(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 210622821 U(45)授权公告日 2020.05.26
(21)申请号 201921291898.7(22)申请日 2019.08.09
(73)专利权人 长沙理工大学
地址 410015 湖南省长沙市天心区赤岭路
178号(72)发明人 黄戡 张艺杰 胡浩 王栋 邱朗
彭俊 周经伟 孙逸玮 (74)专利代理机构 北京润平知识产权代理有限
公司 11283
代理人 黄志兴(51)Int.Cl.
E21D 11/18(2006.01)E21D 11/22(2006.01)E21D 17/00(2006.01)E21D 20/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图3页
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
CN 210622821 U(54)实用新型名称
一种偏压隧道拱架和偏压隧道拱架挑顶结构
(57)摘要
本实用新型涉及隧道挑顶施工工程，具体公开了一种偏压隧道拱架，包括偏压隧道拱架主体(1)，所述偏压隧道拱架主体(1)包括并排设置的立柱(11)和位于所述立柱(11)上端的扇形支撑拱架(12)，所述扇形支撑拱架(12)的两端分别对应地与并排的所述立柱(11)的行端连接，所述扇形支撑拱架(12)沿着所述偏压隧道拱架主体(1)朝向并排的所述立柱(11)所处的平面一侧倾斜。此外，本实用新型还涉及一种偏压隧道拱架挑顶结构。本实用新型的偏压隧道拱架结构性能稳定，安全性能高，同时制造成本较低，经济性能较高。
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权 利 要 求 书
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1.一种偏压隧道拱架，其特征在于，包括偏压隧道拱架主体(1)，所述偏压隧道拱架主体(1)包括并排设置的立柱(11)和位于所述立柱(11)上端的扇形支撑拱架(12)，所述扇形支撑拱架(12)的两端分别对应地与并排的所述立柱(11)的行端连接，所述扇形支撑拱架(12)沿着所述偏压隧道拱架主体(1)朝向并排的所述立柱(11)所处的平面一侧倾斜。
2.根据权利要求1所述的偏压隧道拱架，其特征在于，所述扇形支撑拱架(12)包括至少两段弧形支撑梁，各所述弧形支撑梁首尾连接。
3.根据权利要求2所述的偏压隧道拱架，其特征在于，所述扇形支撑拱架(12)的两端分别对应地与并排的所述立柱(11)的行端焊接为一体或通过连接接头结构(13)连接；各所述弧形支撑梁首尾焊接为一体或通过连接接头结构(13)连接；所述偏压隧道拱架主体(1)的下端端部设有地脚连接结构(14)。
4.根据权利要求3所述的偏压隧道拱架，其特征在于，所述扇形支撑拱架(12)与所述连接接头结构(13)之间采用螺钉、螺栓或螺柱连接；各所述立柱(11)的行端与所述连接接头结构(13)之间采用螺钉、螺栓或螺柱连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的偏压隧道拱架，其特征在于，所述扇形支撑拱架(12)与并排的所述立柱(11)所处的平面之间的倾斜夹角(5)的角度为0-45度。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的偏压隧道拱架，其特征在于，所述扇形支撑拱架(12)和所述立柱(11)为工字钢和钢板焊接成型。
7.一种偏压隧道拱架挑顶结构，其特征在于，包括多个根据权利要求1至6中任一项所述的偏压隧道拱架、多个与各所述偏压隧道拱架连接的连接横梁(2)、设于该所述偏压隧道拱架挑顶结构一端上部的横向支护横梁(3)和多个沿着所述偏压隧道拱架主体(1)的径向方向设置的锚杆结构(4)，各扇形支撑拱架(12)的倾斜方向一致，以适于减少施工扰动对偏压隧道产生的滑移。
