CN114922663B - 大变形隧道渐进式多级让压支护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大变形隧道渐进式多级让压支护装置,属于隧道工程建筑辅助设备技术领域,包括挤压套管和可缩套管,可缩套管上端连接钢拱架,下端套接在挤压套管内,挤压套管内壁均布有多个挤压部,可缩套管壁厚从下端至上端方向逐渐增加,以适于支护阻力平缓过渡,钢拱架挤压可缩套管向下移动,多个挤压部挤压可缩套管且支护阻力逐渐增加,可缩套管沿其径向收缩并逐渐向挤压套管内部移动延伸,提高多级让压支护稳定性和让压过程连贯。本发明提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置,属于隧道工程建筑辅助设备,具有结构稳定性好,紧固连接稳定,成本低廉,可提供多级支护阻力且支护阻力平稳过渡,结构安全可靠,让压过程连贯的技术效果。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程建筑辅助设备技术领域,更具体地说,是涉及一种大变形隧道渐进式多级让压支护装置。
背景技术
随着我国经济的繁荣发展,越来越多的铁路和公路隧道正在逐步建设,建设隧道工程时,遇到的高地应力软岩大变形隧道建设是需要进行研讨、严肃对待的技术难题,无论是施工中还是施工后的维护运营阶段,大变形隧道都是涉及隧道使用安全,关乎人民生命安全的亟待解决的难题。
隧道支护装置属于隧道工程建筑辅助设备,为减轻隧道大变形对隧道的破坏,保护人民生命财产安全,面临隧道大变形问题的隧道一般会采取使用高强度的刚性支护,如增加喷射混凝土的喷射厚度,加强钢拱架数量、增加锚杆数量和提升锚杆刚度等措施来提升隧道的承载能力,减少围岩大变形的程度,以达到保护隧道的目的。这几种方法在一定程度上解决了隧道大变形的危害,但隧道仍旧承受着较大的变形压力,隧道附近围岩的内部能量得不到释放,没有解决隧道大变形的控制问题,仍然会对隧道使用的造成安全隐患,且通过提升隧道支护刚度就意味着成本的增加,这并不是节省经济成本的选择。
随着越来越多的隧道建设遇到大变形的问题,对大变形的认识与研究得到进一步发展,对抗大变形隧道的理念从“强支硬顶”逐步转变为能够起一定支撑作用的“抗压”与释放一部分围岩内应力的“让压”相结合,让压支护在能够提供一定支护抗力的前提下减少围岩压力,释放围岩内部能量,这种支护方式更为科学有效,且能节省“强支硬顶”所采取的高强度支护的成本。为实现让压的目的,国内外也采取了一些让压支护措施,其中分级让压支护,可以有效提高不同等级的支护阻力,可以对隧道围岩变形进行有效控制,但实验及实践中仍存在稳定性不足的问题,让压过程不连贯等问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大变形隧道渐进式多级让压支护装置,旨在解决大变形隧道多级让压支护时稳定性不足,不同支护阻力之间让压过程不连贯的技术问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:提供一种大变形隧道渐进式多级让压支护装置,包括挤压套管和可缩套管,挤压套管的内壁沿圆周向均匀设有多个挤压部,下端用于连接一钢拱架;可缩套管置于所述挤压套管上端,上端适于连接另一钢拱架、下端适于嵌套于所述挤压套管内并均被多个所述挤压部挤压,所述可缩套管壁厚从下端至上端方向逐渐增加;其中,大变形隧道围岩压力作用于钢拱架上,钢拱架挤压所述可缩套管向下移动,多个所述挤压部挤压所述可缩套管且挤压阻力逐渐增加,所述可缩套管沿其径向收缩并逐渐向所述挤压套管内部移动延伸,以提高多级让压支护稳定性,实现支护阻力平缓过渡和让压过程连贯。
