CN107035390B - 隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置 - Google Patents

隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，包括拱架主体系统和柔性防护系统；所述的拱架主体系统包括拱形的刚性高强度钢架以及底座；所述的柔性防护系统包括设置在所述的刚性高强度钢架上沿着拱架的圆弧反向设有两个平行的支撑杆，在两个支撑杆之间间隔的设有导向杆，所述的导向杆与支撑杆之间通过连接件相连；且在相邻的双向导向杆之间设有多个与双向导向杆轴线方向垂直且与双向导向杆相连的滚动轴，在所述的滚动轴上套装有柔性滚筒。

Description

隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置
技术领域
本发明涉及一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置。
背景技术
现阶段，随着经济建设的飞速发展，大批水利水电工程、铁路公路交通工程等重大基础工程加快了建设步伐，并且建设重心向地形地质条件极端复杂的西部山区、岩溶地区转移，这都大大促进了隧洞工程的建设。在隧道施工中，为提高围岩稳定性和施工安全性，软弱围岩通常需要进行拱架安装支护。在隧道施工初支后、二衬施工前，发生的塌方落石灾害常给搭设的拱架造成了不可修复的重创，导致了严重的人员伤亡，造成了工期延误及经济损失。现阶段，相关专家学者尚未针对落石塌方灾害研制出一种有效的拱架防护措施或装置。因此，有必要针对隧道及地下工程中的落石塌方，发明一种拱架柔性防护装置及预警系统，使施工单位能及时准确地了解塌方信息，尽快采取应急措施，减小损失。
发明内容
本发明为克服上述技术的不足，提供一种操作简便、方便监测的隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置及预警系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，包括拱架主体系统和柔性防护系统；所述的拱架主体系统包括拱形的刚性高强度钢架以及底座；所述的柔性防护系统包括设置在所述的刚性高强度钢架上沿着拱架的圆弧反向设有两个平行的支撑杆，在两个支撑杆之间间隔的设有连接杆，连接杆的两端固定在两个支撑杆上，在所述的连接杆上套装有导向杆，所述的导向杆与支撑杆之间设有弹性装置；且在相邻的双向导向杆之间设有多个与双向导向杆轴线方向垂直且与双向导向杆相连的滚动轴，在所述的滚动轴上套装有柔性滚筒。
进一步的，所述的支撑杆通过立柱与所述的刚性高强度钢架相连，且在所述的立柱上设有缓冲减震垫块。
进一步的，所述的柔性防护系统还包括栅栏式拦石网，所述的栅栏式拦石网设置在刚性高强度钢架顶部，位于柔性滚筒下方。
进一步的，所述的并列滚动轴均嵌套多个柔性滚筒，所述的柔性滚筒与滚动轴之间通过轴承连接，涂有润滑油，不同滚动轴上的柔性滚筒之间有间隙，可无阻力滚动。
进一步的，在所述的双向导向杆之间也设有弹性装置。
进一步的，所述的弹性装置为高强度弹簧。
进一步的，还包括智能监测与数据采集系统，所述智能监测与数据采集系统包括多种传感器及无线传输装置，柔性滚筒内设置有转速传感器和压力传感器，可对柔性滚筒和主轴之间的压力、转数、转速、角度、角速度信息进行检测；
所述无线传输装置内嵌在柔性滚筒内，收集到的信号通过无线传输装置传送到数据分析反馈系统。
进一步的，还包括数据分析反馈系统，所述数据分析反馈系统包括计算机、伺服控制器以及远程控制室，负责对智能监测系统收集到的数据进行储存、整理、处理、分析，实现全自动化处理。
所述数据分析反馈系统通过对监测数据的分析，对不同种类的塌方进行预警、预报，反馈至报警系统，使施工单位能及时准确地了解塌方信息，尽快采取应急措施，减小损失。
