CN106194209A - 一种钢管混凝土支架及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢管混凝土支架及其施工方法，属于岩土工程领域，能够在具备高强的支护能力的同时，大大提升抗震、让压变形和承受动力荷载的能力。所述钢管混凝土支架包括：支架钢管、置于所述支架钢管内的橡胶混凝土和连接所述支架钢管的连接套管，所述钢管混凝土支架上设有排气孔和注浆孔；其中，所述橡胶混凝土是以混凝土或水泥砂浆为基材，均匀掺入各种非连续的橡胶粉或橡胶颗粒而形成的水泥基复合材料。本发明用于进行支护。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种钢管混凝土支架及其施工方法。
背景技术
现有的地下工程支护方式中，钢管混凝土支架作为一种十分有效的支护结构，在新汶华丰煤矿、龙口北皂矿、邢台邢东矿、通化八宝矿、内蒙上海庙长城矿、淮南国投新集口孜东矿、神华宁煤清水营矿、甘肃平凉新安矿等矿的巷道、硐室或隧道支护中，其优良的支护性能已经在工程实际中的到了充分地检验。
但是，对于围岩压力大、变形量大、变形时间长、存在动压的隧道、地下油库、水封洞库和硐室，如果钢管混凝土支架没有抗震或让压功能，在支架与围岩相互作用过程中，当载荷超过支架的承载力时，支架就会失稳破坏而失去承载能力。尤其是在存在动压或者发生地震的情况下，钢管混凝土整体失稳的几率大大增加。
发明内容
本发明实施例提供了一种钢管混凝土支架，在具备高强的支护能力的同时，大大提升抗震、让压变形和承受动力荷载的能力，解决了钢管混凝土支架刚性过大的问题，大大降低了钢管混凝土支架脆性破坏的可能性。
一方面，提供了一种钢管混凝土支架，所述钢管混凝土支架包括：支架钢管、置于所述支架钢管内的混凝土和连接所述支架钢管的连接套管，所述钢管混凝土支架上设有排气孔和注浆孔；
其中，所述混凝土为橡胶混凝土，橡胶混凝土是以混凝土或水泥砂浆为基材，均匀掺入各种非连续的橡胶粉或橡胶颗粒而形成的水泥基复合材料。
可选地，所述橡胶粉是通过在无水乙醇或氢氧化钠中浸泡并烘干而得到，粒径为300目到16目。
可选地，所述橡胶混凝土当中的橡胶粉重量所占比例为0.1-20％。
可选地，所述支架钢管的形状为弧形，所述支架钢管的管壁厚度由厚度值最大处到最小处沿界面所在弧线线性减小。
可选地，所述支架钢管的管壁厚度在支架钢管外侧最大，为6-20mm，所述的支架钢管6的管壁厚度值在支架的内侧最小，为4-12mm，其中，最小值与最大值之比为1/2到4/5。
可选地，所述支架钢管上设有限位钢圈，以防止所述连接套管的错动。
可选地，所述钢管混凝土支架还可包括用于监测所述钢管混凝土支架的应力和形变的传感器。本发明实施例在钢管混凝土支架上设置监测应力形变的传感器，应力形变的数据可通过数据通信传送至各种终端设备(例如，手机、电脑等)，以全程监控、分析钢管混凝土支架的受力和形变，预防钢管混凝土支架因应力和形变过大而发生倾覆、失稳等事故。
其中，监测应力形变的传感器可安装于钢管混凝土支架受力的关键部位(例如，顶部、底部、两侧和肩部)。传感器获知的应力形变的数据传输至终端设备后，终端设备即可根据这些数据来分析支架各部位的状态。
可选地，所述排气孔和所述注浆孔位于所述钢管混凝土支架的内侧。
可选地，所述钢管混凝土支架的顶部留有圆形排气孔，直径为2-10mm，底部留有圆形注浆孔，所述排气孔和所述注浆孔在向支架钢管内空间灌注橡胶混凝土时协同工作。
可选地，所述连接套管为截面为圆形的钢管，管壁厚度为4-12mm，其内径比支架钢管6的外径稍大，以保证所述支架钢管顺利插入连接，所述连接套管的长度为150mm-300mm。
另一方面，提供一种应用上面所述的钢管混凝土支架的施工方法，所述方法包括：
利用所述连接套管将多个支架钢管依次连接；
将连接好的支架钢管通过固定锚杆安装到待支护断面上；
