拱架节段、拱架、拱架制作方法及拱架安装方法
技术领域
本申请涉及隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种拱架节段、拱架、拱架制作方法及拱架安装方法。
背景技术
随着我国高等级公路建设稳步发展，交通量也迅猛增长，隧道工程已经成为一项十分重要的施工环节。在隧道施工过程中，需要对隧道进行初期支护来确保施工的安全性与稳定性，因此必须要保证初期支护的施工质量。
目前，隧道常用的支护结构是采用两层衬砌(初期支护+二次衬砌)的新奥法复合式支护结构，其初期支护结构通常由钢拱架、钢筋网、喷射混凝土构成。初期支护能够快速提供支护、稳定围岩，其刚度主要提供来自钢拱架，常用的钢拱架有格栅拱架、工字钢、H型钢拱架。对比格栅拱架，型钢拱架能立即提供更大的支护刚度，且拱架制作较为便捷，因此隧道多以型钢拱架作为初期支护的骨架结构，但也存在问题如：
立完拱架后，在喷射混凝土的过程中，会出现钢拱架与围岩之间混凝土填充不密实的情况，混凝土没有与钢拱架有效结合成一个受力整体，从而影响整体支护强度。
发明内容
本申请的目的在于提供一种拱架节段，能够用于改善现有的钢拱架与围岩之间填充不密实的问题。
本申请的另外一个目的在于提供一种拱架，拱架由多个上述拱架节段组成，其能够改善现有的钢拱架与围岩之间混凝土填充不密实的问题。
本申请的另外一个目的在于提供一种拱架制作方法，其能够制作上述拱架，以改善现有问题。
本申请的另外一个目的在于提供一种拱架安装方法，其能够安装上述拱架，以改善现有问题。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请的实施例提供了一种拱架节段，包括：上翼缘板、下翼缘板和腹板；所述上翼缘板与所述下翼缘板通过所述腹板连接，所述上翼缘板具有凹槽，所述凹槽贯通所述上翼缘板的上侧空间和下侧空间。
在上翼缘板处开设凹槽，以使得上翼缘板的上、下两侧空间贯通，当该拱架节段拼接到拱架中时，可着重对凹槽处喷射混凝土，使得混凝土能够穿过凹槽并填充拱架靠近围岩的一侧，使得拱架与围岩之间混凝土填充密实，解决现有的技术问题。
另外，根据本申请的实施例提供的拱架节段，还可以具有如下附加的技术特征：
在本申请的可选实施例中，所述凹槽的数量为多个，多个所述凹槽沿着所述拱架节段的纵轴线等间距分布。
等间距的凹槽则能够使得混凝土的分布更为均匀，尽可能减少拱架与围岩之间可能存在的空隙。
在本申请的可选实施例中，所述凹槽在横断面上的宽度不超过所述上翼缘板的宽度的一半；
所述凹槽的长度，不超过所述拱架节段的横截面高度的两倍；
相邻的两个所述凹槽之间的间距不小于所述凹槽的长度。
将凹槽的设计尺寸以及分布方式控制在上述的设计范围内，既能够发挥凹槽的作用，又能够保障拱架节段组成的拱架有足够的支撑强度。
在本申请的可选实施例中，所述凹槽的横断面形状包括半圆形、弓形、矩形或者梯形。
不同的横断面形状的凹槽均能够正常发挥功能，生产时可以根据生产设备的情况选择方便生产的类型即可。
在本申请的可选实施例中，所述拱架节段还包括连接板，所述连接板与所述上翼缘板的两端位置、所述下翼缘板的两端位置和所述腹板的两端位置相接。
连接板可以用于拱架节段之间的拼接，以使得多个拱架节段能够配合形成拱架。
本申请的实施例提供了一种拱架，包括多个上述任一项所述的拱架节段，多个所述拱架节段依次连接。
拱架具有可靠的支撑性能，且能够在初期支护时，方便混凝土将拱架与围岩之间的空隙填充密实，使得支撑强度更高。
本申请的实施例提供了一种拱架制作方法，用于制作上述拱架，该方法包括：
在钢胚上开设所述凹槽；
根据隧道拱顶、边墙的形状设计所需拱架的形状；
将所述钢胚分段成多个所述拱架节段；
根据设计的所述拱架的形状，将各个所述拱架节段分别弯制成型。
该方法所制造的拱架，由于在设计时，其形状与要施工的隧道轮廓更契合，相较于一般通用外形的拱架而言，可以使得制作的拱架在填充混凝土时能够将拱架与围岩之间的空隙填充更密实，提升了支撑强度。
在本申请的可选实施例中，采用热开孔的方式开设所述凹槽。
热开孔的方式利于节省材料，将材料重新熔炼可以再度制造新的拱架，降低成本，提高产出。
本申请的实施例提供了一种拱架安装方法，用于在隧道中安装上述拱架，该方法包括：
在隧道中架设所述拱架，所述拱架的每个所述拱架节段的上翼缘板均朝向隧道围岩；
向所述凹槽处喷混凝土，直至所述拱架与围岩之间的空隙完全被混凝土填充。
