CN111852070A - 用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构及支护加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构及支护加固方法，支护加固结构包括钢柱，顶端安装有橡胶短柱，橡胶短柱支撑古洞窟的洞顶；钢梁，钢梁上安装有橡胶短柱，橡胶短柱支撑古洞窟的洞顶；柱式橡胶外壁安装有用于监测古洞窟的洞顶位移的位移监测模块；套筒外壁安装有用于监测套筒位移的位移监测模块。本发明提供的用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构及支护加固方法，用于对旅游景区古洞窟进行支护加固，针对文物保护的特殊性，在确保加固安全性和稳定性的前提下不对古洞窟现有结构尤其是文物古迹造成破坏。

Description

用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构及支护加固方法

技术领域

本发明涉及支护加固技术领域，具体涉及一种用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构及支护加固方法。

背景技术

在洞室的支护加固中，框架支护结构是一种常见的支护方式。这种支护形式由框架梁、立柱构成。可以将洞顶依据破坏程度的不同划分成框格，框格的大小取决于破坏程度，破坏程度越严重，框格越小。由于框架支护结构具有良好的整体稳定性，能够保证洞窟的洞顶整体稳定，所以目前已经广泛应用于隧道、矿山、水电洞室等工程中。但是，很多洞窟中的洞顶是不规则的，因此，在这种条件下，梁无法直接接触待支护洞顶，需要重点考虑支护结构与洞顶之间的协调工作，否则支护结构将无法正常发挥作用，甚至还可能会对洞顶造成破坏。

古人采石后形成的古洞室或者天然形成的洞室，在支护过程中，经常遇到洞顶为曲面、折面等不规则顶面。当采用框架支护方案时，支护横梁与不规则洞顶不容易直接接触。传统的解决方法是采用斜梁或折线梁与洞顶尽可能多的接触，以便支撑横梁能最大限度的发挥作用。这种布置方法能够在支护结束后立刻起支撑作用，但这种布置方法耗费材料多，占用空间大，受支护场地影响大，且施工不便，其应用效果并不理想。

此外，古洞室内部墙壁、洞顶通常形成有大量的古人采石遗留下的凿痕、壁画，如图10所示，相当珍贵，有些甚至是国宝级文物，鉴于这种特殊性，在进行支护加固时不能对结构进行处理，目的是保持文物的原貌，但现有的框架梁柱结构以及锚固结构一方面属于刚性加固结构，无法适应洞顶的变形，另一方面对岩体本身扰动较大，容易对原有文物造成破坏，无法满足对于洞顶支护加固的同时对文物保护的要求。

同时，现有的加固结构框架柱大多采用钢筋混凝土柱，其截面尺寸较大，过多占用洞内空间，对游人参观游览视野影响较大。

因此，需要针对古洞室的特殊加固要求，设计一种合适的支护加固结构，满足加固强度和稳定性的要求，同时又不对文物造成破坏，最大限度的维持文物原貌。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构及支护加固方法，用于对旅游景区古洞室进行支护加固，在确保加固安全性和稳定性的前提下不对古洞室现有结构尤其是文物古迹造成破坏。

为达成以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明首先提供一种用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构，包括：

钢柱，其底端安装固定在古洞窟地面基础上，顶端安装有橡胶短柱，橡胶短柱支撑古洞窟的洞顶；

钢梁，连接相邻的钢柱，钢梁两端与钢柱连接固定组成梁柱框架，钢梁上安装有橡胶短柱，橡胶短柱支撑古洞窟的洞顶；并且，

所述橡胶短柱包括位于下部的调节螺杆和位于上部的柱式橡胶，调节螺杆能够调节整个橡胶短柱的支撑高度，柱式橡胶顶端支撑古洞窟的洞顶，柱式橡胶顶面与对应位置的古洞窟的洞顶表面形状吻合；

所述柱式橡胶外壁安装有用于监测古洞窟的洞顶位移的位移监测模块；

所述套筒外壁安装有用于监测套筒位移的位移监测模块。

作为一种具体改进，所述钢柱为箱型截面钢柱；优选地，钢柱底端通过预埋锚栓可拆卸安装固定在古洞窟地面基础上；优选地，钢柱的顶端设置有一块托板，托板的尺寸大于钢柱的截面尺寸，橡胶短柱设置在托板上；优选地，所述托板与钢柱的四周侧壁之间焊接有加劲肋。

