[发明专利]一种多尺度毛化表面的钢管混凝土拱架及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种多尺度毛化表面的钢管混凝土拱架及制备方法与应用，所述钢管混凝土拱架包括钢管拱架，所述钢管拱架的外表面喷射混凝土，钢管拱架的外壁面上间隔设置多个凸出件，所述凸出件整体为截面T字形的圆柱体结构，凸出件直径小的一端连接钢管拱架，直径大的一端连接混凝土，所述混凝土内掺入纤维；所述钢管拱架和凸出件均进行表面粗糙化处理；本发明提供的钢管混凝土拱架，通过在钢管表面设置粘结增强涂层、做毛处理、短凸出件、长凸出件及在混凝土内掺入钢纤维共同构成了多尺度的增强连结体系，增强了拱架与喷射混凝土的连结强度。

技术领域

本发明涉及土木建设技术领域，具体涉及一种多尺度毛化表面的钢管混凝土拱架及制备方法与应用。

背景技术

隧道等地下工程的支护结构主要包括初支和二衬，其中初支结构一般由锚杆、金属网、喷射混凝土和拱架构成，拱架一般采用格栅钢架或工字钢型钢拱架。随着近年来对能源与交通的需求进一步增加，越来越多的矿山、公路与铁路等隧道工程项目建设在复杂地质条件中，此类地下工程往往具有围岩压力大的特点，常规支护结构如工字钢拱架、格栅钢架等有时难以满足要求，出现大变形、屈曲、断裂等工程问题，导致工程风险。

钢管混凝土结构具有钢材和混凝土两者共同的优势，其承载能力是相同用钢量工字钢拱架的2倍甚至以上。现有钢管混凝土拱架支护结构存在一些缺陷，限制了其在隧道工程的推广应用，其中最显著的一个是钢管混凝土拱架外表面与喷射混凝土之间连结能力弱，易剥离的问题。钢管混凝土拱架一般由成品钢管加工而成，外表面相对光滑；喷射混凝土施做后，受力较小时两者尚能协同工作，而当受力较大时，钢管和喷射混凝土之间则极易剥离，使两者无法协同受载，支护能力大大降低，进而混凝土脱离拱架、开裂、掉块，拱架发生屈曲失效等问题。同时，喷射混凝土与拱架脱离开裂后，极易导致初期支护渗水、围岩加速风化等问题。这些问题直接影响了隧道结构的长期稳定。

目前，地下工程领域钢管混凝土拱架方面的技术创新与发明一般集中于拱架的让压、组合结构与装配工艺或拱架试验装备与技术方面，还包括一些钢纤维和膜袋混凝土拱架等材料形式方面的创新，但以上工作均没有针对钢管混凝土拱架与喷射混凝土粘结问题。中国发明专利-CN104790981A，公开了一种加强混凝土喷层与拱架间连接性能的结构及方法，其实现方式是将拱架远离围岩侧的金属网壳与拱架相连而提高连接能力，能够一定程度解决这一问题；但拱架侧边与喷射混凝土的易剥离问题仍未得到解决，且材料投入与施做强度均相对较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多尺度毛化表面的钢管混凝土拱架及制备方法与应用，能够有效提高钢管拱架外表面与喷射混凝土的连结能力。

本发明的技术方案如下：

在本发明的第一方面，一种多尺度毛化表面的钢管混凝土拱架，包括钢管拱架，所述钢管拱架的外表面喷射混凝土，钢管拱架的外壁面上间隔设置多个凸出件，所述凸出件整体为截面T字形的圆柱形结构，凸出件直径小的一端连接钢管拱架，直径大的一端连接混凝土，所述混凝土内掺入纤维；所述钢管拱架和凸出件均进行表面粗糙化处理。

在本发明的一些实施方式中，所述多个凸出件在钢管拱架的外壁面上均匀设置，相邻的凸出件之间间隔2-5cm。

在本发明的一些实施方式中，所述凸出件包括第一凸出件和第二凸出件，所述第一凸出件的长度小于第二凸出件的长度。

在本发明的一些实施方式中，钢管拱架远离围岩和靠近围岩的两个侧面设置第一凸出件，剩余两个侧面采用第一凸出件和第二凸出件间隔设置的方式。

在本发明的一些实施方式中，所述凸出件为上下同轴设置的两个圆柱体形成的一体结构，上圆柱体的直径大于下圆柱体的直径，上圆柱体的高度小于下圆柱体的高度。

在本发明的一些实施方式中，所述凸出件以焊接的方式安装在钢管拱架上。

在本发明的第二方面，提供了一种多尺度毛化表面的钢管混凝土拱架的制备方法，包括以下步骤：