CN216042170U - 一种应力可调型装配式钢管混凝土柱 - Google Patents

Abstract

一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，包括穹顶圆盘（1），薄壁钢管、纤维混凝土（8）、带有外伸板的法兰盘（5）和千斤顶（3）；所述薄壁钢管垂直安装在穹顶圆盘下方平面上，内充纤维混凝土，形成纤维混凝土柱。带有外伸板的法兰盘安装在纤维混凝土柱上。千斤顶安装在带有外伸板的法兰盘的中央；千斤顶的顶头连接穹顶圆盘的中央，并通过穹顶圆盘与格栅拱架（2）进行连接。本实用新型采用可拆卸半圆形薄壁钢管，可以有效约束纤维混凝土的侧向变形，大大提高了混凝土柱的承载力；本实用新型的优点在于混凝土柱可以通过千斤顶对穹顶的应力可以进行调控，可大大减小开挖之后支护不及时而产生的变形。

Description

一种应力可调型装配式钢管混凝土柱

技术领域

本实用新型涉及一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，属地下施工工程技术领域。

背景技术

随着经济社会的发展，地下空间的开发和利用越来越受到重视，且正在向多功能、大跨度、深地下和立体交叉方向发展，这将对工程建设者的开挖支护技术提出诸多的挑战。

如现需要开挖十个圆柱穹顶贴壁式结构的罐室，罐室与罐室之间的中心间距为56.6m，开挖断面宽22.5m，高18.8m，单个罐室开挖方量为7000m³。罐室所处的围岩等级为Ⅳ级/Ⅴ级，围岩自稳能力较差且开挖面积大，如果采用常规的柔性支护，如：锚杆、锚筋桩、喷射混凝土等，所能提供的支护力较小，可能无法满足工程的实际需要，钢立柱虽属刚性支护，但其纵向刚度远小于横向刚度，所能提供的支护力也有限。所以迫切的需要研发出一种承载能力高、自稳性好、施工空间占用少、拆除方便的装配式钢管混凝土柱作为临时支撑，形成一套完整的穹顶中心钢管混凝土柱临时支撑+分块扇形格栅钢架+长短预应力锚杆+喷射混凝土为核心的穹顶洞室支护体系。

地下洞室的开挖工序一般为边开挖边支护，但是开挖和支护之间往往会有一个时间差，这就意味着在围岩自稳能力较差的工况下，围岩在支护之前可能就发生了一定程度的变形，常规的混凝土柱并不能很好的减小这种变形。除此之外，为了保证混凝土柱有足够的承载力，常规的混凝土柱的横截面面积一般都很大，这将占用极大的施工空间，影响后续工作的进行。

公告号CN103866906公开了一种自应力可调式钢管混凝土柱，包括上部带对称纵向槽缝的钢管，钢管内为核心混凝土柱；钢管外表面设置若干将钢管抱紧的横向加强肋条，相邻肋条间用螺栓和螺母链接，钢管的纵向槽缝间用高弹性高分子材料填充条密封，钢管上部由槽缝分割的柱面在相邻肋条由螺栓拧紧时向内收缩，消除脱空区。

发明内容

本实用新型的目的是，为了解决上述背景技术中提出的问题，开发一种承载能力高、自稳性好、施工空间占用少、拆除方便的装配式钢管混凝土柱作为临时支撑，提出一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，用于大跨度穹顶洞室初支。

本实用新型实现的技术方案如下，一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，包括穹顶圆盘，所述钢管混凝土柱还包括薄壁钢管、纤维混凝土、带有外伸板的法兰盘和千斤顶；所述薄壁钢管垂直安装在穹顶圆盘下方平面上，内充纤维混凝土，形成纤维混凝土柱；所述带有外伸板的法兰盘安装在纤维混凝土柱上；所述千斤顶安装在带有外伸板的法兰盘的中央；千斤顶的顶头连接穹顶圆盘的中央，并通过穹顶圆盘与拱架进行连接。

所述薄壁钢管由多层薄壁钢管拼接而成；每层薄壁钢管由两个相同的半圆型薄钢管拼装而成；半圆型薄钢管两端沿横截面直径方向向外伸展为带有螺孔的连接边，由螺栓将两个半圆型薄钢管连接固定成为整圆的薄壁钢管；每层薄壁钢管长度方向的下部无连接边且直径比上部直径小，上层钢管可以插入到下层钢管，形成空心的钢管柱。

所述千斤顶下端通过带外伸板的法兰盘与混凝土柱进行螺栓连接，上端通过穹顶圆盘与拱架进行连接。

所述带外伸板的法兰盘由圆形外伸板和法兰套筒构成；圆形外伸板安装固定在法兰套筒上，圆形外伸板的圆心在法兰套筒的中轴线上；所述圆形外伸板上钻有用于安装千斤顶的螺栓孔。