在一种可能的实现方式中,所述可缩套管从下端至上端方向依次分为嵌入稳定部、初步挤压部、过渡挤压部和挤压增强部,所述嵌入稳定部适于在支护前嵌套于所述挤压套管内,所述挤压增强部上端适于连接钢拱架。
在一种可能的实现方式中,所述可缩套管内设有稳定板,所述稳定板适于支撑所述可缩套管并助于所述可缩套管让压变形,所述稳定板沿所述可缩套管轴向与所述可缩套管接触。
在一种可能的实现方式中,所述可缩套管内部设有沿圆周向支撑的所述可缩套管的支撑卡盘,所述支撑卡盘连接于所述稳定板上,所述支撑卡盘位于所述初步挤压部和所述过渡挤压部相接处。
在一种可能的实现方式中,所述挤压部呈长条型板状结构,所述挤压部上端面与所述挤压套管上端面平齐,且上端面从靠近所述挤压套管的一端至另一端设置为逐渐向下延伸的光滑圆弧面,所述可缩套管下端外周壁抵靠于所述光滑圆弧面上。
在一种可能的实现方式中,所述可缩套管下端沿圆周向均匀设有多个对接槽,多个所述对接槽分别一一对应多个所述挤压部设置,所述对接槽适于对接所述挤压部。
在一种可能的实现方式中,所述稳定板包括两个交叉设置成十字形的板体,所述板体端部均抵靠所述可缩套管内壁,所述板体上沿所述可缩套管轴向的两端均延伸至所述可缩套管端部,所述板体的宽度沿所述可缩套管高度方向从下至上逐渐减小,以适配所述可缩套管壁厚变化。
在一种可能的实现方式中,所述支撑卡盘包括四个直角扇形板且在所述直角扇形板上的弧形边上具有向内凹陷的弧形豁口,所述直角扇形板适于沿圆周向抵靠所述可缩套管内壁,所述直角扇形板上相邻两个直角边分别对应连接所述稳定板上呈直角设置的两个相邻所述板体。
在一种可能的实现方式中,所述可缩套管外径从下至上相同,所述可缩套管内径从下至上逐渐减小。
在一种可能的实现方式中,所述可缩套管上端固设有连接架,所述连接架上具有多个安装孔,钢拱架通过多个连接件与多个所述安装孔固定连接。
本发明提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的有益效果在于:与现有技术相比,本发明大变形隧道渐进式多级让压支护装置属于建筑施工辅助设备的一种,包括挤压套管和可缩套管,可缩套管上端连接钢拱架,下端套接在挤压套管内,挤压套管内壁均布有多个挤压部,可缩套管壁厚从下端至上端方向逐渐增加,以适于让压支护时渐进式,钢拱架挤压可缩套管向下移动,多个挤压部挤压可缩套管且挤压阻力逐渐增加,可缩套管沿其径向收缩并逐渐向挤压套管内部移动延伸,以提高多级让压支护稳定性,实现支护阻力平缓过渡和让压过程连贯,解决大变形隧道多级让压支护时稳定性不足,支护阻力突变和让压过程不连贯的技术问题,具有结构稳定性好,紧固连接稳定,成本低廉,可提供多级支护阻力且不同支护阻力平稳过渡,结构安全可靠,让压过程连贯的技术效果,同时也能起到对两个钢拱架的紧固或固定,也可属于固定构件或连接件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例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本发明的一些实施例,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,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的剖面立面结构示意图;
图3为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的挤压套管立体结构示意图;
图4为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的挤压套管和可缩套管组合后连接处俯视图;
