CN110608055B - 一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件及使用方法，连接构件设置在两个钢拱架之间，包括连杆和套管，连杆包括一端的球形端头、另一端的螺纹端头和中间的杆体，在螺纹端头与杆体的连接处设有环状凸起部；套管为一端封闭、另一端开口的筒状结构，在套管内壁上靠近封闭一端的位置设有内螺纹部，在套管开口一端的内壁上设有单向卡合部；连接构件一侧的钢拱架的端部焊接有带孔钢板，另一侧的钢拱架端部焊接有封闭钢板，带孔钢板的中心开设有与连杆的螺纹端头相匹配的螺纹孔，套管的封闭一端与封闭钢板焊接在一起。本发明结构精巧、操作简易、支护高效，极大简化了钢拱架的拼装工序，减少了作业人员，节省了作业时间。

Description

一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件及使用方法

技术领域

本发明涉及TBM掘进隧道高效支护与软弱围岩大变形控制技术领域，具体涉及一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件及使用方法。

背景技术

随着近年来大规模地下工程的开发和利用，我国隧道、矿山及地下空间技术取得了迅速发展，其中用于岩层隧道掘进的技术主要分为钻爆法和TBM法。与钻爆开挖方法，TBM工法具有高效、优质、安全、经济、环保和低劳动强度等优点，但对地质状况非常敏感，特别是穿越性状差、强度低、遇水极易软化等软弱地层时，隧道围岩大变形易造成TBM卡机。长期以来国内外通常采取“强支硬顶”的方式来解决软弱围岩大变形问题，例如“法兰螺栓+焊接”的钢拱架。但强制硬顶往往不能解决持续增长的变形压力和偶发的附加荷载，往往造成锚杆的断裂、钢拱架发生扭曲变形、喷射混凝土出现开裂等现象。

在已公开的中国专利文献中，CN106285724A专利公开了一种隧道让压式支护体系，通过将让压锚杆、可缩式构件、钢拱架、矩形橡胶减震器和喷射混凝土组成的联合体与围岩发生统一的协调变形，达到支护、让压及卸载多重并举的功能。CN104153792A专利提出了一种适用于长期受列车动载、地震荷载及断层活动荷载作用下的软弱破碎围岩隧道的，具有吸能让压特征的由核心筒和钢格栅组成支护结构。CN105019922A专利设计了一种包括连接件本体、结构相同的第一插接部和第二插接部的可伸缩钢拱架连接件，解决了现有拱架的变形问题。

综上所述，已有技术方案为隧道软岩大变形问题提供了各自的解决途径，但均存在钢拱架安装工序复杂、需要作业人员较多、工人作业效率较低等问题，无法满足TBM法高效支护的需求。同时现有的支护方案需要安排技术人员采用全站仪等专门的测量设备，来跟踪监测支护的变形，评估支护效果，工作量大，且难以反映隧道表面整体收敛状况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件及使用方法，用于解决隧道软岩大变形难题，以及现有技术方案中钢拱架安装工序复杂、工人作业效率较低、不易评估支护效果的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件，包括两个相对称设置的钢拱架，所述连接构件设置在两个钢拱架之间；所述连接构件包括连杆和套管，所述连杆包括一端的球形端头、另一端的螺纹端头和中间的杆体，在所述螺纹端头与杆体的连接处设有环状凸起部；

所述套管为一端封闭、另一端开口的筒状结构，在所述套管内壁上靠近封闭一端的位置设有内螺纹部，在所述套管开口一端的内壁上设有单向卡合部，所述单向卡合部的一端与套管开口端的内壁相连接，另一端朝向套管内部倾斜设置；

所述连接构件一侧的钢拱架的端部焊接有带孔钢板，另一侧的钢拱架端部焊接有封闭钢板，所述带孔钢板的中心开设有与连杆的螺纹端头相匹配的螺纹孔，所述套管的封闭一端与所述封闭钢板焊接在一起；所述连杆的球形端头安装在所述套管内，所述连杆的螺纹端头旋入到所述螺纹孔内，且使所述环状凸起部紧贴带孔钢板的端面。

优选的，所述球形端头的直径比所述套管内螺纹部的螺纹牙顶宽度大3~6mm；所述连杆的杆体直径比所述套管内螺纹部的螺纹牙顶宽度小3~6mm；所述连杆上的环状凸起部的直径比杆体的直径大5~10mm；所述单向卡合部位于套管内的一端的直径比所述球形端头的直径小5~15mm。

优选的，所述连杆杆体的长度为100~200mm；所述连杆的螺纹端头的长度为10~30mm；所述连杆的环状凸起部的宽度为5~10mm；所述套管内螺纹部的长度为50~200mm，所述套管除去内螺纹部之外的光圆段部分的长度为50-150mm。

优选的，所述单向卡合部为对半式环型结构，即是由两个半圆环组成的环形结构。

优选的，在所述连杆的杆体外表面设有刻度线。

本发明还涉及一种上述即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件的使用方法，包括下列步骤：

（1）在每组两个钢拱架的端部分别焊接带孔钢板和封闭钢板，将套管的封闭端与该封闭钢板焊接在一起，将连杆的螺纹端头旋入带孔钢板的螺纹孔中，使所述连杆的环状凸起部紧贴带孔钢板的端面；

