CN114016763B - 一种独立式窑洞加固系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立式窑洞加固系统，包括锚拉约束机构、支撑架机构及悬吊摇摆机构；锚拉约束机构沿窑洞本体的进深方向间隔设置，用于对窑腿产生反向压力，以使窑腿处于三向受压平衡状态；支撑架机构包括两个对称设置在窑顶本体两侧的窑侧支撑架；悬吊摇摆机构包括拱圈支撑架，拱圈支撑架紧贴窑洞本体的拱顶设置；竖向锚杆单元贯穿设置在窑洞本体的拱顶上部土体内；竖向锚杆单元的下端与拱圈支撑架固定，上端通过两根拉索分别与两个窑侧支撑架柔性铰接；本发明能够有效增强了窑洞本体的整体性和稳定性，有效防止因拱圈上部承载力过大而产生窑腿外鼓或坍塌，通过拉索和窑侧支撑架提供了释放变形和能量的空间，有效减轻了地震作用造成的危害。

Description

一种独立式窑洞加固系统

技术领域

本发明属于窑洞加固技术领域，特别涉及一种独立式窑洞加固系统。

背景技术

窑洞作为一种特有的建筑形式，其具有构造简单、节能保温、造价低廉、取材方便且易于依靠地形修建等优势，成为西北地区存量巨大、分布广泛的一种重要建筑形式。根据窑洞结构形式的不同，可将其分为靠崖式窑洞、地坑式窑洞以及独立式窑洞等；其中，独立式窑洞分布最为广泛，除现有的大量窑洞民居以外，还有成百上千处的革命窑居文物建筑。

在长期风雨侵蚀、地震作用及人员活动等因素的影响下，这些独立式窑洞民居或文物多存在不同程度的墙体变形、拱圈开裂、局部坍塌等病害，严重威胁居民的人身财产安全，亦可能造成革命窑居文物的永久损毁；因此，如何在保持独立式窑洞建筑原有使用功能和外观特征的前提下提升结构的整体稳定性，并给出科学合理的加固方案，是当前亟待解决的问题。

独立式窑洞主要由内部夯土和外包砖石砌筑而成，仅底部与基础刚性连接，其他侧面均无约束；其中，拱圈主要由砖石斜砌挤密夯实而成，主要承担上部覆土压力，拱圈内呈轴力、弯矩、剪力的复合作用的受力状态，拱脚对两侧窑腿墙体有水平推力作用，易造成窑腿倾斜变形或开裂破坏；由于砖石、夯土材料均为典型的脆性材料，且窑洞顶面在降雨时易发生自上而下的渗水，增大拱圈所需承担的附加压力，削弱夯土结构强度，加之地震等外力作用影响，窑洞的侧墙、拱顶等部位易发生局部开裂、坍塌等破坏。因此，如何降低拱圈所需承担的附加荷载，提升窑腿及侧墙抵抗变形和开裂的能力，并将地震对独立式窑洞的不利影响减小至最低限度，是进行独立式窑洞加固结构设计的关键。但是目前我国对独立式窑洞的保护理论和技术尚不成熟，没有相关规范标准可供参考，加固方案设计主要凭借经验，难以从本质上解决上述问题。

主要技术问题包括：

(1)中国专利申请“一种黄土窑洞加固装置”(申请号：CN201610638629.8)中公开的曲梁类拱圈内部支撑主要采用预弯制品(如柳枝、钢板条等)紧贴窑洞拱圈内嵌安装，提高拱圈的支撑能力和抵抗变形能力，但该结构难以有效限制拱圈对两侧窑腿的挤压外推作用，也无法从本质上降低拱圈所需承担的覆土压力荷载。

(2)在上述拱圈支撑结构的基础上，相关人员提出可利用锚杆将窑洞屋面(顶面)与拱圈内嵌的支撑结构进行拉结的方案；例如：中国专利申请“一种窑洞的抗震结构”(申请号：CN201820251284.5)，该方案虽能有效压紧窑顶夯土，增强拱圈至窑顶区域结构的整体性，协调该区域变形，但同样无法从本质上降低拱圈所需承担的覆土压力荷载；

(3)中国专利申请“一种窑洞加固系统”(申请号：201910690440.7)中公开的采用在窑洞顶部增设承载架，锚杆两端分别连接拱圈支撑架和承载架的方式，将拱圈所需承担的荷载通过锚杆传递至承载架承担，能够大幅降低拱圈变形和应力，但该方案中支撑架体与窑洞通过锚杆半刚性连接，在地震作用时，支撑架体产生的变形和应力也有可能反向传递至窑洞，进一步加重窑洞的开裂变形，对窑洞安全造成威胁。

综上，上述方案均未能有效限制独立式窑洞拱圈由于受顶部覆土压力而产生向两侧窑腿的水平推力，难以避免窑腿发生倾斜、变形、开裂破坏；未能从本质上降低窑洞拱圈所承担的压力，且在地震作用时，可能使支撑架等附加承载结构产生的变形、应力等经由锚杆等连接件传递至窑洞本体，进一步加重窑洞的破坏。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种独立式窑洞加固系统，以解决现有的窑洞加固方法无法有效限制独立式窑洞拱圈由于受顶部覆土压力而产生向两侧窑腿的水平推力，易造成窑腿发生倾斜、变形或开裂破坏的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种独立式窑洞加固系统，包括锚拉约束机构、支撑架机构及悬吊摇摆机构；锚拉约束机构沿窑洞本体的进深方向间隔设置，锚拉约束机构设置在窑洞本体的窑腿与拱圈交界点处，用于对窑腿产生反向压力；其中，反向压力的方向与窑腿受拱圈的水平推力的方向相反，以使窑腿处于三向受压平衡状态；

支撑架机构包括两个窑侧支撑架，两个窑侧支撑架对称设置在窑洞本体的两侧，且与窑洞本体的窑边腿平行设置；

悬吊摇摆机构沿窑洞本体的进深方向间隔设置，包括拱圈支撑架、竖向锚杆单元及两根拉索；拱圈支撑架紧贴窑洞本体的拱顶设置；竖向锚杆单元贯穿设置在窑洞本体的拱顶上部土体内；竖向锚杆单元的下端与拱圈支撑架固定，竖向锚杆单元的上端通过两根拉索分别与两个窑侧支撑架柔性铰接；其中，两个拉索交叉设置。

