CN110318773A - 可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置及施工方法，可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，它包括隧道衬砌，所述隧道衬砌的内侧壁上通过初衬锚杆锚固有槽钢，所述槽钢和隧道衬砌之间填充有流质填充物，所述槽钢的不同位置设置有多个流质泄出孔，所述流质泄出孔所在位置安装有用于自动开启并卸出流质填充物的应力自反馈式卸压阀。可显著解决现有的围岩隧道工程软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长，地应力不均匀性显著，导致支护结构受力极不均匀；高地应力软岩隧洞施工的成本高等问题，大幅提高工作效率，精确地控制泄出程度及范围且结构简单，材料易得，易操作，施工快捷、大幅节约试验成本周期。

Description

可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置及施工方法

技术领域

本发明涉及衬砌围岩施工技术领域，具体涉及一种可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置及施工方法，适用于工程隧洞、工程巷道、采矿岩洞支护等领域的研究。

背景技术

针对深部高地应力片岩洞室存在以下问题：（1）软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长；高地应力软岩隧洞位移收敛时间可长达3年，并且位移量大；（2）地应力不均匀性显著，导致支护结构受力极不均匀；由于软岩隧道所处的地应力大小因方向而异，使得高地应力下软岩隧洞开挖后围岩应力分布不均匀性显著，导致支护结构各部位受力差异巨大，最大应力可达最小应力的4.5倍。现有的支护技术不能将围岩局部压力均匀传递给支护结构，导致支护结构局部破坏时受力较小部位远未发挥自身强度；（3）高地应力软岩隧洞施工的成本高。且现有支护研究从未提出通过流质泄出对二衬结构受力进行减载的思想；同时，现有支护技术只能形成点式或线式的可控支护力，不能形成大范围临空面内面式的可控均化支护力，不能均化衬砌受力，且无自动卸压技术。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置及施工方法，采用此技术可显著解决现有的围岩隧道工程软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长，地应力不均匀性显著，导致支护结构受力极不均匀；高地应力软岩隧洞施工的成本高等问题，大幅提高工作效率，精确地控制泄出程度及范围且结构简单，材料易得，易操作，施工快捷、大幅节约试验成本周期。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，它包括隧道衬砌，所述隧道衬砌的内侧壁上通过初衬锚杆锚固有槽钢，所述槽钢和隧道衬砌之间填充有流质填充物，所述槽钢的不同位置设置有多个流质泄出孔，所述流质泄出孔所在位置安装有用于自动开启并卸出流质填充物的应力自反馈式卸压阀。

所述流质填充物采用具有一定流动性的颗粒材料其包含粒径不同的沙子和表面光滑、不同颗粒级配的碎石，其填充在隧道围岩的一衬与二衬之间的预留变形量处。

所述应力自反馈式卸压阀包括安装在流质泄出孔侧边的合页，所述合页结构为两相同大小形状的矩形扇叶，并通过中心转轴铰接，两矩形扇叶可绕中心转轴呈360度相对旋转，所述合页一侧矩形扇叶焊接在流质泄出孔附近槽钢内壁上，另一矩形扇叶与其呈180度时可恰好使得流质泄出孔处于封闭状态；所述流质泄出孔所在位置的槽钢两侧分别设置有固定端槽钢外壁卡槽和活动端槽钢外壁卡槽，所述固定端槽钢外壁卡槽和活动端槽钢外壁卡槽之间安装有用于其自动开启的电磁锁闭装置。

所述电磁锁闭装置包括固定安装在固定端槽钢外壁开槽上的第一电磁铁和固定安装在活动端槽钢外壁卡槽上的第二电磁铁，所述第一电磁铁上缠绕有第一线圈，所述第二电磁铁上缠绕有第二线圈。

所述槽钢的底部设置有多个用于二衬成型灌浆的注浆孔。

所述槽钢与流质填充物之间相接触的内壁上粘贴有多个用于压力监测的压力传感器，所述压力传感器通过信号线与控制器相连，所述控制器与应力自反馈式卸压阀的电磁锁闭装置相连并控制第一线圈和第二线圈的通断电。

任意一项所述可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置的施工方法，它包括以下步骤：

Step1，材料准备：沙子、碎石、囊性物质，槽钢、钢片、电磁铁、通电线圈导线、合页、控制器、压力传感器；

Step2：槽钢上注浆孔及流质泄出孔的制作机理：槽钢上的注浆孔采用塞盖式人工进行开与关，槽钢上的流质泄出孔非工作状态时由于电磁锁闭装置的异性吸力使得其处于关闭状态，工作状态时由于对通电线圈的电流控制从而控制电磁锁闭装置的之间吸斥力从而控制门式电磁铁的关与开；

