CN203296780U - 用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置，包括让压控制器、喷射混凝土、钢拱架和安装于围岩上的横阻让压锚杆，钢拱架为多段，喷射混凝土用于浇筑钢拱架，横阻让压锚杆和让压控制器均为多个，每个让压控制器置于相邻两段钢拱架之间，的多个让压控制器均匀安装于由喷射混凝土形成的支护结构衬砌环内。本实用新型能够有效防止地下洞室的大变形，是一种集洞室径向让压与环向让压于一体的技术，实现“支”中有“让”，“让”中有“支”，“支、让”联合的支护特点。本实用新型解决因变形过大而造成支护结构中锚杆拉断、钢拱架扭曲、混凝土开裂、掉块等问题，保障大变形地下洞室安全的同时达到节约工程造价的目的。

Description

用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置

技术领域

本实用新型涉及一种地下洞室的建设装置，尤其涉及一种用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置。

背景技术

近年来随着地下洞室向长、大、深埋方向的发展，穿越高地应力区地下洞室在建设过程中大变形灾害问题凸显，严重危及了施工及运营安全。

截至目前，铁路、公路及水工等地下洞室等出现了大量的大变形问题并开展了系列相关研究，但并未形成一套行之有效的技术保障体系。而支护方式的选择长期以来大多采用强支护以达到抑制变形的目的，支护参数的设计往往突破了行业规范中的推荐值。而支护方式及工艺材料方面大多采用常规的传统模式，即喷射混凝土+普通钢性锚杆+钢拱架联合支护。但随着开挖过程中洞室周边应力的逐渐释放，岩体的持续流变以及遇水后表现出的膨胀等特性使得围岩形变及荷载持续增加，支护体系的受力逐步增大，对于普通钢性锚杆常因不能适应围岩的变形而被拉断失效，钢拱架因受荷过大而产生扭曲或剪断，喷射混凝土出现开裂、掉块等现象，传统的支护方式及工艺在日益复杂多变的地下工程中受到了极大的挑战，基于支护材料及其工艺更新的新型支护衬砌结构亟待提出。

因此，对于封闭于地下岩土体中的大变形地下洞室应改变传统的治理思维模式，不能一味的采用钢度大、支护强、延展性差、费用高的支护手段以抑制围岩的变形，而应在施工过程中及时进行支护以控制围岩过大变形的同时，让部分形变能得以适当释放，这就要求支护衬砌结构除能提供较高的支护阻力外，还应具有一定的延伸性以适应变形的需要，此处要求的延伸性不是以削弱支护衬砌结构的设计标准，降低支护衬砌结构的承载能力为代价，而是要求支护衬砌结构自身在保持恒阻承载能力的条件下，通过设置特殊的让压装置来实现。这就需要对支护衬砌结构尤其是初期支护体系中诸如锚杆、钢拱架、喷层混凝土等主要构件设置适当的让压变形装置，以便产生共同的协调变形，达到地下洞室稳定与节约工程造价并举的目的。

让压锚杆是近年来支护衬砌结构中为应对大变形地下洞室而开展最多研究的单元，其最早出现于我国的煤矿行业，因传统的支护方式已难以控制煤矿巷道的稳定性，普通的锚杆也常因不能适应巷道的围岩变形而出现拉断失效现象，于是通过在锚杆中安装一种特定的让压装置，在被支护结构发生过大变形时，通过让压装置使锚杆体产生与岩土体相适应的变形，避免锚杆体拉断失效，保持支护作用。如中国专利CN101858225B公开了一种横阻大变形锚杆，可以在巷道发生大变形时自动拉伸，该锚杆包括杆体、托盘、螺母及恒阻装置，恒阻装置置于杆体尾部；专利申请号201010231982.2公开了一种井下软岩巷道大变形塌方预防与治理方法，支护体系由喷射混凝土+恒阻大变形锚索+钢筋网组成，并在巷道的顶板和两帮设置长期矿压监测点，在关键部位进行二次支护，并进行围岩加压注浆，等等。从让压锚杆的研发及应用情况来看，目前主要集中在煤炭工程领域中，且基本集中于锚杆自身，而并不拓展至整个支护系统中的其他构件，更未见由锚杆、钢拱架及初喷混凝土组成的让压支护衬砌结构在工程中的应用。

