一种基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法。

背景技术

随着我国城市化的不断推进，大跨浅埋隧道日益增多，其中下穿铁路、道路、地铁车站等建构筑物的案例越来越多，对隧道施工沉降要求越来越高，针对这类复杂条件隧道的管幕结构法也日益进入工程实践。

传统的管幕结构法是先利用小型盾构机或者顶管机沿隧道轮廓布置管幕，并进入管幕中切开各相邻的钢管、开挖管间土体，用钢板连接相邻管幕，然后在环向贯通的空间内铆扎钢筋，浇筑混凝土，形成内外弧形钢板，连接钢筋加钢筋混凝土的组合结构。

以上既有的管幕结构方法在实际的施工过程中存在管幕结构中钢筋接头多，曲线段中弯曲钢筋难以运入管幕结构施工、钢筋绑扎工序复杂、接头质量难以保证等问题，并且传统的管幕结构中，依赖钢筋混凝土实现对土体的承压能力，而管幕结构中的管幕单元剖开后形成的波浪型外壳仅做施工期的支撑，造成钢材浪费。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其中通过沿隧道轮廓环向间隔设置的管幕单元，且两相邻的管幕单元之间通过连接组件连接，实现管幕单元内部空间的连通，并在管幕单元内设置对应设置有加强组件用以提高管幕单元的结构强度，通过在管幕单元内部空间中浇筑混凝土形成钢管混凝土组合结构以作为隧道的支护体系。

为实现上述目的，本发明提供一种基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其包括沿隧道环向间隔设置的多个管幕单元和用以连接两相邻管幕单元的连接组件，其特征在于，

相邻的两所述管幕单元通过所述连接组件对应连接，并通过所述连接组件连通两相邻两所述管幕单元的内部空间；

所述管幕单元内部设置有加强组件，所述加强组件包括加肋板，所述加肋板对应设置在所述管幕单元的内周壁面上，用以提高所述管幕单元的结构强度。

作为本发明的进一步改进，所述管幕单元的两侧开设有贯穿所述管幕单元两端的通槽，两所述通槽槽口的内周壁面与所述连接组件的两端对应连接，且

所述连接组件沿所述管幕单元纵向延伸设置，使得相邻的两所述管幕单元的内部空间与外界隔绝。

作为本发明的进一步改进，所述连接组件包括支撑结构和两连接板；

两所述通槽槽口的两内侧壁面分别与两所述连接板对应连接，且

所述支撑结构的两端分别与相邻的两所述连接板对应连接，以提高所述连接组件的结构强度。

作为本发明的进一步改进，所述加强组件还包括拉结筋，所述拉结筋的两端分别与所述管幕单元的内壁面上相连。

作为本发明的进一步改进，所述连接组件向所述管幕单元内部延伸，所述肋板背离所述管幕单元内壁面的一端与所述连接组件相连。

作为本发明的进一步改进，所述肋板开设有通孔，以形成纵向上延伸的连通空间。

作为本发明的进一步改进，所述肋板上设置有锚固件，用以增强所述肋板与混凝土之间的联系。

本发明还公开了一种隧道支护施工方法，包括如下步骤：

S1、将所述管幕单元顶入预设位置；

S2、进行所述管幕单元的连接施工，包括如下步骤：

S21、在两相邻所述管幕单元的两相邻侧壁面上开设安装槽，

S22、在安装槽中插入所述连接组件，并将所述连接组件与所述安装槽槽口内壁上对应连接；

S23、在所述连接组件的内部进行所述支撑的焊接施工；

S24、在完成一处连接处的施工后，再重复S21～S23操作，完成该管幕单元纵向上的其它连接处的连接工作；

S3、在所述管幕单元内部进行焊接工作，将加强件和锚固件焊接在所述管幕单元内部；

S4、向所述管幕单元内部浇筑混凝土，使得混凝土与所述管幕单元及其内部结构形成钢-混组合结构。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述管幕单元的安装槽为贯穿所述管幕单元两端的通槽，将所述连接组件沿纵向连续设置，且