进一步的，锚拉约束机构包括锚杆、锚索及锚地索；

锚杆水平设置在窑洞本体的边跨中，锚杆的两端分别贯穿固定在边跨的两侧窑腿墙体中；其中，锚杆的锚固点位于边跨的窑腿与拱圈交界点处；

锚索水平设置在窑洞本体的中跨中，锚索的两端分别贯穿固定在中跨的两侧窑腿墙体中；其中，锚索的锚固点位于中跨的窑腿与拱圈交界点处；

锚地索对称设置在窑洞本体的窑边腿外侧，锚地索的一端贯穿固定在窑边腿中，另一端绕过窑侧支撑架后锚固在地面上；其中，锚地索与窑边腿的锚固点位于窑边腿与拱圈交界点处。

进一步的，边跨的两侧窑腿墙体上设置墙体锚杆孔，墙体锚杆孔位于边跨的窑腿与拱圈交界点处；墙体锚杆孔中固定穿设有第一隔离套筒，锚杆贯穿设置在第一隔离套筒中；锚杆的两端分别通过第一锚板及第一锚固螺栓与边跨的两侧窑腿墙体固定连接；其中，锚杆位于窑洞本体的窑边腿外侧的锚固端处还设置有T型抗弯构件，T型抗弯构件设置在第一锚板与第一锚固螺栓之间。

进一步的，中跨的两侧窑腿墙体上设置有墙体锚索孔，墙体锚索孔位于中跨的窑腿与拱圈交界点处；墙体锚索孔中固定穿设有第二隔离套筒；锚索贯穿设置在第二隔离套筒中，锚索的两端分别通过第二锚板及第二锚固螺栓与中跨的两侧窑腿墙体固定。

进一步的，窑边腿上设置有边腿锚索孔，边腿锚索孔位于窑边腿与拱圈交界点处；锚地索的一端贯穿边腿锚索孔后，通过第三锚板及第三锚固螺栓与窑边腿固定；锚地索的另一端绕过窑侧支撑架后与地面锚固固定。

进一步的，窑侧支撑架包括若干第一滑轮、两根立柱、若干第二滑轮、上横梁及下横梁；立柱竖向平行设置在窑边腿的外侧，其中一根立柱靠近窑洞本体的前端设置，另一根立柱靠近窑洞本体的后端设置；上横梁与下横梁上下平行设置在前后两根立柱之间，且均沿窑洞本体的进深方向水平设置；

上横梁的两端分别与前后两根立柱的顶端固定，上横梁的安装高度大于窑洞本体的顶面高度；若干第一滑轮间隔设置在上横梁上，拉索通过第一滑轮与上横梁柔性铰接；

下横梁的两端分别与前后两根立柱的中下部固定，下横梁的安装高度和窑腿与拱圈的交界点处的高度相适应；若干第二滑轮间隔设置在下横梁上，锚地索绕过第二滑轮后与地面固定。

进一步的，立柱与窑边腿之间的间距为1.5-3.0m，立柱的下端两侧对称设置有斜撑，斜撑的上端与立柱固定连接，下端通过锚地螺栓与地面固定。

进一步的，所述加固系统还包括拱顶连接梁；拱顶连接梁设置在边跨或中跨的拱顶中心线上，并沿窑洞本体的进深方向水平设置；拱顶连接梁与窑洞本体每跨中的所有拱圈支撑架均相连。

进一步的，竖向锚杆单元包括U型固定架、三铰滑轮组、竖向锚杆本体、第一连接套筒、第三隔离套筒、第四锚固螺栓及两个第二连接套筒；

第三隔离套筒贯穿设置在窑洞本体的拱顶土体内，竖向锚杆本体贯穿设置在第三隔离套筒中；竖向锚杆本体的下端贯穿拱圈支撑架后，通过第四锚固螺栓与拱圈支撑架固定连接；

U型固定架设置在竖向锚杆本体出露窑洞本体的顶面处，三铰滑轮组通过螺栓与U型固定架连接；三铰滑轮组上设置有三个铰接孔，其中一个铰接孔位于三铰滑轮组的下端，另外两个铰接孔对称设置在三铰滑轮组的上端两侧；

竖向锚杆本体的上端贯穿U型固定架后，通过第一连接套筒与三铰滑轮组下端的铰接孔相连；其中一根拉索通过一个第二连接套筒与三铰滑轮组上端一侧的铰接孔相连，另一根拉索通过另一个第二连接套筒与三铰滑轮组上端另一侧的铰接孔相连。

进一步的，竖向锚杆单元还包括承载板；承载板设置在窑洞本体的顶面与U型固定架之间；承载板的上表面还设置有防水层，U型固定架的底板与防水层紧密接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种独立式窑洞加固系统，采用在窑洞本体的窑腿与拱圈交界点处设置锚拉约束机构，用于对窑腿产生与窑腿受拱圈的水平推力方向相反的反向压力，使窑腿处于三向受压的平衡状态，有效提升了窑腿区域的抗压及抗裂性能，避免窑腿顶部发生开裂破坏；将悬吊摇摆机构沿窑洞本体的进深方向间隔设置，悬吊摇摆机构中的拱圈支撑架能够承担和平衡窑洞拱圈所受到的竖向压力；并将竖向锚杆单元贯穿设置在窑洞本体的拱顶上部土体内，并通过交叉设置的拉索将竖向锚杆单元与窑侧支撑架柔性铰接；通过拉索及竖向锚杆单元配合，确保拱圈支撑架所承担的荷载有效传递至窑侧支撑架，并通过窑侧支撑架耗散至地基中；同时，利用拉索与窑侧支撑架的柔性铰接，能够缓冲、协调竖向锚杆单元与窑侧支撑架之间的位移变形差异，避免将窑侧支撑架的变形应力传递至窑洞本体；本发明有效增强了窑洞本体的整体性和稳定性，有效防止因拱圈上部承载力过大而产生窑腿外鼓或坍塌，通过拉索和窑侧支撑架提供了释放变形和能量的空间，有效减轻了地震作用造成的危害。

进一步的，通过在边跨中水平设置对穿锚杆，在中跨中水平设置对穿锚索；当在自重和外力的作用下产生附加荷载，引起窑洞本体的拱顶上部土体变形时，锚杆或锚索能够随之张紧，确保了边跨或中跨的窑洞拱圈保持在原位；在锚杆或锚索的锚固件的约束下，使得边跨或中跨的两侧窑腿墙体处于三向受压的平衡状态，约束土体变形，避免窑腿墙体的土体发生大面积外鼓或裂缝；通过在窑边腿的外侧设置锚地索，锚地索为窑边腿提供了释放变形和能量的空间，确保了窑边腿的变形能够有效传递至地面进行能量耗散。

进一步的，通过在上横梁上设置第一滑轮，将拉索与第一滑轮柔性铰接；在下横梁上设置第二滑轮，将锚地索绕过第二滑轮后与地面相连，使拉索或锚地索与滑轮配合，形成柔性铰接，能够允许在节点处发生相对转动；通过拉索的摇摆错动和节点的微幅转动使竖向锚杆单元的顶端在窑顶的相对位置始终保持不动，保证拉索对竖向锚杆单元的拉力始终沿其轴线作用，实现缓冲和协调窑侧支撑架与窑洞本体的位移变形差异，避免窑侧支撑架发生较大变形时，能够通过拉索或锚地索的松弛、转动或摇摆动作，避免支撑架机构因变形产生的应力传递至窑洞本体；同时，窑洞本体发生的较大位移变形，能够通过拉索或锚地索传递至支撑架机构，以耗散地震能量，使窑洞本体的应力分布趋于均匀。