当带有巨大冲击力的落石块向下滚落，冲击动能的一部分由柔性滚筒的变形来抵消，转化为变形势能，而且柔性滚筒变形以后产生的回弹力可以反作用于落石，极大程度上减小了落石坍塌对拱架的伤害；发生塌方后，柔性滚筒受侧向力产生转动，剩余的部分冲击动能转化为转动动能，产生的柔性滚筒的转动对落石有导向作用，使落石沿着拱架方向减小了自身冲击力，进一步减小了落石坍塌对拱架的伤害；
本申请的抗冲击缓冲系统：分为两种减震缓冲装置，分别为高强度弹簧、缓冲减震垫块，高强度弹簧固定在导向杆和立杆之间、导向杆和导向杆之间；
智能监测与数据采集系统：包括多种传感器及无线传输装置，柔性滚筒内设置有转速传感器和压力传感器，无线传输装置内嵌在柔性滚筒内，收集到的信号通过无线传输装置传送到数据分析反馈系统；
数据分析反馈系统：包括计算机、伺服控制器以及远程控制室，负责对智能监测系统收集到的数据进行储存、整理、处理、分析，实现全自动化处理。
所述拱架主体系统包括刚性高强度钢架以及底座，可根据隧道具体情况对钢拱架参数进行设置；
所述支撑杆与连接杆之间为螺栓连接，形成钢框架，分上下两层框架，上下两层可拆卸，以重复利用；
所述并列滚动轴均嵌套多个柔性滚筒，以轴承连接，涂润滑油，不同滚动轴上的柔性滚筒之间有间隙，可无阻力滚动，固定在第一层框架上，为第一道防护；
所述栅栏式拦石网为钢丝绳防护网，固定在第二层框架上，为第二道防护；
所述当带有巨大冲击力的落石块向下滚落，冲击动能的一部分由柔性滚筒的变形来抵消，转化为变形势能，而且柔性滚筒变形以后产生的回弹力可以反作用于落石，极大程度上减小了落石坍塌对拱架的伤害；
发生塌方后，所述柔性滚筒受侧向力产生转动，剩余的部分冲击动能转化为转动动能，产生的柔性滚筒的转动对落石有导向作用，使落石沿着拱架方向减小了自身冲击力，进一步减小了落石坍塌对拱架的伤害；
所述抗冲击缓冲系统分为两种减震缓冲装置，分别为高强度弹簧、缓冲减震垫块；
所述高强度弹簧固定在导向杆和立杆之间、导向杆和导向杆之间，当落石冲击能较大时，柔性滚筒的转动动能和柔性滚筒的变形势能不足以消减，高强度弹簧拉伸或压缩，将水平向的冲击动能转化为弹簧的弹性势能；
所述缓冲减震垫块由橡胶制成，安置在上下两层框架之间，可以抵消落石产生的垂直向的冲击动能。
本发明研究了一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置及预警系统，减小了以往隧道施工中塌方落石灾害对钢拱架造成的威胁，解决了对落石灾害的实时准确监测的技术难题。与前人研究相比，本发明装置具有以下优点：
1)支撑杆与导向杆之间为螺栓连接，形成钢框架，分上下两层框架，上下两层可拆卸，可重复利用、经济方便；
2)冲击动能的一部分由柔性滚筒的变形来抵消，转化为变形势能，剩余的部分转化为转动动能，柔性滚筒和栅栏式拦石网组成的两道防护对拱架进行双重保护，安全性更高；
3)本装置对落石有导向作用，且柔性滚筒变形以后产生的回弹力可以反作用于落石，使落石沿着拱架方向减小了自身冲击力，也减小了落石坍塌对拱架的伤害；
4)抗冲击缓冲系统由两种减震缓冲装置组成，高强度弹簧、缓冲减震垫块分别对垂直方向和水平方向的冲击进行缓冲，装置简易并不简单；
5)采用智能监测与数据采集系统对柔性滚筒和主轴之间的压力、转数、转速、角度、角速度等信息进行收集，并进行无线传输，能及时准确的监测落石的发生，综合性强；
6)数据分析反馈系统对智能监测系统收集到的数据进行储存、整理、处理、分析，通过全自动化分析处理，对不同种类的塌方进行预警、预报，反馈至报警系统，高效准确，为具体施工提供了指导性建议。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明结构正视图；
图2为柔性防护系统俯视图示意图；
图3为柔性防护系统正视图示意图；
其中，1、高强度钢架；2、柔性滚筒；3、拱形支撑杆；4、双向导向杆及配套滑杆；5、并列滚动轴；6、高强度弹簧；7、栅栏式拦石网；8、缓冲减震垫块，9刚性立杆，10连接杆。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中所述的“高强度”是指强度可以抵挡落石的冲击力即可；所述的栅栏式拦石网是指用钢绞线编织而生的网状结构。
