一种地铁施工顶部支撑装置的制作方法

1.本发明涉及地铁施工技术领域，具体涉及一种地铁施工顶部支撑装置。


背景技术：

2.随着经济全球化的发展和城市化进程的加快，地铁隧道工程越来越成为城市公共交通发展的主要方向，地铁不仅增强出行的快捷性，节省了人们的时间，还为城市环保建设起到了良好的促进作用。
3.地铁施工方法一般包括明挖法和暗挖法，明挖法是指挖开地面由上向下开挖土石方至设置标高后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最后回填基坑或恢复地面的施工方法，明挖法对社会环境影响较大，阻断交通事件较长，施工噪声大、振动明显。
4.暗挖法是在特定条件下，不开挖地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工办法，暗挖法包括钻爆法、盾构法、顶管法等，其中盾构法应用最为广泛。
5.暗挖法施工形成的地铁隧道需及时支护，由于地下隧道其顶部依然要承受原有的地面建筑带来的荷载，因此需要对顶部进行有效支撑。现有的地铁钢支撑都是设置多根水平的支撑钢管，能够确保地铁隧道的稳定性，防止塌方，但是目前的地铁钢支撑，在受到顶部压力后整个支撑体系都在受力，对整个支撑结构的受力要求较高，且单纯的刚性支撑耗能效果差，无法根据顶部压力情况调整支撑结构的受力体系。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种地铁施工顶部支撑装置。
7.本发明提供了一种地铁施工顶部支撑装置，包括多个沿地铁洞线方向相互拼装的支撑单元，各支撑单元均包括：
8.水平支撑部，平行于地铁洞线的宽度方向设置，且两端固定在地铁洞线侧壁上；
9.拱顶支撑部，包括上拱顶支撑部和下拱顶支撑部，所述上拱顶支撑部和下拱顶支撑部均设置于所述水平支撑部上方，且端部与水平支撑部两端固定连接，水平支撑部和下拱顶支撑部之间还设有支撑斜杆；
10.减震钢棒，数量为多个，呈八字形均匀布设于所述上拱顶支撑部和下拱顶支撑部之间，所述减震钢棒的顶部与上拱顶支撑部铰接，所述减震钢棒的底部与下拱顶支撑部滑动连接；
11.支撑柱，数量为多个，为减震柱，分别位于相邻两个构成倒八字形的减震钢棒之间，所述支撑柱的顶部穿出上拱顶支撑部位于上拱顶支撑部的上方，支撑柱的底部固定在下拱顶支撑部上；当支撑柱受压下移后，与之相邻的减震钢棒受压滑动并趋于垂直。
12.较佳地，所述支撑柱的顶部设有顶板，底部设有加强板，所述加强板上设有与减震钢棒外部轮廓吻合的豁口，所述豁口内侧设有橡胶垫。
13.较佳地，支撑柱包括上支撑管和下支撑柱，所述下支撑柱套设在上支撑管内，且上支撑管和下支撑柱之间还设有减震弹簧，所述下拱顶支撑部的底部设有与支撑柱一一对应
的警示灯，所述加强板设于上支撑管上，所述下支撑柱固定于下拱顶支撑部上，所述下支撑柱顶部设有用于使警示灯开启的按压式开关。
14.较佳地，所述水平支撑部包括第一支撑板，密封通道和第二支撑板，所述密封通道设于第一支撑板和第二支撑板之间，所述第一支撑板和密封通道之间还设有柱塞件，所述柱塞件与密封通道连通用于调节密封通道内的气体压力。
15.较佳地，密封通道内设有密封滑移块，所述密封滑移块位于靠近密封通道的端部处，且所述密封通道的该端部与密封滑移块之间还均设有能相互接触导通的金属片，所述金属片还分别与电源及声光报警器电连接。
16.较佳地，所述密封通道的该端部与密封滑移块之间还设有阻力弹簧，所述阻力弹簧位于金属片的外部。
17.较佳地，所述密封滑移件包括固定件以及设置于固定件外周的弹性件，所述弹性件能够与密封通道的内壁密封贴合。
18.较佳地，所述弹性件为环形气囊，所述环形气囊的进气端与密封通道远离阻力弹簧的一侧连通，所述环形气囊的进气端设有用于使气体进入环形气囊内部的第一单向阀。