8.根据权利要求7所述的偏压隧道拱架挑顶结构，其特征在于，各所述偏压隧道拱架主体(1)之间的距离为0.3-1.2米。
9.根据权利要求7所述的偏压隧道拱架挑顶结构，其特征在于，各所述锚杆结构(4)的一端与各所述偏压隧道拱架主体(1)连接。
10.根据权利要求9所述的偏压隧道拱架挑顶结构，其特征在于，各所述锚杆结构(4)的长度为2-4米。
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说 明 书
一种偏压隧道拱架和偏压隧道拱架挑顶结构
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技术领域
[0001]本实用新型涉及隧道挑顶施工工程，具体地，涉及一种偏压隧道拱架。此外，本实用新型还涉及一种偏压隧道拱架挑顶结构。
背景技术
[0002]改革开放以来，隧道建设行业得到迅猛发展，隧道的长度和埋深也在不断加大。[0003]由于工程和工期的需要，在隧道施工过程中往往会开辟新的工作面以形成辅助坑道，在现有的辅助坑道挑顶施工技术中，会在与正线交点处立竖向钢拱架作为临时支护，然后利用人工挖掘导洞进入正线，随后会安装钢拱架以提供支撑，之后拆除临时支护并向两边开挖，形成正线断面。这种方法被广泛使用，但是这种方法在使用过程中也存在一些问题，比如：钢拱架临时支护是直立的，如果遇到偏压隧道，竖向的临时支护不能完全支撑，围岩会沿着层面倾角滑移导致变形坍塌。同时，辅助坑道的断面相较于正线断面较小，因此需在辅助坑道的交点界形成挑顶段。现有技术的挑顶段形成的空间交叉结构容易产生应力集中现象，成为受力薄弱环节，可能会造成隧道大变形甚至坍塌，不仅给隧道施工带来极大的安全隐患，同时也会延缓施工进度、提高工程造价。尤其是在偏压隧道中，由于围岩应力不平衡，在施工过程中更易产生滑移现象，存在极大的安全隐患。[0004]有鉴于此，需要提供一种偏压隧道拱架，以保证辅助坑道进入正线时使用的偏压隧道拱架的结构性能稳定，安全性能高，同时制造成本较低，经济性能较高。实用新型内容
[0005]本实用新型首先要解决的问题是提供一种偏压隧道拱架，该偏压隧道拱架结构性能稳定，安全性能高，同时制造成本较低，经济性能较高。[0006]此外，本实用新型还要解决的问题是提供一种偏压隧道拱架挑顶结构，该偏压隧道拱架挑顶结构内的偏压隧道拱架结构性能稳定，安全性能高，同时制造成本较低，经济性能较高。
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型一方面提供一种偏压隧道拱架，包括偏压隧道拱架主体，所述偏压隧道拱架主体包括并排设置的立柱和位于所述立柱上端的扇形支撑拱架，所述扇形支撑拱架的两端分别对应地与并排的所述立柱的行端连接，所述扇形支撑拱架沿着所述偏压隧道拱架主体朝向并排的所述立柱所处的平面一侧倾斜。[0008]作为本实用新型的一个优选结构形式，所述扇形支撑拱架包括至少两段弧形支撑梁，各所述弧形支撑梁首尾连接
[0009]作为本实用新型的一个优选结构形式，所述扇形支撑拱架的两端分别对应地与并排的所述立柱的行端焊接为一体或通过连接接头结构连接；各所述弧形支撑梁首尾焊接为一体或通过连接接头结构连接；所述偏压隧道拱架主体的下端端部设有地脚连接结构。[0010]更优选地，所述扇形支撑拱架与所述连接接头结构之间采用螺钉、螺栓或螺柱连接；各所述立柱的行端与所述连接接头结构之间采用螺钉、螺栓或螺柱连接。
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说 明 书
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作为本实用新型的一个具体地结构形式，所述扇形支撑拱架与并排的所述立柱所
处的平面之间的倾斜夹角的角度为0-45度。
