CN113482669A - 一种城市地下空间工程开挖支护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下工程支护装置技术领域，尤其为一种城市地下空间工程开挖支护装置，包括支撑杆、外拱形支架、衔接杆、内拱形支架、LED灯、显示屏、控制器和报警器，所述支撑杆沿巷道侧帮左右对称设置有两个，所述支撑杆的顶部设有第一连接座，所述外拱形支架安装于第一连接座上，所述衔接杆固定安装于第一连接座上对应外拱形支架的内侧位置。本发明能够在由于机械开挖造成的岩石松动及围岩变形，在外拱形支架超出其承压后出现变形下榻时进行让压吸能，并利用连杆联动方式，自动抬升后接触支撑机构对外拱形支架进行后发补强支撑，较好地结合了刚性支撑与柔性支撑方式特点，使工程开挖支护效果更佳，安全性更高。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程支护装置技术领域，具体为一种城市地下空间工程开挖支护装置。
背景技术
在城市建设进程中，地下工程建设是人类利用城市地下空间的一种形式。隧道是埋置于地层内的工程建筑物中的一种，隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道，隧道的结构包括主体建筑物和附属设备两部分，主体建筑物由洞身和洞门组成，附属设备包括避车洞、消防设施、应急通讯和防排水设施，长大隧道还有专门的通风和照明设备。隧道的开挖扰动会引起较大的围岩变形，需要通过相应支护措施对巷道开挖进行支护，若支护措施不到位，围岩变形可能超过其容许范围，严重时会引起隧道塌方，造成重大经济损失。
目前，解决巷道开挖保护方式是通过支护装置对巷道支护面进行支护，以保证工程开挖进度及其安全性。现有的支护装置普遍采用固定式支撑结构，即通过支架配合千斤顶即加强杆进行刚性支护，这种支护方式在支护巷道岩石过程中，由于机械开挖造成的岩石松动及围岩变形，刚性支护方式易导致外支护架超出承压后出现变形下榻，装置不能进行让压吸能，且在外支护架出现变形下榻时不能进行自发性的后发补强支撑，从而导致隧道塌方事故出现频繁。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种城市地下空间工程开挖支护装置，解决了现有的支护装置普遍采用刚性支护结构，这种支护方式在支护巷道岩石过程中，由于机械开挖造成的岩石松动及围岩变形，刚性支护方式易导致外支护架超出承压后出现变形下榻，不能进行让压吸能，且在外支护架出现变形下榻时不能进行自发性的后发补强支撑，从而导致隧道塌方事故出现频繁的问题。
(二)技术方案。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种城市地下空间工程开挖支护装置，包括支撑杆、外拱形支架、衔接杆、内拱形支架、LED灯、显示屏、控制器和报警器，所述支撑杆沿巷道侧帮左右对称设置有两个，所述支撑杆的顶部设有第一连接座，所述外拱形支架安装于第一连接座上，所述衔接杆固定安装于第一连接座上对应外拱形支架的内侧位置，所述衔接杆远离第一连接座的一端连接有第二连接座，所述内拱形支架的两端分别连接于左右对称设置的两个第二连接座上，所述外拱形支架与内拱形支架同圆心结构布置，所述外拱形支架与内拱形支架之间通过若干等距设置的第一千斤顶固定支撑，所述内拱形支架上对应相邻的两个第一千斤顶之间分别设有一个测压吸能支撑机构。