通过注浆孔向连接安装好的支架钢管内灌注拌制均匀的橡胶混凝土，直至橡胶混凝土充满每一节支架钢管为止；
利用木塞封堵注浆孔和排气孔，至此钢管橡胶混凝土支架施工完毕。
本发明实施例提供的钢管混凝土支架及其施工方法，可应用于石油水封洞库、地下储油洞库、硐室、井筒支护和隧道中，将橡胶混凝土创新性地引入到了钢管混凝土支架支护技术中，由于橡胶混凝土的高阻尼比，使钢混支架在具备高强的支护能力的同时，抗震、让压变形和承受动力荷载的能力得到了大大提升，解决了钢混支架刚性过大的问题，大大降低了钢混支架脆性破坏的可能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1是本发明实施例提供的钢管混凝土支架的整体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的钢管构件的示意图；
图3是沿图2中的线AA截取的钢管构件的剖面图；
图4是应用本发明提供的钢管混凝土支架的施工方法的流程图。
附图标记说明：
钢管橡胶混凝土支架构件1；连接套管2；排气孔3；注浆孔4；橡胶混凝土5；支架钢管6；支架钢管内侧7；支架钢管外侧8；限位钢圈9。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
我国是世界上废橡胶产生量最大的国家之一，随着汽车工业的发展，中国现在每年报废轮胎已经达到每年一亿条以上，并且以每年15％的速度增长。废橡胶在自然条件下难降解，不仅占用土地、污染环境、破坏植物生长、存在火灾隐患，而且造成了巨大的资源浪费。我国非常重视废橡胶的处理与利用，但是无害化利用率偏低，约为60％。因此，进一步拓宽废橡胶的应用范围、加大废橡胶的利用效率是亟待解决的问题，对于缓解资源紧张、改善环境污染具有重大的社会和经济意义。
目前，我国废橡胶利用以生产再生胶为主，但再生胶生产过程复杂，生产能耗大，“三废”治理难，无法满足环保要求，欧美主要工业发达国家已经全面禁止再生胶的生产。废橡胶粉生产工艺简单，消耗能源少，不污染环境，成为发达国家利用废橡胶的主要方式。从长远看，废橡胶粉是非常有前途的产品，可以广泛应用于普通混凝土、沥青混凝土、防水材料以及其他建筑材料中，具有广阔的开发空间和利用前景。
需要说明的是，橡胶混凝土是以混凝土或水泥砂浆为基材，均匀掺入各种非连续的橡胶粉或橡胶颗粒而形成的水泥基复合材料，是一种改性、环保的复合材料，其延性、抗裂性、抗渗性、减震阻尼性、保温隔热性和隔音降噪性等优于普通混凝土，橡胶主要通过物理力学作用改善混凝土内部结构，并不改变混凝土中各种材料本身的化学性能,因而不会破坏混凝土的耐久性。橡胶混凝土可大量消耗废橡胶，我国混凝土产量超过15亿m3，理论上1m3混凝土只须掺加0.8kg橡胶粉便可消化掉没有回收再生利用的废橡胶。废橡胶轮胎是一种由橡胶、炭黑、软化剂及硫化促进剂等多种材料组成的含交联结构的材料，所用的橡胶集料是废旧橡胶经粉碎机断裂其交联网状结构，产生的大量分子碎片颗粒，其表面呈惰性，根据粉碎后颗粒的大小，分为不同目数等级的橡胶粉。废橡胶资源丰富，价格低廉，利用其对混凝土进行改性是一种既简单又经济的方法。
本发明实施例提供了一种钢管混凝土支架，将橡胶混凝土创新性地引入到了钢管混凝土支架支护技术中，使得钢管混凝土支架在具备高强的支护能力的同时，大大提升抗震、让压变形和承受动力荷载的能力，解决了钢管混凝土支架刚性过大的问题，大大降低了钢管混凝土支架脆性破坏的可能性。
下面结合图1-3对本发明实施例提供的钢管橡胶混凝土支架进行进一步阐释。
如图1-3所示，本发明实施例提供的钢管橡胶混凝土支架包括：支架钢管6、橡胶混凝土5、连接套管2。支架钢管6通过连接套管2连接成为整体支架，利用固定锚杆将连接好的支架钢管6安装到待支护断面上，并且可以在支架钢管6的内部空间灌注橡胶混凝土5而形成本发明实施例提供的钢管橡胶混凝土支架。