[0012]作为本实用新型的另一个具体地结构形式，所述扇形支撑拱架和所述立柱为工字钢和钢板焊接成型。[0013]此外，本实用新型还提供一种偏压隧道拱架挑顶结构，包括多个根据上述技术方案中任一项所述的偏压隧道拱架、多个与各所述偏压隧道拱架连接的连接横梁、设于该所述偏压隧道拱架挑顶结构一端上部的横向支护横梁和多个沿着所述偏压隧道拱架主体的径向方向设置的锚杆结构，各扇形支撑拱架的倾斜方向一致，以适于减少施工扰动对偏压隧道产生的滑移。
[0014]作为本实用新型的一个具体实施方式，各所述偏压隧道拱架主体之间的距离为0.3-1.2米。
[0015]作为本实用新型的另一个具体实施方式，各所述锚杆结构的一端与各所述偏压隧道拱架主体连接。
[0016]作为本实用新型的又一个具体实施方式，各所述锚杆结构的长度为2-4米。[0017]通过上述技术方案，本实用新型的偏压隧道拱架包括偏压隧道拱架主体，所述偏压隧道拱架主体包括并排设置的立柱和位于所述立柱上端的扇形支撑拱架，所述扇形支撑拱架的两端分别对应地与并排的所述立柱的行端连接，所述扇形支撑拱架沿着所述偏压隧道拱架主体朝向并排的所述立柱所处的平面一侧倾斜。本实用新型的偏压隧道拱架通过将所述扇形支撑拱架沿着所述偏压隧道拱架主体朝向并排的所述立柱所处的平面一侧倾斜，以适应多种地质要求的辅助隧道的施工要求，结构简单灵活，性能稳定，在使用过程中能够有效防止施工扰动对偏压隧道产生的滑移，安全可靠，同时，制造和施工比较简单，经济性能较高。
[0018]有关本实用新型的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
附图说明
[0019]图1是本实用新型的偏压隧道拱架的一个实施例的侧面结构示意图；[0020]图2是本实用新型的偏压隧道拱架的一个实施例的正面结构示意图；
[0021]图3是本实用新型的偏压隧道拱架挑顶结构的一个实施例的侧面结构示意图；[0022]图4是本实用新型的偏压隧道拱架挑顶结构的一个实施例的正面结构示意图；[0023]图5是本实用新型的偏压隧道拱架挑顶结构的一个实施例的施工结构示意图。[0024]附图标记说明
[0025]1偏压隧道拱架主体 11立柱[0026]12扇形支撑拱架 13连接接头结构[0027]14地脚连接结构 2连接横梁[0028]3横向支护横梁 4锚杆结构[0029]5倾斜夹角 6辅助坑道
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具体实施方式
[0030]以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。[0031]在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。[0032]参见图1和图2所示，本实用新型的偏压隧道拱架包括偏压隧道拱架主体1，所述偏压隧道拱架主体1包括并排设置的立柱11和位于所述立柱11上端的扇形支撑拱架12，所述扇形支撑拱架12的两端分别对应地与并排的所述立柱11的行端连接，所述扇形支撑拱架12沿着所述偏压隧道拱架主体1朝向并排的所述立柱11所处的平面一侧倾斜。[0033]作为本实用新型的一个优选结构形式，所述扇形支撑拱架12包括至少两段弧形支撑梁，各所述弧形支撑梁首尾连接。在生产该扇形支撑拱架12过程中，利用多段弧形支撑梁首尾连接，形成整体的扇形支撑拱架12，能够降低生产难度和运输成本，减少生产成本。[0034]作为本实用新型的另一个优选结构形式，所述扇形支撑拱架12的两端分别对应地与并排的所述立柱11的行端焊接为一体或通过连接接头结构13连接；各所述弧形支撑梁首尾焊接为一体或通过连接接头结构13连接；所述偏压隧道拱架主体1的下端端部设有地脚连接结构14。在本实用新型的偏压隧道拱架的一个具体实施例中，左右并排各设有一根立柱11，各所述弧形支撑梁首尾焊接为一体或通过连接接头结构13连接为所述扇形支撑拱架12，所述扇形支撑拱架12的两端分别与两根立柱11的一端连接，从正面看，形成圆拱门形式的拱架结构；而从侧面看，拱架的上部向一侧倾斜。[0035]更优选地，所述扇形支撑拱架12与所述连接接头结构13之间采用螺钉、螺栓或螺柱连接；各所述立柱11的行端与所述连接接头结构13之间采用螺钉、螺栓或螺柱连接。本实用新型的所述扇形支撑拱架12与所述连接接头结构13之间、各所述立柱11的行端与所述连接接头结构13之间采用螺钉、螺栓或螺柱连接，但是不仅限于上述的连接方式。螺钉、螺栓或螺柱等紧固件的连接，便于安装和拆卸，方式比较灵活，且拆卸后的零件可用于再次使用，经济环保。
