CN107795543A - 一种用于软岩大变形的钢拱架及释能构件及钢拱架施工方法 - Google Patents
一种用于软岩大变形的钢拱架及释能构件及钢拱架施工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于软岩大变形的钢拱架及释能构件及钢拱架施工方法，包括上、下连接板、轴心、轴承、卸荷溢流阀、活塞和油缸；所述卸荷溢流阀包括调压螺栓、弹簧、阀芯和阀体；上连接板固定连接轴心，轴心固定连接活塞，下连接板固定连接油缸，活塞和油缸配合，活塞上设置通孔，该通孔连通阀体的排油孔；阀体内设置阀芯，阀芯在弹簧的作用力下封堵排油孔；弹簧的一端连接到阀芯，一端连接调压螺栓，调压螺栓可以调节弹簧的预压力以达到调节泄压油压的目的，在实现卸载释能的同时能提供恒定的支护力保持围岩稳定，采用上述释能构件的钢拱架能够在围岩发生大变形时仍具有很好的支护效果。
Description
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程领域，尤其涉及一种用于软岩大变形的钢拱架及释能构件及钢拱架施工方法。
背景技术
在隧道工程中，存在软弱围岩情况，软岩强度低、自稳性差，施工中难以控制其变形，其变形特征主要包括以下几点：变形量大、初期变形速度快、变形持续时间长、围岩破坏范围大、压力迅速增长以及变形破坏形式多样。因此，为了维持围岩稳定和保证隧道净空的要求，常采用具有较大支护强度和刚度的钢拱架进行支护。钢拱架具有一经及时合理安装就能立即发挥其支护效果的优点，但传统的钢拱架不能适应软弱围岩的变形特征，即使采用U型钢可缩性支架，使用效果也不佳，其刚度不足、对外荷载敏感，依靠摩阻控制围岩变形，无法抗弯和抗剪，当围岩出现较大变形时，变形初期能量较大且得不到释放，钢架易发生扭曲甚至整体失稳。因此，如何实现软弱围岩中钢拱架连接，达到拱架可伸缩以控制变形的目的，关系到整个钢拱架支护系统的支护效果和隧道施工的正常运行。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于软岩大变形的钢拱架释能释能构件及使用方法，以解决现有钢架存在的刚度不足、对外荷载敏感，难以控制围岩变形的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种释能构件，包括上、下连接板(21)、轴心(22)、轴承(23)、卸荷溢流阀(24)、活塞(25)和油缸(26)；所述卸荷溢流阀(24)包括调压螺栓(241)、弹簧(242)、阀芯(243)和阀体(244)；上连接板固定连接轴心(22)，轴心(22)固定连接活塞(25)，下连接板固定连接油缸(26)，活塞(25)和油缸(26)配合，活塞(25)上设置通孔，该通孔连通阀体(244)的排油孔；阀体(224)内设置阀芯(243)，阀芯(243)在弹簧(242)的作用力下封堵排油孔；弹簧(242)的一端连接到阀芯(243)，一端连接调压螺栓(241)，调压螺栓可以调节弹簧(242)的预压力以达到调节泄压油压的目的。
所述的释能构件，油缸(26)和轴心(22)之间设置轴承(23)，上下两部分之间可以相对移动；轴心(22)和油缸(26)为圆筒状刚体。
所述的释能构件，轴心(22)的中空结构容纳泄压过程排出的液压油。
所述的释能构件，轴心外径为D轴，长度为L轴，油缸外径为D缸，长度为L缸，D轴<D缸，L轴>L缸。
一种用于软岩大变形的钢拱架，采用任一所述的释能构件连接各段钢拱架。
所述的钢拱架，包含拱部释能构件，位于上台阶钢拱架的拱部中央，用于吸收围岩横向变形；脚部释能构件，位于上台阶钢拱架的脚部，用于吸收围岩竖向变形；和下台阶释能构件，位于下台阶钢拱架的脚部，用于承受“预留变形量”。
