围岩支护用侧向膨胀装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种围岩支护用侧向膨胀装置，属于岩土工程领域，适用于地下工程、交通隧道工程硐室围岩支护以及边坡支护工程等领域。


背景技术：

2.围岩为地下硐室开挖完成后，受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，在卸荷、地应力和不利裂隙组合下存在围岩稳定问题。目前，针对围岩支护按支护机理可以分为两类，一是主动施加锚固力进行支护，二是改进围岩状态进行支护，该方法一般是配合前一类进行支护。针对围岩主动锚固支护措施主要有锚杆、锚索和围岩表面衬砌等(见图1)，该项技术目前较为成熟。另一方面，为了使围岩支护在调节与控制围岩变形过程中起到积极作用，支护常在围岩发生松动和破坏以前安设，以便支护在围岩尚保持有自承力的情况下与围岩共同起承载作用；同时也可在围岩裂隙中进行注浆提升围岩自身稳定加强支护效果。尽管目前针对硐室围岩的支护手段较为成熟，手段多样，但其支护机理相似，即通过锚杆或锚索施加锚固力，控制围岩变形或注浆，和围岩表面衬砌形成承载支护体系。
3.目前，尽管通过改进围岩受力状态和岩体结构状态可增加支护效果主要有在围岩发生松动破坏前施加支护和注浆改善围岩岩体治理，但两种措施尚不能充分利用围岩本身的强度和岩体力学特性，如围岩发生松动破坏前施加支护时，其围岩初始围压已卸荷，岩体强度提高有限；而且通过围岩注浆注浆范围有限，成本高，加固效果有限。
4.研究显示，岩体在围压作用下的强度显著高于单轴无围压作用下的强度，其自身稳定性也能充分发挥作用。因此，充分利用硐室围岩的强度，可提高稳定性对提高支护效果、节约投资意义显著，而目前尚未有这方面的技术。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种围岩支护用侧向膨胀装置，能够提高围岩强度和自身稳定性。
6.为解决上述技术问题本实用新型所采用的技术方案是：围岩支护用侧向膨胀装置，包括固定挡板、侧向膨胀杯、外衬半合管、张拉绳索以及驱动块；固定挡板设置于外衬半合管一端的端面位置，固定挡板中部具有供张拉绳索穿过的通孔；外衬半合管的侧壁设置有沿外衬半合管长度方向设置的一条或者多条变形缝，侧向膨胀杯设置有一件或者多件，依次套设于外衬半合管的内部，侧向膨胀杯的侧壁为与外衬半合管同轴线的锥形结构，锥形结构的大头端朝向远离固定挡板的一侧，且侧向膨胀杯的侧壁在其锥形结构的大头端设置有沿侧向膨胀杯圆周方向间隔分布的缺口槽，侧向膨胀杯的内部具有供张拉绳索穿过的通孔，张拉绳索依次穿过固定挡板上的通孔、所有侧向膨胀杯上的通孔后与驱动块相连接；最靠近驱动块的一件侧向膨胀杯在其内部固定设置有驱动板，驱动板与驱动块在外衬半合管径向面的投影存在重合部位。
7.进一步的是：外衬半合管的内壁在靠近固定挡板的这一端套设有侧向膨胀底座，
侧向膨胀底座具有与外衬半合管的内壁相适配的外圆面，侧向膨胀底座的内部具有供张拉绳索穿过的通孔，侧向膨胀底座朝向外衬半合管内部的这一端设置有与侧向膨胀杯的外壁相适配的锥形孔。
8.进一步的是：还包括垫板和锚固头，垫板和锚固头设置在锚孔的外端面，固定挡板和外衬半合管设置于锚孔内，固定挡板位于外衬半合管靠近锚孔外端面的这一端，张拉绳索远离驱动块的一端与锚固头连接固定，固定挡板与垫板之间的锚孔区域设置有灌浆封口结构。
9.进一步的是：还包括锚杆支护结构或者锚索支护结构，外衬半合管设置在锚杆支护结构的自由段或者锚索支护结构的自由段。
10.本实用新型的有益效果是：如前文所述，现有围岩支护大多通过锚杆/锚索和围岩表面衬砌构成锚固支撑体系，少部分在此支护措施基础上，通过对围岩注浆改善围岩岩体质量。其中锚索/锚杆支护都是单向一维的，都是通过锚索/锚杆轴线主动或被动施加支护力，来维持围岩的稳定，没有充分利用围岩自身的稳定和围压作用下岩体强度显著增加的特点。
11.本实用新型通过侧向膨胀装置，提高围岩硐室环向受力，达到提高围压效果，进而提高自由段围岩的自稳能力的目的，有利于围岩或边坡稳定，尤其是多个侧向膨胀装置构成的围岩支护系统中效果更好。
12.本实用新型是在硐室围岩处设置(也可结合锚杆/锚索自由段布置)侧向膨胀装置，产生垂直于锚索/锚杆轴向的侧向压力，改善围岩受力状态，从而对岩体形成挤密增压作用，形成三维立体加固，进而达到提高支护效果，进而达到降低投资的目的。