所述支架钢管6的形状可以是弧形，也可以是直线型，其组成整体支架的形状可以为直墙半圆拱形、圆形、矩形、方形、马蹄形等，依据待支护断面形状而定。
所述支架钢管6圆形截面的直径为8-30cm，所述支架钢管6的管壁厚度值在与待支护断面接触的位置处也就是支架钢管外侧8最大，为6-20mm；所述的支架钢管6的管壁厚度值在支架的内侧7最小，为4-12mm；最小与最大值的比值为1/2-4/5，支架钢管6管壁厚度由厚度值最大处到最小处厚度沿截面所在弧线线性减小。这样增强了钢管橡胶混凝土支架的抗弯折能力和外侧的抗拉强度。所述的支架钢管6管壁厚度也可以是均匀一致的，厚度值为6-20mm。
所述的橡胶混凝土5是在普通混凝土内添加橡胶粉均匀搅拌而成，橡胶粉重量所占比例0.1％-20％。
所述的橡胶粉由废旧轮胎制成，其粒径为300目-16目，需通过在无水乙醇或氢氧化钠中浸泡并烘干，以去掉其中的硬脂酸锌，从而增强橡胶颗粒与水泥砂浆的粘结能力，减少橡胶混凝土的开裂。
所述的钢管混凝土支架的顶部留有排气孔3，为圆形，直径2-10mm；底部留有注浆孔4，为圆形，注浆孔4的直径与注浆管的直径相匹配，排气孔3和注浆孔4在向支架内空间灌注橡胶混凝土5时协同工作。
所述的排气孔3和注浆孔4均位于钢管橡胶混凝土支架的内侧，这样的布置方式可以在确保顺利注浆的同时保证支架外侧足够的抗拉和抗弯折能力。
所述的连接套管2为截面为圆的钢管，管壁厚度为4-12mm，其形状与被相邻连接钢管橡胶混凝土支架构件1匹配，内径比支架钢管6的外径稍大，能保证支架钢管6顺利插入连接即可；所述连接套管2的长度为150mm-300mm。
所述的支架钢管6上焊有限位钢圈9，其高度为3-5mm，可以避免连接套管2的错动，保证钢管橡胶混凝土支架的稳定性。其中，限位钢圈可焊接到连接套管上。
在本发明实施例中，可选地，所述钢管混凝土支架还可包括用于监测所述钢管混凝土支架的应力和形变(例如，上下或者两侧方面的形变)的传感器(图未示出)。所述传感器初始可设置一个安全的应力阈值和一个安全的形变阈值，并监测钢管混凝土支架的实时应力值和形变值。当实时应力值和形变值超过此应力阈值或形变阈值时，可触发警报装置发出警报声响。
当工作人员听到警报声时，即可得知钢管混凝土支架处于极限受力状态，此时，会采取增加锚杆支护、增加液压支柱等相应的补救手段，避免进一步的失稳。而当应力应变数据长时间处于稳定状态，则可证明支架已处于稳定工作的安全状态。
本发明实施例在钢管混凝土支架上设置监测应力形变的传感器，应力形变的数据可通过数据通信传送至各种终端设备(例如，手机、电脑等)，以全程监控、分析钢管混凝土支架的受力和形变，预防钢管混凝土支架因应力和形变过大而发生倾覆、失稳等事故。
参照图4，本发明钢管橡胶混凝土支架的施工方法可包括：
41、利用连接套管2将支架钢管6依次连接；
42、将连接好的支架钢管6通过固定锚杆将其安装到待支护断面上去；
43、通过注浆孔4向连接安装好的支架钢管6内灌注拌制均匀的橡胶混凝土5，直至橡胶混凝土5充满每一节钢管橡胶混凝土支架构件1为止；
44、利用木塞封堵注浆孔4和排气孔3，至此钢管橡胶混凝土支架施工完毕。
可选地，当所述传感器监测到所述钢管混凝土支架的应力超过应力阈值或形变超过形变阈值时，根据所述钢管混凝土支架的状态增加锚杆支护和/或液压支架。
本发明实施例提供的钢管混凝土支架及其施工方法，将橡胶混凝土创新性地引入到了钢管混凝土支架支护技术中，由于橡胶混凝土的高阻尼比，使钢混支架在具备高强的支护能力的同时，抗震、让压变形和承受动力荷载的能力得到了大大提升，解决了钢混支架刚性过大的问题，大大降低了钢混支架脆性破坏的可能性。
本发明实施例提供的钢管橡胶混凝土支架及其施工方法的优点可包括：