图5为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的可缩套管立体结构示意图;
图6为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的可缩套管正立面剖面图;
图7为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的剖面立面另一角度结构示意图;
图8为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的支撑卡盘结构示意图;
图9为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的稳定板结构示意图;
图10为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的稳定板与支撑卡盘配合连接后结构示意图;
图11为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的稳定板与支撑卡盘配合连接后安装于可缩套管内部的结构示意图;
图12为图11的立面剖面图;
图13为本发明实施例提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置的连接架与可缩套管连接结构示意图。
附图标记说明:
10、挤压套管;11、挤压部;12、光滑圆弧面;
20、可缩套管;21、嵌入稳定部;22、初步挤压部;23、过渡挤压部;24、挤压增强部;25、对接槽;
30、稳定板;
40、支撑卡盘;41、直角扇形板;42、弧形豁口;
50、连接架;51、安装孔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。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。
请一并参阅图1至图13,现对本发明提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置进行说明。所述大变形隧道渐进式多级让压支护装置,既属于施工用具或建筑辅助设备技术领域,又属于紧固或固定构件或连接件技术领域,本装置包括挤压套管10和可缩套管20,挤压套管10的内壁沿圆周向均匀设有多个挤压部11,下端用于连接一钢拱架;可缩套管20置于挤压套管10上端,上端适于连接另一钢拱架、下端适于嵌套于挤压套管10内并均被多个挤压部11挤压,可缩套管20壁厚从下端至上端方向逐渐增加;其中,大变形隧道围岩压力作用于钢拱架上,钢拱架挤压可缩套管20向下移动,多个挤压部11挤压可缩套管20且挤压阻力逐渐增加,可缩套管20沿其径向收缩并逐渐向挤压套管10内部移动延伸,以提高多级让压支护稳定性,实现支护阻力平缓过渡和让压过程连贯。
本发明提供的大变形隧道渐进式多级让压支护装置,属于隧道工程建筑辅助设备,与现有技术相比,可缩套管20上端连接钢拱架,下端套接在挤压套管10内,挤压套管10内壁均布有多个挤压部11,可缩套管20壁厚从下端至上端方向逐渐增加,以适于让压支护时渐进式,钢拱架挤压可缩套管20向下移动,多个挤压部11挤压可缩套管20且挤压阻力逐渐增加,可缩套管20沿其径向收缩并逐渐向挤压套管10内部移动延伸,以提高多级让压支护稳定性,实现支护阻力平缓过渡和让压过程连贯,解决大变形隧道多级让压支护时稳定性不足,支护阻力突变和让压过程不连贯的技术问题,具有结构稳定性好,紧固连接稳定(主要表现为与钢拱架的紧固连接),成本低廉,可提供多级支护阻力且不同支护阻力平稳过渡,结构安全可靠,让压过程连贯的技术效果,同时也能起到对两个钢拱架的紧固或固定,也可属于固定构件或连接件,且能保证有足够连接强度。