进一步的，通过在立柱的下端两侧对称设置斜撑，有效提高了支撑架机构的稳定性，避免支撑架机构产生较大的位移变形，确保了窑洞本体的位移变形和附加应力通过支撑架机构传递至地下基础。

进一步的，通过在窑洞本体的拱顶中心线上设置拱顶连接梁，利用拱顶连接梁将每跨中的所有拱圈支撑架拉结成整体，保证窑洞拱圈顶部土体的整体协调变形。

进一步的，通过在竖向锚杆本体出露窑洞本体顶面处设置承载板，降低出漏点附近土体单位面积所承担的压应力，有效提高竖向锚杆本体在窑洞顶面的出露点处的承载力；同时，通过在承载板的上表面设置防水层，避免窑洞顶面的积水通过竖向锚杆本体的安装孔渗入窑洞拱顶土体内。

进一步的，通过在U型固定架上设置三铰滑轮组，利用三铰滑轮组将两根交错的拉索与竖向锚杆本体相连，确保了竖向锚杆与支撑架之间的传力的可靠性，将窑顶变形产生的附加应力及时通过交错的拉索传递至两侧支撑架。

本发明所述的独立式窑洞加固系统，结构简单，经济成本较低，操作简便，可在广大农村独立式窑洞建筑聚集地内广泛推广；采用所述的加固系统，解决了因独立式窑洞拱顶上部土体自重和附加荷载引起的窑洞窑腿两侧变形开裂的问题，有效防止因拱圈上部压力过大而造成两侧窑腿开裂、坍塌；并且，支撑架机构和悬吊摇摆机构具有释放差异变形和地震能量的空间，有效减轻了地震作用对独立式窑洞结构的危害。

附图说明

图1为实施例所述的独立式窑洞加固系统的整体立面结构示意图；

图2为实施例所述的独立式窑洞加固系统的俯视示意图；

图3为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的锚拉约束机构的结构示意图；

图4为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的悬吊摇摆机构的局部结构示意图；

图5为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的U型固定架的结构示意图；

图6为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的拱圈支撑架的正面结构示意图；

图7为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的拱圈支撑架的横截面结构示意图；

图8为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的T型抗弯构件结构示意图；

图9为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的竖向锚固单元的结构示意图；

图10为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的窑边腿处锚杆的锚固结构示意图；

图11为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的窑侧支撑架正面结构示意图；

图12为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的窑侧支撑架侧立面的结构示意图；

图13为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的第一滑轮与上横梁的连接结构示意图；

图14为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的第一滑轮结构示意图；

图15为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的第二滑轮的正视图；

图16为实施例所述的独立式窑洞加固系统中的第二滑轮的侧视图。

其中，1地面，2拱圈支撑架，3拱顶连接梁，4承载板，5U型固定架，6三铰滑轮组，7拉索，8第一滑轮，9窑洞本体，10立柱，11第二滑轮，12斜撑，13锚杆，14锚索，15第一锚板，16竖向锚杆本体，17受压锚孔，18锚地索，19上横梁，20下横梁，21锚地螺栓，22第一连接套筒，23竖向锚孔，24固定螺栓，25T型抗弯构件，26防水层，27空腔，28第一锚固螺栓，29第一隔离套筒，30工字钢梁，31第二连接套筒，32第三连接套筒，33第三隔离套筒，34第四锚固螺栓，35贯穿锚孔。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种独立式窑洞加固系统，用于防止独立式窑洞的窑腿及拱圈发生破坏，避免窑洞整体失稳；所述的独立式窑洞加固系统，包括锚拉约束机构、支撑架机构及悬吊摇摆机构。

锚拉约束机构沿窑洞本体9的进深方向间隔设置，锚拉约束机构水平设置在窑洞本体9的窑腿与拱圈的交界点处，用于对窑腿产生反向压力；其中，反向压力的方向与窑腿受拱圈的水平推力的方向相反，以使窑腿处于三向受压平衡状态。

支撑架机构，用于将窑洞本体9的拱圈压力传递至地面1。

悬吊摇摆机构，用于通过柔性约束和铰接连接，实现缓冲、隔离支撑架机构与窑洞本体9之间的位移变形差异，避免在地震等外力作用下，支撑架机构产生的较大变形时，将其自身内力传递至窑洞本体9；同时，在常规重力荷载作用下，能够有效分担窑洞本体9的拱圈压力。

本发明中，锚拉约束机构及悬吊摇摆机构沿窑洞本体9的进深方向等间距设置三个及以上，锚拉约束机构及悬吊摇摆机构的布设位置视窑洞本体的实际受力和残损情况而定；支撑架机构包括对称设置在窑洞本体的两个窑边腿外侧的窑侧支撑架，窑侧支撑架与窑边腿之间的距离为1.5-3.0m。

锚拉约束机构包括锚杆13、锚索14、锚地索18、第一锚板15、T型抗弯构件25、第一锚固螺栓28、第一隔离套筒29、第二隔离套筒、第二锚板、第二锚固螺栓、第三锚板及第三锚固螺栓；锚杆13水平设置在窑洞本体9的边跨中，锚杆13的两端分别贯穿固定在边跨的两侧窑腿墙体中，其中，锚杆13的锚固点位于边跨的窑腿与拱圈交界点处；锚索14水平设置在窑洞本体9的中跨中，锚索14的两端分别贯穿锚定在中跨的两侧窑腿墙体外侧；

其中，锚索14的锚固点位置为两侧边跨的内侧窑腿与拱圈交界点处；锚地索18对称设置在窑洞本体9的窑边腿外侧，锚地索18的一端贯穿固定在窑边腿中，另一端绕过窑侧支撑架的第二滑轮后锚固在地面1上；其中，锚地索18与窑边腿的锚固点位于窑边腿与拱圈交界点处；优选的，窑洞本体9的相邻跨的锚杆13与锚索14之间，或相邻跨的锚索14与锚索14之间，在窑洞本体9的进深方向上错开0.3m。

本发明中，锚杆13与边跨的窑腿墙体的锚固结构，具体如下：

边跨的两侧窑腿墙体上设置有墙体锚杆孔，墙体锚杆孔位于边跨的窑腿与拱圈交界点处；墙体锚杆中固定贯穿设置有第一隔离套筒29，锚杆13的两个锚固端分别贯穿设置在第一隔离套筒29中；并且，锚杆13与第一隔离套筒29之间设置空腔27，即锚杆13与第一隔离套筒29的内壁之间设置有间隙；锚杆13的两端分别通过第一锚板15及第一锚固螺栓28与边跨的两侧窑腿墙体固定连接；其中，锚杆13位于窑腿本体9的窑边腿外侧的锚固端，即锚杆13位于窑边腿外侧的外伸锚固端处还设置有T型抗弯构件25，T型抗弯构件25设置在第一锚板15与第一锚固螺栓28之间；T型抗弯构件25采用预制的T型钢板件，T型钢板件的水平段位于竖直段的上方，水平段与竖直段的交点处设置有受压锚孔17，竖直段的端部设置有贯穿锚孔35；受压锚孔17与墙体锚杆孔对应设置，锚杆13的外伸锚固端贯穿第一锚板15上的第一锚孔及T型钢板件的受压锚孔17后，通过第一锚固螺栓28锚固固定；贯穿锚孔35用于锚地索18贯穿通过；优选的，T型抗弯构件25与第一锚板15之间采用焊接固定。