附图说明
13.图1是传统的围岩支护原理示意图；
14.图2是本实用新型的立面结构示意图；
15.图3是图2的a-a剖面示意图；
16.图4是本实用新型中侧向膨胀杯的剖面结构示意图；
17.图5是本实用新型的围岩支护原理示意图。
18.图中标记：1-硐室衬砌；2-垫板；3-锚固头；4-灌浆封口结构；5-围岩岩体；6-张拉绳索；7-固定挡板；8-侧向膨胀底座；9-侧向膨胀杯；10-外衬半合管；11-驱动块；12-锚杆或锚索；13-锚杆或锚索自由段。
具体实施方式
19.下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
20.如图2至图4所示，本实用新型包括固定挡板7、侧向膨胀杯9、外衬半合管10、张拉绳索6以及驱动块11；固定挡板7设置于外衬半合管10一端的端面位置，固定挡板7中部具有供张拉绳索6穿过的通孔；外衬半合管10的侧壁设置有沿外衬半合管10长度方向设置的一条或者多条变形缝(优选为多条)，侧向膨胀杯9设置有一件或者多件(优选为多件)，依次套设于外衬半合管10的内部，侧向膨胀杯9的侧壁为与外衬半合管10同轴线的锥形结构，锥形结构的大头端朝向远离固定挡板7的一侧，且侧向膨胀杯9的侧壁在其锥形结构的大头端设
置有沿侧向膨胀杯9圆周方向间隔分布的缺口槽，侧向膨胀杯9的内部具有供张拉绳索6穿过的通孔(该通孔通常是指开设在侧向膨胀杯9底板上的通孔)，张拉绳索6依次穿过固定挡板7上的通孔、所有侧向膨胀杯9上的通孔后与驱动块11相连接；最靠近驱动块11的一件侧向膨胀杯9在其内部固定设置有驱动板，驱动板与驱动块11在外衬半合管10径向面的投影存在重合部位。其中，侧向膨胀杯9、外衬半合管10优选采用金属材质制作，考虑经济适用性，一般为钢质材料。驱动块11为向侧向膨胀杯9的底板施加轴向力的部件，驱动块11通常可以是绞线固定栓。
21.具体实施时，本实用新型还包括垫板2和锚固头3，垫板2和锚固头3设置在锚孔的外端面，固定挡板7和外衬半合管10设置于锚孔内，固定挡板7位于外衬半合管10靠近锚孔外端面的这一端，张拉绳索6远离驱动块11的一端与锚固头3连接固定，固定挡板7与垫板2之间的锚孔区域设置有灌浆封口结构4。在实施过程中，通过张拉绳索6对驱动块11施加轴向力，可以使得侧向膨胀杯9往锚孔外端移动，通过侧壁的锥形结构对外衬半合管10施加径向作用力，从而提高围岩硐室环向受力，达到提高围压效果，进而提高自由段围岩的自稳能力，有利于围岩或边坡稳定，尤其是多个侧向膨胀装置构成的围岩支护系统中效果更好。
22.上述的围岩支护用侧向膨胀装置可以独立实施，也可结合锚杆支护结构或者锚索支护结构实施，具体实施时，将上述的围岩支护用侧向膨胀装置设置在锚杆支护结构的自由段或者锚索支护结构的自由段，即外衬半合管10设置在锚杆支护结构的自由段或者锚索支护结构的自由段。参考图5，本实用新型中的围岩支护用侧向膨胀装置可以产生垂直于锚索/锚杆轴向的侧向压力，改善围岩受力状态，从而对岩体形成挤密增压作用，形成三维立体加固，进而达到提高支护效果，进而达到降低投资的目的。
23.为提高侧向膨胀结构的结构可靠性，外衬半合管10的内壁在靠近固定挡板7的这一端套设有侧向膨胀底座8，侧向膨胀底座8具有与外衬半合管10的内壁相适配的外圆面，侧向膨胀底座8的内部具有供张拉绳索6穿过的通孔，侧向膨胀底座8朝向外衬半合管10内部的这一端设置有与侧向膨胀杯9的外壁相适配的锥形孔。侧向膨胀底座8与外衬半合管10具有更大的接触面，可有效保证结构更稳固可靠。
24.本实用新型在具体实施时，优选通过如下步骤实现：
25.一、通过钻机在设计位置上进行钻孔、成孔和清孔；
26.二、在预定位置设置侧向膨胀装置(利用锚杆/锚索自由段布置时，在锚固段灌浆后，锚索张拉前安装侧向膨胀装置)；
27.三、安装固定挡板7；
28.四、灌浆浇注，以便形成灌浆封口结构4；
29.五、在锚孔外端安装垫板7；
30.六、利用张拉绳索6，使驱动块11向侧向膨胀杯9的底板施加轴向力，侧向膨胀杯9和外衬半合管10相互挤压，并产生侧向膨胀；
31.七、将张拉后的张拉绳索6固定在锚固头3上，并浇筑保护层混凝土；
32.八、重复步骤一至步骤七，形成硐室围岩侧向挤压作用体系；
33.九、对硐室围岩进行衬砌，形成完整的支护体系。