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申请/专利权人：中铁第四勘察设计院集团有限公司

摘要：本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种大断面隧道复合式衬砌，包括预支护结构以及多榀钢架，每榀钢架均沿隧道轮廓线弯折形成环形；预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多个钢管；多个钢管通过多榀钢架固定于隧道净空轮廓的外侧；钢架之间、钢架内以及钢管内均填充有混凝土；其施工方法：在隧道开挖前，施工沿隧道轮廓线间隔布置多个钢管；进行隧道开挖，每一循环开挖完成后，架设一榀钢架，并将钢管靠近隧道的一侧与钢架固定；采用混凝土将钢架之间、钢架内以及钢管内的空隙填充密实，形成复合式衬砌。本发明提将超前预支护结构承载能力转化为永久承载结构，减少了隧道衬砌的临时支护和永久结构工程量，显著提高结构经济性。

主权项：1.一种大断面隧道复合式衬砌，其特征在于：包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架，每榀所述钢架均沿隧道轮廓线弯折形成环形；所述预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多个钢管；多个钢管通过多榀钢架固定于隧道净空轮廓的外侧；所述钢架之间、所述钢架内以及所述钢管内均填充有混凝土；所述钢管的直径为1～2m；各所述钢管靠近隧道的一侧均设有U型槽钢，所述U型槽钢的槽口朝向所述钢管，所述U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与所述钢管连接，所述U型槽钢的外槽底与所述钢架连接。