作为本发明的一种优选技术方案，所述支撑杆包括上杆、中杆和下杆，上杆和下杆的内部均设有与中杆相适配的通孔，上杆和下杆滑动配合于中杆的两端，上杆和下杆与中杆之间通过螺栓固定连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述外拱形支架与内拱形支架的内壁表面均设有加强筋，所述外拱形支架与衔接杆之间通过第二千斤顶相对支撑固定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述内拱形支架的内侧壁上至少设有三个加强杆，各加强杆之间依次连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述测压吸能支撑机构包括固定安装于内拱形支架上的底板，所述底板的上方通过第一弹簧连接有顶板，所述底板上对应第一弹簧的内围设有支撑顶板的伸缩杆，所述外拱形支架的内侧壁上对应顶板的垂直平分线上固定安装有支柱，所述支柱的底部连接有与控制器电性连接的荷重检测元件，所述荷重检测元件的底部连接倒置的有正棱台支撑块，所述正棱台支撑块的底端与顶板抵接，所述内拱形支架上对应底板的外围设有固定座，所述固定座上设有与正棱台支撑块各侧面对应设置的若干导向座，所述导向座的内部滑动配合有导杆，所述导杆靠近正棱台支撑块的一端连接有滑块，所述固定座上设有与导杆轴向一致的滑槽，所述滑块靠近正棱台支撑块的侧面与正棱台支撑块的相应侧面贴合，所述导杆远离滑块的一端活动连接有连接杆，所述固定座的外侧壁上固定安装有支杆，所述支杆的顶端连接有与导杆平行设置的支撑板，所述支撑板上固定安装有导套，所述导套的内部设有垂直滑动通道，垂直滑动通道内部滑动配合有活动杆，所述活动杆的底端与连接杆活动连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述测压吸能支撑机构还包括固定安装于活动杆远离连接杆一端的后接触支撑机构，所述后接触支撑机构与外拱形支架内侧壁间隙设置，所述后接触支撑机构用于当外拱形支架塌陷时进行二次支撑并配合第一弹簧进行让压吸能，所述后接触支撑机构处于未受到外力作用的状态下时，所述连接杆与导杆之间的夹角为135°，所述后接触支撑机构包括载座、第二弹簧和抵接板，所述抵接板通过第二弹簧固定支撑于载座的上方，所述抵接板的外表面设置为拱形，所述抵接板的顶部是由圆心板以及铰接于圆心板外缘上的扇形面板组成。
作为本发明的一种优选技术方案，所述内拱形支架上对应各测压吸能支撑机构的内壁表面均布置有一个LED灯，处于左右两个支撑杆上的第一连接座底部分别连接有第一安装板和第二安装板，所述显示屏和控制器安装于第一安装板上，所述报警器安装于第二安装板上，所述LED灯、显示屏和报警器分别与控制器电性连接。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种城市地下空间工程开挖支护装置，具备以下有益效果：
1、该城市地下空间工程开挖支护装置，利用千斤顶对外拱形支架进行刚性支撑，通过在外拱形支架与内拱形支架之间增设测压吸能支撑机构，能够在由于机械开挖造成的岩石松动及围岩变形，外拱形支架超出其承压后出现变形下榻时进行让压吸能，并利用连杆联动方式，自动抬升后接触支撑机构对外拱形支架进行后发补强支撑，较好地结合了刚性支撑与柔性支撑方式特点，使工程开挖支护效果更佳，安全性更高。
2、该城市地下空间工程开挖支护装置，通过测压吸能支撑机构中的荷重检测元件实时采集均布于内拱形支架上顶板的荷重承压数值，并在顶板负荷数值大于预设数值时进行LED闪烁下榻位快速定位提示及报警器声光报警，提醒工作人员作出相对措施，进一步提高隧道工程开挖的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中测压吸能支撑机构的结构示意图；
图3为本发明中后接触支撑机构的结构示意图。
图中：1、支撑杆；2、外拱形支架；3、衔接杆；4、内拱形支架；5、LED灯；6、显示屏；7、控制器；8、报警器；9、第一连接座；10、第二连接座；11、第一千斤顶；12、底板；13、顶板；14、伸缩杆；15、支柱；16、荷重检测元件；17、正棱台支撑块；18、固定座；19、导向座；20、导杆；21、滑块；22、滑槽；23、连接杆；24、支杆；25、支撑板；26、导套；27、活动杆；28、后接触支撑机构；2801、载座；2802、第二弹簧；2803、抵接板；29、第一安装板；30、第二安装板；31、第一弹簧；32、第二千斤顶；33、加强杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