本发明可在钢拱架的肩部、腰部与钢拱架进行稳固紧密连接,可实现多级支护阻力,且多级支护阻力平缓过渡,避免阻力骤升对隧道造成安全隐患,可缩套管20下方嵌入到挤压套管10内,可提升整体稳定性和抗扭性能,本发明的装置结构组成简单,成本低廉,易于拼装,且支护阻力过渡平缓,因而在大变形隧道中更好的发挥稳定让压的作用。可缩套管20上端和挤压套管10下端分别连接不同的钢拱架,这两个钢拱架沿着隧道的环向呈上下设置,本发明设置在这两个钢拱架之间,通过本发明能够实现两个钢拱架间支护阻力的平缓过渡。
在一些实施例中,请参阅图1至图13,可缩套管20从下端至上端方向依次分为嵌入稳定部21、初步挤压部22、过渡挤压部23和挤压增强部24,嵌入稳定部21适于在支护前嵌套于挤压套管10内,挤压增强部24上端适于连接钢拱架。如有需求可在可缩套管20的本身结构的基础上,叠加过渡挤压部23和挤压增强部24,即在该可缩套管20的内部增加一个新的套管,使新套管套接在可缩套管20内壁上,且位于过渡挤压部23和挤压增强部24的位置,这样就增强了可缩套筒的结构强度,可提升结构承载。可缩套管20的嵌入稳定部21与挤压套管10连接后稳固,以达到一个初始稳定的状态,在压力作用下,挤压套管10挤压可缩套管20径向收缩并向挤压套管10内进行嵌套。
具体的,依次设置嵌入稳定部21、初步挤压部22、过渡挤压部23和挤压增强部24的内径逐渐减小。在多级支护阻力之间,通过设置的不同壁厚的可缩套管20,实现在让压过程中连贯,不同支护阻力之间平稳过渡。而且整体结构稳定性好。可缩套管20和挤压套管10横截面均为圆环形,且制作材料均为金属材料或高分子材料。
挤压套管10可以发挥挤压的功能,可缩套管20可以提供一定的支护能力的同时,在压力很大时发挥稳定让压的功能。
具体的,嵌入稳定部21和初步挤压部22的壁厚相同,挤压增强部24的壁厚大于初步挤压部22的壁厚,过渡挤压部23的壁厚从下至上呈逐渐增大状设置,下端的壁厚与过渡挤压部23的壁厚相同,上端的壁厚与挤压增强部24的壁厚相同。
为了进一步增加可缩套管20的稳定性能,在一些实施例中,请参阅图1至图13,可缩套管20内设有稳定板30,稳定板30适于支撑可缩套管20并助于可缩套管20让压变形,稳定板30沿可缩套管20轴向与可缩套管20接触。稳定板30将可缩套管20撑起,从而增加结构稳定性。稳定板30焊接在可缩套管20内部,可从可缩套管20的下端装入并与可缩套管20内壁焊接。
为了进一步增加可缩套管20的稳定性能,在一些实施例中,请参阅图1至图13,可缩套管20内部设有沿圆周向支撑的可缩套管20的支撑卡盘40,支撑卡盘40连接于稳定板30上,支撑卡盘40位于初步挤压部22和过渡挤压部23相接处。稳定板30将可缩套管20撑起,从而增加结构稳定性。支撑卡盘40不影响可缩套管20的让压变形,起到对可缩套管20结构薄弱处的保护作用。稳定板30和支撑卡盘40均为金属板且具有一定厚度,稳定板30轮廓与可缩套管20内壁贴合。支撑卡盘40起到保护作用,稳定板30与可缩套管20让压变形部位错开,有助于可缩套管20让压变形并使得本发明整体稳定性提升,稳定板30侧面轮廓(宽度)下部宽上部窄,可在一定程度上应对本发明受到偏压的影响。支撑卡盘40的设置高度或位置也不会影响可缩套管20的让压变形。
在一些实施例中,请参阅图1至图13,挤压部11呈长条型板状结构,挤压部11上端面与挤压套管10上端面平齐,且上端面从靠近挤压套管10的一端至另一端设置为逐渐向下延伸的光滑圆弧面12,可缩套管20下端外周壁抵靠于光滑圆弧面12上。该光滑圆弧面12易于控制可缩套管20的挤压变形,在压力作用下,可缩套管20逐渐向挤压套管10内部移动(向下移动),同时可缩套管20逐渐向内部变形收缩,挤压部11与可缩套管20紧密结合成为一体。通过设置光滑圆弧面12利于可缩套管20向挤压套管10内移动,实现渐进让压作用。