隧道专家王建宇等从地层特征曲线和支护-围岩相互作用的机理出发，阐述了可让式支护的原理，并对支护构件进行了探讨，给出了相关的设计施工建议，文中重点对可缩型钢拱架进行了分析，但对于支护衬砌结构中让压锚杆、带让压控制器的钢拱架及初喷混凝土具体构件组成及由上述构件如何组成让压支护系统并未涉及。因此，无论从结构体系的复杂性及使用功能方面都对让压支护技术提出了更高的要求，让压支护技术的广泛应用还有待于进一步研发。因此，本实用新型提出新型支护衬砌结构有望为我国大变形地下洞室的支护设计开辟新的蹊径。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型包括让压控制器、喷射混凝土、钢拱架和安装于围岩上的横阻让压锚杆，所述钢拱架为多段，所述喷射混凝土用于浇筑所述钢拱架，所述横阻让压锚杆和所述让压控制器均为多个，每个所述让压控制器置于相邻两段所述钢拱架之间，所述的多个让压控制器均匀安装于由所述喷射混凝土形成的支护结构衬砌环内。

具体地，所述让压控制器包括定位钢、让压器和承载板，所述定位钢和所述让压器均为多个，所述承载板为两张，多个所述让压器均安装于两张所述承载板之间并均匀排列，所述定位钢穿过两张所述承载板，所述定位钢的两端均设置有置于两张所述承载板外的螺母，多个所述定位钢均匀安装于两张所述承载板之间并位于多个所述让压器形成的间隙之间。

具体地，所述横阻让压锚杆包括中空杆体、螺母、垫板、让压锚具和定心器，所述让压锚具和所述定心器均为多个，所述螺母和所述垫板设置于所述中空杆体的第一端，所述中空杆体的第二端依次穿过多个所述定心器和多个所述让压锚具，安装于所述中空杆体第二端端口上的所述让压锚具的端头为锥形。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型能够有效应用于防止大变形的地下洞室中，是一种集洞室径向让压与环向让压于一体的技术，实现“支”中有“让”，“让”中有“支”，“支、让”联合的支护特点。本实用新型以改变目前大变形地下洞室中强支硬顶的设计理念，解决因变形过大而造成支护结构中锚杆拉断、钢拱架扭曲、混凝土开裂、掉块等问题，保障大变形地下洞室安全的同时达到节约工程造价的目的。

附图说明

图1是本实用新型所述支护衬砌装置的结构示意图；

图2是本实用新型所述支护衬砌装置中所述让压控制器的一侧安装结构示意图；

图3是本实用新型所述支护衬砌装置中所述让压控制器的另一侧安装结构示意图；

图4是本实用新型所述支护衬砌装置中所述让压控制器的结构示意图；

图5是本实用新型所述支护衬砌装置中所述横阻让压锚杆的结构示意图；

图6是本实用新型所述支护衬砌装置与围岩之间安装的详细结构示意图；

图7是本实用新型所述支护衬砌装置的让压量设计原理图；

图8是本实用新型所述支护衬砌装置的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1、图2、图3、图6和图8所示：本实用新型包括让压控制器14、喷射混凝土13、钢拱架12和安装于围岩10上的横阻让压锚杆11，钢拱架12为多段，喷射混凝土13用于浇筑钢拱架12，横阻让压锚杆11和让压控制器14均为多个，每个让压控制器14置于相邻两段钢拱架12之间，多个让压控制器14均匀安装于由喷射混凝土13形成的支护结构衬砌环内。钢拱架12钢拱架根据地下洞室的实际开挖断面与形状制作成若干段，各拱架段的接头部位设置托盘与螺栓孔，现场施工中将若干段拱架与带有螺栓孔的让压控制器14逐段连接，形成一环整体带让压控制器14的钢拱架12。此外，各段钢拱架12与让压控制器14间的连接也可通过焊接来实现。钢拱架12的特点是当围岩10压力达到使拱架承受的压力过其设计的特定值时，钢拱架12会自动“压缩”，直到设定的压缩量耗尽，而后钢拱架12将随着变形的量继续增加而持续受力才会导致最终破坏。让压控制器14与钢拱架12连接后预先安装在中间喷射混凝土13层里，也可安装在模筑混凝土层中，让压量及承载力的设计可根据现场需求制定，所受荷载达到预先设定的让压量值时让压控制器即产生让压滑移变形。考虑到让压控制器14可能受力不均匀而发生扭曲或法向力过大而导致其可能产生机动变形，在各让压控制器14装置部位专门设置有横阻让压锚杆11与之联系并固定于稳定围岩10中。

