非对称大变形可缩钢拱架及基于可缩钢拱架的安装方法
【专利摘要】本发明公开了一种非对称大变形可缩钢拱架，包括第一普通段钢板、第二普通段钢板、摩阻接口和可缩段钢板，其中，所述可缩段钢板的滑动端通过所述摩阻接口与所述第一普通段钢板相连接，所述可缩段钢板的固定端通过第二固定螺栓与所述第二普通段钢板固定连接，所述可缩段钢板能够缩进所述摩阻接口。本发明还提供了一种非对称大变形可缩钢拱架的安装方法。本发明所述非对称大变形可缩钢拱架结构简单，性能稳定，能够很好适应围岩的非对称局部变形，当缩动完成后，能继续发挥普通钢拱架的作用，提供足够的承载力，保持围岩的稳定，方便工程建设并能起到一定的保护作用，提高了安全性。
【专利说明】非对称大变形可缩钢拱架及基于可缩钢拱架的安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地下工程支护领域，尤其涉及非对称大变形可缩钢拱架。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的飞速发展，铁路、公路等基础设施的大量修建，隧道工程往往占有举足轻重的地位，实践表明，隧道围岩大变形的情况在深埋隧道的软岩段很容易出现，其特点是围岩软弱，地应力高，最终变形较大且变形持续时间较长；当隧道围岩发生大变形时，围岩侵限甚至坍塌，支护钢架扭曲、错断，初期支护严重破坏；拱顶下沉，拱脚、边墙被挤压移位，衬砌开裂，直接影响隧道的施工和运行安全。
[0003]在实际工程中，由于地应力偏压或者围岩各向异性挤压等因素造成围岩局部应变能较高，围岩变形往往呈现出非对称的特征，从而发生隧道围岩非对称的大变形；现有隧道支护设计往往以对称设计为主，当遇到隧道围岩发生非对称变形时，如果还采用传统的对称支护方法对称地设计钢拱架，往往不能满足实际要求，给工程建设带来困难和危险。
【发明内容】
[0004]为此，本发明提出了一种可以解决上述问题的至少一部分的新非对称大变形可缩钢拱架。
[0005]本发明提供了一种非对称大变形可缩钢拱架，包括第一普通段钢板、第二普通段钢板、摩阻接口和可缩段钢板，其中，所述可缩段钢板的滑动端通过所述摩阻接口与所述第一普通段钢板相连接，所述可缩段钢板的固定端通过第二固定螺栓与所述第二普通段钢板固定连接，所述可缩段钢板能够缩进所述摩阻接口。
[0006]可选地，根据本发明的非对称大变形可缩钢拱架，所述摩阻接口包括摩阻板和第一固定螺栓，所述摩阻板通过所述第一固定螺栓固定在所述第一普通段钢板上，所述摩阻板与所述第一普通段钢板构成两个接口，所述可缩段钢板的滑动端插入接口中。
[0007]可选地，根据本发明的非对称大变形可缩钢拱架，所述第一普通段钢板和所述第二普通段钢板为工字型钢板。
[0008]可选地，根据本发明的非对称大变形可缩钢拱架，所述可缩段钢板为曲形钢板。
[0009]可选地，根据本发明的非对称大变形可缩钢拱架，所述第一固定螺栓外部包有软钢或软铜。
[0010]可选地，根据本发明的非对称大变形可缩钢拱架，所述第二固定螺栓外部包有软钢或软铜。
[0011]可选地，根据本发明的非对称大变形可缩钢拱架，所述第一固定螺栓的材料为钢。
[0012]可选地，根据本发明的非对称大变形可缩钢拱架，所述第二固定螺栓的材料为钢。
[0013]本发明还提供了一种非对称大变形可缩钢拱架的安装方法，其中，所述方法包括以下步骤:
[0014]步骤一:把所述第一普通段钢板和所述第二普通段钢板安装在围岩变形量小的部位；
[0015]步骤二:把所述可缩段钢板安装在围岩变形量大的部位，所述可缩段钢板的滑动端通过所述摩阻接口与所述第一普通段钢板相连接，所述可缩段钢板的固定端通过第二固定螺栓与所述第二普通段钢板固定连接。
[0016]本发明所述非对称大变形可缩钢拱架结构简单，性能稳定，能够很好适应围岩的非对称局部变形，当缩动完成后，能继续发挥普通钢拱架的作用，提供足够的承载力，保持围岩的稳定，方便工程建设并能起到一定的保护作用，提高了安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中:
[0018]图1为本发明所述非对称大变形可缩钢拱架的结构示意图；
[0019]图1-1为本发明所述非对称大变形可缩钢拱架的原理图；
[0020]图2为图1中A-A’的横截面图；
[0021]图3为图1中B-B’的横截面图；
[0022]图4为发明所述非对称大变形可缩钢拱架滑动端原理图；
[0023]图5为本发明所述非对称大变形可缩钢拱架安装示意图。
[0024]其中，附图中各标记的含义为:
