CN105822330A - 一种地下工程支护用gfrp管混凝土支架及其施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地下工程支护用GFRP管混凝土支架及其施工工艺，包括多节曲管，相邻的曲管之间固定连接，曲管的材质选用GFRP材料，曲管内填充混凝土，混凝土支架的侧部曲管上设置有注浆口、上部曲管上设置有排气孔。本发明相比于现有的钢管混凝土支架，力学强度高，耐腐蚀性能好，造价低，对当前形势下降低支护成本具有重要意义；并且该GFRP管混凝土支架具有适量的可缩性，能够实现自身调整，可有效降低作用在支架上的围岩压力，防止支架失稳破坏；通过在施工过程中铺设柔性均压卸压层，柔性均压卸压层与混凝土支架结合，使得整个支护体系刚柔并济、支护阻力强，且能控制巷道变形。
Description
技术领域
本发明涉及巷道支护技术领域，具体是一种地下工程支护用GFRP管混凝土支架及其施工工艺。
背景技术
近几年，钢管混凝土支架在煤矿深井软岩巷道内得到了广泛应用，并取得了良好的支护效果。公告号为CN103527201B的中国专利公开了一种煤矿立井井筒钢管混凝土支架与混凝土管片支护装置，其结构包括相互间隔布置的多个钢管混凝土支架与钢筋混凝土预制管片，并在钢管混凝土支架的顶面设有注浆口和排气孔，支护能力强，能够保障巷道的长期稳定。但是采用该钢管混凝土支架，具有以下几个弊端：首先，钢管容易锈蚀，导致钢管混凝土支架的耐久性较差；其次，考虑到钢材的价格和钢管混凝土支架的用钢量较高，钢管混凝土支架的成本较高，并且由于钢管单位重量高，做成支架后较重导致施工不方便；另外，该钢管混凝土支架无法缩动让压，在与围岩相互作用中抗力增长到一定程度后支架容易损毁。
GFRP材料是以玻璃纤维为增强材料并以不饱和树脂为基体的纤维复合增强塑料，具有轻质高强、力学强度好、造价低的独特优势，并且GFRP材料耐腐蚀性能好，能够有效抵抗酸碱盐等介质的腐蚀，不需防腐，耐久性好。因此，如何充分利用GFRP材料的优势，将其应用于建筑、桥梁和岩土工程中具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的，就是为解决现有技术存在的问题，而提供了一种耐腐蚀性好、轻质高强、承载能力高且成本低的地下工程支护用GFRP管混凝土支架。
本发明的技术方案为：一种地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：包括多节曲管，相邻的曲管之间通过可拆卸连接，所述曲管的材质选用GFRP材料，所述曲管内填充混凝土，所述混凝土支架的侧部曲管上设置有注浆口、顶部曲管上设置有排气孔。
上述相邻的曲管之间通过连接套管相互连接。
上述相邻的曲管的对接处设置有软垫，以保证GFRP管混凝土支架在承受巷道围岩压力时具有适量的可缩性，增加支架的使用年限，所述软垫的中部沿其轴向方向设置有通孔，以便于泵送混凝土，所述软垫的上端和下端分别设置有与曲管配合的连接段。上述连接段的外径小于曲管的内径，所述软垫的中间部分的外径大于曲管的外径且小于连接套管的内径，以便于各曲管之间的相互连接。
上述相邻的曲管之间采用曲管内插连接，所述曲管的一端设置有缩口变径段，所述缩口变径段与相邻曲管配合连接；或者，所述曲管的一端设置有扩径连接段，所述相邻曲管靠近扩径连接段的一端与所述曲管配合连接。
上述注浆口和排气孔两侧的曲管管壁上分别连接有加强弧板，所述注浆口内插有注浆短管，注浆后，在注浆短管内插入封孔塞，可使注浆口范围内的支架轴向荷载直接上下传递，从而降低支架注浆口周边的应力集中程度，保证支架的整体支护强度。
上述曲管的截面形状可设置为圆形、矩形、六边形或八边形等。
上述GFRP管混凝土支架的截面形状可设计成圆形、椭圆形、浅底拱圆形、直墙半圆拱形和斜墙圆拱形等