该方法能够保障拱架与围岩之间的空隙被混凝土填满，并形成一个受力整体，保障支护强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
图1为本申请的实施例提供的拱架节段呈直线型时的示意图；
图2为本申请的实施例提供的拱架节段呈弧型时的示意图；
图3为图1的拱架节段的左视图；
图4为凹槽的横断面形状呈半圆形的示意图；
图5为凹槽的横断面形状呈弓形的示意图；
图6为凹槽的横断面形状呈矩形的示意图；
图7为凹槽的横断面形状呈梯形的示意图。
图标：100-拱架节段；10-上翼缘板；11-凹槽；112-半圆形；114-弓形；116-矩形；118-梯形；20-下翼缘板；30-腹板；101-上侧空间；102-下侧空间。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例
请参照图1和图3，本申请的实施例提供了一种拱架节段100，包括：上翼缘板10、下翼缘板20和腹板30；上翼缘板10与下翼缘板20通过腹板30连接，上翼缘板10具有凹槽11，凹槽11贯通上翼缘板10的上侧空间101和下侧空间102。
需要说明的是，上述的上侧空间101、下侧空间102，主要是依据通常认知中的上、下翼缘板的位置来判别空间的位置。详细的，在图1中，拱架节段100的截面是工字形，当整个拱架节段100横放时，上翼缘板10和下翼缘板20的位置就变成了左右位置，整个拱架节段100的截面是H形。此时，翼缘板的左侧空间和右侧空间则对应的是上述的上侧空间101和下侧空间102。所以应当理解的是，翼缘板的上侧空间101和下侧空间102并不局限于这两个空间必须处于竖直方向。
在上翼缘板10处开设凹槽11，以使得上翼缘板10的上、下两侧空间贯通，当该拱架节段100被用到拱架中时，可以对凹槽11处喷射混凝土，使得混凝土能够穿过凹槽11到达拱架的靠近围岩的一侧，使得拱架与围岩之间填充密实，解决现有的技术问题。
具体的，凹槽11的数量为多个，多个凹槽11沿着拱架节段100的纵轴线方向间隔分布。进一步的，本实施例的多个凹槽11沿着拱架节段100的纵轴线等间距分布。间隔分布的多个凹槽11可以使得混凝土穿过的量更多，且使得混凝土能够更快速地充满拱架与围岩之间的空隙。而等间距的凹槽11则能够使得混凝土的分布更为均匀，尽可能减少拱架与围岩之间可能存在的空隙。
详细的，凹槽11在横断面上的宽度不超过上翼缘板10的宽度的一半；凹槽11的长度，不超过拱架节段100的横截面高度的两倍；相邻的两个凹槽11在整个拱架节段100的纵轴线方向上的间距不小于凹槽11的长度。将凹槽11的设计尺寸以及分布方式控制在上述的设计范围内，既能够发挥凹槽11的作用，又能够保障拱架节段100组成的拱架有足够的支撑强度。
在本实施例中，凹槽11的横断面形状为对称图形。横断面形状为对称图形的凹槽11，可以便于加工，且拱架节段100受力时，凹槽11处的受力分布会更均匀，有利于保障结构的稳定性。在本实施例中，上翼缘板10与下翼缘板20宽8cm，腹板30厚0.55cm。相邻的凹槽11之间相距30cm，且凹槽11根据腹板30的轴线对称，每处凹槽11宽4cm，长30cm。上翼缘板10、腹板30、下翼缘板20组合成的拱架节段100高14cm。应当理解的是，本实施例罗列的拱架节段100的若干尺寸参数只是可以实际使用的一种方案，并不限制只能采用该种参数的拱架节段100。
请结合图4至图7，凹槽11的横断面形状还可以为半圆形112、弓形114、矩形116或者梯形118。不同的横断面形状的凹槽11均能够正常发挥功能，生产时可以根据生产设备的情况选择方便生产的类型即可。
为了形成拱架时，拱架节段100之间可以更方便连接。本实施例的拱架节段100还包括连接板，连接板与上翼缘板10的两端位置、下翼缘板20的两端位置和腹板30的两端位置相接。连接板可以用于拱架节段100之间的拼接，以使得多个拱架节段100能够配合形成拱架。
具体的，本申请的实施例提供了一种拱架，包括多个上述的拱架节段100，多个拱架节段100依次连接。拱架具有可靠的支撑性能，且能够在支护时，方便混凝土将拱架与围岩之间的空隙填充密实，使得支撑强度更高。
具体的，本申请的实施例还提供了一种拱架制作方法，用于制作上述拱架，该方法包括：
在钢胚上开设凹槽11；
根据隧道拱顶、边墙的形状设计要制作的拱架的形状；
将钢胚分段成多个拱架节段100；