本发明中，锚索14与中跨的窑腿墙体的锚固结构，具体如下：

中跨的两侧窑腿墙体上设置有墙体锚索孔，墙体锚索孔位于中跨的窑腿与拱圈交界点处；墙体锚索孔中固定穿设有第二隔离套筒；锚索14的两个锚固端分别贯穿设置在第二隔离套筒中；且，锚索14与第二隔离套筒的内壁之间设置有间隙；锚索14的两端分别通过第二锚板及第二锚固螺栓与中跨的两侧窑腿墙体固定。

本发明中，锚地索与窑边腿的锚固结构，具体如下：

窑边腿上设置有边腿锚索孔，边腿锚索孔位于窑边腿与拱圈交界点处，且位于锚杆13的外伸锚固端一侧；锚地索18的一端依次贯穿T型抗弯构件25的贯穿锚孔35、第一锚板15的第二锚孔及边腿锚索孔后，通过第三锚板及第三锚固螺栓与窑边腿的内侧墙壁固定；锚地索18的另一端绕过窑侧支撑架和第二滑轮后与地面1锚固固定。

支撑架机构包括两个窑侧支撑架，两个窑侧支撑架对称设置在窑顶本体9的两侧，且与窑洞本体9的窑边腿平行设置；窑侧支撑架包括若干第一滑轮8、两根立柱10、若干第二滑轮11、上横梁19及下横梁20；立柱10竖向平行设置在窑边腿的外侧，其中一根立柱靠近窑洞本体9的前端设置，另一根立柱靠近窑洞本体9的后端设置；上横梁19与下横梁20上下平行设置在前后两根立柱之间，且均沿窑洞本体9的进深方向水平设置；上横梁19的两端分别与前后两根立柱的顶端固定，上横梁19的安装高度大于窑洞本体9的顶面高度；若干第一滑轮8间隔设置在上横梁19上，拉索7通过第一滑轮8与上横梁19柔性铰接；其中，第一滑轮8的个数与悬吊摇摆机构的个数相匹配。

下横梁20的两端分别与前后两根立柱的中下部固定，下横梁20的安装高度和窑腿与拱圈交界点处的高度相适应；若干第二滑轮11间隔设置在下横梁20上，锚地索18绕过第二滑轮11后与地面1固定；其中，第二滑轮11的个数与锚地索18的个数相匹配，锚地索18与第二滑轮11的顶部紧密接触。

本发明中，立柱10与窑边腿间隔设置，立柱10与窑边腿之间的距离为1.5-3.0m，立柱10的下端两侧对称设置有斜撑12，斜撑12的上端与立柱10固定连接，下端通过锚地螺栓21与地面1固定。

悬吊摇摆机构沿窑洞本体9的进深方向间隔设置，包括拱圈支撑架、竖向锚杆单元及两根拉索7；拱圈支撑架2紧贴窑洞本体9的拱顶设置；竖向锚杆单元贯穿设置在窑洞本体9的拱顶上部土体内；竖向锚杆单元的下端与拱圈支撑架2固定，竖向锚杆单元的上端通过两根拉索7分别与两个窑侧支撑架上的第一滑轮8相连；优选的，同一竖向锚杆单元上方的两根拉索7交叉设置；优选的，所述加固系统还包括拱顶连接梁3，拱顶连接梁3设置在边跨或中跨的拱顶中心线上，并沿窑洞本体9的进深方向水平设置；拱顶连接梁3与窑洞本体9每跨中的所有拱圈支撑架均相连，利用拱顶连接梁3将每跨中的所有拱圈支撑架2拉结成整体。

竖向锚杆单元包括承载板4、U型固定架5、三铰滑轮组6、竖向锚杆本体16、第一连接套筒22、第三隔离套筒33、第四锚固螺栓34及两个第二连接套筒31；第三隔离套筒33贯穿设置在窑洞本体9的拱顶土体内，竖向锚杆本体16贯穿设置在第三隔离套筒33中；其中，竖向锚杆本体16与第三隔离套筒33的内壁之间设置有间隙；竖向锚杆本体16的下端贯穿拱圈支撑架2后，通过第三锚固螺栓34与拱圈支撑架2固定连接；U型固定架5设置在竖向锚杆本体16出露窑洞本体9的顶面处，三铰滑轮组6通过螺栓与U型固定架5连接；承载板4设置在窑洞本体9的顶面与U型固定架5之间；承载板4的上表面还设置有防水层，U型固定架5的底板与防水层26紧密接触。

三铰滑轮组6上设置有三个铰接孔，其中一个铰接孔位于三铰滑轮组6的下端，另外两个铰接孔对称设置在三铰滑轮组6的上端两侧；竖向锚杆本体16的上端贯穿U型固定架5后，通过第一连接套筒22与三铰滑轮组6下端的铰接孔相连；其中一根拉索7通过一个第二连接套筒31与三铰滑轮组6上端一侧的铰接孔相连，另一根拉索7通过另一个第二连接套筒31与三铰滑轮组6上端另一侧的铰接孔相连。

工作原理：

大量现场勘察及试验研究结果表面，窑洞的拱圈肩部与拱脚部位极易发生变形开裂破坏；其中，拱脚部位即窑腿顶部区域；针对窑洞的拱圈肩部及拱脚部位的复杂受力情况，将拱圈支撑架依据窑洞的拱圈形状制作，并紧贴窑洞拱圈内部安装，用于承担和平衡拱圈所受竖向压力，使拱圈受力趋于均匀；同时，将每跨中的所有拱圈支撑架，通过拱顶连接梁沿进深方向连接为整体，保证整个拱圈顶部的协调变形。

由于外部附加荷载和窑顶覆土自重产生的压力主要通过拱圈支撑架传递至两侧窑腿墙体中；通过设置拱圈支撑架，拱圈支撑架主要承受竖向压力，发生竖向变形；同时，窑洞拱圈对窑腿顶部区域产生向外侧的水平推力作用，窑腿顶部区域可能因此发生变形开裂；当窑腿受拱圈的水平推力产生变形趋势时，边跨或中跨的锚杆或锚索随之张紧，墙侧锚板对窑腿产生与受拱圈水平推力的方向相反的反向压力，使窑腿的顶部区域保持在原位；与此同时，与该跨相邻的左右两跨同样将产生类似的变形与受力趋势；当两侧相邻跨的锚杆或锚索张紧后，此跨的窑腿顶部区域内侧的锚板受到两侧相邻跨的拉力作用，锚板对窑腿产生指向相邻跨的压力，此时该跨窑腿处于三向受压平衡状态；对于边跨而言，通过在窑边腿内侧的锚板，用于锚固锚地索，锚地索穿过窑边腿后与该锚板固定，对锚地索施加拉力，保证锚地索水平受力；锚地索绕过下横梁上的第二滑轮后，最终锚定在地面上，保证窑边腿同样处于三向受压平衡状态；上述通过设置锚拉约束机构，构成类似自锁结构，大大提升了拱圈脚部，即窑腿顶部区域的抗压能力和抗裂能力，有效解决了窑腿顶部区域易发生开裂破坏的问题。