相邻GFRP管混凝土支架之间通过顶杆或矿用W钢带相连接，直线巷道的支架间距稳定可控，采用顶杆连接；曲线巷道支架间距依次变化不可控，采用矿用W钢带连接。这样改善了GFRP管混凝土支架体的约束条件，提高了GFRP管混凝土支架的稳定性和抗变形能力。
上述GFRP管混凝土支架的施工工艺，包括以下步骤:
a.根据GFRP管混凝土支架的安装位置，GFRP管混凝土支架分为反底拱段、两帮段和顶弧段，并将各分段分别运输至施工巷道；
b.在架设GFRP管混凝土支架前，首先在巷道内铺设柔性均压卸压层，所述柔性均压卸压层可以选用编织袋充填体或木板填充体，所述编织袋充填体内装有煤矸石或其它填充材料，GFRP管混凝土支架是刚性支护体，柔性均压卸压层与混凝土支架结合，使得整个支护体系刚柔并济，并且结构简单、成本低、支护阻力强、能控制巷道变形；
c.确定支架位置后，先卧底安装多个反底拱段，并用矿用W钢带定位；
d.分别架设各GFRP管混凝土支架的两帮段，并布置相邻支架侧部的矿用W钢带；
e.分别将顶弧段与两帮段对接，并布置相邻支架上部的矿用W钢带；
f.对GFRP管混凝土支架进行混凝土灌注，在灌注时使用防爆混凝土输送泵先泵送少许砂浆湿润管路与支架，再灌注混凝土。
上述灌注过程混凝土强度等级设置为C40及以上，在灌注过程中可以添加钢纤维以强化混凝土，或采用硫铝酸盐水泥配制混凝土以加快混凝土硬化。
本发明的有益效果可通过上述方案得出：
1.本发明提供地下工程支护用GFRP管混凝土支架相比于现有的钢管混凝土支架，力学强度好，工艺简单，耐腐蚀性能好，造价低，如内径为200mm、壁厚12mm的GFRP管单价为55元/米，与其承载力相当的内径为194mm、壁厚10mm的钢管的单价为110元/米，36U型钢单价为72元/米，采用本发明提供的混凝土支架对当前形势下降低支护成本具有重要意义。
2.通过设置连接套管及软垫或采用曲管内插连接方式，该GFRP管混凝土支架具有适量的可缩性，能够实现自身调整，可有效降低作用在支架上的围岩压力，防止支架失稳破坏。
3.通过在施工过程中铺设柔性均压卸压层，柔性均压卸压层与GFRP管混凝土支架结合，使得整个支护体系刚柔并济，结构简单、成本低、支护阻力强，且能控制巷道变形。
由此可见，本发明与现有技术相比具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明：
图1为本发明中GFRP管混凝土支架的结构示意图；
图2为本发明中相邻曲管连接处的结构示意图；
图3为本发明中软垫的俯视结构示意图；
图4为本发明中注浆口处的结构示意图；
图5为GFRP管混凝土支架的架设示意图；
图6为GFRP管混凝土支架连接示意图。
其中，1为排气孔，2为曲管，3为连接套管，4为软垫，4-1为连接段，4-2为通孔，5为注浆口，6为混凝土，7为限位挡块，8为加强弧板，9为注浆短管，10为封口塞，11为巷道，12为反底拱段，13为两帮段，14为顶弧段，15为顶杆或矿用W钢带。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细解释本发明的实施方式。
具体实施方式：如图1所示，本发明提供了一种地下工程支护用GFRP管混凝土支架，包括多节曲管2，一般设置为4~6节，相邻的曲管2之间相互连接，组成具有一定断面形状的封闭结构，断面形状根据需要可以设置为圆形、椭圆形、马蹄形、斜墙圆拱形、浅底拱圆形等。曲管2的材质选用GFRP材料，GFRP材料是以玻璃纤维为增强材料并以不饱和树脂为基体的纤维复合增强塑料，作为纤维增强塑料的一种，GFRP材料具有轻质高强、造价低、耐腐蚀性好的独特优势。曲管2的截面形状可设置为圆形、矩形、六边形或八边形等。曲管2内填充混凝土，GFRP管混凝土支架的侧部曲管2上设置有注浆口5、顶部曲管2上设置有排气孔1。