（2）将所述连杆的球形端头插入到套管内，球形端头穿过所述单向卡合部，通过所述单向卡合部和球形端头的配合形成球铰结构，即完成了两节钢拱架的拼装作业；

（3）在围岩发生大变形的过程中，岩土径向收敛，带动所述连杆向套管内移动，可以通过所述杆体上的刻度线记录让压变形量；所述套管的内螺纹部能够给予球形端头一定的让压阻力，使所述钢拱架在围岩变形初期具备恒阻让压特性；当球形端头进入到套管内部尽头的封闭端时，即用尽设定的让压变形量时，所述钢拱架开始刚性支护，控制围岩有害变形。

其中，围岩径向收敛量c与让压变形量d的换算关系式为：

c=d/(2π)。

本发明的有益效果在于：

本发明巧妙利用单向铰链，设计了一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件及使用方法，旨在解决隧道软岩大变形难题，及现有技术中安装工序复杂、工人作业效率较低、不易评估支护效果等问题。该连接构件结构精巧、操作简易、支护高效，集“让压、支护、监测”为一体。具体优点如下：

1）常用的钢拱架连接构件为法兰螺栓式连接，需要频繁拧螺栓，劳动量大，安装过程耗费人力与时间，安装效率低。本发明的连接构件为即插型球铰式连接，只需将连杆的球形端头插入到套管内，即可通过套管开口端设置的单向卡合部限制球形端头脱出套管，极大简化了钢拱架的拼装工序，减少了拼装作业的劳动量，有利于节约劳动成本，节省作业时间。

2）套管的螺纹段通过摩擦力对球形端头施加一定的让压阻力，实现了隧道围岩变形初期的钢拱架的恒阻让压，当球形端头被挤压到套管内部尽头时，设定的让压变形量耗尽，后期钢拱架开始刚性支护，可控制围岩有害变形。

3）球形端头进入到套管内的不同深度，套管开口端就会位于杆体上刻度线的不同位置，可以通过连杆杆体上的刻度线读取钢拱架的让压变形量，换算围岩径向收敛量，方便现场工程技术人员评估支护效果，无需额外增加变形监测设备，使得监测工作简单易行，且监测结果能够更加准确地反应隧道表面整体收敛特征。

附图说明

图1是本发明即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件的结构示意图；

图2是套管开口端的结构示意图；

图3是让压后的钢拱架连接处的示意图；

图中标号：1连杆，1-1球形端头，1-2螺纹端头，1-3环状凸起部，1-4刻度线，2套管，2-1内螺纹部，3钢拱架，3-1封闭钢板，3-2带孔钢板，3-3螺纹孔，4单向卡合部。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。

实施例1：一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件，参见图1-图3，包括两个相对称设置的钢拱架3，连接构件设置在两个钢拱架之间；连接构件包括连杆1和套管2，连杆1包括一端的球形端头1-1、另一端的螺纹端头1-2和中间的杆体，在螺纹端头1-2与杆体的连接处设有环状凸起部1-3，在连杆1的杆体外表面设有刻度线1-4。

套管2为一端封闭、另一端开口的筒状结构，在套管2内壁上靠近封闭一端的位置设有内螺纹部2-1，在套管2开口一端的内壁上设有单向卡合部4，单向卡合部4的一端与套管2开口端的内壁相连接，另一端朝向套管2内部倾斜设置；单向卡合部4为对半式环型结构，即是由两个半圆环组成的环形结构。

连接构件一侧的钢拱架的端部焊接有带孔钢板3-2，另一侧的钢拱架端部焊接有封闭钢板3-1，带孔钢板3-2的中心开设有与连杆1的螺纹端头1-2相匹配的螺纹孔3-3，套管2的封闭一端与封闭钢板3-1焊接在一起；连杆1的球形端头1-1安装在套管2内，连杆1的螺纹端头1-2旋入到螺纹孔3-3内，且使环状凸起部1-3紧贴带孔钢板3-2的端面。

其中，球形端头1-1的直径比套管的内螺纹部2-1的螺纹牙顶宽度大3~6mm；连杆1的杆体直径比套管的内螺纹部2-1的螺纹牙顶宽度小3~6mm；连杆1上的环状凸起部1-3的直径比杆体的直径大5~10mm；单向卡合部4位于套管2内的一端的内圆直径比球形端头1-1的直径小5~15mm。

连杆1杆体的长度为100~200mm，刻度线1-4设置在整个杆体长度范围内；连杆1的螺纹端头1-2的长度为10~30mm；连杆1的环状凸起部1-3的宽度为5~10mm；套管的内螺纹部2-1的长度为50~200mm，套管2除去内螺纹部之外的光圆段部分的长度为50~150mm。

