施工方法，弥补了目前相关技术领域的空缺，解决了单纯采用波纹钢板支护时，超前小导管穿切波纹钢板，造成波纹钢板强度降低的问题。同时为满足超前小导管的角度要求，在上台阶施工部分采用三种不同的波纹钢板，使波纹钢板、方钢管、超前小导管之间的连接更加合理，施工过程更加简便。

4)本发明设计了将加肋H型钢构件作为上台阶与下台阶构件的连接件，该构件腹部焊接加劲肋提高抗压能力、腹板预留锁脚锚杆孔用于打入锁脚锚杆，端部设置连接板实现自身拼接，有效解决拱脚收缩及上台阶承托的问题。

附图说明

图1为装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系总体结构图；

图2为第一波纹钢板构件结构图；

图3为第三波纹钢板构件结构图；

图4为钢管构件结构图；

图5为超前支护结构连接效果图；

图6为超前支护结构连接纵断面图；

图7为H型钢承托结构图。

图中：1-波纹钢-充填层组合板，2-钢管-混凝土组合梁，3-H型钢承托结构，5-剪力钉，6-高强螺栓，11-第一波纹钢板，12-第二波纹钢板，13-第三波纹钢板，14-第四波纹钢板，15-混凝土充填层，16-法兰，161-螺栓孔一，17-注浆孔一，21-钢管构件，22-超前小导管，23-管内混凝土，31-H型钢，32-锁脚锚杆，211-预留孔，212-注浆孔二，213-承插结构，214-螺栓孔二，311-锁脚锚杆孔，312-加劲肋，313-端头连接板，314-螺栓孔三，315-螺栓孔四。

具体实施方式

如图1-7所示，一种装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系，包括波纹钢-充填层组合板1、钢管-混凝土组合梁2、超前小导管22及H型钢承托结构3；钢管-混凝土组合梁2是设置于上一榀波纹钢-充填层组合板1与下一榀波纹钢-充填层组合板1之间的连接构件；波纹钢-充填层组合板1包括上台阶部分和下台阶部分，上台阶部分与下台阶部分通过H型钢承托结构3组合在一起，H型钢承托结构3的端头与钢管-混凝土组合梁2通过高强螺栓6固定连接；多根超前小导管22贯穿钢管-混凝土组合梁2后插入隧道开挖掌子面前方，超前小导管22的尾端设置在钢管-混凝土组合梁2上，超前小导管22与波纹钢-充填层组合板1之间的夹角为10°。

所述波纹钢-充填层组合板1包括波纹钢板和混凝土充填层15；所述波纹钢板预留注浆孔一17，通过注浆孔一17对波纹钢板背后进行注浆，在波纹钢板背后与围岩界面之间形成混凝土充填层15；所述波纹钢板与混凝土充填层15形成组合结构共同受力以提高支撑能力。

所述波纹钢板边缘焊接法兰16；所述法兰16上预留螺栓孔一161；所述多个波纹钢板之间通过高强螺栓6进行连接与错缝拼装。所述波纹钢板分别为第一波纹钢板11、第二波纹钢板12、第三波纹钢板13与第四波纹钢板14；波纹钢-充填层组合板1的上台阶部分由第一波纹钢板11、第二波纹钢板12及第三波纹钢板13组合连接而成，第三波纹钢板13的两端分别与第一波纹钢板11及第二波纹钢板12连接在一起；波纹钢-充填层组合板1的下台阶部分由第四波纹钢板14构成。

所述第一波纹钢板11、第二波纹钢板12均连接于所述钢管-混凝土组合梁2与第三波纹钢板13之间，其二者的性质为过渡波纹钢板；第一波纹钢板11、第二波纹钢板12的波形为大波形与小波形的过渡波，大波形尺寸与第三波纹钢板13一致，小波形尺寸小于第三波纹钢板13的波形尺寸；第一波纹钢板板11与第二波纹钢板12在钢管-混凝土组合梁2与第三波纹钢板13之间起到过渡作用，有效降低超前小导管22角度，避免波纹钢板与超前小导管22施工过程中发生碰撞。

所述第一波纹钢板11的尺寸为波距×波高×壁厚＝230mm×64mm×5mm；第二波纹钢板12的尺寸为波距×波高×壁厚＝230mm×64mm×5mm；第一波纹钢板11、第二波纹钢板12边缘连接处的半个周期采用与第三波纹钢板13相同的尺寸；第三波纹钢板13的尺寸为波距×波高×壁厚＝400mm×150mm×5mm；第四波纹钢板14的尺寸为波距×波高×壁厚＝400mm×150mm×5mm；第一波纹钢板11有一种规格，弧长为3米；第二波纹钢板12、第三波纹钢板13有两种规格，弧长分别为1.5米和3.0米。