Step3：槽钢的固定：槽钢位于一衬与二衬之间，将槽钢的上端焊接于一衬的初衬锚杆上起固定作用，其下端恰好被二衬钢拱架支撑；

Step4：流质填充物的制作安装：流质填充物包括沙子、碎石、囊性物质能使整体具有一定流动性的固态物质，流质泄出孔处于非工作即关闭状态，将其混合均匀后通过槽钢上预留的注浆孔将其注入槽钢内部，使槽钢内均匀地充满；

Step5：流质泄出孔非工作状态：电磁锁闭装置与流质填充物接触的一侧装有压力传感器，用于监控并向控制器输出压力值，当围岩变形较小时对流质填充物的挤压量较小，压力传感器测得流质填充物对压力传感器的压力值F≤P，对通第一线圈和第二线圈不通电，由于第一电磁铁和第二电磁铁的异性吸力使得流质泄出孔处于关闭状态；

Step6：卸压工作：当围岩变形较大时对流质填充物的挤压量较大，压力传感器测得流质填充物对压力传感器的压力值F>P，对通电线圈通电电磁铁即为电磁铁，在控制器导线电流的作用下，电磁铁相互排斥，使得应力自反馈式卸压阀打开，流质填充物从泄出孔中泄出，一定时间后在门式电磁铁的内部形成一定范围楔形空腔区，随着空腔区的增大，流质填充物对压力传感器的压力值F逐渐减小，直到F≤P，改变电流方向，电磁铁磁性又变为相吸，使得应力自反馈式卸压阀关闭，卸压完成；

Step7：注浆：根据需要一次或多次卸压工艺完成后，将流质填充物泄出并通过预留的注浆孔注浆形成完整的二衬。

本发明有如下有益效果：

1、本发明提出一种利用可调磁力的可控制门式流质围岩隧道卸压装置，其主要是针对深部高地应力片岩洞室蠕变时间长，蠕变量高，支护过早、过迟及衬砌受力极不均匀，导致事故频发等问题，进行优化和解决而提出的一种装置。

3、本发明将电生磁应用于流质围岩隧工程中卸压装置，精确地通过改变电流的的大小及方向，从而改变门式电磁铁间的磁力。压力传感器测得流质填充物对压力传感器的压力值F≤P，磁力相吸卸压孔关闭。随着变形量的增大F>P磁力相斥或无磁力，卸压孔打开，泄压孔上方出现空强区即卸压完成后，磁力相吸卸压孔又能恢复关闭状态。

4、本发明提出了一种利用隧道预留变形量将其填充满流质填充物，当隧道围岩发生局部变形时能及时通过二衬对变形起支承作用，同时流质具有一定流动性，赋予围岩更多的变形空间，同时通过卸压装置针对性将被挤压的流质及时泄出，将集中荷载转化为均布荷载起均化减载的作用。

5、本发明提出了将泄压孔采用门式旋转打开与闭合，并同时利用永生性磁铁，结合电流改变磁力的原理，不仅节约空间、可行性高，同时简单易操作，大大提高了工作效率。

6、本装置采用电流的变化控制门式电磁铁的转动卸压，避免了传统的利用弹簧卸压出现的弹性疲劳、松弛等现象，使其简单高效的应用于隧道工程中；

7、本装置利用合页将流质泄出孔的打开与关闭转化为门式电磁铁的转动，结构简单、使操作方便且可拆卸，可行性高。

8、本装置提出了一种新型的卸压装置，避免了传统的隧道工程中围岩衬砌使用年限短的问题，将变形岩体对衬砌的集中荷载均化从而减小集中应力，避免了传统的利用弹簧卸压出现的弹性疲劳、松弛等现象，使其简单高效的应用于工程中。

9、本发明所提出的装置结构简单、成本低、操作方便。本装置比较方便地将严实的流质充填物打碎给二衬提供一定的预留变形量，以缓解其给二衬带来的压力，延长隧道衬砌使用寿命，减小经济损失。广泛应用于隧道围岩衬砌有片岩开发工程，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所涉的槽钢泄出孔处卸压装置关闭状态示意图。