-3，本发明提供以下技术方案：一种城市地下空间工程开挖支护装置，包括支撑杆1、外拱形支架2、衔接杆3、内拱形支架4、LED灯5、显示屏6、控制器7和报警器8，支撑杆1沿巷道侧帮左右对称设置有两个，支撑杆1的顶部设有第一连接座9，外拱形支架2安装于第一连接座9上，衔接杆3固定安装于第一连接座9上对应外拱形支架2的内侧位置，衔接杆3远离第一连接座9的一端连接有第二连接座10，内拱形支架4的两端分别连接于左右对称设置的两个第二连接座10上，外拱形支架2与内拱形支架4同圆心结构布置，外拱形支架2与内拱形支架4之间通过若干等距设置的第一千斤顶11固定支撑，内拱形支架4上对应相邻的两个第一千斤顶11之间分别设有一个测压吸能支撑机构。
本实施方案中，控制器7采用STM32F103C8T6微控制器，由荷重检测元件16采集顶板13荷重，当检测到的负荷数值大于预设数值时，通过控制器7控制相应LED灯5闪烁，起到下榻位快速定位作用，同时通过报警器8进行声光报警，提醒工作人员作出相对措施，采集到的数据可通过显示屏6进行查看。
具体的，支撑杆1包括上杆、中杆和下杆，上杆和下杆的内部均设有与中杆相适配的通孔，上杆和下杆滑动配合于中杆的两端，上杆和下杆与中杆之间通过螺栓固定连接。
本实施例中，由上杆、中杆和下杆组成支撑杆1，可根据不同巷道侧帮高度调节支撑杆1的长度，以满足外拱形支架2、衔接杆3及内拱形支架4的支撑高度需求。
具体的，外拱形支架2与内拱形支架4的内壁表面均设有加强筋，外拱形支架2与衔接杆3之间通过第二千斤顶32相对支撑固定。
本实施例中，通过在外拱形支架2与内拱形支架4的内壁表面设置加强筋，能够提高外拱形支架2与内拱形支架4的结构强度，利用第二千斤顶32能够对外拱形支架2与衔接杆3之间进行加强支撑。
具体的，内拱形支架4的内侧壁上至少设有三个加强杆33，各加强杆33之间依次连接。
本实施例中，通过在内拱形支架4的内侧壁上设置加强杆33，将各加强杆33依次连接，加强杆33与内拱形支架4之间形成内切圆结构，通过加强杆33加强支撑内拱形支架4，能够提高内拱形支架4的结构强度，防止内拱形支架4变形。
具体的，测压吸能支撑机构包括固定安装于内拱形支架4上的底板12，底板12的上方通过第一弹簧31连接有顶板13，底板12上对应第一弹簧31的内围设有支撑顶板13的伸缩杆14，外拱形支架2的内侧壁上对应顶板13的垂直平分线上固定安装有支柱15，支柱15的底部连接有与控制器7电性连接的荷重检测元件16，需要说明的是，荷重检测元件16采用型号为CFBHL的轮辐荷重传感器，轮辐荷重传感器采用轮辐式弹性体结构，利用剪切式应力原理，具有低外形、抗偏载、精度高、强度好等特点；荷重检测元件16的底部连接倒置的有正棱台支撑块17，正棱台支撑块17的底端与顶板13抵接，内拱形支架4上对应底板12的外围设有固定座18，固定座18上设有与正棱台支撑块17各侧面对应设置的若干导向座19，导向座19的内部滑动配合有导杆20，导杆20靠近正棱台支撑块17的一端连接有滑块21，固定座18上设有与导杆20轴向一致的滑槽22，滑块21靠近正棱台支撑块17的侧面与正棱台支撑块17的相应侧面贴合，导杆20远离滑块21的一端活动连接有连接杆23，固定座18的外侧壁上固定安装有支杆24，支杆24的顶端连接有与导杆20平行设置的支撑板25，支撑板25上固定安装有导套26，导套26的内部设有垂直滑动通道，垂直滑动通道内部滑动配合有活动杆27，活动杆27的底端与连接杆23活动连接。
具体的，测压吸能支撑机构还包括固定安装于活动杆27远离连接杆23一端的后接触支撑机构28，后接触支撑机构28与外拱形支架2内侧壁间隙设置，后接触支撑机构28用于当外拱形支架2塌陷时进行二次支撑并配合第一弹簧31进行让压吸能，后接触支撑机构28处于未受到外力作用的状态下时，连接杆23与导杆20之间的夹角为135°，后接触支撑机构28包括载座2801、第二弹簧2802和抵接板2803，抵接板2803通过第二弹簧2802固定支撑于载座2801的上方，抵接板2803的外表面设置为拱形，抵接板2803的顶部是由圆心板以及铰接于圆心板外缘上的扇形面板组成。
