CN111365043B - 一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，涉及隧道及地下工程技术领域。其适用于塌腔相对稳定、塌腔高度较大、不易接顶的情况。步骤包括:平整塌方体并将亭式支架移动至塌腔下方，利用液压支柱顶升盾板至盾板下沿超过隧道初支拱架外轮廓线，在立柱下连接底柱并插入垫板。液压支柱若发生回缩，立柱、底柱、垫板与液压支柱将共同承受盾板传递的荷载。在盾板的保护下安装并连接初支拱架，焊接立柱和相邻初支拱架的交叉点，割除在初支拱架内的立柱。撤出单体液压支柱后，盾板的载荷由亭式支架平稳转移至初支棚架，喷射速凝混凝土至栅格拱架形成封闭壳体，泵送充填材料充填塌腔空间。该方法具有对液压支柱顶升高度要求低，施工安全等优点。
Description
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程技术领域，尤其是一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法。
背景技术
目前，常见的隧道塌方事故处理方法主要包括管棚法、回填法、套拱法、小导管注浆法、二次衬砌加强法等。其中，管棚法是沿开挖轮廓线钻设与隧道轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管，形成钢管棚架的一种支护方法。回填法是在塌方空腔上方，从地表或隧道内钻孔注浆或者回填填充材料的一种处理方法。小导管注浆法则是在开挖塌体之前，沿隧道外轮廓线以一定仰角向掌子面前方打入带注浆孔的小导管，通过注浆来充分填充围岩空隙并形成一定厚度的结合体，以保证隧道轮廓稳定的方法。
现有技术专利文献：
专利文献1提供了一种利用穿管组合拱架对隧道掘进工作面塌方的处理方法(公开号：CN104989434B)，具体是在安全区架设套环拱架，在钢管的保护下架设分段支护拱架以实现安全快速有效处理塌方作业的技术效果。但是仍存在以下问题：(1)塌方处理过程人工作业劳动强度大，施工效率较低；(2)塌方段的作业人员虽然有钢管的保护，但在架设分段支护拱架时，作业人员仍然要直接暴露在塌腔下方，尤其是在步骤二中，在塌方区将分段支护拱架的拱顶段抬起至高于隧道初支轮廓线，作业人员将不得不暴露在塌腔下方，仍存在较大的安全隐患。
专利文献2公开了一种隧道工作面塌方应急处理方法(公开号：CN106545351B)，具体是在安全段用单体液压支柱连续支护两个拱梁，拱梁支撑在安全段的拱顶形成一个承载支点，楔形梁楔入塌方区工作面的部位为另一个承载支点。两个承载支点支撑楔形顶梁，在楔形梁上部放置承载体，从而有效的处理塌方。但是仍存在以下问题：(1)施工效率低，虽然使用单体液压支柱提高了安全段作业的施工效率，但塌方段的关键环节仍然是人工作业，施工效率并未得到有效提高；(2)存在安全隐患，塌方段的作业人员虽然有楔形顶梁保护，但在布置枕木等承载体时，作业人员仍然要直接暴露在塌腔下方，依然存在较大的安全隐患；(3)有效性受限：当塌方段工作面围岩为软岩，造成支点不稳定；或当塌方段工作面围岩太硬，致使楔形顶梁无法楔入工作面围岩而形成支点，对于这两种情况下，其记载的技术方案不能实现，从而无法实现预定的技术效果。
此外，单体液压支柱在使用时，如果不能及时接顶则不能向顶板施加支撑力，当塌腔顶板垮塌时，由于塌方瞬间压力突然作用在单体液压支柱上，单体液压支柱的液压油不能及时泄出，从而导致爆缸事故，即单体液压支柱的油缸在冲击压力作用下瞬间变形或撑裂；所以在可能承受瞬间冲击压力的情况下，对单体液压支柱的强度、刚度要求更高。在使用单体液压支柱时，单体液压支柱行程难以满足盾板举升高度的要求，尤其是塌腔深度较大时，使用液压支柱存在难以接顶的问题。
发明内容
