1.本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构。
背景技术：
2.在隧道建设过程中，施工时面对挤压大变形问题时，根据围岩收敛曲线及支护特征曲线，可知围岩收敛变形与支护抗力间存在的动态耦合关系，当采取不同刚度的支护方案时，给出一定的让压量，便可大大减小支护力。而钢拱架作为初期支护的主要环向支护结构之一，当面对隧道挤压大变形时，隧道围岩变形增加，围岩压力却在逐步减小，但由钢拱架和混凝土组成的隧道环向支护刚度很大，阻碍围岩变形，使得围岩压力得不到充分的释放，从而隧道初期支护结构承担的荷载很大，当围岩压力超过初期支护结构的极限承载力时，初期支护结构将发生破坏，增加施工成本，造成经济损失，严重时还会引发安全事故。
技术实现要素：
3.本发明目的在于提供一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，用以支护围岩结构，并且达到初期释放围岩压力，减少钢拱架内部初期支护结构内力，保证支护结构安全的目的。
4.技术方案：
5.一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，用于围岩支护，其特征在于，由多组可缩式钢拱架支护组成，可缩式钢拱架紧贴围岩结构，每组可缩式钢拱架支护包括两个工字钢1、两个钢板2、可变形接头套筒3、螺栓4、弹簧5、可变形接头套杆6、套杆顶部锥形结构7、套筒底部倒锥形结构8；
6.所述工字钢1端头部位与钢板2焊接接触；
7.所述可变形接头套筒3为圆形钢结构空心管，通过螺栓4与左侧的钢板2连接，并且可变形接头套筒3安装在左侧钢板2中心处；
8.在可变形接头套筒3内，紧贴左侧的钢板2，并在中心处安装套筒底部倒锥形结构8；所述套筒底部倒锥形结构8为靠近左侧的钢板2横截面小，远离左侧的钢板2横截面大的倒锤形结构，且内部设置台阶状嵌套圆环卡槽。
9.所述可变形接头套杆6为空心钢结构钢管，尾部通过螺栓4与右侧的钢板2连接，且安装在右侧钢板2中心处，并且可变形接头套杆6外径小于可变形接头套筒3的内径，在可变形接头套筒3内滑动；
10.所述套杆顶部锥形结构7安装在可变形接头套杆6顶部；所述套杆顶部锥形结构7为锥状结构，且设置台阶状圆环凸起，可与套筒底部倒锥形结构8的台阶状嵌套圆环卡槽形成自锁结构。
11.所述弹簧5设置在可变形接头套筒3外部，两端分别与左侧的钢板2和右侧的钢板2连接，安装后弹簧5处于压缩状态，达到设置一定预应力的效果。
12.一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，其工作原理为：
13.根据可缩式钢拱架的结构状态，分为三个支护阶段。第一阶段，两个工字钢位置不变，弹簧5未变形；第二阶段，两个工字钢相互靠近，弹簧5压缩，可变形接头套杆6带动套杆顶部锥形结构7向套筒底部倒锥形结构8移动；第三阶段，套杆顶部锥形结构7顶部与套筒底部倒锥形结构8底部接触，形成自锁结构，并在可变形接头套杆6内灌入混凝土，最终可缩式钢拱架和混凝土形成整体受力结构。
14.有益效果：
15.(1)可通过可变形接头中弹簧进行预应力的设置、极限变形让压量的设置、极限变形时钢拱架内力的设置；
16.(2)使得钢拱架的压缩变形量适应不同围岩条件下的不同挤压变形，达到释放围岩压力、减少钢拱架等初期支护结构内力和保证支护结构安全的目的。
17.(3)配合可压缩混凝土共同使用，最大程度的发挥可缩式钢拱架支护承载力。
附图说明
18.图1是本实施例可缩式钢拱架支护围岩示意图。
19.图2是本实施例一种带有预应力的可缩式钢拱架第一阶段支护结构示意图。
20.图3是本实施例一种带有预应力的可缩式钢拱架第三阶段支护结构示意图。
21.数字标记注解：
22.工字钢1、钢板2、可变形接头套筒3、螺栓4、弹簧5、可变形接头套杆6、套杆顶部锥形结构7、套筒底部倒锥形结构8、螺栓垫片9、螺栓螺母10。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明进一步说明。
24.一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，如图1所示，用于围岩支护，由多组可缩式钢拱架支护组成，可缩式钢拱架紧贴围岩结构，每组可缩式钢拱架支护包括两个工字钢1、两个钢板2、可变形接头套筒3、螺栓4、弹簧5、可变形接头套杆6、套杆顶部锥形结构7、套筒底部倒锥形结构8；
25.所述工字钢1端头部位与钢板2焊接接触；
26.所述可变形接头套筒3为圆形钢结构空心管，通过螺栓4与左侧的钢板2连接，并且可变形接头套筒3安装在左侧钢板2中心处；
27.在可变形接头套筒3内，紧贴左侧的钢板2，并在中心处安装套筒底部倒锥形结构8；所述套筒底部倒锥形结构8为靠近左侧的钢板2横截面小，远离左侧的钢板2横截面大的倒锤形结构，且内部设置台阶状嵌套圆环卡槽。
28.所述可变形接头套杆6为空心钢结构钢管，尾部通过螺栓4与右侧的钢板2连接，且安装在右侧钢板2中心处，并且可变形接头套杆6外径小于可变形接头套筒3的内径，在可变形接头套筒3内滑动；