19.较佳地，密封通道上设有进气口和排气阀，所述进气口处设有密封盖。
20.较佳地，排气阀为允许气体从密封通道内部排出的第二单向阀。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的地铁施工顶部支撑装置通过多个相互拼装的支撑单元拼装而成，每个支撑单元上都设置多个伸出拱顶的支撑柱，通过多个支撑柱对地铁隧道顶部形成多点支撑，通过上拱顶支撑板以及下滑至上拱顶支撑板上表面的支撑柱共同形成面支撑，共同形成先点后面的点面协同的支撑结构，能够避免局部应力对整个支撑体系的破坏，同时本发明的支撑柱具有减震作用，能够在初步耗能之后实现刚性支撑，当顶部压力过大后支撑柱下移同时挤压减震钢棒向趋于垂直方向移动，此时应力部位的支撑体系由柔性支撑向刚性支撑转变，提供稳定的支撑力，以抵抗较大的局部应力，避免因变形过大造成支撑体系的稳定性受到破坏。
22.对于拱顶支撑部变形较大的情形本发明还设计了警示灯予以提示，若有必要可以对预警部位进行加固处理，为了应对更严重的情况发生，本发明还设计了存储空气或氧气的密封通道，便于在出现塌方后能够对隧道内部提供氧气，确保未撤离人员的生命安全，同时密封通道还肩负最后一道预警体系，当第一支撑板受力变形后，会使得柱塞件向下移动，减小密封通道的内部容积，进而影响密封通道内的压力增大，密封滑移块则向端部移动，当密封通道端部的金属片和密封滑移块上的金属片接触后声光报警器报警，提示施工人员及时撤离，同时当密封通道内压力达到一定程度后会自动释放富氧空气，对未能及时撤离的施工人员提供生命安全保障；
23.本发明通过先点后面以及先柔后刚的支撑体系，确保支撑稳固性同时降低了局部压力造成整个支撑体系受到破坏的问题，同时配套了相应的多级预警系统，能够确保洞内施工人员的生命安全。
附图说明
24.图1为本发明支撑单元的结构示意图；
25.图2为本发明由支撑单元拼装的支撑装置的结构示意图；
26.图3为本发明支撑单元的剖视图；
27.图4为本发明支撑柱与减震钢棒的位置关系放大图；
28.图5为本发明支撑柱的结构示意图；
29.图6为本发明水平支撑部的结构示意图；
30.图7为本发明密封通道的结构示意图；
31.图8为本发明加强板的结构示意图。
32.附图标记说明：
33.1.水平支撑部，2.拱顶支撑部，21.上拱顶支撑部，22.下拱顶支撑部，3.减震钢棒，4.支撑柱，41.顶板，42.加强板，43.豁口，45.上支撑管，46.下支撑柱，47.减震弹簧，5.第一支撑板，6.密封通道，7.第二支撑板，8.支撑杆，9.柱塞件，10.密封滑移块，101.固定件，102.弹性件，11.金属片，12.声光报警器，13.警示灯，14.阻力弹簧。
具体实施方式
34.下面结合附图1-8，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。
35.实施例1
36.如图1-3所示，本实施例提供的一种地铁施工顶部支撑装置，包括多个沿地铁洞线方向相互拼装的支撑单元，因此可以根据洞线开挖进度及时增设支撑单元，做到及时支护，相邻两个支撑单元可以采用常规的装配方式可拆卸连接，方便装配以及后期的拆除；同时多个支撑单元相互拼装的方式也利于对出现局部顶压过大需要对该处进行加强支护操作或者对以变形失效的支撑单元的更换维修等操作。本实施例中各支撑单元均包括：水平支撑部1，平行于地铁洞线的宽度方向设置，且两端固定在地铁洞线侧壁上；主要是为了提供水平支撑作用，并作为支撑主体与地铁隧道的两侧壁固定连接；