所述的钢拱架的施工方法，软弱围岩隧道开挖采用上下台阶法；安装上台阶支护钢拱架，将上台阶释能构件用螺栓连接在上台阶支护钢拱架拱部中央和脚部，再一并安装在支护部位，拱部释能构件用于吸收围岩横向变形，脚部释能构件用于吸收围岩竖向变形，围岩稳定后即可喷混凝土；安装下台阶支护钢架，将下台阶释能构件用螺栓连接在下台阶支护钢架脚部，再用螺栓将下台阶支护钢架上部与上台阶脚部释能构件相连接，围岩稳定后即可喷混凝土。
当围岩变形增大导致钢拱架和本发明主体结构受力增大时，卸荷溢流阀可以控制排油孔阶段性开闭，即可控制活塞阶段性运动，以此使本发明主体结构阶段性缩小，以达到阶段性释放围岩压力，允许围岩充分变形，释放围岩能量的目的。本发明可以在软弱围岩发生大变形时自动缩小，既能承受弯矩，也能抗剪，并通过卸荷溢流阀的控制保持恒定的工作阻力，在实现卸载释能的同时能提供恒定的支护力保持围岩稳定，因此本发明能够在围岩发生大变形时仍具有很好的支护效果。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明中释能构件的结构示意图。
图3为本发明中卸荷溢流阀的结构示意图。
图4为本发明中连接板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1、图2及图3，图1为本发明的主视图。包括钢拱架1及释能构件2。所述释能构件2的结构示意图如图2所示，包括上、下连接板21、轴心22、轴承23、卸荷溢流阀24、活塞25和油缸26。所述卸荷溢流阀24的结构示意图如图3所示，包括调压螺栓241、弹簧242、阀芯243和阀体(含阀座)244；上连接板固定连接轴心22，轴心22固定连接活塞25，下连接板固定连接油缸26，活塞25和油缸26配合，活塞25上设置通孔，该通孔连通阀体244的排油孔；阀体224内设置阀芯243，阀芯243在弹簧242的作用力下封堵排油孔；弹簧242的一端连接到阀芯243，一端连接调压螺栓241，调压螺栓可以调节弹簧242的预压力以达到调节泄压油压的目的。
油缸26和轴心22之间设置轴承23，上下两部分之间可以相对移动；轴心22和油缸26为圆筒状刚体；轴心22的中空结构可以容纳泄压过程排出的液压油。
本发明连接板21为带连接孔的矩形截面钢板，通过螺栓与钢拱架1连接成联合体，连接板长宽高分别为a、b、c，连接孔直径为d连；轴心22和油缸26均为圆筒状刚体，轴心内径为d轴，外径为D轴，长度为L轴，油缸内径为d缸，外径为D缸，长度为L缸，其中D轴<D缸，L轴>L缸，油缸内油量深度为L油；活塞25为中心带排油孔的圆形截面刚体，直径为d缸，排油孔直径为d排；卸荷溢流阀24连接在活塞排油孔处，与排油孔的接触面积为S；轴心22与活塞连接，并通过轴承23与油缸连接。
为了达到控制变形，阶段性释放围岩能量的目的，安装前调节卸荷溢流阀24的调压螺栓241使弹簧242压缩，阀芯243在预设置的压力F下堵塞排油孔。当围岩发生较小变形时，本发明主体结构均受压，而此时油缸26内的油压小于阀芯243的预压，即P<F/S，活塞25不会立即发生运动，即结构处于静止状态，不会立即缩小。
随着围岩变形的增大，本发明主体结构受到的轴向压力也增大，当油缸26内的油压增大到阀芯243的预压时，即P>F/S，排油孔打开，油缸26内的油流入轴心22，油压P降低，活塞25向内运动，本发明主体结构缩小，围岩发生一定量的变形并卸载、释能。
由于油压P的降低，当P<F/S时，阀芯243即堵塞排油孔，本发明主体结构不再缩小。当围岩继续发生变形导致压力增大到使排油孔打开时，活塞25再次向内运动，本发明主体结构再次缩小，围岩再次发生一定量的变形并卸载、释能。
通过卸荷溢流阀24控制排油孔阶段性开闭，即可控制活塞25阶段性运动，以此使本发明主体结构阶段性缩小，围岩压力、变形能得以阶段性释放。当活塞25运动到油缸26底部时，本发明主体结构达到最大收缩量L油，围岩也达到最大允许变形。
