CN113090310A - 一种隧道多向支护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道多向支护系统，包括若干环形支架、若干轴向支架，若干环向支架通过环向变形结构连接形成环向支护，若干轴向支架通过轴向‑横向变形结构连接形成轴向支护，若干环向支护平行等距排列，环向支护之间通过轴向支护连接，环向支护与轴向支护交接处设有径向支护，径向支护包括若干径向锚杆、径向变形结构，若干径向锚杆通过径向变形结构连接形成径向支护，径向支护安装在环向支护圆弧外侧。径向变形结构包括第一径向锚杆尾端、第二径向锚杆首端、内部弹簧、外部弹簧，第一径向锚杆尾端与第二径向锚杆首端通过内部弹簧、外部弹簧连接。本系统可以在轴向、径向、环向同步对隧道围岩变形引起的问题进行解决，更加全面，更具安全性。

Description

一种隧道多向支护系统

技术领域

本发明属于隧道支护技术领域，具体地说，涉及一种隧道多向支护系统。

背景技术

近几十年来，我国已经建成了大量的地下隧道，并且规划即将建设更多的地下隧道。然而，在修建隧道过程中，由于不良地质构造、开挖扰动等影响，在隧道的建设以及运营期发生了诸多隧道围岩坍塌事故，针对隧道围岩稳定性维护问题，许多工程及研究人员实施了多种支护措施。然而，由于隧道围岩的隐蔽性、所处地质构造和应力环境的复杂性，在目前现有的隧道支护技术实施后，仍然时不时的发生隧道围岩坍塌事故。通过阅读大量的文献、最新研究进展以及现场调研，总结出目前隧道支护技术亟待解决的问题：1)极少考虑轴向-径向同步变形支护；2)极少考虑沿隧道轴向挤压变形支护；3) 极少考虑沿隧道横向错位变形支护。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种隧道多向支护系统，为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种隧道多向支护系统，包括若干环形支架、若干轴向支架，所述若干环向支架通过环向变形结构连接形成环向支护，所述若干轴向支架通过轴向-横向变形结构连接形成轴向支护，所述若干环向支护平行等距排列，环向支护之间通过轴向支护连接，所述环向支护与轴向支护交接处设有径向支护，所述径向支护包括若干径向锚杆、径向变形结构，所述若干径向锚杆通过径向变形结构连接形成径向支护，径向支护安装在环向支护圆弧外侧，所述径向变形结构包括第一径向锚杆尾端、第二径向锚杆首端、内部弹簧、外部弹簧，所述第二径向锚杆首端设有横向外凸的弹簧轴，所述外部弹簧套设在外部弹簧轴上，外部弹簧一端与第二径向锚杆首端连接，另一端与第一径向锚杆尾端连接，所述第一径向锚杆尾端设有横向凹槽，所述内部弹簧设置在凹槽内，内部弹簧一端与凹槽底部连接，另一端与弹簧轴连接，所述轴向-横向变形结构包括第一轴向支架尾端、第二轴向支架首端、内部弹簧、外部弹簧，所述第二轴向支架首端设有横向外凸的弹簧轴，所述外部弹簧套设在外部弹簧轴上，外部弹簧一端与第二轴向支架首端连接，另一端与第一轴向支架尾端连接，所述第一轴向支架尾端设有横向凹槽，所述内部弹簧设置在凹槽内，内部弹簧一端与凹槽底部连接，另一端与弹簧轴连接。

进一步地，所述环向变形结构包括第一环形支架的尾端、第二环形支架的首端，内部弹簧、外部弹簧，所述第二环形支架首端设有横向外凸的弹簧轴，所述外部弹簧套设在外部弹簧轴上，外部弹簧一端与第二环形支架首端连接，另一端与第一环形支架尾端连接，所述第一环形支架尾端设有横向凹槽，所述内部弹簧设置在凹槽内，内部弹簧一端与凹槽底部连接，另一端与弹簧轴连接。