根据设计的拱架的形状，将各个拱架节段100分别弯制成型。
其中，本方法可采用统一的机械设备集中加工拱架，实行流水线作业可实现批量生产，用钢量较传统型钢拱架少，制造成本更低。
在胚件上开设凹槽11的步骤之前，需要先准备好制作所需的胚件，比如本实施例的拱架是型钢拱架，则需要准备钢胚。并进一步设计要开设的凹槽11的形状、宽度、长度、间距。然后可以选择指定适合的轧机孔型，在轧钢厂将钢胚轧制出直线型的型钢。
在钢胚上开设凹槽11的步骤中：
采用热开孔的方式开设凹槽11。
热开孔的方式利于节省材料，将材料重新熔炼可以再度制造新的拱架，降低成本，提高产出。比如本实施例的拱架是钢拱架，则热开孔时产生的多余物料可以在温度较高时被重新熔炼。
可以理解的是，也可以直接冷开孔，只要开孔的孔型以及尺寸等合乎上述对于凹槽11的规范即可。并不限制必须采用热开孔的方式来开设凹槽11。
在设计拱架形状的步骤中：
需依据隧道的实际设计尺寸，考虑隧道钢拱架节段100的安装便利性等因素将钢拱架合理分段，设计钢拱架节段100的尺寸及弯曲弧度。
根据上述设计，可以将直线型型钢分段成多个拱架节段100，然后进入调整分段外形的步骤，进一步通过冷弯机使得各个拱架节段100冷弯变形，并使得各个拱架节段100在拼接之后能够形成所需轮廓的拱架。当然，也可以选择在拱架节段100尚未冷却时进行弯制，并不限制必须冷却后再弯制。需要说明的是，分段规则符合隧道拱架的一般分段规则，如拱顶中部不设分段点。
弯制后的拱架节段100的外形可以参考图2所示的弧型拱架节段100。每个拱架节段100的长度可以根据设计的拱架外形来确定，并不要求每段的长度必须一致。此外，拼接后的两个相邻拱架节段100的距离最近的两个凹槽11之间的间距一般也需要满足上文中对于相邻凹槽11间距的要求。当然，如果是一些支撑强度要求不高的施工段，当拼接后形成的拱架足够满足支撑所需时，也并不强制要求相邻的两个拱架节段100的距离最近的两个凹槽11之间必须满足上文的要求。总的原则是保障拱架的支撑强度。
弯制好拱架节段100之后，可以进一步在拱架节段100的两端焊接连接板(本实施例所用的连接板是钢板)，此时，焊接了连接板之后的整体结构依然可以称为拱架节段100。即，无论是否焊接两端的连接板，都是本实施例所指的拱架节段100。这是由于本申请只是通过连接板实现两个拱架节段100更快速的连接，并不限制必须要用连接板连接。此外，安装连接板之后，需要进行试拼接，合格之后才可储备以留待使用。
可以选择的是，可以将整个开槽后的型钢直接弯制成所设计形状的拱架；或者是，可以设计形状契合的模具，直接浇铸形成外形、凹槽11数量、凹槽11位置、凹槽11尺寸适合的拱架。然后将成型的拱架分段运输至施工现场进行使用。由于有凹槽11，拱架节段100的质量会更轻，更加方便运输。当然，如果施工现场有相应设备，也可在现场直接进行相应加工。省去分段的步骤可以进一步节省时间。
需要注意的是，上述可选方案中，都需要保障最终形成的拱架具有可靠的支撑强度。
该方法所制造的拱架，可以使得制作的拱架在填充混凝土时能够将拱架与围岩之间的空隙填充更密实，提升了支撑强度。
基于该拱架，本实施例进一步提供了拱架安装方法。
详细的，实际安装使用时，将拱架节段100组装成拱架，安置于隧道内，使得上翼缘板10朝向隧道围岩，腹板30则垂直于隧道围岩，下翼缘板20远离隧道围岩。
喷射混凝土过程中，将喷射口对准凹槽11，直至拱架与围岩之间的空隙完全被混凝土填充。此时，混凝土会从凹槽11有所溢出，这表明已经将拱架与围岩的空隙填满。
以往的普通型钢拱架在使用时，混凝土不容易喷射到其背面与围岩之间的位置，导致混凝土不容易填充密实，普通型钢拱架与混凝土、围岩之间或多或少存在空隙。使用本申请的拱架时，可以从凹槽11处将混凝土喷射到上翼缘板10的靠近围岩的一侧，使得拱架与围岩之间能被混凝土填充密实。使得拱架与混凝土、围岩形成一个受力整体，保障了支护强度。
综上所述，本申请的拱架节段100能够用于组装形成拱架，拱架节段100具有凹槽11，当喷射混凝土时，混凝土能够从凹槽11穿过。使用该拱架在对围岩支护时，混凝土能够穿过凹槽11并填满围岩与拱架之间的间隙，形成受力整体，具有可靠的支护强度。拱架的制作方法令拱架的外形能够契合隧道的轮廓，结合相应的安装方法，本申请的拱架的支撑效果更好。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