在本实施例中，球形端头1-1的直径为120mm；连杆1的杆体部分的直径为110mm，连杆的杆体部分（刻度线所在部分）的长度为200mm；连杆1上环状凸起部1-3的直径为120mm，环状凸起部1-3的长度为10mm；连杆1的螺纹端头1-2的长度为20mm；套管2的内螺纹部2-1的螺纹牙顶宽度为115mm，套管2的内螺纹部2-1的长度为200mm，套管2除去内螺纹部之外的光圆段部分的长度为150mm；单向卡合部4朝向套管2内部一侧的内圆直径为105mm。

实施例1中的即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件的使用方法，包括下列步骤：

（1）在每组两个钢拱架3的端部分别焊接带孔钢板3-2和封闭钢板3-1，将套管2的封闭端与该封闭钢板3-1焊接在一起，将连杆1的螺纹端头1-2旋入带孔钢板3-2的螺纹孔3-3中，使连杆1的环状凸起部1-3紧贴带孔钢板3-2的端面；

（2）将连杆1的球形端头1-1插入到套管2内，球形端头1-1穿过单向卡合部4，通过单向卡合部4和球形端头1-1的配合形成球铰结构，即完成了两节钢拱架的拼装作业；

（3）在围岩发生大变形的过程中，岩土径向收敛，带动连杆1向套管2内移动，可以通过杆体上的刻度线记录让压变形量；套管2的内螺纹部2-1能够给予球形端头1-1一定的让压阻力，使钢拱架3在围岩变形初期具备恒阻让压特性；当球形端头1-1进入到套管2内部尽头的封闭端时，即用尽设定的让压变形量时，钢拱架开始刚性支护，控制围岩有害变形。

其中，围岩径向收敛量c与让压变形量d的换算关系式为：

c=d/(2π)。

当监测让压变形量d为100mm时，换算成围岩径向收敛量c约为15.92mm。实施本发明后，钢拱架拼装作业人员平均减少了30%，作业时间平均缩短了30%，隧道软岩大变形也得以有效控制。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (7)

1.一种即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件，包括两个相对称设置的钢拱架，所述连接构件设置在两个钢拱架之间；其特征在于，所述连接构件包括连杆和套管，所述连杆包括一端的球形端头、另一端的螺纹端头和中间的杆体，在所述螺纹端头与杆体的连接处设有环状凸起部；

所述套管为一端封闭、另一端开口的筒状结构，在所述套管内壁上靠近封闭一端的位置设有内螺纹部，在所述套管开口一端的内壁上设有单向卡合部，所述单向卡合部的一端与套管开口端的内壁相连接，另一端朝向套管内部倾斜设置；

所述连接构件一侧的钢拱架的端部焊接有带孔钢板，另一侧的钢拱架端部焊接有封闭钢板，所述带孔钢板的中心开设有与连杆的螺纹端头相匹配的螺纹孔，所述套管的封闭一端与所述封闭钢板焊接在一起；所述连杆的球形端头安装在所述套管内，所述连杆的螺纹端头旋入到所述螺纹孔内，且使所述环状凸起部紧贴带孔钢板的端面。

2.根据权利要求1所述的即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件，其特征在于，所述球形端头的直径比所述套管内螺纹部的螺纹牙顶宽度大3~6mm；所述连杆的杆体直径比所述套管内螺纹部的螺纹牙顶宽度小3~6mm；所述连杆上的环状凸起部的直径比杆体的直径大5~10mm；所述单向卡合部位于套管内的一端的直径比所述球形端头的直径小5~15mm。

3.根据权利要求2所述的即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件，其特征在于，所述连杆杆体的长度为100~200mm；所述连杆的螺纹端头的长度为10~30mm；所述连杆的环状凸起部的宽度为5~10mm；所述套管内螺纹部的长度为50~200mm，所述套管除去内螺纹部之外的光圆段部分的长度为50-150mm。

4.根据权利要求1所述的即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件，其特征在于，所述单向卡合部为对半式环型结构，即是由两个半圆环组成的环形结构。

5.根据权利要求1所述的即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件，其特征在于，在所述连杆的杆体外表面设有刻度线。

6.一种权利要求1所述的即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）在每组两个钢拱架的端部分别焊接带孔钢板和封闭钢板，将套管的封闭端与该封闭钢板焊接在一起，将连杆的螺纹端头旋入带孔钢板的螺纹孔中，使所述连杆的环状凸起部紧贴带孔钢板的端面；

（2）将所述连杆的球形端头插入到套管内，球形端头穿过所述单向卡合部，通过所述单向卡合部和球形端头的配合形成球铰结构，即完成了两节钢拱架的拼装作业；

（3）在围岩发生大变形的过程中，岩土径向收敛，带动所述连杆向套管内移动，通过所述杆体上的刻度线记录让压变形量；所述套管的内螺纹部能够给予球形端头一定的让压阻力，使所述钢拱架在围岩变形初期具备恒阻让压特性；当球形端头进入到套管内部尽头的封闭端时，即用尽设定的让压变形量时，所述钢拱架开始刚性支护，控制围岩有害变形。

7.根据权利要求6所述的即插型球铰式可量化让压的钢拱架连接构件的使用方法，其特征在于，围岩径向收敛量c与让压变形量d的换算关系式为：

c=d/(2π)。

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