进一步地，所述弹簧轴端部设有弹簧压盘，弹簧轴通过弹簧压盘与内部弹簧连接，弹簧压盘直径等于或略小于凹槽内径。

进一步地，所述轴向-横向变形结构还包括柔性变向段，所述柔性变向段一端与弹簧轴连接，另一端与弹簧压盘连接。

进一步地，所述凹槽口内侧各设有一个卡头，两个卡头之间的距离等于或略小于弹簧轴外径。

进一步地，所述轴向-横向变形结构的卡头与弹簧轴的接触面为曲面。

进一步地，所述第二径向锚杆首端与弹簧轴的连接面上设有弹簧槽，第一径向锚杆凹槽口端的平面上设有弹簧槽，所述外部弹簧的两端与弹簧槽卡接。

进一步地，所述轴向支架与弹簧轴的连接面上设有弹簧槽，第一轴向支架凹槽口端的平面上设有弹簧槽，所述外部弹簧的两端与弹簧槽卡接。

进一步地，所述环向支架与弹簧轴的连接面上设有弹簧槽，第一环向支架凹槽口端的平面上设有弹簧槽，所述外部弹簧的两端与弹簧槽卡接。

进一步地，所述环向变形结构、径向变形结构、轴向-横向变形结构均设有外部加强环，所述外部加强环均为环形球面筒状结构，在环形球面上均设有两个贯穿的圆形连接孔，两个连接孔依照加强环的圆心中心对称。

进一步地，环形变形结构的加强环的两个连接孔的内径大小等于环形支架的外径，两个环形支架通过分别插入两个连接孔与加强环连接；径向变形结构的加强环的两个连接孔的内径大小等于径向锚杆的外径，两个径向锚杆通过分别插入两个连接孔与加强环连接；轴向- 横向变形结构的加强环的两个连接孔的内径大小等于轴向支架的外径，两个轴向支架通过分别插入两个连接孔与加强环连接。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明在环形支架之间加入了环向变形结构、径向锚杆之间加入了径向变形结构、轴向支架之间加入了轴向-横向变形结构，环向、径向、轴向-横向变形结构具有伸缩性，能够同时应对隧道围岩沿环向、径向、轴向、横向变形引起的隧道围岩支护问题，较好的解决了硬岩隧道在高地应力环境下围岩突然变形释放的弹性引起的支护系统失效的问题。轴向-横向变形结构中加入了柔性变向段，考虑并解决了支护系统受到横向剪切力时会造成的问题。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明支护系统总体结构示意图；

图2是本发明支护系统结构侧视示意图；

图3是本发明支护系统结构正视示意图；

图4是本发明支护系统结构垂直剖面示意图；

图5是本发明径向变形结构示意图；

图6是本发明环向变形结构示意图；

图7是本发明轴向-横向变形结构示意图；

图8是本发明轴向-横向变形结构发生横向剪切变形示意图。

图中：1、环形支架；2、环向变形结构；3、径向锚杆；4、径向变形结构；5、轴向支架；6、轴向-横向变形结构；7、连接结构；21、第一环形支架尾端；22、凹槽；23、内部弹簧； 24、加强环；25、卡头；26、弹簧槽；27、外部弹簧；28、第二环形支架首端；29、弹簧轴；210、弹簧压盘；41、第一径向锚杆尾端；48、第二径向锚杆首端；61、第一轴向支架尾端； 68、第二轴向支架首端；611、柔性变向段。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1至图8所示，本发明所述的一种隧道多向支护系统，包括若干环形支架、若干轴向支架、若干径向锚杆，若干环形支架通过环向变形结构连接形成环形支护，若干轴向支架通过轴向-横向变形结构连接形成轴向支护，若干径向锚杆通过径向变形结构连接形成径向支护，若干环形支护平行等距排列，环形支护之间通过轴向支护连接，环形支护与支护交接处安装有径向支护，径向支护通过连接结构安装在环形支护圆弧外侧。在具体实施过程中，轴向支架最先被装设到隧道围岩表面，与围岩紧密接触，然后装设环形支架，再装设径向锚杆，最后装设连接结构，连接结构为球形，能够在较大程度适应隧道围岩与隧道轴向和环形支架发生的错位移动。环形支架、轴向支架、径向锚杆、连接结构均为目前广泛使用的隧道支护材料，不再详细赘述其具体的结构特征。本发明在轴向、径向、环向均设有支护，使得本系统可以在轴向、径向、环向同时解决隧道围岩变形引起的问题，扩大了保护范围，更具安全性。

径向变形结构包括第一径向锚杆的尾端、第二径向锚杆的首端、内部弹簧、外部弹簧、弹簧压盘。第一径向锚杆的尾端设有弹簧槽，第二径向锚杆首端设有横向外凸的弹簧轴，与弹簧轴连接的面上设有弹簧槽，外部弹簧套设在外部弹簧轴上，外部弹簧一端与第二径向锚杆首端的弹簧槽卡接，另一端与第一径向锚杆尾端的弹簧槽卡接。第一径向锚杆尾端设有横向凹槽，内部弹簧设置在凹槽内，内部弹簧一端与凹槽底部连接，另一端通过弹簧压盘与弹簧轴连接，弹簧压盘一面与弹簧连接，另一面与弹簧轴连接，弹簧压盘的直径等于或略小于凹槽内径。凹槽口内侧各设有一个卡头，两个卡头之间的距离等于或略小于弹簧轴的外径，卡头与弹簧轴接触的接触面为平面。设置卡头可以防止在径向变形结构伸缩变形时弹簧压盘脱离凹槽，使径向变形结构更加稳定的工作。外部弹簧的外径大于内部弹簧的外径，两个弹簧使径向支护可以在与径向锚杆同方向上进行伸缩运动，较好的解决了硬岩隧道在高地应力环境下围岩突然变形释放的弹性所造成的径向支护失效的问题。