具体的,挤压部11的数量为四个,围绕挤压套管10的内圆周向均布设置,主要起到对可缩套管20外壁挤压的作用。挤压部11的制作材料均为金属材料或高分子材料。挤压部11为实心柱状结构,上端面为光滑圆弧面12,使可缩套管20在压力作用下可向挤压套管10内部移动。
为了更好的实现可缩套管20与挤压套管10的对接或连接,在一些实施例中,请参阅图1至图13,可缩套管20下端沿圆周向均匀设有多个对接槽25,多个对接槽25分别一一对应多个挤压部11设置,对接槽25适于对接挤压部11。在图中对接槽25为4个,挤压部11也为4个,两者上下对齐设置,当向挤压套管10上安装可缩套管20时,只要让对接槽25与挤压部11对接即可。
具体的,对接槽25是围设在挤压部11的相邻三个侧面上,该三个侧面是在挤压部11的俯视方向上看,未与挤压套管10内壁连接的三个侧面。随着可缩套管20的下压力,则对接槽25在挤压部11上由上至下滑动,同时挤压部11对可缩套管20外壁挤压变形,从而实现了渐进式多级让压支护的作用。
具体的,对接槽25的宽度和挤压部11的宽度匹配。对接槽25的设置位置与稳定板30的设置位置错位,保证在让压过程中挤压部11不会接触到稳定板30。
在一些实施例中,请参阅图1至图13,稳定板30包括两个交叉设置成十字形的板体,板体端部均抵靠可缩套管20内壁,板体上沿可缩套管20轴向的两端均延伸至可缩套管20端部,板体的宽度沿可缩套管20高度方向从下至上逐渐减小,以适配可缩套管20壁厚变化。因为可缩套管20的壁厚由下至上逐渐增厚,则设置稳定板30的宽度从下至上逐渐减小,两者能相互匹配连接。从俯视图上看,稳定板30呈十字交叉型,对可缩套管20起到增强承载的作用。
在一些实施例中,请参阅图1至图13,支撑卡盘40包括四个直角扇形板41且在直角扇形板41上的弧形边上具有向内凹陷的弧形豁口42,直角扇形板41适于沿圆周向抵靠可缩套管20内壁,直角扇形板41上相邻两个直角边分别对应连接稳定板30上呈直角设置的两个相邻板体。支撑卡盘40在稳定板30上的连接位置可以调节,当调节好以后,通过焊接方式将支撑卡盘40焊接到稳定板30上,因为稳定板30呈十字型,则设置四个支撑卡盘40,分别设于稳定板30的四个直角处,与稳定板30连接后,可以进一步提高可缩套管20的整体稳定性。
在本实施例中设置了一组支撑卡盘40,另外可根据实际情况设置多组支撑卡盘40,当设置多组时,可相互间隔设置,且沿可缩套管20轴向设置。为了使可缩套管20在受压时能够起到让压作用,则设置了弧形豁口42,能容许可缩套管20有一定的变形,且变形的位置可置于弧形豁口42内。四个支撑卡盘40可围成圆盘形结构。
作为可缩套管20优选的实施例,请参阅图1至图13,可缩套管20外径从下至上相同,可缩套管20内径从下至上逐渐减小。设置可缩套管20的外径相同,内径逐渐减小,这样也便于加工制作,降低加工成本。
在一些实施例中,请参阅图1至图13,可缩套管20上端固设有连接架50,连接架50上具有多个安装孔51,钢拱架通过多个连接件与多个安装孔51固定连接。连接件可采用螺栓等紧固件,穿过安装孔51后可与钢拱架紧固连接,将可缩套管20固定在钢拱架上,在大变形隧道中,围岩变形挤压本发明,可缩套管20在围岩压力作用下,向挤压套管10内部移动,并被挤压套管10挤压产生阻力。
具体的,连接架50为一种钢结构连接部件,连接架50下部与可缩套管20紧密连接,上部通过安装孔51可与钢拱架紧固连接,连接架50不影响可缩套管20的挤压变形。
本发明的大变形隧道渐进式多级让压支护装置,在分级提供让压的前提下,可实现不同支护阻力之间的平稳过渡,即在大变形隧道中,本发明的支护阻力可以随着隧道变形程度增大而增大,且过程中过渡平稳,安全性能良好。具体的有益效果如下:
