CN107725068A - 一种基于外侧钢拱架和内侧混凝土板的装配式支护结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于外侧钢拱架和内侧混凝土板的装配式支护结构，包括钢拱架和混凝土支护体，所述混凝土支护体为多片弧板装配结构，所述钢拱架设置在混凝土支护体的外侧；所述混凝土支护体和钢拱架通过锚杆固定在巷道/隧道的围岩上，该发明复合支护结构，在保证较高承载力的基础上省掉了钢筋混凝土浇筑和养护时间，大大的提高了支护施工速度。本发明为深井巷道、软岩巷道支护开辟了新的技术途径，为巷道/隧道支护领域提供了一种新的支护手段。

Description

一种基于外侧钢拱架和内侧混凝土板的装配式支护结构及其 施工方法

技术领域

本发明属于地下工程支护领域，具体涉及一种基于外侧钢拱架和内侧混凝土板的装配式支护结构及其施工方法。

背景技术

随着煤矿开采深度进一步增大，深井巷道支护越来越困难，已成为影响煤矿安全高效生产的的重要问题。锚网喷、锚注、全断面锚索、U型钢支架及混凝土碹体等传统支护方式已不能完全满足支护稳定要求，基于钢管混凝土支架的复合支护承载力有较大提高，但在动压巷道支护仍存在支护破坏。研究支护性能更优更经济的支护体仍然是重要课题。

钢筋混凝土质优价廉，常用于井下泵房、水仓等重要硐室支护，但现浇钢筋混凝土碹体往往在凝固过程中便受力开裂，混凝土后期强度上升没有保障，导致碹体承载力不足，改为预制混凝土弧板后可解决该问题。将预制弧板与U型钢、钢管混凝土及工字钢等钢拱架组合，以锚网喷+钢拱架作为一次支护，预制钢筋混凝土弧板作为二次支护，形成以新奥法理论为指导的复合支护结构，这对解决深井巷道支护难题具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种装配式混凝土弧板与外侧钢拱架组合而成的高强复合支护结构，解决深井巷道支护难题，特别是受采动影响的巷道。临时支护和外侧钢拱架能够在初期支护时提供即时的刚度和强度，控制围岩的过大变形，符合新奥法理论要求；装配式混凝土弧板，工厂预制，混凝土强度质量好，弧板径向支护力大；两者组合可以形成高强复合支护结构，适合解决巷道变形量大、稳定性差等支护困难。并且本发明在施工工艺上采用安装机装配预制弧板，比混凝土现浇作业的工作量少，且不存在混凝土凝固时间，从而降低生产成本，提高成巷速度。

具体本发明包括钢拱架和混凝土支护体，所述混凝土支护体为多片弧板装配结构，所述钢拱架设置在混凝土支护体的外侧；所述混凝土支护体和钢拱架通过锚杆固定在巷道/隧道的围岩上。

进一步地，所述混凝土支护体为多片弧板装配结构装配而成，混凝土弧形板上开设有预留锚杆孔和预留螺栓孔，多片混凝土弧形板环向通过螺栓连接固定。

进一步地，所述混凝土弧形板外侧开设有凹槽，所述凹槽的形状与型钢一侧的外形相配。

进一步地，所述型钢为多段，多段钢拱架通过接头连接固定。

进一步地，所述混凝土弧形板包括插孔，所述插孔设置在混凝土弧形板沿厚度方向的两个侧面上，所述混凝土弧形板通过插孔和插筋与另一混凝土弧形板沿所述巷道/隧道轴向拼装。

进一步地，所述混凝土弧形板为6块，厚度为350mm，宽度1200mm，内部嵌入钢筋形成钢筋混凝土结构。

进一步地，所述钢拱架的一部分嵌入混凝土支护体内，钢拱架的外径大于混凝土支护体的外径；所述钢拱架的型钢横截面最大外径略小于所述混凝土支护体的外部凹槽宽度。

进一步地，所述混凝土弧板包括横向配筋和环向配筋，横向配筋为多段，位于弧板内部，从一端面平均分布到另一端面，所述每段横向配筋由多根钢筋绑扎组成，所述横向配筋的外形与混凝土弧板横截面的外形相匹配。

进一步地，所述环向配筋为两段，位于弧板内部，分布在弧板的两侧面内，所述环向配筋为四根钢筋焊接成的环形，其外形与弧板的侧面外形相匹配；所述横向配筋与所述环向配筋接触位置焊接固定。

