基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法技术

本发明专利技术涉及基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法，格栅钢架的钢架连接节点包括连接钢板、钢套筒与L型钢板；L型钢板用于格栅钢架连接并为连接钢板固定提供条件，钢套筒顶端位于圆孔L型钢板竖板的圆孔内，底端焊接固定于连接钢板圆孔处，为锁脚锚杆的打设提供定位与导向作用。本发明专利技术基于“先定位，后导向”的新型锁脚锚杆打设方式，不但确保锁脚锚杆与格栅钢架之间形成了可靠连接，而且可最大程度实现锁脚锚杆打设期间降低对地层的扰动，满足隧道下部开挖时，上部悬空的格栅钢架可通过锁脚锚杆进行有效锁定，进而严格控制上部钢架的竖向位移，实现隧道的安全开挖与地层的稳定控制。

Locking foot system and its construction method based on effective control of vertical displacement of initial steel frame

【技术实现步骤摘要】
基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法
本专利技术属于隧道工程
，具体涉及一种基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法。
技术介绍
对于目前广泛采用的各类矿山法隧道工程施工工艺，无论是台阶法，还是中隔壁法，都需要将隧道分成几部分按顺序分别进行开挖，在隧道上半断面钢架脚部一般都会设置锁脚锚杆，因为在隧道下半断面开挖过程中，上半断面已架设初支钢架底部会被掏空，已架设钢架存在向下竖向位移的趋势。但常规锁脚锚杆打设时没有相对固定位置、缺少导向装置，因此锚杆打设施工对地层的扰动较大，在地层强度较高的卵砾石地层，锚杆打设长度也很难满足设计要求，再加上锚杆与钢架局部点焊的连接方式过于薄弱，往往无法有效抑制上半断面钢架的竖向位移，进而引起钢架下沉、隧道地层变形，影响周边环境安全。隧道开挖阶段引起的地层位移与变形主要集中在初支钢架下沉与整体受压变形两个方面，初支钢架由于下半断面开挖导致脚部被掏空引起的竖向位移趋势，对隧道拱顶下沉、钢架侵限（侵入二次衬砌限界）、地层沉降与地表裂缝等有着重要影响，尤其在富水卵砾石地层区域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系及其构建方法，在钢架连接节点处设置钢套筒，钢套筒通过钢板与钢架牢固连接，钢套筒上端与钢架节点处钢板预留孔洞位置一致，钢套筒给锁脚锚杆打设提供了定位与导向的作用，可以最大程度减小锚杆打设对地层的扰动，并可确保打设长度与实施效果，最后在钢套筒内压注水泥砂浆，将锁脚锚杆、钢套筒、钢板与格栅钢架有效连接，形成一个受力整体，满足隧道下半断面开挖期间上部已架设钢架的竖向稳定性，满足隧道开挖期间周边地层变形控制与周边环境安全保护要求。本专利技术所采用的技术方案为：基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：所述锁脚体系包括多段格栅钢架，相邻格栅钢架端部通过钢架连接节点进行有效连接，上半断面格栅钢架脚部设有锁脚锚杆；钢架连接节点包括连接钢板、钢套筒、圆孔L型钢板和长圆孔L型钢板；圆孔L型钢板对称焊接固定到上半断面格栅钢架底端两侧，长圆孔L型钢板对称焊接固定到下半断面格栅钢架顶端两侧，圆孔L型钢板的底板与长圆孔L型钢板的底板通过螺栓固定；连接钢板垂直于格栅钢架，两端焊接固定到圆孔L型钢板内侧，中央斜向插入钢套筒；钢套筒顶端位于圆孔L型钢板竖板的圆孔处，底端焊接固定位于连接钢板圆孔处，作为锁脚锚杆的打设通道，锁脚锚杆的延伸方向穿过长圆孔L型钢板的长圆孔。格栅钢架包括环向格栅钢架以及环向格栅钢架内十字交叉的横向格栅钢架和竖向格栅钢架；环向格栅钢架包括左右两段上部环向格栅钢架和左右两段下部环向格栅钢架；竖向格栅钢架包括竖向上部格栅钢架和竖向下部格栅钢架；横向格栅钢架位于隧道上半断面底部位置；上半断面格栅钢架包括上部环向格栅钢架、竖向上部格栅钢架与横向格栅钢架，下半断面格栅钢架包括下部环向格栅钢架和竖向下部格栅钢架。格栅钢架包括四根受力主筋，外周通过箍筋焊接成钢筋骨架。钢筋骨架两侧面焊接有W型加强筋，钢筋骨架内间隔焊接有U型筋。圆孔L型钢板包括竖板和底板，竖板上设置有圆孔，底板上设置有连接孔。