專利名稱：基于礦用u型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種支護裝置，尤其涉及一種用于深部或軟巖等復雜條件下的難支護硐室、巷道、隧道等地下工程的約束混凝土定量讓壓拱架。
背景技術：
國內外學者通過研究提出并發展了多種支護形式，如錨噴支護、錨網索噴、金屬支架、高強度弧板等。隨著社會經濟的發展，地下巖體工程進一步向深、廣方向發展，圍巖層位越來越深，工程地質條件越來越復雜。高地應力、軟巖流變、斷層等地質構造、地下水等因素造成地下工程面臨前所未有的支護難度。現有支護技術不能很好的滿足現場復雜條件下的圍巖支護要求，尤其是更難滿足千米深井軟巖巷道的支護。現階段深部高應力軟巖巷道及硐室群常用的支護形式是U型鋼支架。但U型鋼支架在圍巖支護時存在以下問題①支護強度不足，在淺部圍巖支護中該問題不明顯，但現在國內多個深部礦區如淮南、巨野等地區的深部巷道，采用的U36鋼支架均出現了 U型鋼支架屈服、斷裂的現象，且在拱肩和拱頂部位的受壓破壞比重較高；②支護成本高，礦用U36鋼每米鋼材重量為35. 87kg/m，用鋼量大，支護成本相對較高工作阻力低，U型鋼支架在其強度范圍內工作時，其工作阻力只與支架接頭處摩擦阻力相關，而摩擦阻力又取決于卡纜的鎖緊程度，我國U型鋼支架普遍存在鎖緊力不足，支架工作阻力相對較低的現象。④不能定量讓壓，采用卡纜作為節點連接形式，可以進行一定的讓壓，但是其讓壓量及讓壓時機很難把握和控制。近年來，出現了一種用于巷道支護的鋼管混凝土支架，該支架具有較高的支護強度，能夠較為有效的支護巷道，為深部軟巖巷道提供了一種新型的支護方式。但該支架尚存在一些問題，如①護表面積小且應力集中，圓形截面的鋼管混凝土支架與圍巖表面理論上是線接觸，接觸面積小，一方面對圍巖表面產生的護表面積小，另一方面易造成鋼管表面的應力集中無法定量讓壓，深部大變形圍巖支護的讓壓是必要的，現有的鋼管混凝土支架在無法實現讓壓量和讓壓時機可控的讓壓效果；③抗彎剛度不足，深部巷道圍巖受偏壓的現象明顯，拱形支架在偏壓作用下對其抗彎剛度提出較高的要求。總體來說，對于日益復雜的深部或軟巖巷道、隧道、硐室等地下工程而言，現有的支護方式仍然存在一定的問題，不能滿足難度日益增長的支護需要，影響了深部巖體工程的生產和安全。
發明內容礦用U型鋼支架存在一些問題，但畢竟是經過幾十年科技發展的產物，在幾代人的研究努力下，礦用U型鋼支架的截面形式和尺寸日漸科學合理，其生產、加工、安裝、使用的工藝和技術都已非常成熟，是一條完整的生產使用鏈，具有很強的發展潛力。本實用新型的目的是針對礦用U型鋼支架存在的問題及其產業優勢的優缺點共存的局面，通過研究，取長補短，實用新型了基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架。實用新型本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，它是由多個拱形單架通過縱向連接套管連接而成的拱形立體結構，拱形單架為由多節管狀復合構件圍成的拱狀結構，兩節管狀復合構件的連接處設有定量讓壓環，兩節管狀復合構件通過套在定量讓壓環和兩節管狀復合構件端頭外面的套管相互連接，套管的下面設有阻止套管向下運動的擋卡。所述的管狀復合構件由封閉鋼管及其填充在封閉鋼管內部的混凝土組成，其形狀根據拱架的整體形狀確定，一般為弧形。封閉鋼管為由礦用U型鋼和封閉鋼板焊接而成，封閉鋼板處在外側接觸面，封閉鋼管其橫截面呈拱形或等腰梯形。所述的封閉鋼管內部設有加強肋板或加強鋼筋，增強拱架的抗彎能力。所述的封閉鋼管側部管壁上開有灌漿孔及排氣孔。上述的拱形立體結構為直墻拱形、直墻三心拱型或馬蹄形。所述的拱形單架的拱腳處通過連接法蘭實現底拱和幫拱的連接。管狀復合構件為3飛節，根據現場實際需要，設計不同的空心鋼管的節數和形狀。