CN108547647B - 一种地下洞室高强度支护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地下洞室高强度支护结构，涉及水利水电工程技术领域，其包括与主洞室内被加固面法向垂直的洞内压板以及一端固定连接于洞内压板上的锚索，锚索的另一端固定于辅助洞内的施力设备上，施力设备对锚索产生可调节拉力，辅助洞的位置与主洞室内的被加固面的位置对应，锚索垂直于洞内压板。解决了现有地下洞室施工中由于应力集中导致的拱座变形塌方的问题。

Description

一种地下洞室高强度支护结构
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域，特别是涉及一种地下洞室高强度支护结构。
背景技术
我国正在开发或待开发的水能资源主要位于青藏高原东缘的西南高山峡谷地区，由于新构造运动的影响，该地区地应力普遍较高。近十余年来修建的大型地下厂房中，最大地应力超过30MPa的先后有二滩、小湾、官地、锦屏一级、猴子岩、白鹤滩等，给施工期安全和厂房的长期稳定带来了不利的影响。地下洞室开挖后围岩所受围压急剧变化，主应力的方向以及大小会出现剧烈的旋转和调整，往往在拱座和起拱区出现强烈的应力集中现象。例如锦屏一级地下厂房下游拱座应力达到42MPa，导致该处产生向内弯折鼓出的现象而破坏，而锦屏导流洞则由于拱座破坏而产生严重塌方，造成人员和财产的损失，影响了工程工期。
可见对地下洞室拱座应力集中区进行加固，确保拱座围岩稳定性是保证地下洞室整体稳定的关键技术。目前地下洞室多采用挂网、喷混凝土、锚杆等被动支护方式，或者采用预应力锚索的主动支护手段进行支护加固。对于具有高地应力的地下厂房，锚索支护对控制围岩变形和破坏效果最为显著，但是由于锚索锚固力一般在1500kN至2000kN，间排距一般在3m至4m左右，布置间距较大，平均支护面力仅0.16MPa至0.22MPa左右，量值相对于地应力很小，常常难以充分控制围岩的变形，无法保证拱座的整体变形稳定性。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种地下洞室高强度支护结构，解决了现有地下洞室施工中由于应力集中导致的拱座变形塌方的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种地下洞室高强度支护结构，其包括与主洞室内被加固面法向垂直的洞内压板以及一端固定连接于洞内压板上的锚索，锚索的另一端固定于辅助洞内的施力设备上，施力设备对锚索产生可调节拉力，辅助洞的位置与主洞室内的被加固面的位置对应，锚索垂直于洞内压板。
进一步地，施力设备包括与洞内压板平行的下顶板和上顶板，下顶板固定于辅助洞的内壁上，下顶板和上顶板之间固定连接有千斤顶，锚索穿过下顶板且固定于上顶板上。通过千斤顶顶升上顶板来对锚索施加拉力，从而将洞内压板牢固压于主洞室内壁上达到稳固主洞室的目的。
进一步地，下顶板和上顶板之间间隔均匀分布有若干千斤顶，且千斤顶的数量大于15。若干千斤顶组成千斤顶组，通过千斤顶组同时对上顶板施压，大大增加了锚索的张拉力，从而使洞内压板施加于主洞室内壁的平均支护力得到量级的提升。
进一步地，千斤顶为液压千斤顶，若干千斤顶通过液压系统控制其同步加压。液压千斤顶结构简单、携带方便，非常适合野外作业。同步加压实现施力设备均匀施力的目的，从而避免受力不均导致设备损毁。
进一步地，洞内压板与主洞室内壁之间以及下顶板与辅助洞内壁之间均设置有混凝土找平层。混凝土找平层为作用于其上的洞内压板和下顶板提供足够的平整度，为作用力提供尽可能多的作用点，从而减少单位面积上的受力强度。
进一步地，洞内压板、下顶板和上顶板均为厚度不低于8厘米的钢板，以保证足够的受力强度，避免因受力过度导致整个设备损毁造成安全事故。
进一步地，洞内压板与上顶板之间连接有若干均匀分布的锚索。锚索的数量越多，所能够承受的总张拉力越大，同样的总张拉力分担到单根锚索上的张拉力就越小，从而能够提高锚索的使用寿命，防止锚索受力过度损毁。
进一步地，主洞室和辅助洞之间设置有供锚索穿过的孔道。孔道通过地下钻孔机加工而成，其内壁较光滑，内壁成型稳定，无需另外设置支撑孔道的机构，简化了加工工序。
本发明的有益效果为：将本方案中的支护结构用于固定地下洞室内壁的应力集中区域，通过施力设备给锚索施力，锚索拉动洞内压板产生垂直于地下洞室内壁的压力，达到恢复地下洞室周围围压的目的，提高了围岩的强度，控制住了围岩的变形，给地下洞室围岩的稳定性提供了有力保障，避免了安全事故的发生。
施力设备由若干液压千斤顶组成，千斤顶由液压系统控制，通过锚索和洞内压板将力转化为施向地下洞室内壁的压力，该压力平稳且可调节，如果需要更高的压力，只需要增加千斤顶和锚索的数量即可，增加了本支护结构的适用范围。千斤顶的工作由技术成熟的液压系统去控制，成本低，易于实现，且操作简单，大大降低了劳动强度，提高了工作效率。
本支护结构中的辅助洞和孔道均为地下作业的常见结构，其加工工序成熟，工人操作熟练，制作效率高，大大提升了本支护结构的适用性。
附图说明
图1为地下洞室高强度支护结构的结构示意图。
图2为图1中施力设备的结构示意图。
图3为图1中上顶板上千斤顶和锚索的分布示意图。
其中，1、主洞室；11、洞内压板；12、混凝土找平层；2、锚索；3、辅助洞；4、施力设备；41、下顶板；42、上顶板；43、千斤顶；44、液压系统；5、孔道。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～图3所示，该地下洞室高强度支护结构包括与主洞室1内被加固面法向垂直的洞内压板11和锚索2。洞内压板11采用不低于8厘米厚度的钢板，其大小根据被加固面积确定，洞内压板11的大小需大于被加固面的面积。
由于地下洞室通常是在拱座和起拱区出现强烈的应力集中现象，如果为了适应弧形的被加固面而将洞内压板11制作成弧形板，其加工过于复杂，成本较高，所以在被加固面上制作出一个混凝土找平层12，即用混凝土在圆弧面上堆砌出一个平面出来，使洞内压板11与混凝土找平层12充分接触。
锚索2为钢绞线，其一端通过外锚头固定连接于洞内压板11上，另一端固定于辅助洞3内的施力设备4上。辅助洞3为一个常规地下洞室，其主要用于存放施力设备。辅助洞3的位置与主洞室1内的被加固面的位置对应，需保证锚索2始终垂直于洞内压板11。所以锚索2需穿过地下土层才能进入辅助洞3中。
为了不给锚索2增加额外的摩擦阻力影响其工作，在主洞室1和辅助洞3之间设置有供锚索2穿过的孔道5。孔道5通过地下施工常用的地下钻孔机加工而成，孔道5的内径需大于锚索2的外径，保证锚索2在工作中不会与孔道5的内壁接触。
施力设备4包括与洞内压板11平行的下顶板41和上顶板42，下顶板41固定于辅助洞3的内壁上，九根锚索2穿过下顶板41且通过内锚头固定于上顶板42上。下顶板41和上顶板42之间间隔均匀分布有十六个千斤顶43。千斤顶43和锚索2的分布如图3所示。
下顶板41为U型结构，由底板和固定于底板四周的围板组成。底板固定于辅助洞3的内壁上，为了保证锚索2始终与洞内压板11垂直，所以下顶板41通常与辅助洞3的内壁有一定角度，同样为了保证与下顶板41作用面的平整度，会在辅助洞3的内壁上用混凝土制作出一个混凝土找平层12。下顶板41便固定于混凝土找平层12上。上顶板42置于围板顶端。下顶板41和上顶板42均为厚度不低于8厘米的钢板。
千斤顶43为液压千斤顶，通过液压泵在电动机的带动下吸入油液，形成压力油排出，压力油驱动液压缸的活塞移动，液压缸上的活塞与上顶板42固定连接，使上顶板42随着液压缸活塞的移动而移动。
上顶板42、洞内压板11均采用边长225厘米、厚8厘米的方形钢板，千斤顶43采用型号为DYG400-200的电动液压千斤顶，每个千斤顶43输出载荷390吨，16个千斤顶即可输出6240吨的载荷。这6240吨的荷载全部通过锚索2作用于洞内压板11上，可以产生12.32MPa的表面压力荷载。使得本支护结构对主洞室内壁的平均支护面力得到了量级的提升，从而达到了恢复主洞室周围的围压，提高了围岩的强度，为主洞室围岩稳定性提供了有力保障。
液压系统44通过压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等阀门去控制油液的压力、流量和流动方向，从而达到控制千斤顶43的顶升力。液压系统44采用海特尔的PLC液压千斤顶同步顶升系统来控制16个液压千斤顶的同步顶升以及产生的顶升力大小，并且能够在达到预先设置的顶升力大小后自动停机。