所述薄壁钢管的下部有一段横截面外径比上部横截面内径小。

本实用新型的有益效果如下，本实用新型采用可拆卸半圆形薄壁钢管，可以有效约束纤维混凝土的侧向变形，大大提高了混凝土柱的承载力，与此同时减小了混凝土柱的横截面积，为后续施工腾出了更大的施工空间。

本实用新型采用的浇筑方法为现场浇筑，与传统的喷射混凝土相比，施工现场扬灰量较少，适合排气通风不便的洞室开挖，改善了工人们的施工环境；浇筑的混凝土为纤维混凝土，混凝土柱无需配筋，减少了钢材的使用量且方便后期开挖支护完成后混凝土柱的拆除。

与传统的混凝土柱相比，本发明的优点在于混凝土柱可以通过千斤顶对穹顶的应力可以进行调控，可以大大减小开挖之后支护不及时而产生的变形。

附图说明

图1为应力可调的装配式钢管混凝土柱结构示意图；

图2为两个半圆形薄壁钢管拼装俯视图；

图3为半圆形薄壁钢管正视图；

图4为带外伸板的法兰盘俯视图；

图5为带外伸板的法兰盘正视图；

图6为穹顶圆盘结构示意图；

图7为穹顶开挖正视图；

图8为穹顶开挖俯视图；

图中，1为穹顶圆盘；2为格栅拱架；3为千斤顶；4为法兰盘上安装千斤顶的螺栓孔；5为带外伸板的法兰盘；6为半圆形薄壁钢管；7为拼装半圆形薄壁钢管的螺栓孔；8为纤维混凝土；9为岩层；10为穹顶圆盘上连接千斤顶的螺栓孔。

具体实施方式

如图1所示，本实施例一种用于大跨度穹顶洞室初支的应力可调型装配式钢管混凝土柱，包括：多个半圆形的外包薄壁钢管6，纤维混凝土8，带有外伸板的法兰盘5，千斤顶3和穹顶圆盘1。薄壁钢管6直安装在穹顶圆盘1下方平面上，内充纤维混凝土8，形成纤维混凝土柱。带有外伸板的法兰盘5安装在纤维混凝土柱上；千斤顶3安装在带有外伸板的法兰盘5的中央；千斤顶3的顶头连接穹顶圆盘1的中央，并通过穹顶圆盘1与格栅拱架2进行连接。

本实施例中薄壁钢管6壁厚为10mm，两个半圆形薄壁钢管6连接使用的螺栓半径为12mm。

本实施例现场浇筑的混凝土为玻璃纤维混凝土8，玻璃纤维的比例为水泥用量的4%。

本实施例带外伸板的法兰盘5采用Q420钢材，半圆形薄壁钢管6采用Q420钢材。法兰盘外伸板5的直径为1.5m，厚度为50mm。法兰盘的外伸板5上预留了安装千斤顶3的螺栓孔。

千斤顶3下端通过带外伸板的法兰盘5与混凝土柱进行螺栓连接，上端通过穹顶圆盘1与拱架进行连接。

如图2和图3所示，本实施例的薄壁钢管由多层薄壁钢管拼接而成；每层薄壁钢管由两个相同的半圆型薄钢管6拼装而成；半圆型薄钢管6两端沿横截面直径方向向外伸展为带有螺孔7的连接边，由螺栓将两个半圆型薄钢管连接固定成为整圆的薄壁钢管；每层薄壁钢管长度方向的下部无连接边且直径比上部直径小，上层钢管可以插入到下层钢管，这使得钢管套筒之间可以相互拼接在一起组成一个空心的钢管柱，空心钢管柱不仅充当了浇筑混凝土的模板，更与纤维混凝土8一起承担荷载，约束了混凝土的侧向变形，提高了混凝土柱的承载力。

空心钢管柱的纤维混凝土8浇筑到柱顶时，现场安装带外伸板的法兰盘5，通过纤维混凝土8凝固之后的粘聚力将法兰盘5和混凝土柱连接成一个整体。法兰板的外伸板为圆形，外伸板上还预留了可安装四个千斤顶的螺栓孔4。如图4和图5所示。

如图6所示，初村格栅拱架2与穹顶圆盘1利用提前焊好的连接板进行连接，穹顶圆盘1上还预留了可安装四个千斤顶的螺栓孔10，千斤顶3的下端与带外伸板的法兰盘5进行螺栓连接，上端与穹顶圆盘1进行连接。利用千斤顶3的顶升功能对穹顶施加一个方向向上的应力，可以减少开挖之后支护不及时导致的围岩变形。

一种用于大跨度穹顶洞室初支的应力可调型装配式钢管混凝土柱，施工步骤如下：

（1）开挖及初支，如图7所示，由上通道进入灌帽，边挑顶开挖边进行初期支护（采用工14门型钢架逐步挑高，在门式钢架的保护下逐榀架设格栅钢架，拱顶安装一个穹顶圆盘1，穹顶圆盘采用4根6m长锚杆进行固定，拱脚采用锁脚锚杆固定并与上坑道联立的5榀钢架可靠焊接。）上坑道及挑顶开挖至灌室中心线向前1.5m截止。