[0025]第一普通段钢板10、第二普通段钢板11、摩阻接口 20、摩阻板21、第一固定螺栓22、可缩段钢板30、滑动端31、固定端32和第二固定螺栓33。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。
[0027]图1示出了本发明所述非对称大变形可缩钢拱架的结构示意图。所述非对称大变形可缩钢拱架包括第一普通段钢板10、第二普通段钢板11、摩阻接口 20和可缩段钢板30，其中，所述可缩段钢板30的滑动端31通过所述摩阻接口 20与所述第一普通段钢板10相连接，所述可缩段钢板30的固定端32通过第二固定螺栓33与所述第二普通段钢板11固定连接(如图3所示)，所述可缩段钢板30能够缩进所述摩阻接口 20。所述非对称大变形可缩钢拱架一般安装在隧道内，所述第一普通段钢板10、所述第二普通段钢板11和所述可缩段钢板30对隧道内周围的岩石起到固定支撑的作用，如图1-1所示，在周围岩石发生大变形时，所述可缩段钢板30受到一定的压力，所述可缩段钢板30的滑动端31可以伸缩进所述摩阻接口 20内，从而不断释放周围岩石的应力，保持岩石的稳定，从而能保证隧道的安全施工和顺利运行。
[0028]本发明所述非对称大变形可缩钢拱架中，所述摩阻接口 20包括摩阻板21和第一固定螺栓22，所述摩阻板21通过所述第一固定螺栓22固定在所述第一普通段钢板10上，所述摩阻板21与所述第一普通段钢板10构成两个接口，所述可缩段钢板30的滑动端31插入接口中。如图1、图2和图4所示，所述摩阻接口 20包括摩阻板21和第一固定螺栓22，所述第一固定螺栓22把所述摩阻板21固定在所述第一普通段钢板10上，所述摩阻板21与所述第一普通段钢板10构成两个接口，所述可缩段钢板30插入两个接口中，所述第一固定螺栓22使得所述摩阻板21和所述可缩段钢板30的滑动端31形成两个摩擦力(f为摩擦力)，隧道内周围的岩石对所述可缩段钢板30的压力较小时，所述可缩段钢板30维持初始状态，当隧道内周围的岩石对所述可缩段钢板30的压力较大时，使得所述可缩段钢板30向接口内移动。
[0029]本发明所述非对称大变形可缩钢拱架中，所述第一普通段钢板10和所述第二普通段钢板11为工字型钢板。钢是以铁为主要元素，碳含量一般在2.0%以下并含有其他元素的金属材料，钢较之最初的生铁有更好的物理、化学、机械性能，工字钢是截面为工字形状的长条钢材。如图2和图3所示，所述第一普通段钢板10和所述第二普通段钢板11的横截面为工字型，工字钢是一种断面力学性能更为优良的经济型断面钢材，其优点为:翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强；翼缘两表面相互平行使得连接、加工、安装简便；与一般型钢相比，成本低，精度高，残余应力小，无需昂贵的焊接材料和焊缝检测，节约钢结构制作成本30%左右。
[0030]本发明所述非对称大变形可缩钢拱架中，所述可缩段钢板30为曲形钢板。如图1所示，所述可缩段钢板30的材料为钢，所述可缩段钢板30的形状为曲形，有一定的弧度，方便所述可缩段钢板30能够伸入所述摩阻接口 20中。
[0031]本发明所述非对称大变形可缩钢拱架中，所述第一固定螺栓22和所述第二固定螺栓33外部包有软钢或软铜。软钢或软铜可以包住一排固定螺栓，也可以包住单个固定螺栓，软钢或软铜能够包括所述第一固定螺栓22和所述二固定螺栓33不受损坏。
[0032]本发明所述非对称大变形可缩钢拱架中，所述第一固定螺栓22和所述第二固定螺栓33的材料为钢。所述第一固定螺栓22和所述第二固定螺栓33的材料为硬度大和抗压力大的金属材料，如铁或钢。铁是有光泽的银白色金属，硬而有延展性，熔点为1535°C，沸点2750°C，有很强的铁磁性，并有良好的可塑性和导热性。钢是以铁为主要元素，碳含量一般在2.0%以下并含有其他元素的金属材料，钢较之最初的生铁有更好的物理、化学、机械性能。所述第一固定螺栓22和所述第二固定螺栓33优选的材料为钢。
[0033]本发明还提供了一种非对称大变形可缩钢拱架的安装方法，其中，所述方法包括以下步骤:
[0034]步骤一:把所述第一普通段钢板10和所述第二普通段钢板11安装在围岩变形量小的部位；
[0035]步骤二:把所述可缩段钢板30安装在围岩变形量大的部位，所述可缩段钢板30的滑动端31通过所述摩阻接口 20与所述第一普通段钢板10相连接，所述可缩段钢板30的固定端32通过第二固定螺栓33与所述第二普通段钢板11固定连接。