在地震等外力作用时，窑洞本身和支撑架机构均会受到地震力作用产生变形或位移，现有的中国专利申请“一种窑洞加固系统”(申请号：201910690440.7)中公开的锚杆半刚性连接机构，虽能通过锚杆将部分拱圈压力转移至支撑架承担，但当支撑架受地震力发生位移变形时，锚杆同样会产生相应位移变形；鉴于锚杆与窑洞、支撑架的刚性连接形式，可能将其因位移变形产生的附加应力反向传递给窑洞本体，进一步增大拱圈所需承担的外部荷载，甚至加重结构破坏程度。

针对上述问题，本发明通过将竖向锚杆本体贯穿设置在窑洞本体的顶部上部土体中，并贯穿窑顶的承载板后，将拱圈支撑架与U型固定架拉结，用于传递拱圈支撑架承担的压力；同时，将U型固定架与三铰滑轮组下端的铰接孔连接，其另外两个铰接孔通过连接套筒与交叉的拉索相连，并通过拉索与上横梁的第一滑轮铰接；其中，同一三铰滑轮组上方的两根拉索交叉布置，即一根拉索将三铰滑轮组上左侧的连接套筒与右侧立杆上横梁的第一滑轮连接，另一根拉索将右侧的连接套筒与左侧立杆横梁的第一滑轮连接。

仅重力作用下，拱圈支撑架所承担的部分荷载将由竖向锚杆本体传递至窑顶的拉索，最终经由立柱耗散于地基基础；在地震等附加外力作用下，当立柱与横梁发生位移变形时，由于拉索与三铰滑轮组、上横梁上的第一滑轮均为柔性连接，两处连接节点均允许发生相对转动；因此，能够通过拉索的摇摆错动和连接节点的微幅转动，使得竖向锚杆本体顶部的U型固定架在窑顶的相对位置保持不变，从而保证拉索对竖向锚杆本体的拉力始终沿其轴线作用。

当地震作用使得支撑架机构与窑洞本体均发生位移变形时，可通过拉索缓冲、协调二者间的位移变形差异，即在支撑架机构发生较大变形时，能够通过拉索的松弛、转动或摇摆避免将支撑架机构因变形产生的应力传递至窑洞本体；当窑洞本体发生较大位移变形时，可通过摇摆系统使竖向锚杆本体保持轴向受力，将拱圈支撑架所承担的部分荷载转由支撑架系统承担，耗散地震能量，使窑洞本体应力分布趋于均匀。

本发明中，锚拉约束机构主要解决了窑洞拱圈脚部，即两侧窑腿顶部区域容易因较大压力、推力作用发生变形开裂破坏的问题；悬吊摇摆机构主要通过柔性约束与铰接技术缓冲、隔离了支撑架系统与窑洞本体的变形差异，解决了地震等外力作用下传统刚性连接的支撑架机构可能在变形较大时将其自身内力传递至窑洞本体，加重结构破坏的问题；同时，保证在常规重力荷载作用下能够有效分担拱圈压力。

实施例

如附图1-16所示，本实施例提供了一种独立式窑洞加固系统，以下以某三跨独立式窑洞为例，对所述独立式窑洞加固系统的技术方案进行详细说明；所述的三跨独立式窑洞包括两个边跨以及设置在两个边跨之间的中跨；本实施例所述的独立式窑洞加固系统，包括锚拉约束机构、支撑架机构及悬吊摇摆机构。

本实施例中，锚拉约束机构及悬吊摇摆机构均沿窑洞本体9的进深方向间隔设置，设置个数为三个；相邻的锚拉约束机构或悬吊摇摆机构的间距相等设置，其安装位置视窑洞本体的实际受力或残损情况而定；支撑架机构包括对称设置在窑洞本体的两个窑边腿外侧的窑侧支撑架，窑侧支撑架与窑边腿之间的距离为1.5-3.0m。

锚拉约束机构包括锚杆13、锚索14、第一锚板15、锚地索18、T型抗弯构件25、第一锚固螺栓28、第一隔离套筒29、第二隔离套筒、第二锚板、第二锚固螺栓、第三锚板及第三锚固螺栓。

窑洞本体9的相邻跨的锚杆13与锚索14之间，或相邻跨的锚索14与锚索14之间，在窑洞本体9的进深方向上错开0.3m；锚杆13水平设置在窑洞本体9的边跨中，锚杆13的两端分别贯穿固定在边跨的两侧窑腿墙体中，其中，锚杆13的锚固点位于边跨的窑腿与拱圈交界点处；锚索14水平设置在窑洞本体9的中跨中，锚索14的两端分别贯穿固定在中跨的两侧窑腿墙体中；其中，锚索14的锚固点位于中跨的窑腿与拱圈交界点处；锚地索18对称设置在窑洞本体9的窑边腿外侧，锚地索18的一端贯穿固定在窑边腿中，另一端绕过窑侧支撑架后锚固在地面1上；其中，锚地索18与窑边腿的锚固点位于窑边腿与拱圈交界点处。

两边跨的锚杆13、锚地索18及其锚固结构旨在保护边跨的窑腿土体，中跨的锚索及其锚固结构旨在保护中跨的窑腿土体。

在两边跨中采用适宜长度的锚板13，在窑腿与拱圈交界处开设墙体锚杆孔，锚杆13穿过墙体锚杆孔，同时插进第一隔离套筒29；其中，第一隔离套筒29的长度等于所在窑腿墙体上的墙体锚杆孔的开孔深度，第一隔离套筒29与锚杆13之间设置有空腔27；锚杆13的两端分别通过第一锚板15及第一锚固螺栓28与边跨的两侧窑腿墙体固定连接；其中，锚杆13位于窑腿本体9的窑边腿外侧的锚固端处还设置有T型抗弯构件25；T型抗弯构件25设置在第一锚板15与第一锚固螺栓28之间，T型抗弯构件25为预制构件，第一锚板15与T型抗弯构件25通过焊缝焊接；T型抗弯构件25采用预制的T型钢板件，T型钢板件的水平段位于竖直段的上方，水平段与竖直段的交点处设置有受压锚孔17，竖直段的端部设置有贯穿锚孔35；受压锚孔17与墙体锚杆孔对应设置，锚杆13的外伸锚固端贯穿第一锚板15上的第一锚孔及T型钢板件的受压锚孔17后，通过第一锚固螺栓28锚固固定；贯穿锚孔35用于锚地索18贯穿通过。