[0036]作为本实用新型的一个具体结构形式，所述扇形支撑拱架12与并排的所述立柱11所处的平面之间的倾斜夹角5的角度为0-45度。本实用新型的偏压隧道拱架的倾斜夹角5是根据偏压隧道围岩走向确定的。
[0037]作为本实用新型的另一个具体结构形式，所述扇形支撑拱架12和所述立柱11为工字钢和钢板焊接成型。在本实用新型的偏压隧道拱架结构中，优先选择型号为20#B的工字钢，在焊接过程中，需要辅助使用加强筋和连接钢板，接头处焊缝厚度为10mm。在本实用新型的偏压隧道拱架结构中，拱架焊接及螺栓连接按照《钢结构工程施工验收规范》的要求办理，以确保拱架施做质量，保证生产的安全。[0038]如图3至图5所示，本实用新型另一方面还提供一种偏压隧道拱架挑顶结构，包括多个根据上述技术方案中任一项所述的偏压隧道拱架、多个与各所述偏压隧道拱架连接的连接横梁2、设于该所述偏压隧道拱架挑顶结构一端上部的横向支护横梁3和多个沿着所述
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偏压隧道拱架主体1的径向方向设置的锚杆结构4，各扇形支撑拱架12的倾斜方向一致，以适于减少施工扰动对偏压隧道产生的滑移。
[0039]作为本实用新型的一个优选实施方式，各所述偏压隧道拱架主体1之间的距离为0.3-1.2米。
[0040]作为本实用新型的另一个优选实施方式，各所述锚杆结构4的一端与各所述偏压隧道拱架主体1连接。[0041]更优选地，各所述锚杆结构4的长度为2-4米。[0042]在这里需要说明的是，本实用新型的偏压隧道拱架挑顶结构主要是用于辅助坑道6进入正线的挑顶结构，其具体实施步骤如下：[0043]一、辅助坑道6的挖掘和支护；[0044]二、辅助坑道6接近正线5-10米的范围内时，采用超前地质预报的手段判断前方围岩的节理和走向；[0045]三、根据围岩的节理和走向确定偏压隧道拱架的倾斜夹角；[0046]四、由辅助坑道6向正线开挖时，距离正线5-10米范围内初期支护加强，偏压隧道拱架的间距约为1米，各偏压隧道拱架之间需要采用焊接，形成加强段；[0047]五、施做偏压隧道拱架的同时竖向向岩体打入两米长的锚杆结构，各锚杆结构间距0.5米；[0048]六、辅助坑道6施工至隧道正线一侧边墙后，在偏压隧道拱架的拱部采用上台阶断面开挖，再逐步扩大施工断面，直至隧道正线的标准断面，喷射3-5厘米厚的混凝土临时防护；
[0049]七、进入隧道正线范围后，辅助坑道6的开挖及初期支护需比隧道正线拱部相应设计标高加大，以保证增加偏压隧道拱架后的支护厚度；[0050]八、隧道正线施工空间满足后，两侧可以同时施工；隧道正线落底后满足仰拱、二次衬砌施工空间后及时进行锁口段仰拱、二次衬砌施工，以确保施工安全。
[0051]在本实用新型的隧道偏压拱架及偏压隧道拱架挑顶结构提供以下具体施工方式：当辅助坑道6施工到靠近正线隧道5-10米的范围时，就需要根据超前地质预报测出偏压隧道围岩走向，从而可根据偏压隧道围岩倾角和走向来确定异形钢拱架的尺寸，在图5所示的具体实施例中，测得围岩倾角约为30度左右，因此可确定偏压隧道拱架的倾斜夹角5为30度。各隧道偏压拱架的尺寸确定后开始制作，各隧道偏压拱架主体的扇形支撑拱架12和立柱11均采用规格型号为20#B的工字钢、加强筋和连接钢板焊接组成，接头处焊缝厚度为10毫米，各单元间则采用螺栓连接，钢拱架焊接及螺栓连接按照《钢结构工程施工验收规范》的要求办理，以确保钢拱架施做质量。