正如背景技术所介绍的，现有技术中在隧道施工初支后、二衬施工前，发生的塌方落石灾害常给搭设的拱架造成了不可修复的重创，导致了严重的人员伤亡，造成了工期延误及经济损失，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置及预警系统。
下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。
一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置及预警系统，拱架主体系统包括刚性高强度钢架1以及底座，具体钢拱架参数可根据隧道具体情况进行设置。
柔性防护系统由多个柔性滚筒2、拱形支撑杆3、双向导向杆及配套滑杆4、并列滚动轴5、栅栏式拦石网7组成，支撑杆3与连接杆10之间为螺栓连接，形成钢框架，分上下两层框架，上下两层可拆卸，以重复利用；每个并列滚动轴5均嵌套多个柔性滚筒2，以轴承连接，涂润滑油，不同滚动轴上的柔性滚筒之间有间隙，可无阻力滚动，固定在第一层框架上，为第一道防护；栅栏式拦石网7为钢丝绳防护网，固定在第二层框架上，为第二道防护。
大型落石被第一道防护拦拦截，通过双层刚性框孔隙的微小滚石块则由第二道防护进行拦截。
所述栅栏式拦石网由高强度底框和钢绞线拦石网组成，将微小落石的冲击能转化为拦石网的变形能。
拱形支撑杆3通过刚性立杆9与刚性高强度钢架1相连。
当带有巨大冲击力的落石块向下滚落，冲击动能的一部分由柔性滚筒1的变形来抵消，转化为变形势能，而且柔性滚筒变形以后产生的回弹力可以反作用于落石，极大程度上减小了落石坍塌对拱架的伤害；发生塌方后，柔性滚筒受侧向力产生转动，剩余的部分冲击动能转化为转动动能，产生的柔性滚筒的转动对落石有导向作用，使落石沿着拱架方向减小了自身冲击力，进一步减小了落石坍塌对拱架的伤害。
抗冲击缓冲系统分为两种减震缓冲装置，分别为高强度弹簧6、缓冲减震垫块8，高强度弹簧6固定在导向杆4和拱形支撑杆3之间，当落石冲击能较大时，柔性滚筒2的转动动能和柔性滚筒的变形势能不足以消减，高强度弹簧6拉伸或压缩，将水平向的冲击动能转化为弹簧的弹性势能；缓冲减震垫块8由橡胶制成，安置在上下两层框架之间，可以抵消落石产生的垂直向的冲击动能。
智能监测与数据采集系统：包括多种传感器及无线传输装置，柔性滚筒内设置有转速传感器和压力传感器，可对柔性滚筒和主轴之间的压力、转数、转速、角度、角速度等信息进行检测，无线传输装置内嵌在柔性滚筒内，收集到的信号通过无线传输装置传送到数据分析反馈系统。
数据分析反馈系统：包括计算机、伺服控制器以及远程控制室，负责对智能监测系统收集到的数据进行储存、整理、处理、分析，实现全自动化处理。通过对监测数据的分析，对不同种类的塌方进行预警、预报，反馈至报警系统，使施工单位能及时准确地了解塌方信息，尽快采取应急措施，减小损失。
本申请的抗冲击缓冲系统：分为两种减震缓冲装置，分别为高强度弹簧、缓冲减震垫块，高强度弹簧固定在导向杆和立杆之间、导向杆和导向杆之间；
智能监测与数据采集系统：包括多种传感器及无线传输装置，柔性滚筒内设置有转速传感器和压力传感器，无线传输装置内嵌在柔性滚筒内，收集到的信号通过无线传输装置传送到数据分析反馈系统；
数据分析反馈系统：包括计算机、伺服控制器以及远程控制室，负责对智能监测系统收集到的数据进行储存、整理、处理、分析，实现全自动化处理。
所述拱架主体系统包括刚性高强度钢架以及底座，可根据隧道具体情况对钢拱架参数进行设置；
所述支撑杆与连接杆之间为螺栓连接，形成钢框架，分上下两层框架，上下两层可拆卸，以重复利用；
所述并列滚动轴均嵌套多个柔性滚筒，以轴承连接，涂润滑油，不同滚动轴上的柔性滚筒之间有间隙，可无阻力滚动，固定在第一层框架上，为第一道防护；