本实施例中，锚杆13采用Φ20的螺纹钢筋，墙体锚杆孔的孔径为50mm；第一隔离套筒29的直径尺寸为40mm，壁厚为5mm，长度与墙体锚杆孔的长度相同；第一锚板15采用40cm见方的钢板，厚度为10mm；T型抗弯构件25的厚度为10mm，受压锚孔17的孔径为30mm，贯穿锚孔35的孔径为30mm。

在中跨中采用适宜长度的锚索14，在中跨的两侧窑腿墙体上设置有墙体锚索孔，墙体锚索孔位于中跨的窑腿与拱圈交界点处；锚索14穿过墙体锚索孔，同时插进第二隔离套筒；其中，第二隔离套筒29的长度等于所在窑腿墙体上的墙体锚索孔的开孔深度，第二隔离套与锚索14之间设置间隙；锚索14的两个锚固端分别贯穿设置在第二隔离套筒中，并分别通过第二锚板及第二锚固螺栓与中跨的两侧窑腿墙体固定，使其与中跨的两侧窑腿墙体连成整体发挥锚固作用。

本实施例中，锚索14采用直径为10mm的钢绞线，墙体锚索孔的孔径为50mm；第二隔离套筒的直径为40mm，壁厚为5mm，长度与墙体锚索孔的开孔深度相同；第二锚板采用40cm见方的钢板，厚度为10mm。

锚地索18对称设置在窑洞本体9的窑边腿外侧，锚地索18的一端贯穿固定在窑边腿中，另一端绕过窑侧支撑架后锚固在地面1上；其中，锚地索18与窑边腿的锚固点位于窑边腿与拱圈交界点处；窑边腿上设置有边腿锚索孔，边腿锚索孔位于窑边腿与拱圈交界点处，且位于锚杆13的外伸锚固端下方；锚地索18的一端依次贯穿T型抗弯构件25的贯穿锚孔35、第一锚板15的第二锚孔及边腿锚索孔后，通过第三锚板及第三锚固螺栓与窑边腿的内侧墙壁固定；锚地索18的另一端绕过窑侧支撑架后与地面1锚固固定。

本实施例中，锚地索18采用直径为10mm的钢绞线，锚地索18与地面1的锚固点处，采用通过套筒螺栓，在浇筑C20细石混凝土时连接至地面，并进行混凝土龄期内养护固定。

支撑架机构包括两个窑侧支撑架，两个窑侧支撑架对称设置在窑顶本体9的两侧，且与窑洞本体9的窑边腿平行设置；窑侧支撑架与窑边腿外侧面之间的距离为1.5-3.0m；窑侧支撑架包括若干第一滑轮8、两根立柱10、若干第二滑轮11、上横梁19及下横梁20；立柱10竖向平行设置在窑边腿的外侧，其中一根立柱靠近窑洞本体9的前端设置，另一根立柱靠近窑洞本体9的后端设置；上横梁19与下横梁20上下平行设置在前后两根立柱之间，且均沿窑洞本体9的进深方向水平设置；上横梁19的两端分别与前后两根立柱的顶端固定，上横梁19的安装高度大于窑洞本体9的顶面高度；若干第一滑轮8间隔设置在上横梁19上，拉索7通过第一滑轮8与上横梁19柔性铰接；其中，第一滑轮8的个数与悬吊摇摆机构的个数相匹配。

下横梁20的两端分别与前后两根立柱的中下部固定，下横梁20的安装高度和窑腿与拱圈交界点处的高度相适应；若干第二滑轮11间隔设置在下横梁20上，锚地索18绕过第二滑轮11后与地面1固定；其中，第二滑轮11的个数与锚地索18的个数相匹配，锚地索18与第二滑轮11的顶部紧密接触。

本实施例中，窑侧支撑架采用预制钢架结构，立柱10采用槽钢，上横梁与立柱之间采用焊接固定，下横梁与立柱之间采用焊接固定；立柱10与窑边腿间隔设置，立柱10与窑边腿之间的距离为1.5-3.0m，立柱10的下端两侧对称设置有斜撑12，斜撑12采用45mmx5mm的等边角钢，两个等边角钢背靠背设置，斜撑12的上端与立柱10焊接固定，下端通过锚地螺栓21与地面1固定，以保证窑侧支撑架的稳定性；立柱10在地面基础中的埋深为0.5m，并采用C20细石混凝土浇筑并分两层浇筑；优选的，立柱10采用16#a型热轧普通槽钢，角钢，。

上横梁采用16#工字钢梁，工字钢梁的腹板竖向设置；第一滑轮8包括滑轮本体及滑轮支座，滑轮支座水平固定在工字钢梁的腹板上，且靠近窑洞本体9一侧设置；滑轮支座通过固定螺栓24与工字钢梁的腹板相连，滑轮本体转动安装在滑轮支座中，滑轮本体的直径为8cm；第一滑轮的个数与拉索7的根数相匹配；下横梁采用直径20mm圆形截面钢管梁，第二滑轮套在钢管梁上，第二滑轮的直径为10cm，第二滑轮的个数与锚地索的根数相匹配。

本实施例中，通过立柱、上横梁、下横梁、第一滑轮及第二滑轮的组合形成窑侧支撑架，使得窑侧支撑架能够固接于地面，保证窑侧支撑架在地震作用下，同锚拉约束机构和悬吊摇摆机构连接时形成完备的受力体系，同时使窑侧支撑架具有一定释放变形和能力的空间。

悬吊摇摆机构沿窑洞本体9的进深方向间隔设置，包括拱圈支撑架、竖向锚杆单元及两根拉索7；拱圈支撑架2紧贴窑洞本体9的拱顶设置；竖向锚杆单元贯穿设置在窑洞本体9的拱顶上部土体内；竖向锚杆单元的下端与拱圈支撑架2固定，竖向锚杆单元的上端通过两根拉索7分别与两个窑侧支撑架上的第一滑轮8相连；优选的，同一竖向锚杆单元上方的两根拉索7交叉设置，拉索7与第一滑轮8的铰接端，采用第三连接套筒32固定形成铰接环，铰接环套设在第一滑轮8的滑轮本体上。拱圈支撑架2采用U形槽钢制成，拱圈支撑架2的几何形状与窑洞拱顶下表面贴合，U形槽钢腿部朝向窑洞拱顶内凹一侧，U形槽钢的顶部设置竖向锚孔23，用于竖向锚杆本体16贯穿；U形槽钢的腿部设置水平锚孔，用于锚杆或锚索贯穿。

所述加固系统还包括拱顶连接梁3，拱顶连接梁3设置在边跨或中跨的拱顶中心线上，并沿窑洞本体9的进深方向水平设置；拱顶连接梁3与窑洞本体9每跨中的所有拱圈支撑架均相连，利用拱顶连接梁3将每跨中的所有拱圈支撑架2拉结成整体。