本实施例中，由载座2801、第二弹簧2802和抵接板2803组成后接触支撑机构28，由圆心板以及铰接于圆心板外缘上的扇形面板组成抵接板2803，能够在某一处外拱形支架2受挤压力塌陷，外拱形支架2该塌陷处呈不规则结构时，各扇形面板在外拱形支架2的挤压下对第二弹簧2802进行挤压，起到让压吸能作用的同时，增加了与外拱形支架2内壁的接触面积，提高了二次支撑的应力强度；后接触支撑机构28未受力时，连接杆23处于倾斜状态，当导杆20受力后发生后移，推动倾斜设置的连接杆23顶起活动杆27，活动杆27沿导套26内的垂直滑动通道向上滑动时带动其顶部的后接触支撑机构28向上顶起，至后接触支撑机构28顶端与外拱形支架2内壁抵接，对外拱形支架2进行二次支撑，起到让压吸能的作用，从而达到支护的目的。
具体的，内拱形支架4上对应各测压吸能支撑机构的内壁表面均布置有一个LED灯5，处于左右两个支撑杆1上的第一连接座9底部分别连接有第一安装板29和第二安装板30，显示屏6和控制器7安装于第一安装板29上，报警器8安装于第二安装板30上，LED灯5、显示屏6和报警器8分别与控制器7电性连接。
本实施例中，工作时，可通过测压吸能支撑机构的荷重检测元件16实时采集顶板13荷重，当检测到的负荷数值大于预设数值时，通过控制器7控制相应LED灯5闪烁，起到下榻位快速定位作用，同时通过报警器8进行声光报警，提醒工作人员作出相对措施，采集到的数据可通过显示屏6进行查看。
本发明的工作原理及使用流程：安装时，根据巷道侧帮高度调节支撑杆1的高度，通过螺栓完成固定，将外拱形支架2架设于左右两个支撑杆1端部的第一连接座9上，再通过衔接杆3将内拱形支架4架设于第一连接座9上，后依次完成第一千斤顶11的布置，外拱形支架2与内拱形支架4之间通过第一千斤顶11进行相对支撑，并在相邻的两个第一千斤顶11之间分别布置一个测压吸能支撑机构，对外拱形支架2进行让压吸能支护，内拱形支架4的内侧壁上通过布置加强杆33进行加强支撑；
完成装置架设后，在支护巷道过程中，由于外部挤压造成外拱形支架2受荷超出其支承压力上限，导致外拱形支架2某处变形下榻时，外拱形支架2下榻带动支柱15及其端部的正棱台支撑块17下压，正棱台支撑块17下压的同时挤压其外围的滑块21，滑块21向外滑动的过程中带动导杆20往后滑动，导杆20滑动的同时通过连接杆23上顶活动杆27，活动杆27沿导套26内部的垂直滑动通道带动其顶端的后接触支撑机构28垂直上升并最终对外拱形支架2进行补强支撑，在正棱台支撑块17下压的同时对第一弹簧31进行挤压，通过第一弹簧31与后接触支撑机构28的第二弹簧2802进行配合，实现让压吸能支护，在本支护装置使用过程中，通过测压吸能支撑机构的荷重检测元件16实时采集顶板13荷重，当检测到的负荷数值大于预设数值时，通过控制器7控制相应LED灯5闪烁，起到下榻位快速定位作用，同时通过报警器8进行声光报警，提醒工作人员作出相对措施，采集到的数据可通过显示屏6进行查看。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种城市地下空间工程开挖支护装置，包括支撑杆(1)、外拱形支架(2)、衔接杆(3)、内拱形支架(4)、LED灯(5)、显示屏(6)、控制器(7)和报警器(8)，其特征在于：所述支撑杆(1)沿巷道侧帮左右对称设置有两个，所述支撑杆(1)的顶部设有第一连接座(9)，所述外拱形支架(2)安装于第一连接座(9)上，所述衔接杆(3)固定安装于第一连接座(9)上对应外拱形支架(2)的内侧位置，所述衔接杆(3)远离第一连接座(9)的一端连接有第二连接座(10)，所述内拱形支架(4)的两端分别连接于左右对称设置的两个第二连接座(10)上，所述外拱形支架(2)与内拱形支架(4)同圆心结构布置，所述外拱形支架(2)与内拱形支架(4)之间通过若干等距设置的第一千斤顶(11)固定支撑，所述内拱形支架(4)上对应相邻的两个第一千斤顶(11)之间分别设有一个测压吸能支撑机构。