还包括一种基于外侧钢拱架和内侧混凝土板的装配式支护结构的施工方法，包括以下步骤：

第一步，巷道开挖成形，尽快喷一层薄层混凝土，布置临时支护；

第二步，架设钢拱架，支架各段采用接头套管连接，相邻支架采用拉杆连接，形成闭合支护体；

第三步，装配混凝土弧板，将底弧板安装至设计位置，其余弧板用机械臂完成对弧板的旋转和平移等工作，使钢拱架结构嵌入弧板外侧凹槽与弧板契合，并且将弧板侧面插筋插入销孔完整巷道轴向弧板之间连接，环向弧板之间通过曲形螺栓连接固定，形成封闭协同支护体结构。

第四步，弧板拼接完成后，通过弧板内侧预留的锚杆孔将锚杆直接打入围岩中，使支护体固定于围岩表层；

第五步，每支护5～10m后，通过弧板上的后注浆孔向围岩与弧板间的孔隙注浆，完成单环支护结构。

重复以上步骤，完成所有支护安装。

进一步地，所述支护体结构可由4～8段预制装配式混凝土弧板拼装成形。

进一步地，所述临时支护为锚网支护，所述钢拱架为钢管混凝土支架、U型钢支架和工字钢支架。

本发明至少具有以下有益效果：

(1)装配式混凝土弧板环由4～6个标准弧板块组成，标准弧板采用相同设计标准和规格尺寸，便于地面批量化制作；标准弧板混凝土强度等级C40～C60，经过蒸养、水养和自然养护三个阶段制作而成；标准弧板厚度300～400mm，宽度1000～1200mm，长度与巷道周长相关联。

(2)标准弧板在地面预制，运至井下机械装配，通常采用机械臂安装，弧板环向采用曲形螺栓连接，纵向采用插筋连接，弧板一侧面预埋插筋，另一侧面预留插孔。曲形螺栓将单块弧板块连接成封闭单环结构，插筋将单环结构沿巷道轴向连接成多环支护体，形成全断面支护。

(3)每块弧板上预留有2个锚杆孔，锚杆将弧板锚固在围岩上，限制施工和后期使用中弧板位移，保证即使弧板破坏也不会发生掉落，不计该锚杆支护力。

(4)弧板侧面的插筋将单环支护结构体沿巷道轴向连接在一起，使各单环支护结构体之间形成整体支护结构，保证支护结构的协同作用，进一步提高支护结构稳定性以及承载能力。另外，插筋在弧板安装过程中也可以起到固定弧板的作用。

(5)钢拱架主要包括三种：U型钢拱架、工字钢支架和钢管混凝土支架。钢拱架可以保证初期支护的承载力和稳定性，控制围岩的变形；U型钢拱架、工字钢支架和钢管混凝土支架的规格已经标准化，支架分3～4段，可以批量化生产，并具备机械化安装工艺。

(6)复合支护结构可依据现场围岩应力状态选择不同的结构断面，其中包括直墙半圆拱形断面、圆形断面、浅底拱圆形、马蹄形断面或椭圆形。

(7)钢拱架和弧板都是地面加工，井下安装，均可采用安装机快速装配，减少现场施工时间，降低工人劳动强度，加快了施工速度。

(8)弧板与围岩间的预留变形空间后注浆充填，保证支护体与围岩紧密接触，复合支护体不能实现让压可缩，也不建议深井软岩过渡让压，提倡一次施工长期支护稳定。

附图说明

图1是复合支护结构的示意图；

图2是单环支护结构体的示意图；

图3a是混凝土弧板外侧结构示意图；

图3b是混凝土弧板外侧结构配筋示意图；

图4a是混凝土弧板内侧结构示意图；

图4b是混凝土弧板内侧结构配筋示意图；

图5是钢拱架结构示意图；

图6是单环截面图。

主要附图标记说明：

1-混凝土弧板，2-预留螺栓孔，3-插筋，4-预留锚杆孔，5-锚杆，6-钢拱架，7-弧板凹槽，8-横向配筋，9-环向配筋，10-钢管混凝土支架，11-接头套管，12-水泥浆充填体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明包括钢拱架6和混凝土支护体，混凝土支护体为多段的拼接结构，钢拱架6设置在混凝土支护体的外侧；混凝土支护体和钢拱架6通过锚杆5固定在巷道/隧道的围岩上。混凝土支护体为多段的混凝土弧形板1拼接组成，混凝土弧形板1上开设有预留锚杆孔4(兼做后注浆孔)和预留螺栓孔2，多段混凝土弧形板1环向通过曲形螺栓连接固定。混凝土弧形板外侧开设有凹槽7，参见图3a，凹槽的形状与型钢一侧的外形相配。钢拱架为多段，参见图5，多段钢拱架通过型钢接头11连接固定，常用钢拱架有钢管混凝土支架、U钢拱架和工字钢支架，先沿巷道周边安装支架，然后安装混凝土弧板，弧板凹槽卡住钢拱架，如图6所示形成半包特征，弧板与巷道围岩之间的孔隙充填水泥浆，通过预留在弧板上的注浆孔完成充填。混凝土弧形板包括插孔，插孔设置在混凝土弧形板1沿宽度方向的两个侧面上，混凝土弧形板通过插孔和插筋3与另一混凝土弧形板沿所述巷道/隧道轴向拼装。混凝土弧形板为6块，厚度为350mm，宽度1200mm，内部嵌入钢筋形成钢筋混凝土结构。钢拱架的一部分嵌入混凝土支护体内，钢拱架的外径大于所述混凝土支护体的外径。