（2）喷射混凝土，开挖后找顶、撬帮完成立即进行初喷封闭围岩，先固定第一层钢筋网片，（钢筋网片采用HPB300φ12钢筋间距200×200mm）初喷厚度40mm，在进行第二层钢筋网片铺设立架，在复喷至设计厚度，采用湿喷工艺喷射C25混凝土。

（3）定位出混凝土柱位置，利用水准仪、经纬仪等仪器精准放线出混凝土柱的设计位置，向下开挖800mm，开挖完成浇筑5cm的垫层找平，找平之后现场浇筑混凝土柱柱脚。

（4）安装半圆形薄壁钢管6，将两个半圆形薄壁钢管6通过螺栓连接成一个圆形的套筒，上部的套筒依次插入下部的套筒中形成一个空心的钢管柱。

（5）浇筑混凝土，向空心的薄壁钢管柱内浇筑纤维混凝土8，浇筑到柱的顶部时，安装带外伸板的法兰盘5。

（6）安装千斤顶3，通过带外伸板的法兰盘5上预留的螺栓孔4和穹顶圆盘1上预留的螺栓孔10将千斤顶安装好，千斤顶3下部与法兰盘5相连，上部与穹顶圆盘1相连。

（7）如图8所示，装配式钢管混凝土柱安装完成后，根据灌室尺寸,将穹顶进行分区的扇区开挖，并及时施作格栅钢架，共分成19个扇区，扇区角度18°、弧长1.8m。

具体实施例：

在某个洞室开挖工程中，需要开挖十个圆柱穹顶贴壁式结构的罐室，罐室中心间距为56.6m，开挖断面宽22.5m，高18.8m，单个罐室开挖方量为7000m³。

罐室位于Ⅳ/Ⅴ级围岩，场地地貌属中低山区，洞内通过主要地层为震旦系砂岩:中厚层为主，局部夹有薄层，岩质较坚硬-坚硬。洞内范围内未见有明显的断裂、褶皱等地质构造。

后经研究使用本发明工法，立柱总高为6米，直径为1m，钢拱架与穹顶圆盘之间提前焊好连接板进行螺栓连接，千斤顶的伸缩范围为30cm，立柱由多层半圆形薄壁钢管拼装而成；半圆形薄壁钢管的厚度为1cm，每层半圆形薄壁钢管组成的圆形薄壁钢管的长度为50cm；其中下部10cm的横截面外径比半圆形薄壁钢管的横截面内径略小；上层圆形薄壁钢管可套装插入下层的圆形薄壁钢管中；最终形成立柱外壳；在圆形薄壁钢管中填充混凝土，形成立柱。

本实施例的技术原理简单，所用部件中除带外伸板的法兰盘需设计定制外，其余均为常规构建，结构安装简便且易于操作，能够较好地解决洞室开挖之后支护不及时导致的围岩变形问题，实用性强，值得推广。

Claims (5)

1.一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，包括穹顶圆盘，其特征在于，所述钢管混凝土柱还包括薄壁钢管、纤维混凝土、带有外伸板的法兰盘和千斤顶；所述薄壁钢管垂直安装在穹顶圆盘下方平面上，内充纤维混凝土，形成纤维混凝土柱；所述带有外伸板的法兰盘安装在纤维混凝土柱上；所述千斤顶安装在带有外伸板的法兰盘的中央；千斤顶的顶头连接穹顶圆盘的中央，并通过穹顶圆盘与拱架进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，其特征在于，所述薄壁钢管由多层薄壁钢管拼接而成；每层薄壁钢管由两个相同的半圆型薄钢管拼装而成；半圆型薄钢管两端沿横截面直径方向向外伸展为带有螺孔的连接边，由螺栓将两个半圆型薄钢管连接固定成为整圆的薄壁钢管；每层薄壁钢管长度方向的下部无连接边且直径比上部直径小，上层钢管可以插入到下层钢管，形成空心的钢管柱。

3.根据权利要求1所述的一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，其特征在于，所述千斤顶下端通过带外伸板的法兰盘与混凝土柱进行螺栓连接，上端通过穹顶圆盘与拱架进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，其特征在于，所述带外伸板的法兰盘由圆形外伸板和法兰套筒构成；圆形外伸板安装固定在法兰套筒上，圆形外伸板的圆心在法兰套筒的中轴线上；所述圆形外伸板上钻有用于安装千斤顶的螺栓孔。

5.根据权利要求1所述的一种应力可调型装配式钢管混凝土柱，其特征在于，所述薄壁钢管的下部有一段横截面外径比上部横截面内径小。

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