图2为本发明所涉的槽钢泄出孔处卸压装置打开状态示意图。

图3为本发明所涉的槽钢泄出孔处卸压装置非工作状态示意图。

图4为本发明所涉的槽钢泄出孔处卸压装置工作状态示意图。

图5为本发明所涉的槽钢泄出孔处卸压装置工作状态出现空腔区示意图。

图6为本发明所涉的装置于隧道围岩施工立面图。

图中：流质填充物1、槽钢2、流质泄出孔3、固定端槽钢外壁卡槽4、活动端槽钢外壁卡槽5、应力自反馈式卸压阀6、第一电磁铁7、第二电磁铁8、第一线圈9、第二线圈10、合页11、控制器12、压力传感器13、注浆孔14、初衬锚杆15、隧道衬砌16、隧道围岩17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-6所示，可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，它包括隧道衬砌16，所述隧道衬砌16的内侧壁上通过初衬锚杆15锚固有槽钢2，所述槽钢2和隧道衬砌16之间填充有流质填充物1，所述槽钢2的不同位置设置有多个流质泄出孔3，所述流质泄出孔3所在位置安装有用于自动开启并卸出流质填充物1的应力自反馈式卸压阀6。通过采用上述的围岩卸压装置，通过流质填充物1提前将围岩应力变形产生的荷载均化减载作用于二衬上来减小蠕动变形量、缩短变形稳定周期，而流质填充物1在围岩压力增大时能够根据压力自适应的开启应力自反馈式卸压阀6，通过应力自反馈式卸压阀6自动的将流质填充物1泄出进而起到减压的目的，最终，解决现有的围岩隧道工程软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长，地应力不均匀性显著，导致支护结构受力极不均匀；高地应力软岩隧洞施工的成本高等问题，大幅提高工作效率。

进一步的，所述流质填充物1采用具有一定流动性的颗粒材料其包含粒径不同的沙子和表面光滑、不同颗粒级配的碎石，其填充在隧道围岩17的一衬与二衬之间的预留变形量处。通过上述的流质填充物1其目的在于增大围岩的变形空间，同时将围岩变形产生的应力均化并减小地传至二衬。流质填充物具有一定的流动性、可压缩性、隔震性。

进一步的，所述应力自反馈式卸压阀6包括安装在流质泄出孔3侧边的合页11，所述合页11结构为两相同大小形状的矩形扇叶，并通过中心转轴铰接，两矩形扇叶可绕中心转轴呈360度相对旋转，所述合页11一侧矩形扇叶焊接在流质泄出孔3附近槽钢内壁上，另一矩形扇叶与其呈180度时可恰好使得流质泄出孔3处于封闭状态；所述流质泄出孔3所在位置的槽钢2两侧分别设置有固定端槽钢外壁卡槽4和活动端槽钢外壁卡槽5，所述固定端槽钢外壁卡槽4和活动端槽钢外壁卡槽5之间安装有用于其自动开启的电磁锁闭装置。

进一步的，所述电磁锁闭装置包括固定安装在固定端槽钢外壁开槽4上的第一电磁铁7和固定安装在活动端槽钢外壁卡槽5上的第二电磁铁8，所述第一电磁铁7上缠绕有第一线圈9，所述第二电磁铁8上缠绕有第二线圈10。通过上述的电磁锁闭装置其目的在于利用推拉门的旋转方式使得门式电磁铁可以像推拉门一样旋转，进而实现合页11的开启和关闭，以便流质物通过流质泄出孔泄出。

通过上述结构的槽钢外壁开槽，在工作过程中，将电磁铁焊接于槽钢外壁卡槽内，其目的在于对于应力自反馈式卸压阀的电磁铁也起固定作用，同时保护电磁铁防止被破坏，同时电磁铁的旋转能带动槽钢外壁卡槽与流质泄出孔平行时正好与其重合，使得槽钢处于密闭状态。

进一步的，所述槽钢2的底部设置有多个用于二衬成型灌浆的注浆孔14。其目的在于当围岩变形趋于稳定并到达稳定值之后，将流质充填物抽出或者充入，通过注浆孔向槽钢内高压注浆。

进一步的，所述槽钢2与流质填充物1之间相接触的内壁上粘贴有多个用于压力监测的压力传感器13，所述压力传感器13通过信号线与控制器12相连，所述控制器12与应力自反馈式卸压阀6的电磁锁闭装置相连并控制第一线圈9和第二线圈10的通断电。通过设置压力传感器13，其目的在于流质对槽钢外壁卡槽的应力数据传至控制器12，由控制器12对数据分析，判断与阈值的关系，并及时控制改变电磁铁的磁性，并反馈到应力自反馈式卸压阀的开与关。