如图2所示，相邻曲管2之间通过连接套管3连接，相邻的曲管2的对接处设置有软垫4，以保证GFRP管混凝土支架在承受巷道围岩压力时具有适量的可缩性，增加支架的使用年限，软垫4的中部沿其轴向方向设置有通孔4-2，以便于泵送混凝土，软垫4的上端和下端分别设置有与曲管2配合的连接段4-1。连接段4-1的外径小于曲管2的内径，软垫4的中间部分的外径大于曲管2的外径且小于连接套管3的内径，以便于各曲管2之间的相互连接。软垫4可选用木块或者橡胶。曲管2中靠近连接套管3下滑的一端或两端的外圆周面上设置有限位挡块7。在实际操作中，将软垫4一端的连接段4-1插入一节曲管2内，将连接套管3预先套在另一节曲管2上，将两曲管2对接时，将软垫4的另一连接段4-1插入另一节曲管2中，然后将连接套管3向下移至限位挡块7处，这样有利于各个曲管2的定位，并且可提高支架的整体承载力。
相邻曲管2之间也可通过曲管2内插的方式相互连接，以顶弧段14与两帮段13连接为例，顶弧段14末端设置有缩口变径段，两帮段13末端管径不变但做强化加固，顶弧段14缩口变径段涂胶后插入两帮段13，实现连接；或者，以顶弧段14与两帮段13连接处为例，顶弧段14末端管径不变，两帮段13末端设置有扩径连接段，顶弧段14涂胶后插入两帮段13，实现连接，在支架承载压力变大后，可在曲管2连接处实现可缩。
如图4所示，注浆口5和排气孔1处采用补强措施，注浆口5和排气孔1两侧的曲管2管壁上分别连接有加强弧板8，注浆口5内插有注浆短管9，注浆后，在注浆短管9内插入封孔塞10，可使注浆口5范围内的支架轴向荷载直接上下传递，从而降低支架注浆口5周边的应力集中程度，保证支架的整体支护强度。相邻GFRP管混凝土支架之间通过顶杆或矿用W钢带15相连接，这样改善了GFRP管混凝土支架体的约束条件，提高了GFRP管混凝土支架的稳定性和抗变形能力。本发明中曲管材料选用GFRP材料，但其材料不限于GFRP材料，还可采用其他纤维增强塑料，如CFRP材料等。
上述地下工程支护用GFRP管混凝土支架的施工工艺，包括以下步骤:
a.根据巷道断面及围岩应力场设计支架结构，采用弯曲缠绕机加工所述曲管2，并加工连接套管、顶杆或矿用W钢带15、软垫等多种附属件，如图5所示，根据GFRP管混凝土支架的安装位置，GFRP管混凝土支架分为反底拱段12、两帮段13和顶弧段14，并将各分段分别运输至施工巷道；
b.在架设GFRP管混凝土支架前，首先在巷道内铺设柔性均压卸压层，该柔性均压卸压层可以选用编织袋充填体或木板填充体，编织袋充填体内装有煤矸石或其它填充材料，这样不但使刚性支架对围岩产生初衬力，而且使围岩具有了一定的变形空间，解决了钢管混凝土支架柔性不足的缺点。GFRP管混凝土支架是刚性支护体，柔性均压卸压层与混凝土支架结合，使得整个支护体系刚柔并济，并且结构简单、成本低、支护阻力强、能控制巷道变形；
c.采用定位尺确定支架位置后，先卧底安装多个反底拱段12，并用顶杆或矿用W钢带15定位，相邻GFRP管混凝土支架中心线间距设置为0.6m~1.0m；
d.分别架设各GFRP管混凝土支架的两帮段13，并布置相邻支架侧部的矿用W钢带15；
e.分别将顶弧段14与两帮段13对接，并布置相邻支架上部的顶杆或矿用W钢带15；
f.根据实际工况需要对支架位置进行微调，并对GFRP管混凝土支架进行混凝土灌注，在灌注时使用防爆混凝土输送泵先泵送少许砂浆湿润管路与支架，再灌注混凝土。
上述灌注过程混凝土强度等级设置为C40及以上，在灌注过程中可以添加钢纤维以强化混凝土，或采用硫铝酸盐水泥（全掺或复掺）配制混凝土以加快混凝土硬化。
本发明的有益效果可通过上述方案得出：
1.本发明提供地下工程支护用GFRP管混凝土支架相比于现有的钢管混凝土支架，力学强度好，工艺简单，耐腐蚀性能好，与深井软岩巷道目前采用的36U型钢支架和钢管混凝土支架相比造价低，采用本发明提供的GFRP管混凝土支架对当前形势下降低支护成本具有重要意义。
2.通过设置连接套管3及软垫4或者或采用曲管2内插连接方式，该GFRP管混凝土支架具有适量的可缩性，能够实现自身调整，可有效降低作用在支架上的围岩压力，防止支架失稳破坏。
