一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置及其方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置及其方法。


背景技术：

2.隧道松散或膨胀围岩段变形问题的警示作用，会出现围岩内挤、初支侵限甚至压坏等现象，因此需要采取措施控制围岩内挤，控制围岩荷载转移，减少初支压力。
3.现有技术中，通常采用千斤顶等初期提供点伸缩接触控制围岩变形，采用钢拱架进行承载，但是存在千斤顶等初期提供点伸缩接触控制围岩变形效果不足等问题，钢拱架存在需要很大的顶升力以及施工麻烦等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置，可以提供合适的顶升作用力，从而达到受力平衡状态。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置，包括至少一榀支护单元，所述支护单元包括：
7.与所述隧道内壁弧形形状匹配的骨架；
8.设置于所述骨架上，且可与所述隧道内壁支承配合，并可注入压缩浆料的预制弹性层；
9.所述预制弹性层注入压缩浆料时，所述预制弹性层压缩以增大与所述隧道内壁之间的顶升作用力。
10.可以向预制弹性层内注入压缩浆料，使得预制弹性层压缩，进而增大与所述隧道内壁之间的顶升作用力，具体操作时，本发明可以根据力学数据，例如物联网力学监测系统的数据信息，控制压缩浆料的注入量，进而提供合适的顶升作用力，从而达到受力平衡状态，其中物联网力学监测系统例如采用应力传感器，位移传感器进行应力监测，位移监测，为现有常规的系统，在此不做赘述。
11.本发明中预制弹性层可以为现有多种材质制成，例如可以为预制纳米轻质块。
12.另外，本发明中压缩浆料可以为现有多种浆料，例如压缩浆料：纳米、膨润土、水泥等混合物都可以。
13.本发明中支护单元的数量可以根据隧道实际情况进行设置，作为优选，所述支护单元为至少两榀，相邻两榀支护单元沿着隧道的纵向方向采用加劲肋连接。
14.本发明中支护单元之间的尺寸大小可以根据实际情况进行设置，作为优选，相邻两榀支护单元沿着隧道的纵向间距为0.5米，所述加劲肋的厚度为10mm，所述加劲肋为若干个，相邻加劲肋之间的环向间距为0.5m。
15.作为优选，所述骨架包括u型腹板以及两个布置于所述u型腹板相对两端的拱架，
所述预制弹性层设置于所述u型腹板的u型槽口内。
16.为了加强围岩的稳定性，作为优选，所述拱架外部喷射有将所述拱架外部包裹的混凝土层。
17.为了使得整个骨架更加稳固，作为优选，所述骨架还包括位于所述u型腹板下方且两端分别与两个拱架连接的架立杆。
18.为了便于向预制弹性层内注入压缩浆料，作为优选，所述u型腹板上设置有用于向所述预制弹性层内注入压缩浆料的注浆口。
19.本发明中拱架的结构形式可以有多种，其与u型腹板的连接方式也有多种，采用给现有多种情况也可以，作为优选，所述拱架为工字型拱架，所述u型腹板的两端分别与两个所述拱架焊接。
20.因为隧道是由两种半径的弧形组成，为了与之匹配，作为优选，所述拱架包括与所述隧道内壁上部对应的第一弧形段以及与所述隧道内壁下部对应的第二弧形段，所述第一弧形段与所述第二弧形段之间通过由工字钢连接板焊接成型，并以螺栓连接。
21.本发明中骨架的材质可以有多种，各个部分的尺寸大小也有多种，可以根据实际需要进行调节设置，作为优选，所述u型腹板和拱架的材质为钢材质；所述第一弧形段与所述第二弧形段接头处工字钢连接板的焊接缝腹板宽度为 5mm、翼缘宽度为9mm；所述u型腹板的厚度为30mm。
22.本发明还提供了一种利用上述的装置在隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力方法，包括：
23.s1、在隧道内设置于隧道内壁弧形形状匹配的骨架；
24.s2、在所述骨架上设置于隧道内壁支承配合，并可注入压缩浆料的预制弹性层；
25.s3、向所述预制弹性层内注入压缩浆料，使得所述预制弹性层压缩来增大与隧道内壁之间的顶升作用力。
26.本发明中预制弹性层可为预制纳米轻质块；所述预制弹性层可为纳米、膨润土以及水泥中的至少一种，具体混合比例可以根据实际情况进行调配设置。
27.本发明的方法中，设置多榀支护单元，具体可以根据实际需要进行设置。
28.本发明与现有技术相比的有益效果是：
29.本发明中通过预制弹性层伸缩接触限制围岩的初始变形，注入压缩浆料之后的后续弹性变形适应围岩变形，可最大限度减少围岩劣化损伤程度，从而提高围岩的承载力；克服了伸缩钢拱架需要很大顶升力和施工麻烦等问题，又克服了千斤顶等初期提供点伸缩接触控制围岩变形效果不足等问题。
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本实施例中一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置的结构示意图。
33.图2为本实施中一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置的平面结构示意图。