进一步的，所述流质泄出孔两侧的电磁铁侧面分别缠绕通电线圈，其目的在于电磁铁的磁性可方便准确地受电流的方向和大小的改变而控制，当围岩变形较小时对流质填充物的挤压量较小，压力传感器测得流质填充物对压力传感器的压力值F≤P，此时控制器12控制通电导线不通电即为非工作状态，对通电线圈不通电，此时流质泄出孔通过电磁铁吸力使得应力自反馈门式卸压阀处于关闭状态。当围岩变形较大时对流质填充物的挤压量较大，压力传感器测得流质填充物对压力传感器的压力值F＞P，对通电线圈通电，电磁铁在控制器12控制线圈电流的作用下，电磁铁相互排斥，使得应力自反馈式卸压阀打开，流质填充物从泄出孔中泄出，一定时间后在门式电磁铁的内部形成一定范围楔形空腔区，随着空腔区的增大，流质填充物对压力传感器的压力值F逐渐减小，直到F≤P，改变电流方向，电磁铁磁性又变为相吸，使得应力自反馈式卸压阀关闭，卸压完成。

实施例2：

任意一项所述可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置的施工方法，它包括以下步骤：

Step1，材料准备：沙子、碎石、囊性物质，槽钢、钢片、电磁铁、通电线圈导线、合页、控制器、压力传感器；

Step2：槽钢2上注浆孔14及流质泄出孔3的制作机理：槽钢2上的注浆孔14采用塞盖式人工进行开与关，槽钢2上的流质泄出孔3非工作状态时由于电磁锁闭装置的异性吸力使得其处于关闭状态，工作状态时由于对通电线圈的电流控制从而控制电磁锁闭装置的之间吸斥力从而控制门式电磁铁的关与开；

Step3：槽钢2的固定：槽钢2位于一衬与二衬之间，将槽钢2的上端焊接于一衬的初衬锚杆15上起固定作用，其下端恰好被二衬钢拱架支撑；

Step4：流质填充物1的制作安装：流质填充物1包括沙子、碎石、囊性物质能使整体具有一定流动性的固态物质，流质泄出孔3处于非工作即关闭状态，将其混合均匀后通过槽钢2上预留的注浆孔14将其注入槽钢2内部，使槽钢内均匀地充满；

Step5：流质泄出孔非工作状态：电磁锁闭装置与流质填充物接触的一侧装有压力传感器13，用于监控并向控制器12输出压力值，当围岩变形较小时对流质填充物的挤压量较小，压力传感器12测得流质填充物1对压力传感器12的压力值F≤P，对通第一线圈9和第二线圈10不通电，由于第一电磁铁7和第二电磁铁8的异性吸力使得流质泄出孔3处于关闭状态；

Step6：卸压工作：当围岩变形较大时对流质填充物的挤压量较大，压力传感器13测得流质填充物对压力传感器的压力值F>P，对通电线圈通电电磁铁即为电磁铁，在控制器12导线电流的作用下，电磁铁相互排斥，使得应力自反馈式卸压阀打开，流质填充物从泄出孔中泄出，一定时间后在门式电磁铁的内部形成一定范围楔形空腔区，随着空腔区的增大，流质填充物对压力传感器的压力值F逐渐减小，直到F≤P，改变电流方向，电磁铁磁性又变为相吸，使得应力自反馈式卸压阀关闭，卸压完成；

Step7：注浆：根据需要一次或多次卸压工艺完成后，将流质填充物泄出并通过预留的注浆孔注浆形成完整的二衬。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，其特征在于，它包括隧道衬砌（16），所述隧道衬砌（16）的内侧壁上通过初衬锚杆（15）锚固有槽钢（2），所述槽钢（2）和隧道衬砌（16）之间填充有流质填充物（1），所述槽钢（2）的不同位置设置有多个流质泄出孔（3），所述流质泄出孔（3）所在位置安装有用于自动开启并卸出流质填充物（1）的应力自反馈式卸压阀（6）。

2.根据权利要求1所述的可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，其特征在于：所述流质填充物（1）采用具有一定流动性的颗粒材料其包含粒径不同的沙子和表面光滑、不同颗粒级配的碎石，其填充在隧道围岩（17）的一衬与二衬之间的预留变形量处。