(1)将橡胶混凝土创新性地引入到了钢管混凝土支架支护技术中，由于橡胶混凝土的高阻尼比，使钢混支架在具备高强的支护能力的同时，抗震、让压变形和承受动力荷载的能力得到了大大提升，解决了钢混支架刚性过大的问题，大大降低了钢混支架脆性破坏的可能性；
(2)利用橡胶混凝土取代钢混支架中的普通混凝土，钢管为橡胶混凝土提供紧箍力，使得橡胶粉与混凝土提相容性不好的问题得到极大程度的改善；
(3)使用橡胶粉而不是橡胶粒，在一定程度上解决了橡胶粒混凝土橡胶粒上浮与分布不均的问题；
(4)本发明拓展了橡胶粉在土木工程中的应用，进一步，为解决目前废旧橡胶轮胎污染严重的问题做出了贡献；
(5)本发明采用的支架钢管为厚度可变的钢管，提高了钢混支架的抗弯折破坏的能力，同时也节省了钢材用量。
需要说明的是：上述实施例提供的钢管混凝土支架与其施工方法实施例属于同一构思，它们之间也相互参照，这里冗余内容不再赘述。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种钢管混凝土支架，其特征在于，所述钢管混凝土支架包括：支架钢管、置于所述支架钢管内的橡胶混凝土和连接所述支架钢管的连接套管，所述钢管混凝土支架上设有排气孔和注浆孔；
其中，所述橡胶混凝土是以混凝土或水泥砂浆为基材，均匀掺入各种非连续的橡胶粉或橡胶颗粒而形成的水泥基复合材料；
所述橡胶粉或橡胶颗粒是通过在无水乙醇或氢氧化钠中浸泡并烘干而得到，粒径为300目到16目，所述橡胶混凝土当中的橡胶粉或橡胶颗粒重量所占比例为0.1-20％。
2.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架，其特征在于，所述支架钢管的管壁厚度由厚度值最大处到最小处沿界面所在弧线线性减小；所述支架钢管的管壁厚度在与待支护断面接触的位置处最大，为6-20mm，所述的支架钢管的管壁厚度值在支架的内侧最小，为4-12mm，其中，最小值与最大值之比为1/2到4/5。
3.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架，其特征在于，所述支架钢管上设有限位钢圈，以防止所述连接套管的错动。
4.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架，其特征在于，所述钢管混凝土支架还包括用于监测所述钢管混凝土支架的应力和形变的传感器。
5.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架，其特征在于，所述钢管混凝土支架的顶部留有圆形排气孔，直径为2-10mm，底部留有圆形注浆孔，所述排气孔和所述注浆孔在向支架钢管内空间灌注橡胶混凝土时协同工作，所述排气孔和所述注浆孔位于所述钢管混凝土支架的内侧。
6.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架，其特征在于，所述连接套管为截面为圆形的钢管，管壁厚度为4-12mm，其内径比支架钢管的外径大，以保证所述支架钢管顺利插入连接，所述连接套管的长度为150mm-300mm。
7.一种应用权利要求1-6任一所述的钢管混凝土支架的施工方法，其特征在于，所述方法包括：
利用所述连接套管将多个支架钢管依次连接；
将连接好的支架钢管通过固定锚杆安装到待支护断面上；
通过注浆孔向连接安装好的支架钢管内灌注拌制均匀的橡胶混凝土，直至橡胶混凝土充满每一节支架钢管为止；
利用木塞封堵注浆孔和排气孔，至此钢管橡胶混凝土支架施工完毕。
8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述传感器监测到所述钢管混凝土支架的应力超过应力阈值或形变超过形变阈值时，根据所述钢管混凝土支架的状态来增加锚杆支护和/或液压支架。
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