全文数据：一种大断面隧道复合式衬砌及其施工方法技术领域本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种大断面隧道复合式衬砌及其施工方法。背景技术大断面隧道由于其开挖跨度大，结构内力大，开挖分步多从而导致施工时风险大，工序多，工期长，成为隧道工程中的控制性节点。目前，针对大断面隧道，主要是通过采用多种预加固措施，通过将开挖面分割成多块减小每次开挖跨度，多工序协调有序分工提高施工安全性和施工进度。以图1所示的一种大断面隧道施工方法为例，施工时需要先在开挖范围上部打设管棚100，而后对两侧的导坑先进行开挖，待开挖完成后迅速设置位于隧道轮廓上的初期支护和位于隧道内侧的临时支护，然后分步开挖中间的部分，每完成一步开挖需马上施作钢架体200和临时支护300。待全断面开挖完成后再拆去位于隧道内的临时支护，并浇筑二次衬砌400，完成一个开挖循环。现有的其他施工方法与此类似，仅仅是在开挖面分割方式和超前加固措施上有所差异。上述方法虽然可以解决大断面隧道的开挖安全问题，但是存在以下问题：1）预支护施工工序时间较长，且费用较高，而在结构施工完成后不能为结构提供承载力；2）分步开挖工序之间相互干扰，且操作空间狭小，工序耗时较一般开挖方法多，施工进度较慢；3）初期支护架设成环较晚，不利于控制结构变形，特别是在软弱地层中，局部变形难以有效控制，最后导致隧道净空侵限；4）由于初期支护刚度较低，最终形成的衬砌以二次衬砌受力为主，导致衬砌厚度较大，开挖轮廓增加，结构不经济。发明内容为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种大断面隧道复合式衬砌及其施工方法，将超前预支护结构承载能力转化为永久承载结构，减少了隧道衬砌的临时支护和永久结构工程量，降低成本，加快施工进度。为实现上述目的，本发明的技术方案为一种大断面隧道复合式衬砌，包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架，每榀所述钢架均沿隧道轮廓线弯折形成环形；所述预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多个钢管；多个钢管通过多榀钢架固定于隧道净空轮廓的外侧；所述钢架之间、所述钢架内以及所述钢管内均填充有混凝土进一步地，各所述钢管靠近隧道的一侧均设有U型槽钢，所述U型槽钢的槽口朝向所述钢管，所述U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与所述钢管连接，所述U型槽钢的外槽底与所述钢架连接。进一步地，所述钢架的隧道侧设有二次衬砌。进一步地，所述钢管的直径为1～2m。进一步地，相邻两个钢管之间的距离为0.3～0.5m。进一步地，相邻两榀钢架之间的距离为0.3～0.5m。本发明还提供一种大断面隧道复合式衬砌的施工方法，包括如下步骤：1）在隧道开挖前，施工沿隧道长度方向布置的钢管，且多个钢管沿隧道轮廓线间隔布置；2）进行隧道开挖，每一循环开挖完成后，架设一榀钢架，并将钢管靠近隧道的一侧与钢架固定；3）采用混凝土将钢架之间、钢架内以及钢管内的空隙填充密实，形成复合式衬砌。进一步地，步骤2）中，每一循环开挖完成后，在每个钢管靠近隧道的一侧设置U型槽钢，并将U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与对应的钢管固定，再架设钢架，并将U型槽钢的外槽底与钢架固定。进一步地，步骤3）中混凝土填充采用喷射混凝土或模筑混凝土，待混凝土达到设计强度后，根据工程需要选择施工二次衬砌或者不施工二次衬砌。进一步地，步骤1）中采用顶管法或盾构法施工钢管，步骤2）中根据地质条件采用全断面开挖或分多个开挖面开挖。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明采用沿隧道开挖轮廓设置的一圈钢管作为隧道的预支护结构，并在钢管内灌注混凝土，可以提高结构刚度，有效支撑隧道四周的土岩荷载；（2）本发明在开挖后将钢管与钢架焊接，并填充混凝土密实结合形成复合式衬砌结构，将超前预支护结构承载能力转化为永久承载结构，减少了隧道衬砌的临时支护和永久结构工程量，显著提高结构经济性；（3）本发明提供的大断面隧道复合式衬砌结构施工空间大，施工速度块，安全性好。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本发明背景技术中提供的现有的大断面隧道衬砌结构；图2为本发明实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的钢管布置图；图3为本发明实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的纵断面示意图；图4为本发明实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的横断面示意图；图5为本发明实施例提供的大断面隧道复合式衬砌的钢管与钢架的焊接示意图；图中：1、钢管，2、隧道净空轮廓，3、钢架，4、混凝土，5、岩土体，6、开挖面，7、U型槽钢，100、管棚，200、钢架体，300、临时支护，400、二次衬砌。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。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一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。如图2-图4所示，本发明实施例提供一种大断面隧道复合式衬砌，包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架3，每榀所述钢架3均沿隧道轮廓线弯折形成环形；所述预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多个钢管1；多个钢管1通过多榀钢架3固定于隧道净空轮廓2的外侧；所述钢架3之间、所述钢架3内以及所述钢管1内均填充有混凝土4。本实施例在开挖前，沿隧道开挖轮廓施工一圈钢管1作为隧道的预支护体系，且钢管1内灌注混凝土4，可以提高结构刚度，有效支撑隧道四周的土岩荷载；同时将开挖后将每个钢管1均与多榀钢架3焊接，并与一定厚度的混凝土4结合形成复合式衬砌结构，不仅充分利用了钢管1的支护强度提高结构经济性，并且可以构成永久承载结构，显著提高衬砌施工速度，有效控制结构变形。优选地，如图5所示，各所述钢管1靠近隧道的一侧均设有U型槽钢7，所述U型槽钢7的槽口朝向所述钢管1，所述U型槽钢7的内槽底和两个槽壁均与所述钢管1连接，所述U型槽钢7的外槽底与所述钢架3连接。在钢管1的保护下，视地质条件可采用全断面开挖或台阶法开挖，每开挖一定深度，立即施作由钢架3和和混凝土4组成的复合式衬砌，并将每榀钢架3通过U型槽钢7与超前支护的钢管1焊接成一个整体，形成纵横梁体系，快速构成永久承载结构。作为一种实施方式，所述钢架靠近隧道的一侧设有二次衬砌。本实施例中填充的混凝土4可以采用喷射混凝土也可以用模筑混凝土代替，同时根据需要可以加设二次内衬，也可以不加设二次内衬。优选地，所述钢管1的直径为1～2m；相邻两个钢管1之间的距离为0.3～0.5m；相邻两榀钢架3之间的距离为0.3～0.5m。本实施例采用大尺寸钢管1作为预支护结构，并在钢管中填充混凝土4，可以提供较大的支撑力，不必进行复杂的分步开挖工序，提高了施工期间隧道开挖的安全性和施工速度。针对现有技术在大断面隧道开挖工序多、工期长、结构刚度不足、衬砌结构不经济等问题，本实施例还提供一种大断面隧道复合式衬砌的施工方法，如图2-5所示，包括如下步骤：1）在隧道开挖前，采用顶管法或盾构法施工沿隧道长度方向布置的钢管1，且多个钢管1沿隧道轮廓线间隔布置，并预留复合式衬砌施作空间；2）钢管1全部施工完成后，进行隧道开挖，根据地质条件采用全断面开挖或分多个开挖面6开挖，每一循环开挖完成后，架设一榀钢架3，每个钢管1靠近隧道的一侧设置U型槽钢7，并将U型槽钢7的内槽底和两个槽壁均与对应的钢管1焊接固定，再架设钢架3，并将U型槽钢7的外槽底与钢架3焊接固定，使之形成纵横梁体系，共同承受岩土荷载；3）钢架3架设完成后，采用混凝土4将钢架3之间、钢架3内以及钢管1内的空隙填充密实，混凝土4填充采用喷射混凝土或模筑混凝土，其强度应满足相关规范；按照上述步骤，最终钢管1、钢架3和混凝土4共同构成复合式衬砌；其中，钢架3之间应采用混凝土4密实填充并完全胶结，复合式衬砌强度和刚度应通过计算确定，并满足相关规范和施工运营安全要求；4）待混凝土4达到设计强度后，根据工程需要选择施工二次衬砌或者不施工二次衬砌。本实施例在开挖后将钢管与钢架焊接，并填充混凝土密实结合形成复合式衬砌结构，将超前预支护结构承载能力转化为永久承载结构，减少了隧道衬砌的临时支护和永久结构工程量，显著提高结构经济性，并且可以显著提高衬砌施工速度，有效控制结构变形；在保障大断面隧道施工安全的前提下，可以解决大断面隧道施工工序多，工期长，造价高，初期支护刚度较弱，结构不经济等问题。以上所述仅是本发明的一些基本原理，并非对本发明的复合式衬砌及其施工方法进行任何具体的形状、材质、工序的限制，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