作为一种具体改进，所述钢梁为H型截面钢梁；优选地，钢梁两端的腹板和上、下翼缘与箱型截面钢柱的侧壁焊接固定组成梁柱框架；优选地，钢梁在橡胶短柱的正下方设置有加劲肋，加劲肋设置在上、下翼缘之间并与上、下翼缘和腹板焊接固定。

作为一种具体改进，所述调节螺杆包括相对设置且隔开有一定间隙的上螺杆和下螺杆，上螺杆与下螺杆的外螺纹的螺纹方向相反，并且上螺杆和下螺杆外套有套筒，套筒上段内壁设置有与上螺杆的外螺纹匹配的第一内螺纹，套筒下段内壁设置有与下螺杆的外螺纹匹配的第二内螺纹，通过旋转套筒能够调节上螺杆与下螺杆之间间隙的大小。

作为一种具体改进，所述套筒外壁设置有第一套筒旋转杆和第二套筒旋转杆，第一套筒旋转杆长度方向的轴线与第二套筒旋转杆长度方向的轴线位于同一直线上，用于实现对套筒的旋转操作。

作为一种具体改进，所述调节螺杆还包括外壳，上螺杆、下螺杆以及套筒位于外壳内，并且第一套筒旋转杆和第二套筒旋转杆从外壳内穿出。

作为一种具体改进，所述位移监测模块采用表贴应变计，在柱式橡胶外壁上沿周向安装4个，呈90°间隔布置，且每个应变计距柱式橡胶的顶端距离相等，在套筒外壁上安装1个。

作为一种具体改进，所述位移监测模块包括微控制器和与所述微控制器连接的LVDT位移传感器，所述微控制器上连接有与手机或监控主机无线通信的无线通信模块，所述无线通信模块为GSM模块或无线WIFI模块；优选地，所述微控制器上还连接有用于指示所述LVDT位移传感器采集数据变化的指示灯。

本发明还提供一种用于古洞窟不规则洞顶的支护加固方法，包括如下步骤：

S10：在古洞窟内需要加固的洞顶下方的基础上安装钢柱，在相邻钢柱之间焊接钢梁，形成钢结构梁柱框架；

S20：在钢柱顶部焊接托板，在托板上焊接调节螺杆，调节螺杆外套有套筒；

S30：在调节螺杆上端焊接顶钢板，在顶钢板上安装柱式橡胶，并使得柱式橡胶顶面恰好贴合洞顶表面；

S40：在钢梁上按照设计位置安装底钢板，在底钢板上焊接调节螺杆，调节螺杆外套有套筒；

S50：在调节螺杆上端焊接顶钢板，在顶钢板上安装柱式橡胶，并使得柱式橡胶顶面恰好贴合洞顶表面；

S60：分别在套筒的外壁和柱式橡胶的外壁安装应变计；

S70：通过柱式橡胶外壁的应变计实时获取柱式橡胶的变形值，并执行：

若该变形值为零，则判断柱式橡胶顶面是否接触洞顶表面，若接触，则不对调节螺杆进行调整；若未接触，则旋转套筒，将调节螺杆上升，并且调节螺杆上升过程中实时观测柱式橡胶外壁的应变计，直至该应变计开始产生变形值，停止对套筒的旋转，使得柱式橡胶的顶面恰好贴合洞顶表面；

若该变形值增大，则旋转套筒将调节螺杆下降，并且调节螺杆下降过程中通过套筒外壁的应变计实时获取调节螺杆的下降值，使得柱式橡胶的顶面再次恰好贴合洞顶表面。

作为一种具体改进，步骤S70中，若该变形值增大，围岩应力值达到围岩抗剪强度的1/3时，则旋转套筒将调节螺杆下降。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构及支护加固方法，用于对旅游景区古洞窟进行支护加固，针对文物保护的特殊性，在确保加固安全性和稳定性的前提下不对古洞窟现有结构尤其是文物古迹造成破坏。具体而言，至少具有如下实际效果：