由于当油压大于阀芯243的预压力时，本发明主体结构及围岩才发生变形，因此卸荷溢流阀24可以控制本发明在大变形时具有恒定的工作阻力。
钢拱架施工方法：软弱围岩隧道开挖采用上下台阶法。安装上台阶支护钢架，将上台阶释能构件用螺栓连接在上台阶支护钢架拱部中央和脚部，再一并安装在支护部位，拱部释能构件用于吸收围岩横向变形，脚部释能构件用于吸收围岩竖向变形，围岩稳定后即可喷混凝土；安装下台阶支护钢架，将下台阶释能构件用螺栓连接在下台阶支护钢架脚部，再用螺栓将下台阶支护钢架上部与上台阶脚部释能构件相连接，由于下台阶开挖前，围岩已发生大部分变形，下台阶释能构件用于承受“预留变形量”，围岩稳定后即可喷混凝土。
综上所述，通过在钢架间连接释能构件，本发明能够使软弱围岩发生阶段性变形并能控制其最大变形量，在大变形时具有恒定的工作阻力。在本发明作为支护设备的隧道及地下工程中，围岩变形能得到释放，而在释放过程中本发明仍能保持恒定的工作阻力，维持了围岩的稳定。本发明结构简单，由于轴承23的设置可实现抗弯，轴心22和油缸26为圆筒状刚体，当有一定刚度时，即可实现抗剪，这样的结构既能抗弯，也能抗剪，性能可靠，解决了已有技术不足。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种释能构件，其特征在于，包括上、下连接板(21)、轴心(22)、轴承(23)、卸荷溢流阀(24)、活塞(25)和油缸(26)；所述卸荷溢流阀(24)包括调压螺栓(241)、弹簧(242)、阀芯(243)和阀体(244)；上连接板固定连接轴心(22)，轴心(22)固定连接活塞(25)，下连接板固定连接油缸(26)，活塞(25)和油缸(26)配合，活塞(25)上设置通孔，该通孔连通阀体(244)的排油孔；阀体(224)内设置阀芯(243)，阀芯(243)在弹簧(242)的作用力下封堵排油孔；弹簧(242)的一端连接到阀芯(243)，一端连接调压螺栓(241)，调压螺栓可以调节弹簧(242)的预压力以达到调节泄压油压的目的。
2.根据权利要求1所述的释能构件，其特征在于，油缸(26)和轴心(22)之间设置轴承(23)，上下两部分之间可以相对移动；轴心(22)和油缸(26)为圆筒状刚体。
3.根据权利要求1所述的释能构件，其特征在于，轴心(22)的中空结构容纳泄压过程排出的液压油。
4.根据权利要求1所述的释能构件，其特征在于，轴心外径为D轴，长度为L轴，油缸外径为D缸，长度为L缸，D轴<D缸，L轴>L缸。
5.一种用于软岩大变形的钢拱架，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的释能构件连接各段钢拱架。
6.根据权利要求5所述的钢拱架，其特征在于，包含拱部释能构件，位于上台阶钢拱架的拱部中央，用于吸收围岩横向变形；脚部释能构件，位于上台阶钢拱架的脚部，用于吸收围岩竖向变形；和下台阶释能构件，位于下台阶钢拱架的脚部，用于承受“预留变形量”。
7.根据权利要求6所述的钢拱架的施工方法，其特征在于，软弱围岩隧道开挖采用上下台阶法；安装上台阶支护钢拱架，将上台阶释能构件用螺栓连接在上台阶支护钢拱架拱部中央和脚部，再一并安装在支护部位，拱部释能构件用于吸收围岩横向变形，脚部释能构件用于吸收围岩竖向变形，围岩稳定后即可喷混凝土；安装下台阶支护钢架，将下台阶释能构件用螺栓连接在下台阶支护钢架脚部，再用螺栓将下台阶支护钢架上部与上台阶脚部释能构件相连接，围岩稳定后即可喷混凝土。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180313 |
|
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