具体而言，复合支护结构一般由6块标准弧板块加外侧4段钢管混凝土支架或U型钢拱架组成。以钢管混凝土为例，临时支护采用锚网喷，一次支护采用钢管混凝土支架，由四个分段组成，各段间接头套管连接；二次支护采用装配式混凝土弧板，弧板外侧预留槽形孔，钢管混凝土支架嵌固在槽形孔内，弧板环向采用曲形螺栓连接，纵向通过插筋连接，纵向和环向形成整体装配式弧板环，通过预留锚杆孔(兼做后注浆孔)将锚杆打入固定弧板，最后通过预留注浆孔注浆充填弧板和围岩之间的孔隙，形成整体支护结构，提高支护结构体稳定性和承载能力。

弧板加工时可采用相同模具，减小模具加工制作难度和备用数量，弧板曲率半径大小依据巷道断面尺寸设计。整个巷道断面可由6段弧板拼装形成单环支护结构体，单环支护结构体沿着巷道轴向延伸形成对巷道的完整支护。同时预制弧板也减少大量的原始现浇工作，加快了施工速度。

具体而言，弧板包括横向配筋8和环向配筋9，参见附图3b和图4b，横向配筋为多段，优先4段，位于弧板内部，从一端面平均分布到另一端面，所述每段横向配筋由多根钢筋焊接组成，外形与弧板横截面的外形相匹配；所述环向配筋为两段，位于弧板内部，分布在弧板的两侧面内，所述环向配筋为四根钢筋焊接成的环形，其外形与弧板的侧面外形相匹配；所述横向配筋8与所述环向配筋9接触位置焊接固定。

预留螺栓孔：采用曲形螺栓通过预留螺栓连接孔将6个标准弧板块拼接成环向整体，是为增加单环弧板整体作用。

预留凹槽：弧板外侧上设有预留凹槽，在施工安装过程中使U型钢拱架或钢管混凝土支架可以嵌入到凹槽中与弧板完美契合。此种契合可以使支护结构均匀受力，提高了支护结构整体承载能力，同时也防止了支架发生平面外的翻转扭曲。

预留插孔：插孔中插入插筋，将单环支护结构沿巷道轴向连接在一起，使得单环支护结构体之间协同作用，提高支护结构体的整体性以及承载能力。

预留锚杆孔：在弧板安装过程中，通过预留锚杆孔可以将弧板锚固于围岩上，便于后续安装过程的进行。锚杆也提高了结构体稳定性。

钢拱架结构是由4个分段组成的U型钢拱架或钢管混凝土支架。以钢管混凝土支架为例，主体钢管直径为194～219mm，钢管曲率半径根据巷道断面及尺寸确定。钢管混凝土支架采用接头套管拼接成环向，套管内径比主体钢管外径大6mm以上，支架与弧板组合形成整体复合支护结构。

支护结构体的安装施工简单方便，采用步进式单轨吊旋转安装设备。底弧板由设备直接抓起放在设计位置。其余弧板，要通过专用安装设备上的机械臂完成平移和旋转等动作，即可将弧板安装到位，弧板到位后立即完成纵向和环向连接。

以6段弧板构成的支护结构体为例，整体施工过程如下：

第一步，巷道开挖成形，尽快喷一层薄层混凝土，布置临时支护；

第二步，架设钢拱架，支架各段采用接头套管连接，相邻支架采用拉杆连接，形成闭合支护体；

第三步，装配混凝土弧板，将底弧板安装至设计位置，其余弧板用机械臂完成对弧板的旋转和平移等工作，使钢拱架结构嵌入弧板外侧凹槽与弧板契合，并且将弧板侧面插筋插入销孔完整巷道轴向弧板之间连接，环向弧板之间通过曲形螺栓连接固定，形成封闭协同支护体结构。

第四步，弧板拼接完成后，通过弧板内侧预留的锚杆孔将锚杆直接打入围岩中，使支护体固定于围岩表层；

第五步，每支护5～10m后，通过弧板上的后注浆孔向围岩与弧板间的孔隙注浆，完成单环支护结构。

重复以上步骤，完成所有支护安装。巷道掘进前方若使用掘锚护一体机，与弧板专用安装机匹配，支护速度将大大提高。

具体而言，复合结构组合方式有三种：钢管混凝土组合、工字钢组合和U型钢组合。钢拱架嵌入弧板深度100mm，外露宽度80～100mm；弧板外侧为方形沟槽，槽深100mm；外露的围岩孔隙通过后注浆充填，从围岩到巷道空间依次形成由锚网、注浆充填体、钢拱架和装配式弧板组成的复合支护结构。