(1)梁柱结构布置灵活，受力均匀，便于施工，采用橡胶短柱与洞顶接触的全局协调支护结构，便于施工，相比折线梁节省大量材料，便于与周围环境相协调、美观；

(2)通过在钢柱顶面设置橡胶短柱，对洞顶支护的同时起缓冲保护作用，避免钢柱对洞顶凿痕、壁画等文物的破坏，且柱式橡胶具有一定的弹性，能够在一定范围内适应洞顶变形的要求，且橡胶价格低廉，易于获取，易于安装；

(3)调节螺杆能够调节橡胶短柱的支撑高度，适应洞顶的变形，对于洞顶的不均匀沉降而言，本支护结构可随橡胶短柱的调节得以满足；

(4)柱式橡胶侧壁使用位移监测模块，掌握柱式橡胶顶部区域洞顶的变形情况的同时，也为调节调节螺杆的支撑高度提供数据支持；

(5)套筒侧壁使用位移监测模块，结合柱式橡胶侧壁的位移监测模块，在旋转套筒以调节橡胶短柱支撑高度时便于实时掌握调节值，从而根据柱式橡胶与洞顶之间的差值或洞顶的沉降值进行等量的调节，使得支护结构能够恰好完全贴合洞顶表面，能够对洞顶产生恒定支撑作用，避免支护结构与洞顶脱节，保证洞顶荷载能一直有效的传递到梁柱上，或者支护结构对洞顶的过度支撑而造成洞顶局部冲切破坏；

(6)相对于混凝土结构，箱型截面钢柱和H型截面钢梁截面小，能够尽可能地减少占用洞内空间，降低对游人参观游览视野的影响，且易拆除；

(7)钢柱采用可拆卸锚栓安装在基础上，钢柱顶、橡胶短柱顶与洞顶非固定式接触，当洞顶自身状态稳定时，可以再把支护加固结构拆除，结构可逆，既实现了支护加固结构的重复利用，又可以恢复地下结构原有面貌。

当然，本发明具有如上诸多优点，但并不意味着实施本发明的任一方法或产品需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为本发明一种实施方式支护加固结构的整体示意图；

图2为图1的区域放大示意图；

图3为本发明一种实施方式橡胶短柱的结构示意图；

图4为本发明柱式橡胶的位移监测模块布置示意图；

图5为本发明橡胶短柱的位移监测模块布置示意图；

图6为本发明钢柱的位移监测模块布置示意图；

图7为本发明钢梁的位移监测模块布置示意图；

图8为本发明一种实施方式位移监测模块结构示意图；

图9为本发明支护加固结构的现场结构图；

图10为某地旅游景区古洞窟内文物实拍图。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1-图3，本发明提供一种古洞窟不规则洞顶的支护加固结构，具体由如下结构构成：

钢柱1，采用箱型截面结构，其底端安装固定在古洞窟地面基础上，顶端安装有橡胶短柱3，橡胶短柱支撑洞顶4；

钢梁2，采用H型截面结构，连接相邻的钢柱1，钢梁两端的腹板和上、下翼缘与箱型截面钢柱的侧壁焊接固定组成梁柱框架，钢梁上翼缘的顶面安装有橡胶短柱3，橡胶短柱支撑洞顶；并且，

橡胶短柱3包括位于下部的调节螺杆和位于上部的柱式橡胶309，调节螺杆能够调节整个橡胶短柱的支撑高度，柱式橡胶顶端支撑洞顶，柱式橡胶顶面与对应位置的洞顶表面形状吻合；

柱式橡胶309外壁安装有用于监测洞顶位移的位移监测模块；

套筒外壁安装有用于监测套筒位移的位移监测模块。

采用本发明的支护加固结构，钢结构梁柱结构施工快，通过在钢柱顶面设置橡胶短柱，以直接接触洞顶，橡胶质地软，对洞顶支护的同时起缓冲保护作用，避免钢柱对洞顶古凿痕、壁画等文物的破坏，且柱式橡胶具有一定的弹性，能够在一定范围内适应洞顶变形的要求，且橡胶价格低廉，易于获取，易于安装。

采用箱型截面钢柱和H型截面钢梁，具有较大的截面惯性矩，承载力高，能够尽可能地减少占用洞内空间，降低对游人参观游览视野的影响。借助钢结构的可逆性以及钢柱可拆卸安装，如果若干年后洞顶稳定了、裂缝闭合了，围岩应力状态改善了，可以将该支护加固结构拆除。