所述波纹钢板构件背面波谷处焊接剪力钉5，所述剪力钉5为直径10mm、长度100mm的圆头栓钉。

所述钢管-混凝土组合梁2包括环状的钢管和管内混凝土23，所述管内混凝土23灌注在所述钢管内部；所述钢管由钢管构件21拼装而成，所述钢管构件21设有承插结构213、螺栓孔二214、预留孔211及注浆孔二212，所述钢管构件21之间通过承插结构213拼装在一起，所述预留孔211用于承托所述超前小导管22，所述注浆孔二212用于向所述钢管内部注浆，所述承插结构213之间、所述钢管与所述波纹钢板之间均采用高强螺栓6进行连接。

所述超前小导管22采用直径38mm-50mm无缝钢管制作；所述超前小导管22的前端为10cm长的圆锥状，后端100cm内不开孔，剩余部分按20～30cm梅花形布设直径6mm的溢浆孔。

所述H型钢承托结构3包括H型钢31及锁脚锚杆32，所述H型钢31的腹板设有加劲肋312和锁脚锚杆孔311；通过所述锁脚锚杆孔311向围岩内钻孔，将所述锁脚锚杆32插入围岩，以此将所述H型钢31固定于围岩之上；所述H型钢31两端焊接端头连接板313，所述端头连接板313设有螺栓孔三314；所述H型钢31的上、下翼缘部分设有螺栓孔四315；所述H型钢31之间、所述H型钢31与所述波纹钢板之间、所述H型钢31与所述钢管-混凝土组合梁2之间均采用高强度螺栓6进行连接。

实施例1

上述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系的施工方法，包括如下步骤：

1)进行超前支护作业：

在隧道洞口处先进行所述钢管构件21的拼接工作，所述钢管构件21之间通过所述承插结构213进行连接，由一侧向另一侧依次进行拼接施工；所述钢管构件21拼装完成之后，通过所述预留孔211向围岩内进行钻孔，再向围岩打入所述超前小导管22，随后对所述超前小导管22进行注浆，实现施工过程的超前支护作业；

2)进行上台阶支护施工：

首先对隧道上台阶部分进行开挖，保留核心土部分；开挖完成后安装H型钢31，在拱脚处的标高位置安装H型钢31，通过所述锁脚锚杆孔311向围岩内进行钻孔，再向围岩打入锁脚锚杆32，以此对H型钢31进行固定，再将所述钢管构件21与H型钢通过高强螺栓连接；

随后进行波纹钢板的拼装工作，先进行第一波纹钢板11的拼装工作，第一波纹钢板11的拼装从两侧向拱顶进行拼装，第一波纹钢板11在拱脚两侧与H型钢31连接，第一波纹钢板11与所述钢管构件21通过高强螺栓6进行连接；第一波纹钢板11拼装完成之后进行第三波纹钢板13的拼装工作，第三波纹钢板13拼装完成之后拼装第二波纹钢板12，第二波纹钢板12与下一环的钢管构件21通过高强螺栓6进行连接；第三波纹钢板13、第二波纹钢板12在拱脚两侧与H型钢31连接；第一波纹钢板11、第三波纹钢板13、第二波纹钢板12之间通过高强螺栓6连接；所述波纹钢板的拼装方式采用错缝拼装；

3)进行隧道下台阶施工：

对隧道上台阶核心土部分与下台阶部分进行开挖；开挖完成之后进行第四波纹钢板14的拼装，拼装顺序为从两侧向底部对称施工，下台阶两侧的第四波纹钢板14与H型钢31通过高强螺栓6进行连接，使上、下台阶的波纹钢板形成一个封闭的环状整体，拼装完一环之后，沿纵向施工进行下一环的隧道支护施工；

4)进行注浆施工：

所述波纹钢板拼装完成之后，通过注浆孔二212对所述钢管构件21内部灌注混凝土浆液，形成管内混凝土23；然后通过注浆孔一17对所述波纹钢板背后灌注混凝土浆液，注浆顺序为从两侧向中间沿纵向施工方向注浆，形成混凝土充填层15；所述波纹钢板通过所述剪力钉5与所述混凝土充填层15形成组合结构，待混凝土初凝后，即形成了完整的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系。

实施例2

与实施例1不同之处在于，所述的装配式波纹钢-充填层复合隧道支护体系的施工方法，所述钢管构件21拼装方式为整环结构，第四波纹钢板14与所述钢管构件21通过高强度螺栓6连接。