Claims (7)

1.一种地下洞室高强度支护结构，其特征在于，包括与主洞室(1)内被加固面法向垂直的洞内压板(11)以及一端固定连接于洞内压板(11)上的锚索(2)，辅助洞(3)内安装有对所述锚索(2)产生可调节拉力的施力设备(4)，所述锚索(2)的另一端固定于所述施力设备(4)上，所述辅助洞(3)的位置与所述主洞室(1)内的被加固面的位置对应，所述锚索(2)垂直于所述洞内压板(11)；
所述施力设备(4)包括与所述洞内压板(11)平行的下顶板(41)和上顶板(42)，所述下顶板(41)固定于所述辅助洞(3)的内壁上，所述下顶板(41)和上顶板(42)之间固定连接有千斤顶(43)，所述锚索(2)穿过所述下顶板(41)且固定于所述上顶板(42)上；
所述洞内压板(11)与主洞室内壁之间以及下顶板(41)与辅助洞内壁之间均设置有混凝土找平层(12)；下顶板(41)为U型结构，由底板和固定于底板四周的围板组成，底板固定于辅助洞(3)的内壁上，下顶板(41)与辅助洞(3)的内壁呈一角度。
2.根据权利要求1所述的地下洞室高强度支护结构，其特征在于，所述下顶板(41)和上顶板(42)之间间隔均匀分布有若干千斤顶(43)。
3.根据权利要求2所述的地下洞室高强度支护结构，其特征在于，所述千斤顶(43)的数量大于15。
4.根据权利要求3所述的地下洞室高强度支护结构，其特征在于，所述千斤顶(43)为液压千斤顶，若干所述千斤顶(43)通过液压系统(44)控制其同步加压。
5.根据权利要求1所述的地下洞室高强度支护结构，其特征在于，所述洞内压板(11)、下顶板(41)和上顶板(42)均为厚度不低于8厘米的钢板。
6.根据权利要求1所述的地下洞室高强度支护结构，其特征在于，所述洞内压板(11)与所述上顶板(42)之间连接有若干均匀分布的所述锚索(2)。
7.根据权利要求6所述的地下洞室高强度支护结构，其特征在于，所述主洞室(1)和辅助洞(3)之间设置有供所述锚索(2)穿过的孔道(5)。
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