为了解决现有技术在处理隧道塌方过程中存在的问题，本发明提供了一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法。该方法适用于塌腔相对稳定，塌腔高度大，液压支柱接顶困难的情况，解决了盾板支架稳定性对液压支柱的强度和刚度要求高，及塌方位置突然垮塌可能导致的爆缸问题；还有盾板荷载向初支棚架平稳转移的技术问题。具体的技术方案如下。
一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，步骤包括：
步骤1.安装亭式支架结构，包括装配底座、盾板、立柱、纵向顶梁和横向顶梁；纵向顶梁和横向顶梁固定在盾板上，立柱固定在底座和盾板之间；
步骤2.平整塌腔下方的塌方体形成平台，将亭式支架结构安放至平台上；
步骤3.在盾板的保护下将液压支柱插入底座上的底柱槽，顶升液压支柱使每个液压支柱与纵向顶梁或横向顶梁卡合；
步骤4.解除立柱和底座之间的连接，继续平稳顶升液压支柱，直至顶柱槽的下沿高于初支拱架的外轮廓线；
步骤5.安装底柱，先固定连接立柱的下连接板和底柱的上连接板，再在底柱和底座之间插入垫板；
步骤6.在盾板下方架设初支拱架，并连接固定隧道内原有支护结构和盾板下方的初支拱架，形成初支棚架；
步骤7.撤出液压支柱，在盾板上安装排气管和填充材料泵送管，并在初支拱架下铺设锚网；
步骤8.向初支拱架喷射混凝土，混凝土凝固后向塌腔内泵送填充材料，排气管排出塌腔内空气，直至塌腔充满填充材料。
优选的是，步骤1中盾板上设有顶柱槽，底座上设有底柱槽，顶柱槽与底柱槽上下对应配置，纵向顶梁和横向顶梁安装在顶柱槽内；纵向顶梁和横向顶梁上均设置有与液压支柱顶盖相配合的齿槽。
还优选的是，盾板上设置有1组或多组穿过孔，每组穿过孔包括1个填充材料泵送管穿过孔和1个排气管穿过孔；所述底板上设置有螺栓与立柱的下连接板上的螺孔配合。
还优选的是，步骤2中利用挖掘机平整塌腔下方的塌方体，利用挖掘机将亭式支架结构移动至平台上；或者将亭式支架结构固定在机动车上，机动车驶入塌腔下方的平台上，并且机动车驾驶室位处塌腔之外的安全区域。
还优选的是，步骤3中液压支柱选用单体液压支柱或液压千斤顶，所述液压支柱的底部通过插销或插板固定在底座的底柱槽内，液压支柱的顶部与纵向顶梁或横向顶梁上的齿槽对接卡合。
还优选的是，步骤4中解除立柱和底座之间的连接后，盾板和立柱的上连接板保持连接并随液压支柱上升。
还优选的是，步骤5中插入垫板后，当液压支柱受载荷回缩，则由立柱、底柱、垫板和液压支柱共同承受盾板传递的载荷
还优选的是，步骤6中，当液压支柱占据初支拱架的安装位置时，先在该单体液压支柱相邻的位置架设替代用液压支柱，再卸载占据初支拱架安装位置的液压支柱。
进一步优选的是，当立柱占据初支拱架的安装位置时，将立柱与相邻的初支拱架焊接在一起，并割除立柱侵入初支拱架内的部分，再在割除立柱的位置架设初支拱架，将割除立柱的切割点和初支拱架焊接在一起；所述初支棚架形成后盾板的荷载由亭式支架转移至初支棚架。
还优选的是，盾板侧翼设有侧挡板，侧挡板与盾板铰接，侧挡板通过设置在盾板上或底座上的液压支柱支撑活动。
本发明提供的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法有益效果是，利用了亭式支架为塌腔下方作业提供了安全的施工空间，并且各个步骤都是在安全的空间内作业；亭式支架的各个部件结构简单，组装方便，减小了施工的劳动强度，液压支柱顶升盾板提高了施工效率。本方法中初支拱架的设置在盾板下方进行，并且亭式支架的结构不会侵占初支及二衬的施工作业空间；在合适的位置布置初支拱架，很好的实现了盾板上载荷由立柱、底柱、垫板、液压千斤顶共同承载向初支棚架平稳转移；盾板直接留在在塌腔空间内，直接对初支拱架上方的塌腔进行有效充填，保证了支护结构的安全性；另外，该方法还具有适用性强、安全性能好等优点。
附图说明
图1为亭式盾板支架的结构示意图；
图2为图1的A-A截面方向视图；
图3为图1的B-B截面方向视图；