37.拱顶支撑部2包括上拱顶支撑部21和下拱顶支撑部22，所述上拱顶支撑部21和下拱顶支撑部22均设置于所述水平支撑部1上方，且端部与水平支撑部1两端固定连接，上拱顶支撑部21和下拱顶支撑部22为拱形的支撑板，且上拱顶支撑部21上均布多个竖直通孔，水平支撑部1和下拱顶支撑部22之间还设有支撑斜杆8；作为优选方式，支撑斜杆8的数量可以多个，相互之间构成v型支撑体系，能够提高整个支撑体系的稳定性。支撑斜杆8的设计可以根据支撑体系的整体受力情况来确定。
38.减震钢棒3，数量为多个，呈八字形均匀布设于所述上拱顶支撑部21和下拱顶支撑部22之间，所述减震钢棒3的顶部与上拱顶支撑部21铰接，所述减震钢棒3的底部与下拱顶支撑部22滑动连接；滑动连接的方式可以采用t型槽与t型滑块滑动连接的方式，具体是减震钢棒3的底部与滑块连接，滑动方向以使减震钢棒3在自由状态下相邻构成八字形的两个减震钢棒3的底部间距处于较大的水平，当受到外力后，构成八字形的两个减震钢棒3的底部间距缩小，使得两个减震钢棒3相互靠近整个减震钢棒3的趋于由减震效果向刚性支撑的转变，为抵御更大的压力做准备，更好的确保整个支撑体系不受到破坏。
39.支撑柱4，数量为多个，所述支撑柱4的顶部穿出上拱顶支撑部21位于上拱顶支撑部21的上方，支撑柱4的底部固定在下拱顶支撑部22上；支撑柱4其顶部均穿过上拱顶支撑
部21的竖直通孔均匀分布在上拱顶支撑部21的上方，构成位于上拱顶支撑部21上方的多点支撑体系；作为优选方式，可以在支撑柱4的顶部设置用于增大支撑柱4顶部与地铁隧道顶部接触面积的顶盖板，采用均匀布设的多点支撑的方式实现对顶部的有效支撑；
40.同时，本实施例中各支撑柱4分别位于相邻两个构成倒八字形的减震钢棒3之间，且支撑柱4均为上部尺寸大下部尺寸小的结构，且能够随顶部压力的增大在竖直方向做一定的高度调节，使得上部大尺寸部分下移，通过增大的部分挤压位于两侧的减震钢棒3；当支撑柱4受压下移后，与之相邻的减震钢棒3受压滑动并趋于垂直。支撑柱4为减震柱，作为优选方式最好是阻尼式，不仅具有一定缓冲减震作用能低于较小的顶部压力，且能够在顶部压力变大后逐渐转变为刚性支撑。
41.本实施例的上述支撑单元通过水平支撑部1以及拱顶支撑部2构成基本的支撑体系，同时在拱顶支撑部2的上拱顶支撑部21和下拱顶支撑部22布设了减震钢棒3以及高度可调的支撑柱4，而减震钢棒3呈八字形布设在上拱顶支撑部21和下拱顶支撑部22之间，用于抵御地铁隧道顶部施加给上拱顶支撑部21的压力，由于上拱顶支撑部21为支撑板，通过减震钢棒3来抵御上拱顶支撑部21承受荷载，且减震钢板3具有一定的减震作用，具有一定的耗能效果，避免支撑体系与顶部荷载的直接接触，提高了支撑体系的稳定性；
42.本实施中支撑柱4为多点布设的方式，在上拱顶支撑部21的上方形成均匀布设的多点支撑体系，作为整个支撑体系的第一道防线，用于抵御相对较小的顶部压力，由于支撑柱4的顶部高出上拱顶支撑部21，因此支撑柱4形成的点支撑体系为第一道防线；当随着顶部压力的增加，支撑柱4下移至上拱顶支撑部21和下拱顶支撑部22之间，且支撑柱4的下移极限位置为与上拱顶支撑部21的上表面平齐，那么当支撑柱4下移至极限位置后则启动第二道防线，即由支撑柱4和减震钢棒3以及上拱顶支撑部21共同构成的面支撑体系。而水平支撑部1、下拱顶支撑部22以及水平支撑部1和下拱顶支撑部22之间的支撑斜杆8构成第三道防线。且在第一道防线向第二道防线转变的过程中，支撑柱4下移，使得减震钢棒3趋于刚性结构，同时支撑柱4在向极限位置移动也趋于刚性，因此在第一道防线向第二道防线转变的过程也是由柔性支撑向刚性支撑转变的过程。通过支撑防线的升级伴随着支撑强度的升级，实现逐级耗能，逐级增强防护的方式来使得整个支撑体系能够根据所承受的荷载不同，形成先点后面的点面协同的支撑结构，能够避免局部应力对整个支撑体系的破坏，同时本实施例的支撑柱及减震钢棒都具有减震作用，能够在初步耗能之后实现刚性支撑，当顶部压力过大后支撑柱下移同时挤压减震钢棒向垂直方向移动，此时应力部位的支撑体系由柔性支撑向刚性支撑转变，提供稳定的支撑力，以抵抗较大的局部应力，避免因变形过大造成支撑体系的稳定性受到破坏。