本实施例中，拱圈支撑架2的外形尺寸与窑洞拱顶尺寸相配合，拱圈支撑架2的上表面与窑洞拱顶贴合设置，每跨的拱圈支撑架2之间通过拱顶连接梁3拉结成整体；优选的，拱顶连接梁3采用预制槽钢，拱顶连接梁3沿窑洞的进深方向设置，拱圈支撑架2配合设置在拱顶连接梁3内，并通过螺栓固定连接；相邻两个拱圈支撑架2限制了拱圈上部土体位移，同时在相邻两个拱圈支撑架2之间设置的拱顶连接梁3有效限制了两个拱圈支撑架2之间的土体的竖向变形，并将各个拱圈支撑架2连接为整体，保证了窑洞拱顶上部土体的整体性而不易破坏。

竖向锚杆单元包括承载板4、U型固定架5、三铰滑轮组6、竖向锚杆本体16、第一连接套筒22、第三隔离套筒33、第四锚固螺栓34及两个第二连接套筒31；第三隔离套筒33贯穿设置在窑洞本体9的拱顶土体内，竖向锚杆本体16贯穿设置在第三隔离套筒33中；其中，竖向锚杆本体16与第三隔离套筒33的内壁之间设置有间隙；竖向锚杆本体16的下端贯穿拱圈支撑架2后，通过第三锚固螺栓34与拱圈支撑架2固定连接；U型固定架5设置在竖向锚杆本体16出露窑洞本体9的顶面处，三铰滑轮组6通过螺栓与U型固定架5连接；承载板4设置在窑洞本体9的顶面与U型固定架5之间；承载板4的上表面还设置有防水层，U型固定架5的底板与防水层26紧密接触；竖向锚杆本体16的上端加上承载板紧贴土体但并不连接，以此保证竖向锚杆本体16具有预设的竖向位移来减轻地震作用。

在地震作用下，三铰滑轮组6和竖向锚固本体形成一个整体，通过拉索7与支撑架机构连接，使得窑洞土体在悬吊摇摆机构的保护下分散了地震作用，使得窑洞整体具有一定释放变形的能力，有效减轻了地震作用造成的危害，并能够有效预防了窑洞上部覆土的裂缝产生。

三铰滑轮组6上设置有三个铰接孔，其中一个铰接孔位于三铰滑轮组6的下端，另外两个铰接孔对称设置在三铰滑轮组6的上端两侧；竖向锚杆本体16的上端贯穿U型固定架5后，通过第一连接套筒22与三铰滑轮组6下端的铰接孔相连；其中一根拉索7通过一个第二连接套筒31与三铰滑轮组6上端一侧的铰接孔相连，另一根拉索7通过另一个第二连接套筒31与三铰滑轮组6上端另一侧的铰接孔相连。

本实施例中，拱圈支撑架2沿窑洞的进深方向间隔布设，拱圈支撑架2数量为每跨三个，拱圈支撑架2采用10#热轧普通槽钢；拱顶连接梁3采用预制的16#a热轧普通槽钢，拱顶连接梁3沿窑洞的进深方向设置3个；在拱圈顶部开直径50mm的锚孔，竖向锚杆本体采用直径为Φ20的螺纹钢筋，竖向锚杆本体的下端与拱圈2连接；竖向锚杆本体的上端伸出窑洞顶面后，先穿过承载板的孔连接至承载板4；承载板4采用30cm见方的钢板，厚度取10mm；后通过第一螺栓连接套筒至U型固定架5，中间铺设APP改性沥青防水卷材作为防水层，U型固定架5与三铰滑轮组6通过螺栓连接，三铰滑轮组6通过第二连接套筒和拉索7与第一滑轮连接；通过在窑洞顶面处设置防水层，避免窑洞顶面的积水通过锚板孔渗入窑洞拱顶和窑洞内，保证锚固机构和拱圈支撑机构的正常使用，同时防止雨水的侵蚀造成土体湿陷或垮塌。

本实施例所述的独立式窑洞加固系统，在锚拉约束机构和悬吊摇摆机构中，由于外部荷载或窑洞自重变形产生的窑顶附加土压力，通过拱圈支撑架传递至两边跨的锚杆、中跨的锚索和窑边腿外侧的锚索接地。

当窑洞拱圈上部土体由于外力和自重作用产生附加荷载进而发生变形时，锚杆、锚索及锚地索随之张紧，确保拱圈支撑架保持在原位；加上锚杆、锚索及锚地索的锚固件的约束作用，使得窑腿土体处于三向受压的平衡状态；锚杆、锚索及锚地索可约束窑腿变形，防止窑洞由外部荷载或窑洞自重变形产生的附加土压力造成各跨两侧腰腿发生土体大面积外鼓或变形开裂。

同时，拱圈支撑上部土体的变形通过拱圈支撑架加以限制；具体的，由外部荷载或窑洞变形产生的附加土压力通过拱圈支撑架和拱顶连接梁传递至拱圈拱脚两端，然后通过固定于拱圈支撑架两端底部的锚杆、锚索及锚地索传递至窑洞腿部，最终将其荷载传递至地面。

在支撑架机构和悬吊摇摆机构中，窑洞拱顶上部砖石和土体的变形通过拱圈支撑架加以限制，拱圈支撑架下部通过锚固螺栓与拱顶连接梁紧紧连接，拱圈支撑架上部连接有拱顶到覆土的竖向锚杆本体，竖向锚杆本体通过连接套筒与三铰滑轮组连接，三铰滑轮组通过连接套筒与拉索连接，使得上部土体的一部分自重由拉结钢索承担，进而通过钢索传递至支撑架机构，最终传递到地面。

在地震作用下，由于拉索和三铰滑轮组间可相对转动，窑洞土体产生的水平位移可通过悬吊摇摆系统进行缓冲，传递至支撑架系统的钢架上，因此可以有效释放地震作用下窑洞整体的能量，维持窑洞的整体稳定性和小变形；在支撑架机构中，上横梁通过第一滑轮与悬吊摇摆机构中的拉索连接，因此有效地分担了自重和地震作用力；下横梁20通过第二滑轮与锚地索连接，锚地索一端连入边跨窑腿，一端通过第二滑轮与地面连接，可保证支撑系统的稳定性。

本实施例能够有效增强窑洞的整体性和稳定性，解决因窑洞拱顶上部土体自重和附加荷载而造成窑洞的窑腿两侧变形的裂缝问题，可以有效防止因上部承载力过大而产生两边外鼓和坍塌的破坏，并且通过拉索与窑侧支撑架的柔性连接，具有一定释放变形和能量的空间，有效减轻地震作用造成的危害。

本发明所述的独立式窑洞加固系统，经济成本较低，操作简便，可在广大农村独立式窑洞建筑聚集地内广泛推广；采用所述的加固系统对独立式窑洞进行加固时，能够解决因独立式窑洞拱顶上部土体自重和附加荷载而造成窑洞的窑腿两侧变形的裂缝问题，可以有效防止因上部承载力过大而产生两边坍塌的行为，并且支撑架机构和悬吊摇摆机构具有释放变形和能量的空间，有效减轻了地震作用造成的危害。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (9)