2.根据权利要求1所述的一种城市地下空间工程开挖支护装置，其特征在于：所述支撑杆(1)包括上杆、中杆和下杆，上杆和下杆的内部均设有与中杆相适配的通孔，上杆和下杆滑动配合于中杆的两端，上杆和下杆与中杆之间通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种城市地下空间工程开挖支护装置，其特征在于：所述外拱形支架(2)与内拱形支架(4)的内壁表面均设有加强筋，所述外拱形支架(2)与衔接杆(3)之间通过第二千斤顶(32)相对支撑固定。
4.根据权利要求1所述的一种城市地下空间工程开挖支护装置，其特征在于：所述内拱形支架(4)的内侧壁上至少设有三个加强杆(33)，各加强杆(33)之间依次连接。
5.根据权利要求1所述的一种城市地下空间工程开挖支护装置，其特征在于：所述测压吸能支撑机构包括固定安装于内拱形支架(4)上的底板(12)，所述底板(12)的上方通过第一弹簧(31)连接有顶板(13)，所述底板(12)上对应第一弹簧(31)的内围设有支撑顶板(13)的伸缩杆(14)，所述外拱形支架(2)的内侧壁上对应顶板(13)的垂直平分线上固定安装有支柱(15)，所述支柱(15)的底部连接有与控制器(7)电性连接的荷重检测元件(16)，所述荷重检测元件(16)的底部连接倒置的有正棱台支撑块(17)，所述正棱台支撑块(17)的底端与顶板(13)抵接，所述内拱形支架(4)上对应底板(12)的外围设有固定座(18)，所述固定座(18)上设有与正棱台支撑块(17)各侧面对应设置的若干导向座(19)，所述导向座(19)的内部滑动配合有导杆(20)，所述导杆(20)靠近正棱台支撑块(17)的一端连接有滑块(21)，所述固定座(18)上设有与导杆(20)轴向一致的滑槽(22)，所述滑块(21)靠近正棱台支撑块(17)的侧面与正棱台支撑块(17)的相应侧面贴合，所述导杆(20)远离滑块(21)的一端活动连接有连接杆(23)，所述固定座(18)的外侧壁上固定安装有支杆(24)，所述支杆(24)的顶端连接有与导杆(20)平行设置的支撑板(25)，所述支撑板(25)上固定安装有导套(26)，所述导套(26)的内部设有垂直滑动通道，垂直滑动通道内部滑动配合有活动杆(27)，所述活动杆(27)的底端与连接杆(23)活动连接。
6.根据权利要求5所述的一种城市地下空间工程开挖支护装置，其特征在于：所述测压吸能支撑机构还包括固定安装于活动杆(27)远离连接杆(23)一端的后接触支撑机构(28)，所述后接触支撑机构(28)与外拱形支架(2)内侧壁间隙设置，所述后接触支撑机构(28)用于当外拱形支架(2)塌陷时进行二次支撑并配合第一弹簧(31)进行让压吸能，所述后接触支撑机构(28)处于未受到外力作用的状态下时，所述连接杆(23)与导杆(20)之间的夹角为135°，所述后接触支撑机构(28)包括载座(2801)、第二弹簧(2802)和抵接板(2803)，所述抵接板(2803)通过第二弹簧(2802)固定支撑于载座(2801)的上方，所述抵接板(2803)的外表面设置为拱形，所述抵接板(2803)的顶部是由圆心板以及铰接于圆心板外缘上的扇形面板组成。
7.根据权利要求1所述的一种城市地下空间工程开挖支护装置，其特征在于：所述内拱形支架(4)上对应各测压吸能支撑机构的内壁表面均布置有一个LED灯(5)，处于左右两个支撑杆(1)上的第一连接座(9)底部分别连接有第一安装板(29)和第二安装板(30)，所述显示屏(6)和控制器(7)安装于第一安装板(29)上，所述报警器(8)安装于第二安装板(30)上，所述LED灯(5)、显示屏(6)和报警器(8)分别与控制器(7)电性连接。
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