43.如图8所示，作为一种优选方式，本实施例的所述支撑柱4的顶部设有顶板41，底部设有加强板42，加强板42可以为梯形板或三角板或锥形板，所述加强板42上设有与减震钢棒3外部轮廓吻合的豁口43，所述豁口43内侧设有橡胶垫。豁口43的设计是为了使减震钢棒3位于豁口43内，实现减震钢棒3与加强板42的时时接触，橡胶垫不仅能够避免在支撑柱4下降的过程中豁口43对减震钢棒3的磨损，同时橡胶垫还能够增大豁口43对减震钢棒3的摩擦力，降低支撑柱4的下移速度。
44.实施例2
45.如图4和图5所示，在上述实施例的基础上，虽然实施例1的支撑体系因顶部荷载不
同在调整支撑等级以及支撑强度，但是对于在施工现场的工作人员并不知晓，也无法对局部应力大的部位进行加强支护和重点关注。因此本实施例中所述支撑柱4包括上支撑管45和下支撑柱46，所述下支撑柱46套设在上支撑管45内，且上支撑管45和下支撑柱46之间还设有减震弹簧47，所述下拱顶支撑部22的底部设有与支撑柱4一一对应的警示灯13，所述下支撑柱46底部设有用于使警示灯13开启的触动开关。
46.本实施例中，警示灯13的设计可以与支撑柱4一一对应，当某处支撑柱4的上支撑管45下降至和下支撑柱46顶部接触后，会触动其对应的警示灯13的启动开关，点亮警示灯13，施工人员可以根据警示灯13的亮灯位置以及亮灯数量在确定该处的顶部受力情况，并评估是否对需要对该处进行加强处理。
47.实施例3
48.在上述实施例的基础上，为了在第三道防线失控前提醒施工人员及时撤离，并预留出人员撤离时间，避免因塌方造成的人员安全问题，如图6和图7所示，本实施例所述水平支撑部1包括第一支撑板5，密封通道6和第二支撑板7，所述密封通道6设于第一支撑板5和第二支撑板7之间，所述第一支撑板5和密封通道6之间还设有柱塞件9，所述柱塞件9与密封通道6连通用于调节密封通道6内的气体压力。所述密封通道6内设有密封滑移块10，所述密封滑移块10位于靠近密封通道6的端部处，且所述密封通道6的该端部与密封滑移块10之间还均设有能相互接触导通的金属片11，所述金属片11还分别与电源及声光报警器电连接12。
49.本实施例的密封通道6内储存有气体，当前三道防线无法抵御顶部荷载后，上部支撑系统以及顶部压力施加给第一支撑板5，第一支撑板5会将压力传递给柱塞件9，柱塞件9的具体结构包括与密封通道6连通的管柱，该管柱内部设置密封柱塞，柱塞的顶部设置连接柱，连接柱的一端与密封柱塞顶部连接，连接柱的顶部与第一支撑板5连接；因此当第一支撑板5受压后，柱塞在连接柱的作用下下压，使得密封通道6内的气体量增加，内部气体压力增大，此时密封通道6形成移动的支撑强度；而第二支撑板7作为最后一道防线能够给施工人员的撤离提供一定的支撑空间，方便人员撤离。
50.作为另一种优选方式，密封通道6内设有密封滑移块10滑动，当密封滑移块10上设置的金属片11与密封通道6的该端部设置的金属片11导通后，电源接通，同时声光报警器12，此时的声光报警器作为危机时刻的最后提醒，能够提前提醒正在施工的工作人员及时撤离，确保施工人员的生命安全。
51.需要说明的是，密封通道6具有足够的壁厚，不仅能够确保密封通道6的支撑强度，还可以避免通道壁变形导致密封滑移块10无法顺利滑移至端部的问题。
