[發明專利]大斷面隧道輕高型組合鋼架

在審

• 申請號: 201811006355.6
• 申請日: 2018-08-30
• 公開（公告）號: CN108894799A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發明（設計）人: 張延年;馬恕君
• 申請（專利權）人: 沈陽建筑大學
• 主分類號: E21D11/18
• 分類號: E21D11/18;E21D11/00
• 代理公司: 沈陽之華益專利事務所有限公司 21218
• 代理人: 黃英華

本發明屬于隧道加固技術領域,特別涉及一種大斷面隧道輕高型組合鋼架。包括錨桿鉆孔、加固墩座，短柱焊接節點、斜柱焊接節點、斜短柱、側向高輕型鋼柱、短柱、鋼柱加固現澆區、搭接套筒、短柱、斜短柱焊接節點、頂部輕高型鋼柱、頂部楔塊和穩固螺栓孔；加固墩座與地基相接，頂部輕高型鋼柱的兩端分別通過搭接套筒與側向輕高型鋼柱頂端相連接，頂部輕高型鋼柱固定在頂部楔塊中。本發明主要用于解決大斷面隧道支護拱頂易塌陷的問題，改善型鋼鋼架易受局部集中荷載和偏壓荷載導致易于彎曲或者屈服的缺陷；采用輕、高強化高規格型鋼，減弱傳統鋼架受自身重力因素影響，與過去采用的普通鋼相比，高規格鋼具有尺寸經濟的特點。

技術領域

本發明屬于隧道加固技術領域，特別涉及一種大斷面隧道輕高型組合鋼架。

背景技術

我國是一個多山的國家，西南地區８０％為山地，約占全國山地面積的３０％。這片土地是一個居住著２０多個民族，１億多人的城市；地鐵、公路和鐵路是人們出行的主要交通方式。現在，道路已成為國家的重要資源，對于促進國家經濟增長、提高人民生活質量和維護國家安全等都具有重要價值。道路的發展不僅僅是經濟的需要，也是人類文明和現代化的組成部分，而隧道作為道路中的重要節點有著至關重要的作用。我國隧道建設在近些年的建設中取得了飛躍式的發展，如秦嶺終南山公路隧道，單洞長18.02km，雙洞單向交通，建設規模世界第一，是中國公路隧道之最。廈門翔安隧道是中國大陸第一座大斷面海底隧道，對我國隧道建設技術的進步和發展，縮小與世界先進水平的差距，起到了里程碑式的作用。目前在建的港珠澳跨海大橋中的隧道部分，也代表中國乃至世界隧道發展的最前沿。

為了進一步發展完善我國西南地區交通網，需要修建大量交通隧道工程，在此過程中不可避免會遇到各種地質情況，如軟弱圍巖、斷層破碎帶、膨脹性圍巖、黃土地層、凍止地層、瓦斯地層及昔格達組地層等特殊地質，給設計和施工帶來了巨大的挑戰，尤其是當不良地質條件和大斷面兩者同時存在的時候，因此有效地利用地下空間變成了重中之重。隨著我國公路和高速鐵路建設的大規模建設和快速發展，大跨度隧道的設計施工技術不斷取得了突破和發展,如何選擇正確的施工方法,保證工程的安全建設和經濟效益是一個非常重要的課題。

大斷面隧道的跨高比大,導致圍巖和襯砌的穩定性變差,必須從各方面進行分析研究，包括斷面結構設計,超前支護設計、開挖方法和方案,施工技術等,提出相應的處理方法。目前我國已建成許多單洞三、四車道的公路隧道,隧道跨度最大達到23m左右,開挖斷面面積達到250 以上,有的地方還提出建設單洞五車道,甚至六車道公路隧道的設想,其隧道斷面積將進一步增大。我國鐵路隧道斷面與公路隧道相比要小,大斷面鐵路隧道主要出現在近年來的高速鐵路雙線隧道中，考慮到高速列車在高速通過隧道時產生的強大空氣動力學效應,其隧道斷面積隨著列車速度而加大。例如,350km/h客運專線鐵路雙線隧道凈空最大度達到12.6m，凈空面積(內軌頂面以上面積)達到近120 ,開挖面積達到160 以上。我國最大斷面的鐵路隧道是位于設計時速達350公里的鄭西高鐵路上的張茅隧道(全長8483米),其最大開挖斷面積達164平方米,采用了三臺階七步流水作業法施工,大斷面隧道的最大特征是隧道的力學。由于車道數的增加使得寬度加大而高度變化不大導致斷面變得扁平，扁平大斷面隧道與近圓形斷面隧道相比,有以下主要特征：

1.開挖后的應力重分布變得不利，對于圓形隧,在彈性介質、靜水應力場中,開挖后周邊的最大主應力是初始應力的2倍,當圍巖強度小于圍巖應力時,隧道周邊圍巖中將出現塑性區,需要施設支護結構來控制變形。對扁平的大斷面圖隧道來說,隨著高寬比(高度/寬度)的減少,圍巖內的最大主應力和襯砌拱頂處的最大彎矩急劇增加,與近圓形隧道相比,將出現更大的塑性區和更大的變形,需要更強大的支護結構來保持隧道的穩定。

2.底腳處的應力集中過大,需要較大的地基承載力。力學分析結果表明,開挖后圍巖應力在側壁處比較大；特別是側壓系數小時,開挖寬度越大導致圍巖中的切向應力越大、襯砌中軸力也越大和底腳處的應力集中大,所以需要較大的地基承載力。