1)整体结构稳定性良好,可缩套管20下端有嵌入稳定部21,可以更好的与挤压套管10相结合,有助于提升整体结构稳定性,可以与钢拱架紧密连接,充分发挥结构性能;
2)制作成本低廉,整体结构所需材料常见且性能优良,结构形式简单易加工,在大变形隧道中实用性广泛;
3)整体结构可以提供多级支护阻力,且支护阻力过渡平稳,有效避免了不同支护阻力变换时阻力突然增大和让压构件在让压时缩短停滞导致的不稳定的问题,在保证安全的前提下提供了较为稳定顺畅的阻力;
4)整体结构安全可靠,整体如套筒形式的结构,在提供让压之前,可以起到一定的支护作用,只有围岩发生大变形或有较大的围岩压力时,才会在提供稳定阻力的情况下进行收缩,释放围岩压力。且在整体结构变形达到最大值时,整体结构与钢拱架紧密连接,仍能发挥较强支护作用,保障了隧道安全使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.大变形隧道渐进式多级让压支护装置,其特征在于,包括:
挤压套管,内壁沿圆周向均匀设有多个挤压部,下端用于连接一钢拱架;以及
可缩套管,置于所述挤压套管上端,上端适于连接另一钢拱架、下端适于嵌套于所述挤压套管内并均被多个所述挤压部挤压,所述可缩套管壁厚从下端至上端方向逐渐增加;
其中,大变形隧道围岩压力作用于钢拱架上,钢拱架挤压所述可缩套管向下移动,多个所述挤压部挤压所述可缩套管且挤压阻力逐渐增加,所述可缩套管沿其径向收缩并逐渐向所述挤压套管内部移动延伸,以提高多级让压支护稳定性,实现支护阻力平缓过渡和让压过程连贯;
所述可缩套管从下端至上端方向依次分为嵌入稳定部、初步挤压部、过渡挤压部和挤压增强部,所述嵌入稳定部适于在支护前嵌套于所述挤压套管内,所述挤压增强部上端适于连接钢拱架;
所述可缩套管内设有稳定板,所述稳定板适于支撑所述可缩套管并助于所述可缩套管让压变形,所述稳定板沿所述可缩套管轴向与所述可缩套管接触;
所述可缩套管内部设有沿圆周向支撑的所述可缩套管的支撑卡盘,所述支撑卡盘连接于所述稳定板上,所述支撑卡盘位于所述初步挤压部和所述过渡挤压部相接处;
所述稳定板包括两个交叉设置成十字形的板体,所述板体端部均抵靠所述可缩套管内壁,所述板体上沿所述可缩套管轴向的两端均延伸至所述可缩套管端部,所述板体的宽度沿所述可缩套管高度方向从下至上逐渐减小,以适配所述可缩套管壁厚变化;
所述支撑卡盘包括四个直角扇形板且在所述直角扇形板上的弧形边上具有向内凹陷的弧形豁口,所述直角扇形板适于沿圆周向抵靠所述可缩套管内壁,所述直角扇形板上相邻两个直角边分别对应连接所述稳定板上呈直角设置的两个相邻所述板体。
2.如权利要求1所述的大变形隧道渐进式多级让压支护装置,其特征在于,所述挤压部呈长条型板状结构,所述挤压部上端面与所述挤压套管上端面平齐,且上端面从靠近所述挤压套管的一端至另一端设置为逐渐向下延伸的光滑圆弧面,所述可缩套管下端外周壁抵靠于所述光滑圆弧面上。
3.如权利要求1所述的大变形隧道渐进式多级让压支护装置,其特征在于,所述可缩套管下端沿圆周向均匀设有多个对接槽,多个所述对接槽分别一一对应多个所述挤压部设置,所述对接槽适于对接所述挤压部。
4.如权利要求1所述的大变形隧道渐进式多级让压支护装置,其特征在于,所述可缩套管外径从下至上相同,所述可缩套管内径从下至上逐渐减小。
5.如权利要求1所述的大变形隧道渐进式多级让压支护装置,其特征在于,所述可缩套管上端固设有连接架,所述连接架上具有多个安装孔,钢拱架通过多个连接件与多个所述安装孔固定连接。
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