52.作为一种优选方式，为了避免密封滑移块10因受到瞬间较大冲击后快速滑移至密封通道6的端部造成误报警，本实施例的所述密封通道6的该端部与密封滑移块10之间还设有阻力弹簧14，所述阻力弹簧14位于金属片11的外部。阻力弹簧14的作用在于使得密封滑移块10受到一定的阻力，避免因瞬间受力而造成的误报警。同时阻力弹簧14的阻力可能根据密封通道6压力情况来调控，实际应用中，满足当密封通道压力6增大至一定范围后，密封滑移块10能够克服阻力弹簧14的阻力实现两个金属片11的导通，启动声光报警器12。
53.作为另一种优选方式，由于在上层支撑体系受到破坏之后，密封通道6有可能会挤压变形，导致密封滑移块10无法顺利到达密封通道6的端部启动声光报警器12，因此，本实
施例中的所述密封滑移件10包括固定件101以及设置于固定件101外周的弹性件102，所述弹性件102能够与密封通道6的内壁密封贴合。弹性件102能够适应一定的形变，弹性件102可以是橡胶圈，硅胶圈等弹性材料制成的能够产生一定形变又能够确保密封性的密封圈，密封圈和固定件101的连接方式可以是粘贴、卡设等方式，本实施例的固定件具有一定的支撑能力，用于安装金属片11及阻力弹簧14。
54.作为另一种优选方式，上述实施例中的所述弹性件102为环形气囊，所述环形气囊的进气端与密封通道6远离阻力弹簧12的一侧连通，所述环形气囊的进气端设有用于使气体进入环形气囊内部的第一单向阀。弹性件102为环形气囊相对于橡胶密封圈等材质变形能力更强，能够更好的适应不同程度的密封通道6变形，适应性更好，且环形气囊能够利用气体通道内部的气体压力，自动补气，以实现更好的密封效果，当密封通道6内的压力增大至一定压力值后第一单向阀打开，使得气体进入环形气囊进行补气，使得环形气囊能够与密封通道6时时保持密封，且适应于各种密封通道6的壳体变形，作为优选方式密封通道6上设有进气口和排气阀，所述进气口处设有密封盖。排气阀为允许气体从密封通道6内部排出的第二单向阀。同时也可以在密封通道6上设置用于在紧急状态下人为打开的排气口，作为优选方式密封通道6内的气体为空气或氧气，以便在发生坍塌事故后对被困在施工位置处的人们提供用于维持生命体征的氧气，等待救援。
55.本发明的地铁施工顶部支撑装置通过多个相互拼装的支撑单元拼装而成，每个支撑单元上都设置多个伸出拱顶的支撑柱，通过多个支撑柱对地铁隧道顶部形成多点支撑，通过上拱顶支撑板以及下滑至上拱顶支撑板上表面的支撑柱共同形成面支撑，共同形成先点后面的点面协同的支撑结构，能够避免局部应力对整个支撑体系的破坏，同时本发明的支撑柱具有减震作用，能够在初步耗能之后实现刚性支撑，当顶部压力过大后支撑柱下移同时挤压减震钢棒向趋于垂直方向移动，此时应力部位的支撑体系由柔性支撑向刚性支撑转变，提供稳定的支撑力，以抵抗较大的局部应力，避免因变形过大造成支撑体系的稳定性受到破坏。
56.对于拱顶支撑部变形较大的情形本发明还设计了警示灯予以提示，若有必要可以对预警部位进行加固处理，为了应对更严重的情况发生，本发明还设计了存储空气或氧气的密封通道，便于在出现塌方后能够对隧道内部提供氧气，确保未撤离人员的生命安全，同时密封通道还肩负最后一道预警体系，当第一支撑板受力变形后，会使得柱塞件向下移动，减小密封通道的内部容积，进而影响密封通道内的压力增大，密封滑移块则向端部移动，当密封通道端部的金属片和密封滑移块上的金属片接触后声光报警器报警，提示施工人员及时撤离，同时当密封通道内压力达到一定程度后会自动释放富氧空气，对未能及时撤离的施工人员提供生命安全保障；
57.本发明通过先点后面以及先柔后刚的支撑体系，确保支撑稳固性同时降低了局部压力造成整个支撑体系受到破坏的问题，同时配套了相应的多级预警系统，能够确保洞内施工人员的生命安全。
58.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。