梁柱结构布置灵活，受力均匀，便于施工，采用橡胶短柱与洞顶接触的全局协调支护结构，便于施工，相比折线梁节省大量材料，便于与周围环境相协调、美观。

参见图6，钢柱1底端通过M30预埋锚栓可拆卸安装固定在古洞窟地面基础上，同时由于钢柱顶、橡胶短柱顶与洞顶非固定式接触，当洞顶自身状态稳定时，可以再把支护加固结构拆除，结构可逆，既实现了支护加固结构的重复利用，又可以恢复地下结构原有面貌。

参见图2，作为本发明一种实施方式，箱型截面钢柱1的顶端设置有一块托板101，托板与钢柱顶端焊接固定，托板的尺寸大于钢柱的截面尺寸，通过设置托板为橡胶短柱提供承载面，橡胶短柱3设置在托板上，同时较大的托板面积能够设置更大的橡胶短柱，更好地适应和支撑钢柱顶端所对应区域的洞顶。

继续参见图2，托板101与钢柱1的四周侧壁之间焊接有加劲肋102，加劲肋能够进一步提高钢柱端部的支撑强度，即使在托板尺寸较大时也能够对钢柱顶部区域的洞顶提供稳定的支撑。

其中，H型截面钢梁2在位于橡胶短柱3的正下方设置有加劲肋201，加劲肋设置在上、下翼缘之间并与上、下翼缘和腹板焊接固定。由于橡胶短柱直接支撑洞顶，承受了较大的顶部压力，通过对橡胶短柱正下方的钢梁增设加劲肋，提高梁的局部强度以确保钢梁的支撑强度和抗弯刚度。

参见图3，作为本发明一种实施方式，调节螺杆包括相对设置且隔开有一定间隙的上螺杆301和下螺杆302，上螺杆301与下螺杆302的外螺纹的螺纹方向相反，并且上螺杆和下螺杆外套有套筒303，套筒303上段内壁设置有与上螺杆301的外螺纹匹配的第一内螺纹，套筒303下段内壁设置有与下螺杆的外螺纹匹配的第二内螺纹，通过旋转套筒能够调节上螺杆与下螺杆之间间隙的大小，从而使得橡胶短柱3的高度能够适应洞顶的变形。采用螺杆作为支撑结构，既方便调节高度，又能够满足支撑强度的要求。

继续参见图3，套筒303外壁设置有第一套筒旋转杆304和第二套筒旋转杆305，第一套筒旋转杆304长度方向的轴线与第二套筒旋转杆305长度方向的轴线位于同一直线上，通过在套筒的两侧设置旋转杆，增大对套筒303的转动力矩，便于对套筒303进行旋转操作，在需要调节支撑高度时能够轻松便捷地实现对套筒的旋转操作。

继续参见图3，调节螺杆还包括外壳306，上螺杆301、下螺杆302以及套筒303位于外壳306内，并且第一套筒旋转杆304和第二套筒旋转杆305从外壳内穿出。外壳能够对螺杆、套筒等内部结构形成保护，防止这些结构长期工作于洞室环境中而腐蚀损坏，同时也能够将这些结构收纳于壳体内，避免外漏而妨碍美观，影响景区游客参观。

其中，上螺杆301与柱式橡胶309之间设置有顶钢板308，下螺杆302与钢梁2之间设置有底钢板307，上下螺杆与对应的钢板采用角焊缝311焊接连接固定，外壳306连接固定于顶钢板308和底钢板307上，上下钢板既作为支撑面又作为壳体，使得调节螺杆形成一个全包、密封的结构。

再参见图3、图4，作为本发明一种实施方式，柱式橡胶309外壁设置有用于监测洞顶位移的位移监测模块。位移监测模块采用表贴应变计310，在柱式橡胶309外壁上沿周向安装4个，呈90°间隔布置，且每个应变计距柱式橡胶309的顶端距离L相等。通过在柱式橡胶侧壁周向均匀布置应变计，且各个应变计距柱式橡胶309的顶端距离L相等，以监测柱式橡胶顶部区域洞顶4各个方位的变形情况，同时可进一步加权平均获知洞顶4的变形值，从而为调节调节螺杆的支撑高度提供数据支持。