长圆孔L型钢板包括竖板和底板，竖板上设置有长圆孔，底板上设置有连接孔。连接钢板中央设置有长圆孔，钢套筒顶端位于圆孔L型钢板竖板的圆孔处，底端焊接固定于连接钢板圆孔处，作为锁脚锚杆的打设通道，锁脚锚杆的延伸方向穿过长圆孔L型钢板的长圆孔。连接钢板四角设置有缺口，作为格栅钢架中受力主筋的插入口。格栅钢架、钢架连接节点与锁脚锚杆均可采用Q235或Q345钢材。基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：根据设计要求的不同长度与曲率焊接格栅钢架，首先将受力主筋与箍筋焊接成钢筋骨架，随后沿钢筋骨架两侧面焊接W型加强筋，最后沿钢筋骨架长度方向间隔焊接U型筋，形成格栅钢架；步骤二：在格栅钢架端部，焊接圆孔L型钢板和长圆孔L型钢板；其中，上半断面格栅钢架朝下端部焊接圆孔L型钢板，下半断面格栅钢架朝上端部焊接长圆孔L型钢板；步骤三：按中间开孔与四角预留矩形缺口要求制作连接钢板，随后按既定倾斜角度在连接钢板中间部位焊接钢套筒；步骤四：在上半断面格栅钢架已焊接的两侧边圆孔L型钢板中间部位，焊接连接钢板，钢套筒上部与圆孔L型钢板中间预留孔洞对齐，底端焊接固定于连接钢板圆孔处；步骤五：按CRD法进行隧道开挖，将隧道横断面分成四部分，按照左上、左下、右上与右下的顺序依次进行土方开挖；步骤六：左上断面隧道轮廓开挖完成后，先架设上部环向格栅钢架、竖向上部格栅钢架与横向格栅钢架，在相邻格栅钢架连接处设置钢架连接节点；步骤七：在上部环向格栅钢架与竖向上部格栅钢架的钢架连接节点位置，于圆孔L型钢板中间孔洞处，沿着钢套筒打设锁脚锚杆，锁脚锚杆穿过连接钢板中间孔洞、并插入稳定地层，随后沿钢套筒内压注水泥砂浆，及时封堵锁脚锚杆四周可能存在的空隙，确保上部环向格栅钢架与竖向上部格栅钢架的竖向稳定性；步骤八：按要求开挖左下断面，及时架设下部环向格栅钢架与竖向下部格栅钢架，下部环向格栅钢架与竖向下部格栅钢架上端部长圆孔L型钢板上有预留长圆孔，锁脚锚杆从孔洞中穿过；步骤九：将螺栓穿过钢架连接节点处圆孔L型钢板与长圆孔L型钢板中间预留孔洞，将不同格栅钢架进行牢固连接；步骤十：按类似顺序，进行隧道右上断面与右下断面的开挖与格栅钢架施工。本专利技术具有以下优点：本专利技术在隧道初支钢架接头处增设钢板，在钢板上预埋钢套筒，在钢架接头处L型钢板上预留孔洞，为后期锁脚锚杆预留打设路径。隧道初支涉及的钢架主要有受力钢筋、加强筋与箍筋组成，钢架接头主要由各类钢板组成，预埋钢套筒与打设的锁脚锚杆，也都是钢材，钢套筒内压入的水泥砂浆也为常规材料，其相应尺寸为常规类型，便于加工制造；预埋钢套筒的直径、套筒与钢板之间的夹角，在确保隧道上半断面钢架竖向位移得到严格控制的前提下，可根据锚杆打设长度与地层情况进行灵活调整。钢套筒的内径一般比锁脚锚杆外径大5-10mm，L型钢板上预留孔洞直径不小于钢套筒内径，确保锁脚锚杆从钢套筒内顺利穿越。工艺简单、施工简便，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等矿山法隧道工程中有广泛的应用前景。附图说明图1为隧道钢架布置图。图2为钢架连接节点正视图（节点A）。图3为钢架连接节点侧视图（节点A）。图4为圆孔L型钢板正视图。图5为长圆孔L型钢板正视图。图6为圆孔L型钢板和长圆孔L型钢板俯视图。图7为钢套筒和连接钢板俯视图。图8为钢套筒和连接钢板正视图。圆孔∅d2图中，1-上部环向格栅钢架，2-横向格栅钢架，3-竖向上部格栅钢架，4-下部环向格栅钢架，5-竖向下部格栅钢架，6-钢架连接节点，7-锁脚锚杆，8-受力主筋，9-W型加强筋，10-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：/n所述锁脚体系包括多段格栅钢架，相邻格栅钢架端部通过钢架连接节点（6）进行有效连接，上半断面格栅钢架脚部设有锁脚锚杆（7）；/n钢架连接节点（6）包括连接钢板（14）、钢套筒（15）、圆孔L型钢板（12）和长圆孔L型钢板（13）；圆孔L型钢板（12）对称焊接固定到上半断面格栅钢架底端两侧，长圆孔L型钢板（13）对称焊接固定到下半断面格栅钢架顶端两侧，圆孔L型钢板（12）的底板与长圆孔L型钢板（13）的底板通过螺栓固定；连接钢板（14）垂直于格栅钢架，两端焊接固定到圆孔L型钢板（12）内侧，中央斜向插入钢套筒（15）；钢套筒（15）顶端位于圆孔L型钢板（12）竖板的圆孔处，底端焊接固定位于连接钢板（14）圆孔处，作为锁脚锚杆（7）的打设通道，锁脚锚杆（7）的延伸方向穿过长圆孔L型钢板（13）的长圆孔。/n