如图7和图8所示：在围岩大变形过程中，一般要求该体系能与围岩发生统一的协调变形，这就要求整个支护系统中各部分能发生相应的协同变形，形成径向和环向的协调同步。

如图7和图8所示：图中：σx、σy分别为竖向及水平应力；1为地下洞室变形前开挖轮廓线周长S；2为变形压缩后开挖轮廓线周长S’；3为支护变形设计的让压量ΔR；变形后隧道周边周长总压缩量为ΔS=S-S’；等效径向压缩量：ΔR=ΔS/2π；横阻让压锚杆11的让压总量为：ΔR=ΔS/2π；喷射混凝土与拱架的最大压缩量为：ΔS=2πΔR；若喷射混凝土与拱架分设n个压缩单元连接，则每个压缩单元的让压量为：ΔS/n。

如图4所示：让压控制器14包括定位钢1401、让压器1402和承载板1403，定位钢1401和让压器1402均为多个，承载板1403为两张，多个让压器1402均安装于两张承载板1403之间并均匀排列，定位钢1401穿过两张承载板1403，定位钢1401的两端均设置有置于两张承载板1403外的螺母，多个定位钢1401均匀安装于两张承载板1403之间并位于多个让压器1402形成的间隙之间。让压控制器14置于长方形钢箱体中便于整体协同变形受力，让压控制器14的高度随让压器1402的让压量而发生变化；定位钢1401及承载板1403由特制的两块钢板组成，钢板间安装让压器1402，两承载板1403通过销钉螺栓固定连接；让压器1402由多个让压管组成，让压管的数量可根据实际让压受荷量和滑移量进行设计，可实现0～任意值的让压受荷量，也可实现0～100cm范围的让压滑移量；

如图5所示：横阻让压锚杆11包括中空杆体1101、螺母1102、垫板1103、让压锚具1104和定心器1105，让压锚具1104和定心器1105均为多个，螺母1102和垫板1103设置于中空杆体1101的第一端，中空杆体1101的第二端依次穿过多个定心器1105和多个让压锚具1104，安装于中空杆体1101第二端端口上的让压锚具1104的端头为锥形。当横阻让压锚杆11受力超过让压荷载时发生恒阻滑移变形，释放地层压力，横阻让压锚杆11可根据实际变形需要实现0～任意值的让压受荷量，也可实现0～任意值的让压滑移变形。

如图8所示：地下洞室开挖后，在开挖成型的洞室壁面喷射一层约5cm厚混凝土，根据设计的让压量选择合适的横阻让压锚杆11，钻孔打眼后安装恒阻的横阻让压锚杆11；横阻让压锚杆11施做后，进行钢筋网的悬挂，依据设计的让压量选择适当的让压控制器14类型，将分段的钢拱架12与让压控制器14进行拼装连接，形成整环带让压控制器的钢拱架系统，安装于设计部位。让压控制器14的钢拱架12安设完毕后，复喷第二层混凝土13，混凝土13中的让压控制器14与钢拱架12的让压控制器14应一并考虑，共同发挥作用。

Claims (3)

1.一种用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置，其特征在于：包括让压控制器、喷射混凝土、钢拱架和安装于围岩上的横阻让压锚杆，所述钢拱架为多段，所述喷射混凝土用于浇筑所述钢拱架，所述横阻让压锚杆和所述让压控制器均为多个，每个所述让压控制器置于相邻两段所述钢拱架之间，所述的多个让压控制器均匀安装于由所述喷射混凝土形成的支护结构衬砌环内。

2.根据权利要求1所述的用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置，其特征在于：所述让压控制器包括定位钢、让压器和承载板，所述定位钢和所述让压器均为多个，所述承载板为两张，多个所述让压器均安装于两张所述承载板之间并均匀排列，所述定位钢穿过两张所述承载板，所述定位钢的两端均设置有置于两张所述承载板外的螺母，多个所述定位钢均匀安装于两张所述承载板之间并位于多个所述让压器形成的间隙之间。

3.根据权利要求1所述的用于地下洞室建设中防止围岩大变形的支护衬砌装置，其特征在于：所述横阻让压锚杆包括中空杆体、螺母、垫板、让压锚具和定心器，所述让压锚具和所述定心器均为多个，所述螺母和所述垫板设置于所述中空杆体的第一端，所述中空杆体的第二端依次穿过多个所述定心器和多个所述让压锚具，安装于所述中空杆体第二端端口上的所述让压锚具的端头为锥形。

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