再参见图5，作为本发明一种实施方式，套筒303外壁设置有用于监测套筒位移的位移监测模块。位移监测模块采用表贴应变计310，在套筒303外壁上任意位置安装1个。通过在套筒侧壁布置应变计，当柱式橡胶309外壁的应变计监测到有沉降变形时，旋转套筒并借助套筒侧壁的应变计以对洞顶4的沉降变形进行等量的释放。

再参见图6-图7，本发明在箱型截面钢柱1四周侧壁的连接节点处，以及H型截面钢梁2腹板内外两侧的连接节点处，也设置有位移监测模块，钢柱1沿截面内安装4个应变计310，均布设于钢柱侧壁的同一水平面处，钢梁2沿梁延伸方向安装2个应变计310，腹板左右侧对称布设于同一水平面。以上应变计布设于钢柱焊接连接的节点处和钢梁焊接连接的节点处，以监测梁柱的变形，实时掌握梁柱的安全情况。

参见图8，作为一种实施方式，位移监测模块包括微控制器和与微控制器连接的LVDT位移传感器，微控制器上连接有与手机或监控主机无线通信的无线通信模块，无线通信模块为GSM模块或无线WIFI模块。

其中，微控制器上还连接有用于指示LVDT位移传感器采集数据变化的指示灯。

通过在橡胶短柱上设置位移监测模块，监测橡胶短柱所支撑洞顶的变形，在钢柱以及钢梁上设置位移监测模块，分别监测钢柱以及钢梁自身的挠度变形，全方位监测洞顶各个部位的变形情况，并实时地将监测情况发送至监控主机或管理者手机上，使得管理部门能够及时且全面地掌握洞顶的变形情况，利用无线通信模块数据传输，避免数据线的布设，避免上下螺杆在旋转时导致数据线缠绕。通过连接指示灯，可现场提示LVDT位移传感器采集数据是否变化，进而获知洞顶是否发生了位移变化，从而实现对上下螺杆的调节。

参见图1-图3，本发明还提供一种古洞窟不规则洞顶的支护加固方法，用于对旅游景区古洞窟进行支护加固，在确保加固安全性和稳定性的前提下不对古洞窟现有结构尤其是文物古迹造成破坏。具体包括如下步骤：

在古洞窟内需要加固的洞顶4下方的基础上安装箱型截面钢柱1，在相邻钢柱1之间焊接H型截面钢梁2，形成钢结构梁柱框架；

在钢柱1顶部焊接托板101，在托板101上焊接调节螺杆，调节螺杆外套有套筒303；

在调节螺杆上端焊接顶钢板308，在顶钢板308上安装柱式橡胶309，并使得柱式橡胶309的顶面完全贴合洞顶4底面；

在钢梁2上按照设计位置安装底钢板307，在底钢板307上焊接调节螺杆，调节螺杆外套有套筒303；

在调节螺杆上端焊接顶钢板308，在顶钢板308上安装柱式橡胶309，并使得柱式橡胶309的顶面完全贴合洞顶4底面；

分别在套筒303的外壁和柱式橡胶309的外壁安装应变计310；

通过柱式橡胶外壁的应变计实时获取柱式橡胶的变形值，并执行：

若该变形值为零，则判断柱式橡胶顶面是否接触洞顶，若接触，则不对调节螺杆进行调整；若未接触，则旋转套筒，将调节螺杆上升，并且调节螺杆上升过程中通过套筒外壁的应变计实时获取调节螺杆的上升值，使得柱式橡胶的顶面恰好贴合洞顶表面；

若该变形值增大，则旋转套筒将调节螺杆下降，并且调节螺杆下降过程中通过套筒外壁的应变计实时获取调节螺杆的下降值，使得柱式橡胶的顶面再次恰好贴合洞顶表面。

采用本发明的支护加固方法，钢结构梁柱结构施工快，布置灵活，橡胶短柱对洞顶支护的同时起缓冲保护作用，避免钢柱对洞顶凿痕、壁画等文物的破坏。

本发明实时监测柱式橡胶的变形值，若该变形值为零，则判断柱式橡胶顶面是否接触洞顶，若接触，则说明洞顶未发生下沉变形，不需要对调节螺杆进行调整；若未接触，则说明柱式橡胶的顶面与洞顶脱节，未与洞顶完全贴合，可能是安装时未安装好，此时橡胶短柱不产生支护作用，则需要旋转套筒将调节螺杆上升，使得柱式橡胶的顶面再次恰好完全贴合洞顶表面，即柱式橡胶的顶面恰好接触洞顶表面，但又不产生支撑力，即柱式橡胶处于一个贴合洞顶表面但又不受力的自由状态。