在施工过程中，以单个偏压隧道拱架为一个施工模块，各偏压隧道拱架在施工过程中按照间距1米施工，越靠近正线隧道时，其间距则逐渐减小，可控制在0.5-0.8米之间，各个偏压隧道拱架之间采用连接横梁2连接，可直接焊接，也可以采用螺栓等紧固件连接。在施做偏压隧道拱架的同时，可以施做锚杆结构4，锚杆结构4采用直径为22毫米的HPB400钢筋作为砂浆锚杆，该砂浆锚杆的长度为3米，各砂浆锚杆之间的间距为0.5米，各砂浆锚杆按梅花形沿径向布置，根据与岩层层面的关系做出适当调整。在这里需要说明的是，每一榀偏压隧道拱架单侧的锚杆结构4不能少于4根，锚杆结构4的长度不能小于3米，需要注入水泥砂浆，以保证锚杆结构4与各偏压隧道拱架之间的连接的牢
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固性，防止偏压隧道拱架在使用过程中出现滑移或下沉的现象，影响使用的安全性。本实用新型的偏压隧道拱架和偏压隧道拱架挑顶结构能够对辅助坑道6的支护进行加强，确保下步正线隧道跨越辅助坑道6提供支护保障。辅助坑道6接近正线隧道时因拱部上挑加高，可采用微台阶法施工，在正线隧道交界处落底完成，保证洞口加固支撑落于实处。进入正线隧道范围后其开挖及初期支护需比正线隧道拱部相应设计标高加大，以保证增加偏压隧道拱架的支护厚度，可增加10厘米。同时，考虑辅助坑道6到正线隧道上导偏压隧道拱架落脚位置的牢固性，辅助坑道6最后一榀偏压隧道拱架上必须提供一个牢固的落脚平台，在最后一榀偏压隧道拱架上沿正线隧道方向设置横向支护横梁3，如图4所示，横向支护横梁3采用双20#B型工字钢，牢固焊接于辅助坑道6偏压隧道拱架的拱顶，横向支护横梁3与侧洞钢架间空隙设20#B型工字钢竖向立柱11，立柱11与正线隧道拱架位置相对应，牢固焊接并喷射C25砼回填密实。辅助坑道6施工至正线隧道右侧边墙后，在拱部采用辅助坑道6上台阶断面开挖，再逐步扩大施工断面，直至正线隧道的标准断面，喷射3-5厘米厚混凝土临时防护。[0052]本实用新型的隧道偏压拱架及偏压隧道拱架挑顶结构与现有技术相比：[0053]一、偏压隧道拱架采用圆拱式结构，能够把连接处型钢所受一部分剪切应力变成压应力传递给横向连接的整体钢架，受力传递路径更合理，压力分布更加均匀；[0054]二、偏压隧道拱架挑顶结构更加符合偏压隧道的受力特点，开挖弧形轮廓使得围岩自承力增加，整个系统受力更合理；[0055]三、在偏压隧道拱架挑顶结构靠近正线隧道的一榀隧道偏压拱架上方设置横向支护横梁3，增加两者连接处的承压能力，且各隧道偏压拱架的外形轮廓与正线隧道的外形轮廓相近，能够减少超挖量，从而减少混凝土用量，能够加快施工进度；[0056]四、在偏压隧道拱架挑顶结构中采用锚杆结构4，能够更好的控制偏压隧道围岩的滑移，能够保证施工安全和质量。[0057]由以上描述可以看出，本实用新型的用于偏压隧道拱架，包括偏压隧道拱架主体1，所述偏压隧道拱架主体1包括并排设置的立柱11和位于所述立柱11上端的扇形支撑拱架12，所述扇形支撑拱架12的两端分别对应地与并排的所述立柱11的行端连接，所述扇形支撑拱架12沿着所述偏压隧道拱架主体1朝向并排的所述立柱11所处的平面一侧倾斜。本实用新型的偏压隧道异形钢拱架的挑顶技术，优化了受力体系、传力体系、减少了开挖面积、提高功效、加快了施工进度、降低了安全风险，安全、快速、优质、高效的完成了挑顶施工，取得了良好的效果，为极软弱破碎围岩挑顶施工积累了宝贵的经验。[0058]以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。[0059]另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。[0060]此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
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