1.一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，包括锚拉约束机构、支撑架机构及悬吊摇摆机构；锚拉约束机构沿窑洞本体(9)的进深方向间隔设置，锚拉约束机构设置在窑洞本体(9)的窑腿与拱圈交界点处，用于对窑腿产生反向压力；其中，反向压力的方向与窑腿受拱圈的水平推力的方向相反，以使窑腿处于三向受压平衡状态；

支撑架机构包括两个窑侧支撑架，两个窑侧支撑架对称设置在窑洞本体(9)的两侧，且与窑洞本体(9)的窑边腿平行设置；

悬吊摇摆机构沿窑洞本体(9)的进深方向间隔设置，包括拱圈支撑架、竖向锚杆单元及两根拉索(7)；拱圈支撑架(2)紧贴窑洞本体(9)的拱顶设置；竖向锚杆单元贯穿设置在窑洞本体(9)的拱顶上部土体内；竖向锚杆单元的下端与拱圈支撑架(2)固定，竖向锚杆单元的上端通过两根拉索(7)分别与两个窑侧支撑架柔性铰接；其中，两个拉索(7)交叉设置；

锚拉约束机构包括锚杆(13)、锚索(14)及锚地索(18)；

锚杆(13)水平设置在窑洞本体(9)的边跨中，锚杆(13)的两端分别贯穿固定在边跨的两侧窑腿墙体中；其中，锚杆(13)的锚固点位于边跨的窑腿与拱圈交界点处；

锚索(14)水平设置在窑洞本体(9)的中跨中，锚索(14)的两端分别贯穿固定在中跨的两侧窑腿墙体中；其中，锚索(14)的锚固点位于中跨的窑腿与拱圈交界点处；

锚地索(18)对称设置在窑洞本体(9)的窑边腿外侧，锚地索(18)的一端贯穿固定在窑边腿中，另一端绕过窑侧支撑架后锚固在地面(1)上；其中，锚地索(18)与窑边腿的锚固点位于窑边腿与拱圈交界点处。

2.根据权利要求1所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，边跨的两侧窑腿墙体上设置墙体锚杆孔，墙体锚杆孔位于边跨的窑腿与拱圈交界点处；墙体锚杆孔中固定穿设有第一隔离套筒(29)，锚杆(13)贯穿设置在第一隔离套筒(29)中；锚杆(13)的两端分别通过第一锚板(15)及第一锚固螺栓(28)与边跨的两侧窑腿墙体固定连接；其中，锚杆(13)位于窑洞本体(9)的窑边腿外侧的锚固端处还设置有T型抗弯构件(25)，T型抗弯构件(25)设置在第一锚板(15)与第一锚固螺栓(28)之间。

3.根据权利要求1所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，中跨的两侧窑腿墙体上设置有墙体锚索孔，墙体锚索孔位于中跨的窑腿与拱圈交界点处；墙体锚索孔中固定穿设有第二隔离套筒；锚索(14)贯穿设置在第二隔离套筒中，锚索(14)的两端分别通过第二锚板及第二锚固螺栓与中跨的两侧窑腿墙体固定。

4.根据权利要求1所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，窑边腿上设置有边腿锚索孔，边腿锚索孔位于窑边腿与拱圈交界点处；锚地索(18)的一端贯穿边腿锚索孔后，通过第三锚板及第三锚固螺栓与窑边腿固定；锚地索(18)的另一端绕过窑侧支撑架后与地面(1)锚固固定。

5.根据权利要求1所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，窑侧支撑架包括若干第一滑轮(8)、两根立柱(10)、若干第二滑轮(11)、上横梁(19)及下横梁(20)；立柱(10)竖向平行设置在窑边腿的外侧，其中一根立柱靠近窑洞本体(9)的前端设置，另一根立柱靠近窑洞本体(9)的后端设置；上横梁(19)与下横梁(20)上下平行设置在前后两根立柱之间，且均沿窑洞本体(9)的进深方向水平设置；

上横梁(19)的两端分别与前后两根立柱的顶端固定，上横梁(19)的安装高度大于窑洞本体(9)的顶面高度；若干第一滑轮(8)间隔设置在上横梁(19)上，拉索(7)通过第一滑轮(8)与上横梁(19)柔性铰接；

下横梁(20)的两端分别与前后两根立柱的中下部固定，下横梁(20)的安装高度和窑腿与拱圈的交界点处的高度相适应；若干第二滑轮(11)间隔设置在下横梁(20)上，锚地索(18)绕过第二滑轮(11)后与地面(1)固定。

6.根据权利要求5所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，立柱(10)与窑边腿之间的间距为1.5-3.0m，立柱(10)的下端两侧对称设置有斜撑(12)，斜撑(12)的上端与立柱(10)固定连接，下端通过锚地螺栓(21)与地面(1)固定。

7.根据权利要求1所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，所述加固系统还包括拱顶连接梁(3)；拱顶连接梁(3)设置在边跨或中跨的拱顶中心线上，并沿窑洞本体(9)的进深方向水平设置；拱顶连接梁(3)与窑洞本体(9)每跨中的所有拱圈支撑架均相连。

8.根据权利要求1所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，竖向锚杆单元包括U型固定架(5)、三铰滑轮组(6)、竖向锚杆本体(16)、第一连接套筒(22)、第三隔离套筒(33)、第四锚固螺栓(34)及两个第二连接套筒(31)；

第三隔离套筒(33)贯穿设置在窑洞本体(9)的拱顶土体内，竖向锚杆本体(16)贯穿设置在第三隔离套筒(33)中；竖向锚杆本体(16)的下端贯穿拱圈支撑架(2)后，通过第四锚固螺栓(34)与拱圈支撑架(2)固定连接；

U型固定架(5)设置在竖向锚杆本体(16)出露窑洞本体(9)的顶面处，三铰滑轮组(6)通过螺栓与U型固定架(5)连接；三铰滑轮组(6)上设置有三个铰接孔，其中一个铰接孔位于三铰滑轮组(6)的下端，另外两个铰接孔对称设置在三铰滑轮组(6)的上端两侧；

竖向锚杆本体(16)的上端贯穿U型固定架(5)后，通过第一连接套筒(22)与三铰滑轮组(6)下端的铰接孔相连；其中一根拉索(7)通过一个第二连接套筒(31)与三铰滑轮组(6)上端一侧的铰接孔相连，另一根拉索(7)通过另一个第二连接套筒(31)与三铰滑轮组(6)上端另一侧的铰接孔相连。

9.根据权利要求7所述的一种独立式窑洞加固系统，其特征在于，竖向锚杆单元还包括承载板(4)；承载板(4)设置在窑洞本体(9)的顶面与U型固定架(5)之间；承载板(4)的上表面还设置有防水层，U型固定架(5)的底板与防水层(26)紧密接触。

Images