[0036]基于所述可缩钢拱架非对称大变形可缩钢拱架的利用方法如下:如图5所示，首先获取隧道围岩的地应力信息和工程地质条件，对隧道软岩的计算分析，确定围岩的变形量、变形范围，如得到图5中A部分、B部分和D部分的围岩的变形量比较小，C部分的围岩的变形量较大；然后通过中隔壁法或交叉中隔壁法按照图5中A、B、C和D的先后顺序进行挖掘，粗黑线表示隧道轮廓线，挖掘过程中，把所述第二普通段钢板11安装在A部分、B部分和D部分的圆弧位置，把所述第一普通段钢板10、可缩段钢板30安装在C部分的圆弧位置，所述可缩段钢板30的滑动端31通过所述摩阻接口 20与所述第一普通段钢板10相连接，所述可缩段钢板30的固定端32通过第二固定螺栓33与所述第二普通段钢板11固定连接，在可缩钢拱架非对称大变形可缩钢拱架未拼接完之前，需要做好临时支撑；隧道分步开挖完后(可缩钢拱架非对称大变形可缩钢拱架也拼接完成)，为防止可缩钢拱架非对称大变形可缩钢拱架发生偏斜，需要在可缩钢拱架非对称大变形可缩钢拱架的脚部和拱肩处设置锁固锚杆；可缩钢架安装完后，铺设钢筋网，喷注混凝土层，最后开挖隧道底部(图5中的E部分)，设置仰拱，让支护结构封闭成环。
[0037]本发明所述非对称大变形可缩钢拱架结构简单，性能稳定，能够很好适应围岩的非对称局部变形，当缩动完成后，能继续发挥普通钢拱架的作用，提供足够的承载力，保持围岩的稳定，方便工程建设并能起到一定的保护作用，提高了安全性。
[0038]应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
【权利要求】
1.非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于包括:第一普通段钢板(10)、第二普通段钢板(11)、摩阻接口(20)和可缩段钢板(30)，其中，所述可缩段钢板(30)的滑动端(31)通过所述摩阻接口(20)与所述第一普通段钢板(10)相连接，所述可缩段钢板(30)的固定端(32)通过第二固定螺栓(33)与所述第二普通段钢板(11)固定连接，所述可缩段钢板(30)能够缩进所述摩阻接口(20)。
2.根据权利要求1所述的非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于:所述摩阻接口(20)包括摩阻板(21)和第一固定螺栓(22)，所述摩阻板(21)通过所述第一固定螺栓(22)固定在所述第一普通段钢板(10)上，所述摩阻板(21)与所述第一普通段钢板(10)构成两个接口，所述可缩段钢板(30)的滑动端(31)插入接口中。
3.根据权利要求1所述的非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于:所述第一普通段钢板(10)和所述第二普通段钢板(11)为工字型钢板。
4.根据权利要求1所述的非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于:所述可缩段钢板(30)为曲形钢板。
5.根据权利要求2所述的非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于:所述第一固定螺栓(22)外部包有软钢或软铜。
6.根据权利要求1所述的非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于:所述第二固定螺栓(33)外部包有软钢或软铜。
7.根据权利要求2所述的非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于:所述第一固定螺栓(22)的材料为钢。
8.根据权利要求1所述的非对称大变形可缩钢拱架，其特征在于:所述第二固定螺栓(33)的材料为钢。
9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述的非对称大变形可缩钢拱架的安装方法，其中，所述方法包括以下步骤: 步骤一:把所述第一普通段钢板(10)和所述第二普通段钢板(11)安装在围岩变形量小的部位； 步骤二:把所述可缩段钢板(30)安装在围岩变形量大的部位，所述可缩段钢板(30)的滑动端(31)通过所述摩阻接口(20)与所述第一普通段钢板(10)相连接，所述可缩段钢板(30)的固定端(32)通过第二固定螺栓(33)与所述第二普通段钢板(11)固定连接。
【文档编号】E21D11/18GK104481559SQ201410658729
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】李天斌, 陈超, 孟陆波, 陈国庆 申请人:成都理工大学