3.根据权利要求1所述的可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，其特征在于：所述应力自反馈式卸压阀（6）包括安装在流质泄出孔（3）侧边的合页（11），所述合页（11）结构为两相同大小形状的矩形扇叶，并通过中心转轴铰接，两矩形扇叶可绕中心转轴呈360度相对旋转，所述合页（11）一侧矩形扇叶焊接在流质泄出孔（3）附近槽钢内壁上，另一矩形扇叶与其呈180度时可恰好使得流质泄出孔（3）处于封闭状态；所述流质泄出孔（3）所在位置的槽钢（2）两侧分别设置有固定端槽钢外壁卡槽（4）和活动端槽钢外壁卡槽（5），所述固定端槽钢外壁卡槽（4）和活动端槽钢外壁卡槽（5）之间安装有用于其自动开启的电磁锁闭装置。

4.根据权利要求3所述的可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，其特征在于：所述电磁锁闭装置包括固定安装在固定端槽钢外壁开槽（4）上的第一电磁铁（7）和固定安装在活动端槽钢外壁卡槽（5）上的第二电磁铁（8），所述第一电磁铁（7）上缠绕有第一线圈（9），所述第二电磁铁（8）上缠绕有第二线圈（10）。

5.根据权利要求1所述的可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，其特征在于：所述槽钢（2）的底部设置有多个用于二衬成型灌浆的注浆孔（14）。

6.根据权利要求1所述的可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置，其特征在于：所述槽钢（2）与流质填充物（1）之间相接触的内壁上粘贴有多个用于压力监测的压力传感器（13），所述压力传感器（13）通过信号线与控制器（12）相连，所述控制器（12）与应力自反馈式卸压阀（6）的电磁锁闭装置相连并控制第一线圈（9）和第二线圈（10）的通断电。

7.采用权利要求1-6任意一项所述可调磁力的门式流质衬砌围岩卸压装置的施工方法，其特征在于它包括以下步骤：

Step1，材料准备：沙子、碎石、囊性物质，槽钢、钢片、电磁铁、通电线圈导线、合页、控制器、压力传感器；

Step2：槽钢（2）上注浆孔（14）及流质泄出孔（3）的制作：槽钢（2）上的注浆孔（14）采用塞盖式人工进行开与关，槽钢（2）上的流质泄出孔（3）非工作状态时由于电磁锁闭装置的异性吸力使得其处于关闭状态，工作状态时由于对通电线圈的电流控制从而控制电磁锁闭装置的之间吸斥力从而控制门式电磁铁的关与开；

Step3：槽钢（2）的固定：槽钢（2）位于一衬与二衬之间，将槽钢（2）的上端焊接于一衬的初衬锚杆（15）上起固定作用，其下端恰好被二衬钢拱架支撑；

Step4：流质填充物（1）的制作安装：流质填充物（1）包括沙子、碎石、囊性物质能使整体具有一定流动性的固态物质，流质泄出孔（3）处于非工作即关闭状态，将其混合均匀后通过槽钢（2）上预留的注浆孔（14）将其注入槽钢（2）内部，使槽钢内均匀地充满；

Step5：流质泄出孔非工作状态：电磁锁闭装置与流质填充物接触的一侧装有压力传感器（13），用于监控并向控制器（12）输出压力值，当围岩变形较小时对流质填充物的挤压量较小，压力传感器（12）测得流质填充物（1）对压力传感器（12）的压力值F≤P，对通第一线圈（9）和第二线圈（10）不通电，由于第一电磁铁（7）和第二电磁铁（8）的异性吸力使得流质泄出孔（3）处于关闭状态；

Step6：卸压工作：当围岩变形较大时对流质填充物的挤压量较大，压力传感器（13）测得流质填充物对压力传感器的压力值F>P，对通电线圈通电电磁铁即为电磁铁，在控制器（12）导线电流的作用下，电磁铁相互排斥，使得应力自反馈式卸压阀打开，流质填充物从泄出孔中泄出，一定时间后在门式电磁铁的内部形成一定范围楔形空腔区，随着空腔区的增大，流质填充物对压力传感器的压力值F逐渐减小，直到F≤P，改变电流方向，电磁铁磁性又变为相吸，使得应力自反馈式卸压阀关闭，卸压完成；

Step7：注浆：根据需要一次或多次卸压工艺完成后，将流质填充物泄出并通过预留的注浆孔注浆形成完整的二衬。