所述栅栏式拦石网为钢丝绳防护网，固定在第二层框架上，为第二道防护；
所述当带有巨大冲击力的落石块向下滚落，冲击动能的一部分由柔性滚筒的变形来抵消，转化为变形势能，而且柔性滚筒变形以后产生的回弹力可以反作用于落石，极大程度上减小了落石坍塌对拱架的伤害；
发生塌方后，所述柔性滚筒受侧向力产生转动，剩余的部分冲击动能转化为转动动能，产生的柔性滚筒的转动对落石有导向作用，使落石沿着拱架方向减小了自身冲击力，进一步减小了落石坍塌对拱架的伤害；
所述抗冲击缓冲系统分为两种减震缓冲装置，分别为高强度弹簧、缓冲减震垫块；
所述高强度弹簧固定在导向杆和立杆之间、导向杆和导向杆之间，当落石冲击能较大时，柔性滚筒的转动动能和柔性滚筒的变形势能不足以消减，高强度弹簧拉伸或压缩，将水平向的冲击动能转化为弹簧的弹性势能；
所述缓冲减震垫块由橡胶制成，安置在上下两层框架之间，可以抵消落石产生的垂直向的冲击动能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，包括拱架主体系统和柔性防护系统；所述的拱架主体系统包括拱形的刚性高强度钢架以及底座；所述的柔性防护系统包括设置在所述的刚性高强度钢架上沿着拱架的圆弧反向设有两个平行的支撑杆，在两个支撑杆之间间隔的设有连接杆，连接杆的两端固定在两个支撑杆上，在所述的连接杆上套装有导向杆，所述的导向杆与支撑杆之间设有弹性装置；且在相邻的双向导向杆之间设有多个与双向导向杆轴线方向垂直且与双向导向杆相连的滚动轴，在所述的滚动轴上套装有柔性滚筒。
2.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，所述的支撑杆通过立柱与所述的刚性高强度钢架相连，且在所述的立柱上设有缓冲减震垫块。
3.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，所述的连接杆与支撑杆之间通过螺栓相连。
4.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，所述的柔性防护系统还包括栅栏式拦石网，所述的栅栏式拦石网设置在刚性高强度钢架顶部，位于柔性滚筒下方。
5.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，所述的并列滚动轴均嵌套多个柔性滚筒，所述的柔性滚筒与滚动轴之间通过轴承连接，涂有润滑油，不同滚动轴上的柔性滚筒之间有间隙，可无阻力滚动。
6.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，在所述的双向导向杆之间也设有弹性装置。
7.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，所述的弹性装置为高强度弹簧。
8.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，还包括智能监测与数据采集系统，所述智能监测与数据采集系统包括多种传感器及无线传输装置，柔性滚筒内设置有转速传感器和压力传感器，可对柔性滚筒和主轴之间的压力、转数、转速、角度、角速度信息进行检测；所述无线传输装置内嵌在柔性滚筒内，收集到的信号通过无线传输装置传送到数据分析反馈系统。
9.如权利要求8所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，还包括数据分析反馈系统，所述数据分析反馈系统包括计算机、伺服控制器以及远程控制室，负责对智能监测与数据采集系统收集到的数据进行储存、整理、处理、分析，实现全自动化处理。
10.如权利要求1所述的一种用于隧道落石塌方的智能钢拱架柔性防护装置，其特征在于，所述的刚性高强度钢架以及底座，具体钢拱架参数可根据隧道具体情况进行设置。
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