权利要求：1.一种大断面隧道复合式衬砌，其特征在于：包括预支护结构以及沿隧道长度方向间隔设置的多榀钢架，每榀所述钢架均沿隧道轮廓线弯折形成环形；所述预支护结构包括沿隧道轮廓线间隔设置的多个钢管；多个钢管通过多榀钢架固定于隧道净空轮廓的外侧；所述钢架之间、所述钢架内以及所述钢管内均填充有混凝土。2.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌，其特征在于：各所述钢管靠近隧道的一侧均设有U型槽钢，所述U型槽钢的槽口朝向所述钢管，所述U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与所述钢管连接，所述U型槽钢的外槽底与所述钢架连接。3.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌，其特征在于：所述钢架的隧道侧设有二次衬砌。4.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌，其特征在于：所述钢管的直径为1～2m。5.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌，其特征在于：相邻两个钢管之间的距离为0.3～0.5m。6.如权利要求1所述的一种大断面隧道复合式衬砌，其特征在于：相邻两榀钢架之间的距离为0.3～0.5m。7.一种大断面隧道复合式衬砌的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：1）在隧道开挖前，施工沿隧道长度方向布置的钢管，且多个钢管沿隧道轮廓线间隔布置；2）进行隧道开挖，每一循环开挖完成后，架设一榀钢架，并将钢管靠近隧道的一侧与钢架固定；3）采用混凝土将钢架之间、钢架内以及钢管内的空隙填充密实，形成复合式衬砌。8.如权利要求7所述的一种大断面隧道复合式衬砌的施工方法，其特征在于：步骤2）中，每一循环开挖完成后，在每个钢管靠近隧道的一侧设置U型槽钢，并将U型槽钢的内槽底和两个槽壁均与对应的钢管固定，再架设钢架，并将U型槽钢的外槽底与钢架固定。9.如权利要求7所述的一种大断面隧道复合式衬砌的施工方法，其特征在于：步骤3）中混凝土填充采用喷射混凝土或模筑混凝土，待混凝土达到设计强度后，根据工程需要选择施工二次衬砌或者不施工二次衬砌。10.如权利要求7所述的一种大断面隧道复合式衬砌的施工方法，其特征在于：步骤1）中采用顶管法或盾构法施工钢管，步骤2）中根据地质条件采用全断面开挖或分多个开挖面开挖。

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