将纵向上两相邻的所述连接组件对应连接，使得所述管幕单元的内部空间与外界土体隔绝。

作为本发明的进一步改进，各步骤S1、S2、S3的施工工序中包括如下步骤：先完成位于隧道界限底部所述管幕单元的施工，其次进行隧道界限两侧所述管幕单元的施工，最后对位于隧道界限顶部所述管幕单元的施工。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其通过沿隧道环向间隔设置管幕单元，并通过连接组件将两相邻的管幕单元连接起来，其管幕单元之间的内部空间通过连接组件连通，并在其内部浇筑混凝土，使得管幕单元及其内部的钢结构与混凝土组成钢-混组合结构，以作为隧道的支护体系；

(2)本发明的基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其连接组件包括至少一个连接件以及支撑结构，连接件的两端分别与管幕单元所开设的安装槽槽口内侧壁面对应连接，支撑结构的两端分别与两相邻的连接件连接或者在连接件内部的两侧壁面上，以提高连接组件整体的结构强度，可有效控制钢管变形，使得连接组件足以承受土体压力；

(3)本发明的基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其通过在管幕单元的内侧壁面上设置有加强件，从而可有效控制开挖的地层变形；

(4)本发明的基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其通过将连接组件的端部向管幕单元内部延伸，使得连接组件与加强件连接，增强连接组件与管幕单元的联系，提高钢-混组合结构的结构强度；

(5)本发明的基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其通过在加强件上设置锚固件，用以加强混凝土与管幕单元内部钢结构的联系，使得钢-混组合结构稳定可靠。

附图说明

图1是本发明实施例中基于钢管混凝土结构的隧道支护的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中基于钢管混凝土结构的隧道支护的局部结构示意图；

图3是本发明一种实施例中肋板的结构示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1、管幕单元；2、连接钢板；3、支撑；4、肋板；5、拉结筋；6、锚固件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

本发明优选实施例中的基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法如图1～3中所示。其中，该钢管混凝土组合结构包括沿隧道轮廓环向间隔设置的管幕单元，且两相邻的管幕单元之间通过连接组件连接，实现管幕单元内部空间的连通，并在管幕单元内设置对应设置有加强组件用以提高管幕单元的结构强度，通过在管幕单元内部空间中浇筑混凝土形成钢管混凝土组合结构以作为隧道的支护体系。

如图1所示，该钢管混凝土组合结构包括沿隧道轮廓环向间隔设置的管幕单元1和用于连接相邻管幕单元1的连接组件，同时，连接组件用以将两相邻管幕单元1的内部空间连通，管幕单元1为沿隧道纵向布置的多个，以形成该隧道的支护结构。

进一步地，管幕单元1为沿隧道纵向延伸的管件结构，且两管幕单元1相邻的侧壁面上开设有安装槽，用以安装连接组件，连接组件的两端分别与两相邻管幕单元1上的安装槽槽口对应连接，使得两相邻管幕单元1的内部空间连通。进一步优选地，为了易于工作人员在管幕单元1内部进行相应的切割和焊接工作，管幕单元1的直径大于1.8米。

在一个优选实施例中，连接组件包括连接钢板2，且连接钢板2的两端分别对应两相邻管幕单元1的槽口内侧壁面对应焊接，使得两相邻管幕单元1相连。进一步优选地，连接钢板2为多个，且连接钢板2的两端均分别对应两管幕单元1安装槽槽口的内侧壁面焊接，且连接钢板2之间也对应侧边连接，使得连接组件整体形成管状结构，并用来连通两管幕单元1的内部空间。