环向变形结构包括第一环形支架的尾端、第二环形支架的首端、内部弹簧、外部弹簧、弹簧压盘。环形变形结构与径向变形结构相同，第一环形支架尾端的连接关系与第一径向锚杆的尾端的连接关系相同，第二环形支架尾端的连接关系与第二径向锚杆的尾端的连接关系相同，在此不再继续赘述其连接关系。两个弹簧使环向支护可以在环向上进行伸缩运动，较好的解决了硬岩隧道在高地应力环境下围岩突然变形释放的弹性所造成的环向支护失效的问题。

当发生径向或环向压缩变形时，环形支架和径向锚杆受到压缩，环向变形结构和径向变形结构发生压缩变形，环向变形结构中第一环形支架尾端和第二环形支架首端沿着径向锚杆的轴线方向相互挤压，同时径向变形结构中的第一径向锚杆尾端和第二径向锚杆首端沿着径向锚杆的轴线方向相互挤压，导致凹槽内的内部弹簧和弹簧轴外部的外部弹簧受到挤压发生变形，实现了隧道围岩径向和环向压缩变形时同步变形与支护。

当发生径向或环向拉伸变形时，环形支架和径向锚杆受到拉伸，环向变形结构和径向变形结构发生拉伸变形，环向变形结构中的第一环形支架尾端和第二环形支架首端沿着径向锚杆的轴线方向相互拉伸，同时径向变形结构中的第一径向锚杆尾端和第二径向锚杆首端沿着径向锚杆的轴线方向相互拉伸，导致凹槽内的内部弹簧和弹簧轴外部的外部弹簧受到拉伸发生变形，实现了隧道围岩径向和环向拉伸变形时同步变形与支护。

针对轴向和横向变形难以实现同步变形支护的问题，通过在轴向支架增设轴向-横向变形结构实现目的。轴向-横向变形结构包括第一轴向支架的尾端、第二轴向支架的首端、内部弹簧、外部弹簧、弹簧压盘、柔性变向段。第一轴向支架尾端的连接关系与第一径向锚杆尾端的连接关系相同，第二轴向首端的连接关系与第二径向锚杆连接关系相同。轴向-横向变向结构与径向变形结构大体相同，不同的是在弹簧压盘与弹簧轴之间加入了柔性变向段，柔性变向段一端与弹簧压盘连接，另一端与弹簧轴连接；凹槽口处卡头与弹簧轴接触的接触面为曲面，使得第一轴向支架与第二轴向支架发生横向运动时，卡头不会阻碍弹簧轴的相对运动，并且卡头与弹簧轴之间时刻保持点接触。两个弹簧使轴向支护可以在轴向方向上进行伸缩运动，柔性变向段使轴向支护在受到横向剪切力时发生横向运动，较好的解决了硬岩隧道在高地应力环境下围岩突然变形释放的弹性所造成的轴向支护失效的问题。

如图7所示，当发生轴向压缩或拉伸变形时，实现轴向同步变形支护技术与实现径向或环向同步变形支护技术相同，在此不再赘述。在此主要介绍横向变形支护技术的实现，当发生横向剪切变形时，轴向支架受到剪切力，导致轴向-横向变形结构中的第一轴向支架尾端和第二轴向支架首端发生剪切错位变形。当轴向-横向变形结构发生剪切错位变形时，第二轴向支架首端、弹簧轴和柔性变向段发生弯曲变形。

为了保证环向变形结构、径向变形结构、轴向-横向变形结构的安全性能满足隧道支护设计要求，特意在环向变形结构、径向变形结构、轴向-横向变形结构的外部增设了加强环。加强环为环形球面筒状结构，在环形球面上设有两个贯穿的圆形连接孔，两个连接孔依照加强环的圆心中心对称。环形变形结构的加强环的两个连接孔的内径大小等于环形支架的外径，两个环形支架通过分别插入两个连接孔与加强环连接；径向变形结构的加强环的两个连接孔的内径大小等于径向锚杆的外径，两个径向锚杆通过分别插入两个连接孔与加强环连接；轴向-横向变形结构的加强环的两个连接孔的内径大小等于轴向支架的外径，两个轴向支架通过分别插入两个连接孔与加强环连接。