并且，在调节螺杆上升过程中实时观测柱式橡胶外壁的应变计，直至该应变计开始产生变形值，即柱式橡胶开始接触洞顶，停止对套筒的旋转，使得柱式橡胶的顶面恰好贴合洞顶表面。

若该变形值增大，说明洞顶发生下沉变形，如果变形值积累到一定量，本发明中根据试验可知，当通过所测得的变形值计算得到的围岩应力值达到围岩抗剪强度的1/3，则可能会在支点区域发生局部冲切破坏，使得洞顶发生破坏，因此需要旋转套筒将调节螺杆下降，释放变形值，缓解由于下沉变形带来的应力累积，使得柱式橡胶的顶面再次恰好完全贴合洞顶表面。

在此基础上，本发明进一步在套筒侧壁使用位移监测模块，在旋转套筒以调节橡胶短柱支撑高度时便于实时掌握调节值，从而根据柱式橡胶与洞顶之间的差值或洞顶的沉降值进行等量的调节，使得支护结构能够恰好完全贴合洞顶表面。

本技术方案的工作原理和过程如下：

参考图9，本发明使用时，首先在古洞窟内安装钢柱1和钢梁2，然后将橡胶短柱3固定安装在钢梁2上，橡胶短柱3上具有柱式橡胶309，在柱式橡胶309上固定安装位移监测模块，当位移监测模块采集的数据为零时，可能是洞顶未产生下沉变形，也可能是柱式橡胶顶面未接触洞顶，对于此种情况，则需要旋转套筒，将调节螺杆上升，即利用第一套筒旋转杆304和第二套筒旋转杆305对套筒303进行旋转，套筒303相对于上螺杆301下移，相对于下螺杆302上移，使得上螺杆301与下螺杆302之间的间隙变大，柱式橡胶309上移，直至橡胶短柱3上的位移监测模块开始产生变形值，使柱式橡胶309继续对洞顶4进行支撑，支护再次发挥作用，使得支护结构能够对洞顶产生恒定支撑作用，避免支护结构与洞顶脱节，保证洞顶荷载能一直有效的传递到梁柱上；当位移监测模块采集的数据变大时，说明柱式橡胶309被压缩，洞顶4发生下沉变形，利用第一套筒旋转杆304和第二套筒旋转杆305对套筒303进行反向旋转，套筒303相对于上螺杆301上移，相对于下螺杆302下移，使得上螺杆301与下螺杆302之间的间隙变小，柱式橡胶309下降，以顺应洞顶4的变形，对洞顶4的变形进行适量的释放，并继续对洞顶4进行支撑，避免洞顶发生过度下沉变形而在支撑点局部造成冲击破坏，发生对文物的损坏现象。同时橡胶能够在支护的同时起缓冲保护作用，避免洞顶遭受破坏，最大程度实现对古洞窟的支护和保护作用。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种用于古洞窟不规则洞顶的支护加固结构，其特征在于包括：

钢柱，其底端安装固定在古洞窟地面基础上，顶端安装有橡胶短柱，橡胶短柱支撑古洞窟的洞顶；

钢梁，连接相邻的钢柱，钢梁两端与钢柱连接固定组成梁柱框架，钢梁上安装有橡胶短柱，橡胶短柱支撑古洞窟的洞顶；并且，

所述橡胶短柱包括位于下部的调节螺杆和位于上部的柱式橡胶，调节螺杆能够调节整个橡胶短柱的支撑高度，柱式橡胶顶端支撑古洞窟的洞顶，柱式橡胶顶面与对应位置的古洞窟的洞顶表面形状吻合；

所述柱式橡胶外壁安装有用于监测古洞窟的洞顶位移的位移监测模块；

所述套筒外壁安装有用于监测套筒位移的位移监测模块。

2.根据权利要求1所述的支护加固结构，其特征在于，所述钢柱为箱型截面钢柱；优选地，钢柱底端通过预埋锚栓可拆卸安装固定在古洞窟地面基础上；优选地，钢柱的顶端设置有一块托板，托板的尺寸大于钢柱的截面尺寸，橡胶短柱设置在托板上；优选地，所述托板与钢柱的四周侧壁之间焊接有加劲肋。