29.所述套杆顶部锥形结构7安装在可变形接头套杆6顶部；所述套杆顶部锥形结构7为锥状结构，且设置台阶状圆环凸起，可与套筒底部倒锥形结构8的台阶状嵌套圆环卡槽形成自锁结构。
30.所述弹簧5设置在可变形接头套筒3外部，两端分别与左侧的钢板2和右侧的钢板2连接，安装后弹簧5处于压缩状态，达到设置一定预应力的效果。
31.如图2和图3所示，本发明的一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，在隧道施工时，带有预应力的可缩式钢拱架支护结构与围岩的相互作用可分为以下三个阶段：随后围岩开始变形，围岩压力逐渐释放，而钢拱架为阻止围岩变形的发展，其承受的围岩压力急剧增大，此时可变形接头处由于有预应力的存在使得钢拱架内力逐渐减小，且不产生变形。第二阶段，当可变形接头处达到可变形接头的预应力最大值时，此时钢拱架内力为0，而钢拱架承受的围岩压力仍在增加，可变形接头开始随着钢拱架内力的增加而产生线性压缩变形，前期主要是弹簧5在压缩变形，在弹簧达到极限弹性变形之后，可变形接头套杆6的套杆顶部锥形结构7开始挤压可变形接头套筒3的套筒底部倒锥形结构8，全部挤压进入之后，形成自锁结构，如图3所示，自锁结构可保证可变形接头后续不会发生失稳破坏，此时可变形接头变形完成；同时，随着可变形接头变形量的增大，因为可变形接头受压的刚度小于钢拱架的整体刚度，所以钢拱架在变形的同时，钢拱架内力将缓慢的增加，而钢拱架与围岩变形协调，所以围岩在变形时缓慢的释放围岩压力。可变形接头达到最大的压缩量，可变形接头自锁后不再变形，此时利用喷射混凝土喷实，将钢拱架和混凝土形成整体受力结构，支护刚度再次增大，围岩压力逐渐减小，直到围岩与支护结构达到受力平衡状态。
32.以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
技术特征：
1.一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，用于围岩支护，其特征在于，由多组可缩式钢拱架支护组成，可缩式钢拱架紧贴围岩结构，每组可缩式钢拱架支护包括两个工字钢(1)、两个钢板(2)、可变形接头套筒(3)、螺栓(4)、弹簧(5)、可变形接头套杆(6)、套杆顶部锥形结构(7)、套筒底部倒锥形结构(8)；所述工字钢(1)端头部位与钢板(2)焊接接触；所述可变形接头套筒(3)为圆形钢结构空心管，通过螺栓(4)与左侧的钢板(2)连接，右侧与可变形接头套杆(6)套接，并且可变形接头套筒(3)安装在左侧钢板(2)中心处；在可变形接头套筒(3)内，紧贴左侧的钢板(2)，并在中心处安装套筒底部倒锥形结构(8)；所述套筒底部倒锥形结构(8)为靠近左侧的钢板(2)横截面小，远离左侧的钢板(2)横截面大的倒锤形结构，且内部设置台阶状嵌套圆环卡槽；所述可变形接头套杆(6)为空心钢结构钢管，尾部通过螺栓(4)与右侧的钢板(2)连接，且安装在右侧钢板(2)中心处，并且可变形接头套杆(6)外径小于可变形接头套筒(3)的内径，在可变形接头套筒(3)内滑动；所述套杆顶部锥形结构(7)安装在可变形接头套杆(6)顶部；所述套杆顶部锥形结构(7)为锥状结构，且设置台阶状圆环凸起，可与套筒底部倒锥形结构(8)的台阶状嵌套圆环卡槽形成自锁结构；所述弹簧(5)设置在可变形接头套筒(3)外部，两端分别与左侧的钢板(2)和右侧的钢板(2)连接，安装后弹簧(5)处于压缩状态，达到设置一定预应力的效果。2.如权利要求1所述的一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，其特征在于：根据可缩式钢拱架的结构状态，分为三个支护阶段；第一阶段，两个工字钢位置不变，弹簧(5)未变形；第二阶段，两个工字钢相互靠近，弹簧(5)压缩，可变形接头套杆(6)带动套杆顶部锥形结构(7)向套筒底部倒锥形结构(8)移动；第三阶段，套杆顶部锥形结构(7)顶部与套筒底部倒锥形结构(8)底部接触，形成自锁结构，并在可变形接头套杆(6)内灌入混凝土，最终可缩式钢拱架和混凝土形成整体受力结构。
技术总结
一种带有预应力的可缩式钢拱架支护结构，用于围岩支护，由多组可缩式钢拱架支护组成，可缩式钢拱架紧贴围岩结构，每组可缩式钢拱架支护包括两个工字钢、两个钢板、可变形接头套筒、螺栓、弹簧、可变形接头套杆、套杆顶部锥形结构、套筒底部倒锥形结构；当套杆顶部锥形结构顶部与套筒底部倒锥形结构底部接触，形成自锁结构，并在可变形接头套杆内灌入混凝土，最终可缩式钢拱架和混凝土形成整体受力结构。本发明结构在隧道支护时不仅释放了围岩压力，增大了隧道初期支护结构变形，还减少了隧道初期支护的内力，在保证隧道安全的情况下实现了经济、合理、易实施的环向让压支护理念。易实施的环向让压支护理念。易实施的环向让压支护理念。
技术研发人员：徐金峰 谢雄耀 周彪
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2021.08.12
技术公布日：2021/10/8
再多了解一些
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