径向变形结构的安装顺序根据图5进行详细描述，首先，将内部弹簧装设到第一径向锚杆尾端的凹槽中，然后将外部弹簧套设在第二径向锚杆的弹簧轴上，并卡紧与第二径向锚杆的弹簧槽内，之后将弹簧压盘装设于第一径向锚杆的凹槽内，同时将外部弹簧的另一端与第一径向锚杆尾端的弹簧槽卡紧，最后将加强环套设在第一径向锚杆尾端与第二径向锚杆首端并固定。环向变形结构、轴向变形结构的安装顺序与径向变形结构相同，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种隧道多向支护系统，其特征在于：包括若干环形支架、若干轴向支架，所述若干环向支架通过环向变形结构连接形成环向支护，所述若干轴向支架通过轴向-横向变形结构连接形成轴向支护，所述若干环向支护平行等距排列，环向支护之间通过轴向支护连接，所述环向支护与轴向支护交接处设有径向支护，所述径向支护包括若干径向锚杆、径向变形结构，所述若干径向锚杆通过径向变形结构连接形成径向支护，径向支护安装在环向支护圆弧外侧，所述径向变形结构包括第一径向锚杆尾端、第二径向锚杆首端、内部弹簧、外部弹簧，所述第二径向锚杆首端设有横向外凸的弹簧轴，所述外部弹簧套设在外部弹簧轴上，外部弹簧一端与第二径向锚杆首端连接，另一端与第一径向锚杆尾端连接，所述第一径向锚杆尾端设有横向凹槽，所述内部弹簧设置在凹槽内，内部弹簧一端与凹槽底部连接，另一端与弹簧轴连接，所述轴向-横向变形结构包括第一轴向支架尾端、第二轴向支架首端、内部弹簧、外部弹簧，所述第二轴向支架首端设有横向外凸的弹簧轴，所述外部弹簧套设在外部弹簧轴上，外部弹簧一端与第二轴向支架首端连接，另一端与第一轴向支架尾端连接，所述第一轴向支架尾端设有横向凹槽，所述内部弹簧设置在凹槽内，内部弹簧一端与凹槽底部连接，另一端与弹簧轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述环向变形结构包括第一环形支架的尾端、第二环形支架的首端，内部弹簧、外部弹簧，所述第二环形支架首端设有横向外凸的弹簧轴，所述外部弹簧套设在外部弹簧轴上，外部弹簧一端与第二环形支架首端连接，另一端与第一环形支架尾端连接，所述第一环形支架尾端设有横向凹槽，所述内部弹簧设置在凹槽内，内部弹簧一端与凹槽底部连接，另一端与弹簧轴连接。

3.根据权利要求2所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述弹簧轴端部设有弹簧压盘，弹簧轴通过弹簧压盘与内部弹簧连接，弹簧压盘直径等于或略小于凹槽内径。

4.根据权利要求3所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述轴向-横向变形结构还包括柔性变向段，所述柔性变向段一端与弹簧轴连接，另一端与弹簧压盘连接，所述柔性变向段为硬碳气凝胶。

5.根据权利要求2所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述凹槽口内侧各设有一个卡头，两个卡头之间的距离等于或略小于弹簧轴外径。

6.根据权利要求5所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述轴向-横向变形结构的卡头与弹簧轴的接触面为曲面。

7.根据权利要求1所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述第二径向锚杆首端与弹簧轴的连接面上设有弹簧槽，第一径向锚杆凹槽口端的平面上设有弹簧槽，所述外部弹簧的两端与弹簧槽卡接。

8.根据权利要求1所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述轴向支架与弹簧轴的连接面上设有弹簧槽，第一轴向支架凹槽口端的平面上设有弹簧槽，所述外部弹簧的两端与弹簧槽卡接。

9.根据权利要求2所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述环向支架与弹簧轴的连接面上设有弹簧槽，第一环向支架凹槽口端的平面上设有弹簧槽，所述外部弹簧的两端与弹簧槽卡接。

10.根据权利要求2所述的一种隧道多向支护系统，其特征在于：所述环向变形结构、径向变形结构、轴向-横向变形结构均设有外部加强环，所述外部加强环均为环形球面筒状结构，在环形球面上均设有两个贯穿的圆形连接孔，两个连接孔依照加强环的圆心中心对称，第一环形支架、第二环形支架分别通过插入两个连接孔与加强环连接；第一径向锚杆、第二径向锚杆分别通过插入两个连接孔与加强环连接；第一轴向支架、第二轴向支架分别通过插入两个连接孔与加强环连接。

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