34.图3为本实施例中一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置安装之后的结构示意图。
35.附图标记：
36.1、u型腹板；2、拱架；3、架立杆；4、预制弹性层；5、混凝土层；6、二次衬砌；11、注浆口；21、第一弧形段；22、第二弧形段。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
39.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
40.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.请参阅图1～图3，为本实施例提供的一种隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置，其包括至少一榀支护单元，所述支护单元包括：
42.与所述隧道内壁弧形形状匹配的骨架；
43.设置于所述骨架上，且可与所述隧道内壁支承配合，并可注入压缩浆料的预制弹性层4；
44.所述预制弹性层4注入压缩浆料时，所述预制弹性层4压缩以增大与所述隧道内壁之间的顶升作用力。
45.本实施例中可以向预制弹性层4内注入压缩浆料，使得预制弹性层4压缩，进而增大与所述隧道内壁之间的顶升作用力，具体操作时，本发明可以根据力学数据，例如物联网力学监测系统的数据信息，控制压缩浆料的注入量，进而提供合适的顶升作用力，从而达到受力平衡状态，其中物联网力学监测系统为现有常规的系统，在此不做赘述。
46.即，本实施例中预制弹性层伸缩接触限制围岩的初始变形，注入压缩浆料之后的后续弹性变形适应围岩变形，可最大限度减少围岩劣化损伤程度，从而提高围岩的承载力。
47.本发明中支护单元的数量可以根据隧道实际情况进行设置，在一实施例中，支护单元为至少两榀，相邻两榀支护单元沿着隧道的纵向方向采用加劲肋连接。
48.本发明中支护单元之间的尺寸大小可以根据实际情况进行设置，在一实施例中，相邻两榀支护单元沿着隧道的纵向间距为0.5米，所述加劲肋的厚度为 10mm，所述加劲肋为若干个，相邻加劲肋之间的环向间距为0.5m。
49.在一实施例中，骨架包括u型腹板1以及两个布置于所述u型腹板1相对两端的拱架2，所述预制弹性层4设置于所述u型腹板1的u型槽口内。
50.在一实施例中，拱架2外部喷射有将所述拱架2外部包裹的混凝土层。
51.为了使得整个骨架更加稳固，在一实施例中，骨架还包括位于所述u型腹板1下方且两端分别与两个拱架2连接的架立杆3。
52.为了便于向预制弹性层4内注入压缩浆料，在一实施例中，u型腹板1上设置有用于向所述预制弹性层4内注入压缩浆料的注浆口11。
53.本发明中拱架2的结构形式可以有多种，其与u型腹板1的连接方式也有多种，采用给现有多种情况也可以，在一实施例中，拱架2为工字型拱架2，所述u型腹板1的两端分别与两个所述拱架2焊接。
54.在一实施例中，拱架2包括与所述隧道内壁上部对应的第一弧形段21以及与所述隧道内壁下部对应的第二弧形段22，所述第一弧形段21与所述第二弧形段22之间通过由工字钢连接板焊接成型，并以螺栓连接。
55.本发明中骨架的材质可以有多种，各个部分的尺寸大小也有多种，可以根据实际需要进行调节设置，在一实施例中，u型腹板1和拱架2的材质为钢材质；所述第一弧形段21与所述第二弧形段22接头处工字钢连接板的焊接缝腹板宽度为5mm、翼缘宽度为9mm；所述u型腹板1的厚度为30mm。
56.利用上述的装置在隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力方法，包括以下步骤：
57.s1、在隧道内设置于隧道内壁弧形形状匹配的骨架；
58.s2、在所述骨架上设置于隧道内壁支承配合，并可注入压缩浆料的预制弹性层；
59.s3、向所述预制弹性层内注入压缩浆料，使得所述预制弹性层压缩来增大与隧道内壁之间的顶升作用力。
60.本发明中预制弹性层可为预制纳米轻质块；所述预制弹性层可为纳米、膨润土以及水泥中的至少一种，具体混合比例可以根据实际情况进行调配设置。
61.本发明的方法中，设置多榀支护单元，具体可以根据实际需要进行设置。
62.本实施例中隧道开挖过程中平衡钢拱架支护受力的装置具体应用时可以参照下述：
63.1、对于ⅳ级偏差、
ⅴ
、ⅵ级(特别是松散或膨胀)围岩采用新奥法思想设计施工，喷锚支护效果有限情况，则可以采用强预支护技术和变形协调控制技术优化施工方案有效防控隧道周边围岩变形，预防和控制初期支护分枝点失稳，即u型钢腹板 预制弹性层 钢拱架 喷射混凝土 注入弹性材料等围岩变形控制联合初期支护提供面伸缩接触限制围岩初始变形，后续弹性变形适应围岩变形，最大限度减小围岩劣化损伤程度，从而提高围岩承载力；既克服了伸缩钢拱架需要很大顶升力和施工麻烦等问题，又克服了千斤顶等初期提供点伸缩接触控制围岩变形效果不足等问题。
64.2、对于ⅱ级偏差、ⅲ、ⅳ级偏好围岩采用新奥法思想设计施工更合适，但要优化施工方案，喷锚支护效果可以的情况，没有必要初期提供顶升力，按规范设计施工即可。
65.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利
要求的保护范围为准。