【技术特征摘要】
1.基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：
所述锁脚体系包括多段格栅钢架，相邻格栅钢架端部通过钢架连接节点（6）进行有效连接，上半断面格栅钢架脚部设有锁脚锚杆（7）；
钢架连接节点（6）包括连接钢板（14）、钢套筒（15）、圆孔L型钢板（12）和长圆孔L型钢板（13）；圆孔L型钢板（12）对称焊接固定到上半断面格栅钢架底端两侧，长圆孔L型钢板（13）对称焊接固定到下半断面格栅钢架顶端两侧，圆孔L型钢板（12）的底板与长圆孔L型钢板（13）的底板通过螺栓固定；连接钢板（14）垂直于格栅钢架，两端焊接固定到圆孔L型钢板（12）内侧，中央斜向插入钢套筒（15）；钢套筒（15）顶端位于圆孔L型钢板（12）竖板的圆孔处，底端焊接固定位于连接钢板（14）圆孔处，作为锁脚锚杆（7）的打设通道，锁脚锚杆（7）的延伸方向穿过长圆孔L型钢板（13）的长圆孔。


2.根据权利要求1所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：
格栅钢架包括环向格栅钢架以及环向格栅钢架内十字交叉的横向格栅钢架和竖向格栅钢架；
环向格栅钢架包括左右两段上部环向格栅钢架（1）和左右两段下部环向格栅钢架（4）；
竖向格栅钢架包括竖向上部格栅钢架（3）和竖向下部格栅钢架（5）；
横向格栅钢架（2）位于隧道上半断面底部位置；
上半断面格栅钢架包括上部环向格栅钢架（1）、竖向上部格栅钢架（3）与横向格栅钢架（2），下半断面格栅钢架包括下部环向格栅钢架（4）和竖向下部格栅钢架（5）。


3.根据权利要求2所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：
格栅钢架包括四根受力主筋（8），外周通过箍筋（11）焊接成钢筋骨架。


4.根据权利要求3所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：
钢筋骨架两侧面焊接有W型加强筋（9），钢筋骨架内间隔焊接有U型筋（10）。


5.根据权利要求4所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：
圆孔L型钢板（12）包括竖板和底板，竖板上设置有圆孔，底板上设置有连接孔（16）。


6.根据权利要求5所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：
长圆孔L型钢板（13）包括竖板和底板，竖板上设置有长圆孔，底板上设置有连接孔（16）。


7.根据权利要求6所述的基于有效控制初支钢架竖向位移的锁脚体系，其特征在于：
连接钢板（14）中央设置有长圆孔，钢套筒（15）顶端位于圆孔L型钢板（12）竖板的圆孔处，底端焊接固定于连接钢板（14）圆孔处，作为锁脚锚杆（7）...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴志仁，廖晖，张庆闯，李谈，喻忠，吕海军，赵亚军，段建锋，许红春，刘彤，张毓斌，查家宏，王维，马琳琳，王文彬，王耀辉，陈新平，孟宪全，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61