图4为底座的结构示意图；
图5为图4的C-C截面方向视图；
图6为图4的D-D截面方向视图；
图7为立柱的结构示意图；
图8为立柱俯视图；
图9为液压支柱安装后的示意图；
图10为液压支柱顶升后的示意图；
图11为底柱安装后的示意图；
图12为初支拱架安装示意图；
图13为塌腔内泵送充填材料后的示意图；
图14为塌方处理后的隧道断面图。
图中：1-底座；2-盾板；3-立柱；4-底柱；5-液压支柱；6-底钢板；7-螺栓；8-底柱槽；9-顶钢板；10-纵向顶梁；11-横向顶梁；12-顶柱槽；13-填充材料泵送管穿过孔；14-排气管穿过孔；15-齿槽；16-上肋板；17-下连接板；18-柱体；19-上连接板；20-螺孔；21-下肋板；22-垫板，23-平台；24-初支拱架；25-初支棚架；26-填充材料泵送管；27-排气管。
具体实施方式
如图1至图14所示，本发明提供的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法具体实施方式如下。
一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，步骤包括：
步骤1.安装亭式支架结构，包括装配底座1、盾板2、立柱3、纵向顶梁10和横向顶梁11，纵向顶梁10和横向顶梁11固定在盾板2上，立柱3固定在底座1和盾板2之间。
具体的是，根据塌方范围选择盾板2的尺寸，盾板2选用钢板材料，其结构包括顶钢板和上肋板16，顶钢板9的下表面布置有上肋板16，上肋板16形成顶柱槽12，纵向顶梁10和横向顶梁11均安装在顶柱槽12内，具体可以是焊接或螺栓固定。盾板2上还需要设置有1组或多组穿过孔，供填充材料泵送管26和排气管27穿过，其中每组穿过孔包括1个填充材料泵送管穿过孔13和一个排气管穿过孔14。底板是为立柱提供稳定的支撑基点，其结构包括底钢板6和下肋板21，下肋板21布置形成底柱槽8，底座1上底柱槽8的位置与纵向顶梁10或横向顶梁11上下相对；其中下肋板21和底钢板6可以焊接或螺栓固定，也可以为一体式结构。
顶钢板9、底钢板6分别与立柱的上连接板19和下连接板17通过螺栓7连接，其中立柱3可以用钢管、工字钢等型钢材料或钢筋焊接的栅格制成，纵向顶梁10和横向顶梁11也可以选择矿用金属顶梁。在底座1上的底柱槽8的位置与顶柱槽12位置相对应，将纵向顶梁10和横向顶梁11安装至顶柱槽12内。其中立柱3和底柱4均包括上连接板19下连接板17和柱体18，柱体的上下两端分别固定有上连接板19和下连接板17，上连接板19和下连接板17上均设置有螺孔20，方便连接。立柱的上连接板19和下连接板17分别与盾板2和底座1固定，立柱3将底座1和盾板2连接成一个整体，盾板2下方支撑起安全的空间。由于亭式盾板支架结构的各个组成部分结构简单，因此可以在隧道外或者隧道内安全的位置组装。
步骤2.平整塌腔下方的塌方体形成平台23，将亭式支架结构安放至平台23上。
可以使用长臂机械平整塌腔下方的碎石，对其进行平整处理形成平台23；再利用长臂机械将安装好的亭式盾板支架移动至平台的上方。也可以使用长臂机械平整塌腔下方的碎石，对其进行平整处理形成平台23，并且将亭式支架结构固定在机动车上，机动车驶入塌腔下方的平台上，并且机动车驾驶室、液压操作系统均位于塌腔之外的安全区域，亭式支架安放在塌腔的下方。
步骤3.在盾板2的保护下将液压支柱5插入底座1上的底柱槽8，顶升液压支柱使每个液压支柱5与纵向顶梁10或横向顶梁11卡合。
其中，底柱槽8的结构也可以是其他方便固定液压支柱的形式，顶柱槽12也可以采用其他方便固定液压支柱顶盖的形式。液压支柱5选用单体液压支柱或液压千斤顶，液压支柱5的底部还可以通过插销或插板固定在底座的底柱槽8内，液压支柱5的顶部与纵向顶梁10或横向顶梁11上的齿槽15对接卡合，更好的保证液压支柱的整体性和稳定性。
