CN217300605U - 一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件及包含其的支护体系 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件及包含其的支护体系，所述吸能让压支护构件安装在上导钢拱架、中导钢拱架、下导钢拱架连接处，所述让压支护构件包括平行设置的上下底板法兰连接盘和设置于上下底板法兰连接盘之间的连接板，上下底板法兰连接盘和所述连接板之间设有钢管，所述钢管内设有支撑件。本实用新型装置与钢拱架组成的联合体与围岩发生统一的协调变形，不仅能够在发生大变形时提供一定的支护阻力，并能在一定恒阻载荷作用下维持围岩稳定的同时允许钢拱架支护结构产生一定的变形，从而使得围岩应力得到释放，避免钢拱架在大变形过程中产生弯折、扭曲等破坏。

Description

一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件及包含 其的支护体系

技术领域

本实用新型涉及一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件及包含其的支护体系，属于隧道工程软岩大变形防控技术领域。

背景技术

软岩大变形受围岩工程特性、地应力环境、支护结构形式、开挖工法等多因素综合影响，对于大变形隧道而言，其诱发因素、变形机理与变形等级都存在较大差异。近年来，我国隧道建设朝着“长、大、深埋”方向发展，大变形问题更加突出，严重危及隧道施工与运营安全。

为控制围岩变形，规避安全风险，应针对大变形隧道支护技术展开研究。目前软岩大变形控制技术可主要归纳为以控制松弛，尽可能早地控制位移为原则的刚性支护方法和减轻作用在支护结构荷载而容许位移的柔性支护方法。传统的“强支硬顶”策略易造成支护结构处于极高受力状态，增加变形破坏风险，难以解决软弱围岩大变形问题。让压支护方式是一种典型的柔性支护方法。目前使用比较广泛的让压支护体系包括U型可缩钢拱架、可缩型混凝土以及各种形式的屈服单元，但都存在一定的缺陷，并且在国内鲜有应用。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种可靠有效、结构简单、经济实用的一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件及包含其的支护体系。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案如下：

一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件，所述吸能让压支护构件安装在所述上导钢拱架、中导钢拱架、下导钢拱架连接处，所述让压支护构件包括平行设置的上下底板法兰连接盘和设置于上下底板法兰连接盘之间的连接板，上下底板法兰连接盘和所述连接板之间设有钢管，所述钢管内设有支撑件。

进一步地，所述支撑件为“一字型”支撑构件或“三角型”支撑构件。

进一步地，所述法兰连接盘尺寸与钢拱架法兰盘一致，并预留螺栓孔，用于与钢拱架进行连接。

进一步地，所述钢管点焊于上下底板法兰连接盘和所述连接板之间，长度设置预留螺孔连接位置。

进一步地，所述连接板与钢拱架法兰盘尺寸规格一致，用于连接多排让压钢管结构。

进一步地，所述钢管和支撑件均采用屈服强度大于1000MPa的硅锰钢片加工而成。

本实用新型还提供一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护体系，包括上述的让压支护构件，还包括上导钢拱架、中导钢拱架和下导钢拱架，吸能让压支护构件安装在所述上导钢拱架、中导钢拱架、下导钢拱架连接处形成环向闭合让压支护体系。

进一步地，所述的上导钢拱架、中导钢拱架、下导钢拱架均采用工字钢拼接而成，单榀钢拱架通过法兰盘螺栓连接，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接筋连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：

1、提出一种新型环向让压吸能装置，结构简单，现场取材、加工方便，且能够提供一定的抵抗变形能力，经济有效，实现了围岩长期大变形载荷的缓存与吸收，实现了对长期流变变形的动态让压。

2、采用固定法兰盘作为固定组件，便于让压吸能装置与钢拱架无缝连接，整体性强，变形协调性好，克服了单纯利用钢拱架时支护结构处于高应力状态易弯折扭曲造成初支破坏，仍需进行换拱等缺点，降低了安全风险。

3、该变形构件可通过各几何参数对力学参数进行调整，对不同地质条件、不同围岩特性的隧道，可通过实际变形情况调整几何参数以进行优化设计，克服了过度支护或支护不足等问题。

4、该变形构件便于直观观察钢管结构与内支撑变形破坏特点，通过变形构件变形量结合室内试验与数值模拟确定的特征参数反算围岩压力、变形量与变形速率，有利于对围岩变形情况与变形特点进行动态监测，为动态支护设计、运营管理等提供有效参考。

附图说明

图1是本实用新型装置实施的主体正视结构示意图；

图2是本实用新型装置对应图1的“一字型支撑”环向让压吸能装置正视结构示意图；

图3是本实用新型装置对应图1的“一字型支撑”环向让压吸能装置俯视结构示意图；

图4是本实用新型装置对应图1的“一字型支撑”环向让压吸能装置侧视结构示意图；

图5是本实用新型装置对应图1的“三角型支撑”环向让压吸能装置正视结构示意图；

图6是本实用新型装置对应图1的“三角型支撑”让环向压吸能装置俯视结构示意图；

图7是本实用新型装置对应图1的“三角型支撑”环向让压吸能装置侧视结构示意图；

图中，1-上导钢拱架，2-中导钢拱架，3-下导钢拱架，4-吸能让压支护构件，5-法兰连接盘，6-连接螺孔，7-“一字型”支撑构件，8-钢管，9-连接板，10-“三角型”支撑构件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