在一个具体实施例中，连接钢板2为弧形结构，且两弧形钢板的两侧边对应连接，使得两弧形钢板拼接成一个完整圆管结构，对应的，两相邻管幕单元1之间的安装槽也开设为对应的圆形槽口，使得两弧形钢板可对应槽口内侧壁面焊接，并通过在两管幕单元1之间形成连接通道以实现两相邻管幕单元1的内部空间连通。进一步优选地，在圆管结构整体尺寸相对管幕单元1直径较小，圆管易于在管幕单元1内部运输的情况下，圆管结构可以一体成型设置，即连接组件为单一的圆管结构。

如图2所示，在实施例1中，安装槽为管幕单元1侧壁面上沿纵向延伸且贯穿两端面的通槽，且该通槽分设于管幕单元1的两侧，使得管幕单元1的结构包括沿隧道径向间隔设置的两钢管外壳，连接组件包括沿径向平行间隔分布的两连接钢板2，并分别与安装槽槽口的内侧壁面对应连接，以实现两相邻管幕单元1的连接。进一步优选地，连接钢板为沿纵向连续设置的多个，且连接钢板2相邻的侧边对应连接，以连通两相邻管幕单元1的内部空间，进而在环向上形成围绕在隧道限界外侧的环向连通空腔，且该空腔沿纵向延伸，并与外界隔绝。

进一步地，在连接组件还包括支撑3，用以将连接组件中的各连接件连接起来或者将单个连接件中的两内侧壁面连接起来，以提高连接组件的结构强度，使得连接组件可以承载土体压力。

如图2所示，在本申请的实施例1中，支撑3为钢立柱结构，其两端分别对应焊接两连接钢板2，用以提高连接组件的结构强度，且钢支柱与连接钢板2的焊接处与安装槽槽口内侧壁面对应，使得钢立柱在提高连接组件结构强度的同时也提高了管幕单元1的结构强度。进一步优选地，钢立柱为长杆结构，其长度方向为隧道径向，使得钢立柱3在隧道径向上支撑两连接钢板2，以增强其对土体的抗压能力。

进一步地，根据连接钢板2在隧道环向上的长度尺寸，钢立柱在两连接钢板之间设置有多个。进一步优选地，钢立柱结构内部浇筑有混凝土，通过钢管外壳和内部的混凝土形成钢-混组合结构，进一步提升连接组件对土体的承压能力。

在一个优选实施例中，连接钢板2的在隧道环向上的长度较长，其钢立柱包括分别设置在连接钢板2两侧的两个钢立柱(该钢立柱对应安装槽槽口设置)，在两钢立柱之间在设置有钢立柱，用来提升连接组件的结构强度。

进一步地，在管幕单元1中还设置有加强组件，用以提高管幕单元1的结构强度。加强组件包括肋板4和拉结筋5，分别用来加强管幕单元1的外壳结构强度以及管幕单元整体的结构强度。

在一个优选实施例中，肋板4为带有弧形边缘的直板，其弧形边缘与管幕单元1的内壁面相贴合，以增强管幕单元1外壳的结构强度，且肋板4沿管幕单元环向其内壁面设置有多个。进一步地，肋板4预先焊接在管幕单元1的钢管内侧壁面上，且纵向上的各肋板4之间设置有拉结筋5，拉结筋5的两端分别与管幕单元1的内壁面相连，进而提高管幕单元1的结构强度，同时还可以通过拉结筋5增强管幕单元1与混凝土之间的联系。

进一步地，在一个优选实施例中，管幕单元1的两侧连接组件的边缘向管幕单元1的内部延伸，且两侧连接组件对应连接，以形成环向上的连通空间，且在管幕单元1内部的连接组件部分通过肋板4与管幕单元1固定连接。进一步优选地，其连接组件可以为部分或者全部延伸进入管幕单元1的内部，且管幕单元1两侧的连接组件对应连接。