本发明提供了完整的复合支护结构安装工艺，巷道开挖后先施工锚网支护，随后架设钢拱架，然后在装配混凝土弧板并安装固定锚杆，最后向弧板与围岩间的孔隙注浆并完全充填孔隙，如此形成整体复合支护结构。

具体而言，封闭支护体结构可由4～8段预制装配式混凝土弧板拼装成形。支护体结构体的断面形状还可以设计成浅底拱圆形、扁椭圆形、立椭圆形等。钢拱架支护结构也可以是特制环向的工字钢或其他型钢。混凝土弧板的安装也可使用叉车、手动葫芦、综掘机摇臂等。弧板纵向连接方式也可以采用曲形螺栓等其他方式。

根据巷道埋深、地质条件、地应力和围岩性质等条件的不同，需要设计不同的支护结构体尺寸。根据现场实际情况需要确定的主要参数有装配式混凝土弧板的厚度、强度和曲率、钢拱架安设密度、单块弧板上的螺栓组数、钢拱架的型号、插筋的型号和长度。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于外侧钢拱架和内侧混凝土板的装配式支护结构，其特征在于，包括钢拱架和混凝土支护体，所述混凝土支护体为多片弧板装配结构，所述钢拱架设置在混凝土支护体的外侧；所述混凝土支护体和钢拱架通过锚杆固定在巷道/隧道的围岩上。

2.如权利要求1所述的支护结构，其特征在于，所述混凝土支护体为多片混凝土弧形板装配而成，混凝土弧形板上开设有预留锚杆孔和预留螺栓孔，多片混凝土弧形板环向通过螺栓连接固定。

3.如权利要求2所述的支护结构，其特征在于，所述混凝土弧形板外侧开设有凹槽，所述凹槽的形状与钢拱架内弧侧的外形相配。

4.如权利要求3所述的支护结构，其特征在于，所述钢拱架为多段，各段间通过接头连接固定。

5.如权利要求4所述的支护结构，其特征在于，所述混凝土弧形板包括插孔，所述插孔设置在混凝土弧形板沿厚度方向的两个侧面上，所述混凝土弧形板通过插孔和插筋与前后混凝土弧形板沿所述巷道/隧道轴向拼装。

6.如权利要求3所述的支护结构，其特征在于，所述混凝土弧形板为6块，厚度为350mm，宽度1200mm，内部嵌入钢筋形成钢筋混凝土结构。

7.如权利要求2所述的支护结构，其特征在于，所述钢拱架的一部分嵌入混凝土支护体内，钢拱架的外径大于混凝土支护体的外径；所述钢拱架的型钢横截面最大外径略小于所述混凝土支护体的外部凹槽宽度。

8.如权利要求2所述的支护结构，其特征在于，所述混凝土弧板包括横向配筋和环向配筋，横向配筋为多段，位于弧板内部，从一端面平均分布到另一端面，所述每段横向配筋由多根钢筋焊接组成，所述横向配筋的外形与混凝土弧板横截面的外形相匹配。

9.如权利要求2所述的支护结构，其特征在于，所述环向配筋为双层，位于弧板内部，分布在弧板的内外两侧面，所述环向配筋为四根钢筋焊接成的环形，其外形与弧板的侧面外形相匹配；所述横向配筋与所述环向配筋接触位置机械绑扎固定。

10.一种如权利要求1-9所述的支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，巷道开挖成形，尽快喷一层薄层混凝土，布置临时支护；

第二步，架设钢拱架，支架各段采用接头套管连接，相邻支架采用拉杆连接，形成闭合支护体(以钢管混凝土支架为例)；

第三步，装配混凝土弧板，将底弧板安装至设计位置，其余弧板用机械臂完成对弧板的旋转和平移等工作，使钢拱架结构嵌入弧板外侧凹槽与弧板契合，并且将弧板侧面插筋植入插孔完成巷道轴向弧板之间连接，环向弧板之间通过曲形螺栓连接固定，形成封闭支护体结构。

第四步，弧板拼接完成后，通过弧板内侧预留的锚杆孔完成锚杆施工，使支护体固定于围岩表层，即使支护体破坏也不会从巷道顶部或侧面掉落。

第五步，每支护5～10m后，通过弧板上的后注浆孔向围岩与弧板间的孔隙注浆，完成单环支护结构。

重复以上步骤，完成所有支护安装。