步骤4.解除立柱3和底座1之间的连接，继续平稳顶升液压支柱5，直至顶柱槽12的下沿高于初支拱架的外轮廓线。
其中解除立柱3和底座1之间的连接后，盾板2和立柱的上连接板19保持连接并随液压支柱5上升，这一过程一般持续时间短，并且该操作是在顶板下进行，能够保证施工安全。
步骤5.安装底柱4，先固定连接立柱的下连接板17和底柱的上连接板19，再在底柱4和底座1之间插入垫板22。
其中垫板22为木质的垫板，底柱4和底钢板6之间需要留设30mm～250mm的垫板空间。插入垫板22后，垫板22与底柱的下连接板17保持1mm～50mm的间距。当液压支柱5受载荷回缩，则由立柱3、底柱4、垫板22和液压支柱5共同承受盾板传递的载荷。在木质垫板的作用下能够保证各个底柱受力平衡，避免了塌方瞬间压力突然增大作用在液压支柱5上，液压支柱5的液压油不能及时泄出，从而导致爆缸事故。另外木质垫板还优化了底柱4和底座1之间的接触形式，保证了各个立柱的受力平衡，避免底柱4和底座1由于点接触或线接触而导致的应力集中问题。
步骤6.在盾板2下方架设初支拱架24，并连接固定隧道内原有支护结构和盾板下方的初支拱架，形成初支棚架25。隧道内原有的支护结构包括原有的初支棚架、锚杆、锚索、锚网等支护结构。其中初支拱架24是指单一的一架拱架，初支棚架25则是指多个初支拱架24组合而成的支护体结构。初支棚架25形成后盾板的荷载由亭式支架转移至初支棚架25，盾板的荷载包括盾板自重、塌腔可能垮落的塌方体和泵入塌腔的填充材料，所以利用该方法可以从容的撤出单体液压支柱5，保证了施工过程中的安全。
当液压支柱5占据初支拱架24的安装位置时，先在该液压支柱5相邻的位置架设替代用液压支柱承载，再卸载占据初支拱架24安装位置的液压支柱5，卸载后在该位置安装初支拱架24。
当立柱3占据初支拱架24的安装位置时，将立柱3与相邻的初支拱架24焊接在一起，当立柱3与相邻的初支拱架24不搭接时，可以借助金属构件将立柱3与相邻的初支拱架24焊接在一起，然后割除立柱3侵入初支拱架24内的部分。再在割除立柱3的位置架设初支拱架24，将割除立柱的切割点与下部初支拱架24焊接在一起；初支棚架25形成后盾板的荷载由亭式支架转移至初支棚架25。
步骤7.撤出液压支柱5，在盾板2上安装排气管27和填充材料泵送管26，并在初支拱架24下铺设锚网。
具体是撤出液压支柱5，以及替代用的液压支柱5，再撤出底座1。然后安装填充材料泵送管26和排气管27，其中填充材料泵送管26可以倾斜一定的角度插入，其出浆位置应尽量靠近塌腔顶部，排气管在端部可以设置防堵顶盖，排气管尽量伸至塌腔的最上方。
步骤8.向初支拱架24喷射混凝土，混凝土凝固后向塌腔内泵送充填材料，排气管排出塌腔内空气，直至塌腔充满充填材料。其中充填材料可以是混凝土、泡沫混凝土、马丽散等有机或无机充填材料。
初支拱架24上可以喷射速凝混凝土，喷射混凝土后初支拱架24上形成封闭壳体。封闭壳体形成后，排气管伸至塌腔的顶部，填充材料泵送管26的出口高度小于排气管端口的高度。可以向初支拱架24喷射混凝土形成封闭壳体后，再向塌腔内泵送混凝土，通过排气管排除塌腔内的气体，直至塌腔充填满混凝土。
该方法的各个步骤均在安全的空间内作业，适用于塌腔相对稳定的塌方情况的处理，特别适用于塌腔高度大，常规支架设备无法正常接顶的塌方处理。液压支柱与立柱、底柱共同支撑，立柱和底柱的刚性支撑保证了液压支柱在受到瞬间高强度冲击时的安全，单体液压支柱可以向盾板施加主动支撑力以降低作用在立柱和底柱上的荷载。特别当塌体荷载增大时，还可以根据需要增加单体液压支柱的数量；保证盾板支架的承载能力。该方法可以在合适的位置布置初支拱架，并且弃留在初支棚架上部的亭式支架盾板部分的结构不会侵占初支和二衬的施工作业空间，顺利实现了盾板上载荷由立柱、底柱、垫板与液压千斤顶共同承载向初支拱架独立承载的转移和过渡。另外该方法直接对初支拱架上方的塌腔进行有效充填，消除了塌腔继续垮塌带来的安全隐患。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1.安装亭式支架结构，包括装配底座、盾板、立柱、纵向顶梁和横向顶梁；纵向顶梁和横向顶梁固定在盾板上，立柱固定在底座和盾板之间；