如图2、3所示，在实施例1中，连接钢板2向管幕单元1的内部延伸，使得连接钢板2的边缘伸入到管幕单元1的内部，且肋板4为T型板结构，T型肋板包括腹板和垂直于腹板设置的翼板，T型肋板为分设于管幕单元1两钢管外壳内壁面上的两个，其中T型板的腹板与管幕单元1的内壁面相贴合的边缘为弧形结构，其翼缘长度方向上的两端则分别与两连接钢板2对应连接，使得两肋板4与分设于其两侧的连接钢板2形成环向上的连通空腔。

在另一个具体实施例中，肋板4为沿纵向连续设置的多个，两相邻肋板4的翼缘对应焊接在一起，以将管幕单元1的内部空间分为沿径向依次划分的三部分，其中部即为环向上连通空间，并通过在肋板4的腹板上开设有第一通孔，使得上下两部分为纵向上延伸的连通空间，并在各连通空间中浇筑混凝土，以形成钢-混组合结构。

进一步地，在肋板4的翼板上对应开设有第二通孔，使得拉结筋5穿过该第二通孔，其两端分别与管幕单元1的两钢管外壳对应连接。进一步优选地，肋板4的翼板上还对应设置有锚固件6，锚固件6为按一定间隔设置的多个，且锚固件6优选为栓钉。

一种基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其包括如下步骤：

S1、作业人员根据拟开挖隧道轮廓，确定管幕单元1的预设位置，并在拟开挖隧道的限界外侧，沿隧道纵向方向插打管幕单元1，并沿环向依顺序间隔施工，直至形成围绕在隧道界限外侧的环形结构；

S2、作业人员进入到两相邻的管幕单元1中，在两相邻管幕单元1的两相邻侧壁面上开设有安装槽，并在安装槽中插入连接钢板2，两连接钢板2分别与两安装槽槽口的内侧壁面焊接在一起，并设置支撑3；

S3、作业人员进行管幕单元1的内部焊接工作，将加强件和锚固件焊接在管幕单元1内部；

S4、作业人员向管幕单元1的连通空腔内浇筑混凝土，混凝土与管幕单元1及其内部结构形成钢-混凝土结构；

S5、待混凝土养护完成后，完成隧道支护结构的施工。

在步骤S1中，管幕单元1为沿隧道纵向延伸的多个，并在完成纵向上的管幕单元1顶入施工后，将相邻的两管幕单元1端部对应焊接起来。

进一步地，在确定管幕单元1的预设位置后，先插打位于隧道限界底部的管幕单元1，在完成其施工后，在插打施工隧道限界两侧的管幕单元1，最后插打施工隧道限界顶部的管幕单元1。进一步优选地，环向上的顶入工作依顺序进行，即在一处管幕单元1的纵向施工完成后，在进行下一处的管幕单元1的顶入施工。

在步骤S2中，其包括如下步骤：

S21、工作人员进入到管幕单元1内部，切割管幕单元1的内壁面，将安装槽切割出来，进一步地，两相邻管幕单元的安装槽的切割工作应同时进行，以便尽快进行连接组件的焊接工作；

S22、在安装槽中插入两连接钢板2，两连接钢板2沿隧道径向平行分布设置，并将两连接钢板2的两端分别与安装槽槽口的内侧壁面对应焊接；

进一步地，两连接钢板2端部向管幕单元1的内部延伸一部分，用以实现连接钢板2与肋板4的对应连接；

S23、在完成连接钢板2与管幕单元1的连接工作后，清理两连接钢板2之间的土体，并将支撑3设置在连接钢板2之间，且支撑3的两端分别与两连接钢板2对应焊接起来；

进一步地，连接钢板2与支撑3的连接处同时对应管幕单元1安装槽槽口的内侧壁面，使得支撑3不光给两连接钢板2提供径向支撑，且同时还为管幕单元1的安装槽槽口处提供径向支撑，并提高了管幕单元1的结构强度；