见图1，本实用新型装置包括工字钢钢拱架与吸能让压支护构件4，吸能让压支护构件4通过上下底板法兰连接盘5上预留的连接螺孔6通过螺栓连接于钢拱架上导1与中导2之间和中导2与下导3之间，从而形成环向闭合让压支护体系。每个断面共安装4个吸能让压支护构件4，与钢拱架一起形成环向让压支护体系，为钢拱架提供了一定的可变形能力，在较高的围岩应力下允许拱架发生一定的位移，在构件屈服后可提供一定的恒阻值，避免拱架处于极高应力状态下从而发生弯折、扭曲等变形破坏。钢拱架采用工字钢拼接而成，单榀钢拱架通过法兰盘螺栓连接，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接筋连接。

见图2～7，本实用新型吸能让压支护构件4主要包括上下连接法兰盘5、预留螺孔6、钢管8、支撑件和连接板9。本具体实施中，法兰盘尺寸与预留螺栓孔位置结合现场钢拱架连接板尺寸设置。本实施例中，支撑件为“一字型”支撑构件7或“三角型”支撑构件10。法兰连接盘5尺寸与钢拱架连接的法兰盘保持一致，并预留螺孔，与钢拱架通过螺栓连接，使整体系统闭合。钢管8与支撑件均采用屈服强度大于1000MPa的硅锰钢片加工而成。

上述钢管构件8的直径、壁厚与排布间距对整个构件的力学性能有显著影响，在实际应用时应根据现场变形情况进行参数优化设计。

无内部支撑构件的钢管吸能让压装置在钢管压弯屈服之前能够承受的载荷较小，故考虑加入上述的“一字型”支撑构件7和“三角型”支撑构件10。“一字型”构件7加载过程中，纵向钢板与钢管共同承受载荷，屈服前可承受载荷有所提升，继续加载过程中，第一排钢管构件先进行屈服，载荷下降后维持一定恒阻变形特征，变形完全后第二排钢管开始受力屈服，载荷缓慢上升后随着屈服过程表现恒载变形特征；

“三角型”构件10在加载过程中，由于三角形稳定性，承载能力大幅提高，且整个屈服变形阶段承载能力不会下降，而随载荷增加不断增长。故比较而言，“一字型”构件7允许变形能力更强，“三角型”构件10抵抗载荷能力较强，实际工程中可根据现场变形情况进行选型。

本实施例中，吸能让压环向支护构件设计参数包括钢管直径、钢管间距、钢管层数、支撑结构形式等，通过室内试验可得出设计参数对让压构件峰值载荷、变形恒阻载荷、变形量、变形模量等关键参数的影响，进而根据现场变形情况选用合适的构件尺寸参数。为了防止构件发生剪切错动，在加工时需要提高点焊质量与密实度，必要时设置侧向钢板限制剪切位移。

本实用新型装置的实施方法包括以下步骤：

(1)加工让压吸能构件。具体包括加工钢管、内嵌结构以及上下连接法兰盘与钢管连接板，并进行焊接。

(2)改变吸能构件各尺寸参数进行室内试验，标定其峰值载荷、峰值变形量、恒阻载荷、恒阻变形量等让压关键参数，并结合现场隧道变形情况进行几何参数选型。

(3)结合三台阶法隧道开挖顺序，沿第一步开挖面安装钢拱架上导1，同时喷射混凝土固定于围岩。然后紧接下部开挖断面，在钢拱架中导2与上导1之间安装吸能让压变形构件4，通过上下连接法兰盘预留的螺栓孔与钢拱架连接，并布设变形受力监测传感器。

(4)喷混前用土工布敷设于变形构件，便于后期变形观测与监测数据获取。仰拱开挖敷设时在下导3与中导2之间布设让压吸能构件4，连接方式与监测方式如上述步骤，至此封闭成环。

(5)断面拱架支护完毕后进行全生命周期吸能构件变形力学参数监测，分析围岩变形情况与支护受力情况

以上所述为本实用新型的最佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件，其特征在于：所述吸能让压支护构件安装在上导钢拱架、中导钢拱架、下导钢拱架连接处，所述让压支护构件包括平行设置的上下底板法兰连接盘和设置于上下底板法兰连接盘之间的连接板，上下底板法兰连接盘和所述连接板之间设有钢管，所述钢管内设有支撑件。

2.如权利要求1所述的一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件，其特征在于：所述支撑件为“一字型”支撑构件或“三角型”支撑构件。

3.如权利要求1所述的一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件，其特征在于：所述法兰连接盘尺寸与钢拱架法兰盘一致，并预留螺栓孔，用于与钢拱架进行连接。

4.如权利要求1所述的一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件，其特征在于：所述钢管点焊于上下底板法兰连接盘和所述连接板之间，长度设置预留螺孔连接位置。

5.如权利要求1所述的一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件，其特征在于：所述连接板与钢拱架法兰盘尺寸规格一致，用于连接多排让压钢管结构。

6.如权利要求1所述的一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护构件，其特征在于：所述钢管和支撑件均采用屈服强度大于1000MPa的硅锰钢片加工而成。

7.一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护体系，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的让压支护构件，还包括上导钢拱架、中导钢拱架和下导钢拱架，吸能让压支护构件安装在所述上导钢拱架、中导钢拱架、下导钢拱架连接处形成环向闭合让压支护体系。

8.如权利要求7所述的一种适应隧道大变形钢拱架的环向吸能让压支护体系，其特征在于：所述的上导钢拱架、中导钢拱架、下导钢拱架均采用工字钢拼接而成，单榀钢拱架通过法兰盘螺栓连接，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接筋连接。

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