步骤2.平整塌腔下方的塌方体形成平台，将亭式支架结构安放至平台上；
步骤3.在盾板的保护下将液压支柱插入底座上的底柱槽，顶升液压支柱使每个液压支柱与纵向顶梁或横向顶梁卡合；
步骤4.解除立柱和底座之间的连接，继续平稳顶升液压支柱，直至顶柱槽的下沿高于初支拱架的外轮廓线；
步骤5.安装底柱，先固定连接立柱的下连接板和底柱的上连接板，再在底柱和底座之间插入垫板；
步骤6.在盾板下方架设初支拱架，并连接固定隧道内原有支护结构和盾板下方的初支拱架，形成初支棚架；
步骤7.撤出液压支柱，在盾板上安装排气管和填充材料泵送管，并在初支拱架下铺设锚网；
步骤8.向初支拱架喷射混凝土，混凝土凝固后向塌腔内泵送填充材料，排气管排出塌腔内空气，直至塌腔充满填充材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述步骤1中盾板上设有顶柱槽，底座上设有底柱槽，顶柱槽与底柱槽上下对应配置，纵向顶梁和横向顶梁安装在顶柱槽内；纵向顶梁和横向顶梁上均设置有与液压支柱顶盖相配合的齿槽。
3.根据权利要求2所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述盾板上设置有1组或多组穿过孔，每组穿过孔包括1个填充材料泵送管穿过孔和1个排气管穿过孔；底板上设置有螺栓与立柱的下连接板上的螺孔配合。
4.根据权利要求1所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述步骤2中利用挖掘机平整塌腔下方的塌方体，利用挖掘机将亭式支架结构移动至平台上；或者将亭式支架结构固定在机动车上，机动车驶入塌腔下方的平台上，并且机动车驾驶室位处塌腔之外的安全区域。
5.根据权利要求1所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述步骤3中液压支柱选用单体液压支柱或液压千斤顶，所述液压支柱的底部通过插销或插板固定在底座的底柱槽内，液压支柱的顶部与纵向顶梁或横向顶梁上的齿槽对接卡合。
6.根据权利要求1所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述步骤4中解除立柱和底座之间的连接后，盾板和立柱的上连接板保持连接并随液压支柱上升。
7.根据权利要求1所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述步骤5中插入垫板后，当液压支柱受载荷回缩，则由立柱、底柱、垫板和液压支柱共同承受盾板传递的载荷。
8.根据权利要求5所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述步骤6中，当液压支柱占据初支拱架的安装位置时，先在该单体液压支柱相邻的位置架设替代用液压支柱，再卸载占据初支拱架安装位置的液压支柱。
9.根据权利要求8所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，当立柱占据初支拱架的安装位置时，将立柱与相邻的初支拱架焊接在一起，并割除立柱侵入初支拱架内的部分，再在割除立柱的位置架设初支拱架，将割除立柱的切割点和初支拱架焊接在一起；所述初支棚架形成后盾板的荷载由亭式支架转移至初支棚架。
10.根据权利要求1所述的一种利用亭式支架处理隧道塌方的方法，其特征在于，所述盾板的侧翼设有侧挡板，侧挡板与盾板铰接，侧挡板通过设置在盾板上或底座上的液压支柱支撑活动。
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