3.通过在施工过程中铺设柔性均压卸压层，柔性均压卸压层与GFRP管混凝土支架结合，使得整个支护体系刚柔并济，结构简单、成本低、支护阻力强，且能控制巷道变形。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：包括多节曲管，相邻的曲管之间固定连接，所述曲管的材质选用GFRP材料，所述曲管内填充混凝土，所述GFRP管混凝土支架的侧部曲管上设置有注浆口、顶部曲管上设置有排气孔。
2.如权利要求1所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：所述相邻的曲管之间通过连接套管相互连接。
3.如权利要求2所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：所述相邻的曲管的对接处设置有软垫，所述软垫的中部沿其轴向方向设置有通孔，所述软垫的上端和下端分别设置有与曲管配合的连接段，所述连接段的外径小于曲管的内径，所述软垫中间部分的外径大于曲管的外径且小于连接套管的内径。
4.如权利要求1所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：所述相邻的曲管之间采用曲管内插连接，
所述曲管的一端设置有缩口变径段，所述缩口变径段与相邻曲管配合连接；
所述曲管的一端设置有扩径连接段，所述相邻曲管中靠近扩径连接段的一端与所述扩径连接段配合连接。
5.如权利要求1所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：所述注浆口和排气孔两侧的曲管管壁上分别连接有加强弧板，所述注浆口内插有注浆短管，以降低GFRP管混凝土支架注浆口周边的应力集中程度，注浆后，在注浆短管内插入封孔塞。
6.如权利要求1所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：所述曲管的截面形状可设置为圆形、矩形、六边形或八边形等。
7.如权利要求1或6所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：所述GFRP管混凝土支架的截面形状可设计成圆形、椭圆形、浅底拱圆形、直墙半圆拱形和斜墙圆拱形等。
8.如权利要求1所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架，其特征在于：相邻GFRP管混凝土支架之间通过顶杆或矿用W钢带相连接。
9.一种如权利要求1所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤:
a.根据GFRP管混凝土支架的安装位置，GFRP管混凝土支架分为反底拱段、两帮段和顶弧段，并将各分段分别运输至施工巷道；
b.在架设混凝土支架前，首先在巷道内铺设柔性均压卸压层，所述柔性均压卸压层可以选用编织袋充填体或木板填充体，所述编织袋充填体内装有煤矸石或其它填充材料；
c.确定支架位置后，先卧底安装多个反底拱段，并用顶杆或矿用W钢带定位；
d.分别架设各混凝土支架的两帮段，并布置相邻混凝土支架侧部的顶杆或矿用W钢带；
e.分别将顶弧段与两帮段对接，并布置相邻GFRP管混凝土支架上部的顶杆或矿用W钢带；
f.对GFRP管混凝土支架进行混凝土灌注，在灌注时使用防爆混凝土输送泵先泵送少许砂浆湿润管路与支架，再灌注混凝土。
10.如权利要求9所述的地下工程支护用GFRP管混凝土支架的施工工艺，其特征在于：所述灌注过程中的混凝土强度等级设置为C40及以上，在灌注过程中可以添加钢纤维以强化混凝土，或采用硫铝酸盐水泥配制混凝土以加快混凝土硬化。
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