3.根据权利要求2所述的支护加固结构，其特征在于，所述钢梁为H型截面钢梁；优选地，钢梁两端的腹板和上、下翼缘与箱型截面钢柱的侧壁焊接固定组成梁柱框架；优选地，钢梁在橡胶短柱的正下方设置有加劲肋，加劲肋设置在上、下翼缘之间并与上、下翼缘和腹板焊接固定。

4.根据权利要求1所述的支护加固结构，其特征在于，所述调节螺杆包括相对设置且隔开有一定间隙的上螺杆和下螺杆，上螺杆与下螺杆的外螺纹的螺纹方向相反，并且上螺杆和下螺杆外套有套筒，套筒上段内壁设置有与上螺杆的外螺纹匹配的第一内螺纹，套筒下段内壁设置有与下螺杆的外螺纹匹配的第二内螺纹，通过旋转套筒能够调节上螺杆与下螺杆之间间隙的大小。

5.根据权利要求4所述的支护加固结构，其特征在于，所述套筒外壁设置有第一套筒旋转杆和第二套筒旋转杆，第一套筒旋转杆长度方向的轴线与第二套筒旋转杆长度方向的轴线位于同一直线上，用于实现对套筒的旋转操作。

6.根据权利要求5所述的支护加固结构，其特征在于，所述调节螺杆还包括外壳，上螺杆、下螺杆以及套筒位于外壳内，并且第一套筒旋转杆和第二套筒旋转杆从外壳内穿出。

7.根据权利要求1所述的支护加固结构，其特征在于，所述位移监测模块采用表贴应变计，在柱式橡胶外壁上沿周向安装4个，呈90°间隔布置，且每个应变计距柱式橡胶的顶端距离相等，在套筒外壁上安装1个。

8.根据权利要求7所述的支护加固结构，其特征在于，所述位移监测模块包括微控制器和与所述微控制器连接的LVDT位移传感器，所述微控制器上连接有与手机或监控主机无线通信的无线通信模块，所述无线通信模块为GSM模块或无线WIFI模块；优选地，所述微控制器上还连接有用于指示所述LVDT位移传感器采集数据变化的指示灯。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述支护加固结构的支护加固方法，其特征在于包括如下步骤：

S10：在古洞窟内需要加固的洞顶下方的基础上安装钢柱，在相邻钢柱之间焊接钢梁，形成钢结构梁柱框架；

S20：在钢柱顶部焊接托板，在托板上焊接调节螺杆，调节螺杆外套有套筒；

S30：在调节螺杆上端焊接顶钢板，在顶钢板上安装柱式橡胶，并使得柱式橡胶顶面恰好贴合洞顶表面；

S40：在钢梁上按照设计位置安装底钢板，在底钢板上焊接调节螺杆，调节螺杆外套有套筒；

S50：在调节螺杆上端焊接顶钢板，在顶钢板上安装柱式橡胶，并使得柱式橡胶顶面恰好贴合洞顶表面；

S60：分别在套筒的外壁和柱式橡胶的外壁安装应变计；

S70：通过柱式橡胶外壁的应变计实时获取柱式橡胶的变形值，并执行：

若该变形值为零，则判断柱式橡胶顶面是否接触洞顶表面，若接触，则不对调节螺杆进行调整；若未接触，则旋转套筒，将调节螺杆上升，并且调节螺杆上升过程中实时观测柱式橡胶外壁的应变计，直至该应变计开始产生变形值，停止对套筒的旋转，使得柱式橡胶的顶面恰好贴合洞顶表面；

若该变形值增大，则旋转套筒将调节螺杆下降，并且调节螺杆下降过程中通过套筒外壁的应变计实时获取调节螺杆的下降值，使得柱式橡胶的顶面再次恰好贴合洞顶表面。

10.根据权利要求9所述的古洞窟不规则洞顶的支护加固方法，其特征在于，步骤S70中，若该变形值增大，围岩应力值达到围岩抗剪强度的1/3时，则旋转套筒将调节螺杆下降。

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