S24、在完成一处连接区域的施工后，工作人员将安装槽沿纵向延伸，使得安装槽最终成型为贯穿管幕单元1两端的通槽，以在整个管幕单元1纵向上进行连续的连接处施工，其中，包括两种施工方法，

其一，以第一处施工点为起始点，工作人员沿纵向依次破除管幕单元1的侧壁面形成安装槽，并在纵向上每破除一段距离，就开始进行连接处的焊接工作，这样的施工方法可以确保施工精度，但是效率较低；

其二，在管幕单元1的内部沿其纵向间隔开设有多个安装槽，并同时进行相应的连接处焊接工作，在完成相应的焊接工作后，在两相邻安装槽之间继续开设安装槽，并进行连接处施工，该施工方法效率较高，但是存在一定的施工误差。

进一步需要说明的，在插打施工的过程中，需要对管幕单元1的偏转位置进行定位，在管幕单元1的内壁面上设置标记，通过顶管机或者小型盾构机在完成管幕单元1的插打施工的同时，将其标记处旋转至安装槽的预设位置，使得两相邻管幕单元1的安装槽槽口对准，并且在实际施工时，工作人员通过水平仪等装置确定该管幕单元1所处的位置，进而确定所要开设的安装槽槽口的位置，确保两管幕单元1间安装槽槽口的对准。

进一步地，在步骤2中，其整体的施工工序为：先完成隧道界限底部的管幕单元1的连接施工，在进行隧道限界两侧的管幕单元1的连接施工，最后完成隧道限界顶部中的管幕单元1的连接施工。

在步骤S3中，包括如下焊接工序：

S31、将肋板4分别焊接在管幕单元1径向上的顶部和底部的内侧壁面上(即两钢管外壳的内壁面)；

S32、在肋板4背离管幕单元1内侧壁面上的一端对应焊接有钢板件，且该钢板件与管幕单元1两侧的连接钢板2对应焊接在一起；

S33、肋板4上的钢板件上开设有第二通孔，将拉结筋5穿过该翼板，并将拉结筋两端分别与两钢管外壳的内壁面焊接在一起；

S34、在钢板件上按一定间隔焊接多个锚固件；

进一步地，在步骤3中，工作人员可沿纵向依次施工或者沿纵向间隔进行连接钢板2与肋板4之间的焊接工作，同时需要将纵向上相邻的钢板件对应焊接起来，以将管幕单元1的内部空间分为沿径向分布的三部分。

进一步，肋板4可以预先焊接在管幕单元1上。进一步优选地，肋板4与钢板件为一体化的T型肋板结构。

进一步地，其沿管幕单元1纵向上的焊接施工并无具体限制，而整体的管幕单元内部的施工工作也依然遵循位于隧道界限底部-两侧-顶部的顺序。

在步骤S4中，向管幕单元1的连通空间内浇筑混凝土，管幕单元1中两纵向连通空间通过开设在肋板上的第一通孔来实现，使得混凝土与其中的管幕单元1的内侧壁面(即钢管外壳的侧壁面)以及拉结筋5形成钢-混组合结构，而在环向上的连通空间中，混凝土与连接钢板2、T型肋板、拉结筋5以及锚固件6形成钢-混组合结构。

进一步地，在完成隧道支护结构的施工后，隧道的开挖过程中，在对暴露在隧道内侧的管幕单元1与连接钢板2之间的连接处进行补焊，以确保焊接质量牢靠。

本发明中的基于钢管混凝土结构的隧道支护及其施工方法，其通过沿隧道轮廓环向间隔设置的管幕单元，且两相邻的管幕单元之间通过连接组件连接，实现管幕单元内部空间的连通，并在管幕单元内设置对应设置有加强组件用以提高管幕单元的结构强度，同时增设锚固件，加强管幕单元内部结构与混凝土之间的联系，通过在管幕单元内部空间中浇筑混凝土形成钢管混凝土组合结构以作为隧道的支护体系。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。