由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，所述的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，具有以下顯著優點①支護強度高，經濟合理，礦用U型鋼本身便具有較高的支護強度，構成的約束混凝土構件兼具鋼材和混凝土的優勢，受壓時兩種材料在力學性能上表現出“共生現象”，保證材料性能得到充分發揮，同時由于混凝土材料成本較低，使拱架整體經濟性更高；②抗彎剛度大，在封閉鋼管內部設置了加強鋼筋(加強肋板)，使拱架的抗彎能力得到提升，能夠有效應對圍巖偏壓作用可定量讓壓，定量讓壓結點使拱架受到圍壓作用達到設定限度時，可以進行讓壓，而且讓壓量是可以人為控制的；④護表面積大，相對礦用U型鋼拱架和圓形鋼管混凝土支架與圍巖之間的近似線接觸作用，對圍巖具有更大的護表面積，有利于支護阻力更廣的向圍巖內部傳遞，可有效改善圍巖應力分布狀態；⑤支架應力集中程度低，支架與圍巖面接觸，降低了拱架外表面受力集中，減少了因外表面應力集中造成的拱肩破斷情況；⑥保有礦用U型鋼優勢，可以直接利用礦用U型鋼拱架現有的生產、加工、安裝、使用等工藝，相應的設備不需要改變，僅在其基礎上新增幾道簡單工序即可。該基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架適用于各種困難巷道、隧道、硐室等的支護，尤其適用于深部或軟巖等大變形巷道的支護。本實用新型結構簡單、裝置連接方便、支護能力強、護表面積大、能夠定量讓壓、穩定性好、受力合理，可定量讓壓，用于深部或軟巖難支護巷道、隧道、硐室的支護。
圖1為本實用新型基于礦用U型鋼的約束混凝土拱架的結構示意圖；圖2為圖1中的A-A剖面圖，為拱形單架的橫截面的示意圖；圖3為圖1中的B處放大圖，為定量讓壓節點的示意圖；圖4為圖1中的B-B剖面圖，為定量讓壓節點橫截面的示意圖；圖5為圖1中的C處放大圖，為拱腳連接節點的示意圖；圖6為圖1中的C-C剖面圖，為拱腳連接節點的橫截面的示意圖。圖例說明1 一管狀復合構件；2—定量讓壓節點；3—拱腳連接節點；4一底拱灌漿孔；5—頂拱灌漿孔；6—縱向連接套管；7—封閉鋼管；8—封閉鋼板；9一混凝土 ；10—加強鋼筋(加強肋板)；11 一套管；12—定量讓壓環；13—擋卡；14一頂拱排氣孔；15—幫拱排氣孔；16—幫拱連接法蘭；17—底拱連接法蘭；18—高強螺栓；19一灌漿通孔。
具體實施方式
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型做進一步說明。基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，它是由多個拱形單架通過縱向連接套管6連接而成的拱形立體結構，拱形單架為由多節管狀復合構件I圍成的拱狀結構，兩節管狀復合構件I的連接處設有定量讓壓環12，兩節管狀復合構件I通過套在定量讓壓環12和兩節管狀復合構件I端頭外面的套管11相互連接，套管11的下面設有阻止套管11向下運動的擋卡13。管狀復合構件I由封閉鋼管7及其填充在封閉鋼管7內部的混凝土 9組成，其形狀根據拱架的整體形狀確定，一般為弧形。封閉鋼管7為由礦用U型鋼和封閉鋼板8焊接而成，封閉鋼板8處在外側接觸面，封閉鋼管7其橫截面呈拱形或等腰梯形。如圖1所示，先將所述的多節封閉鋼管7相互連接形成拱架形式，定量讓壓節點2暫時不安裝。然后分別由底拱灌漿孔4和頂拱灌漿孔5向封閉鋼管7中灌注填充混凝土 9，頂拱排氣孔14和幫拱排氣孔15位于定量讓壓節點2處(圖2)，拱架兩側對稱布置。拱架上設置了縱向連接套管6，用于固定拱架的縱向連接桿，防止拱架傾倒，所述的縱向連接套管6為圓形鋼管加工而成。如圖1和圖2所示，所述管狀復合構件I由封閉鋼管7和混凝土 9構成，封閉鋼管7由礦用U型鋼和封閉鋼板8焊接而成，為了增加拱架抗彎能力，可以在封閉鋼管7內部增設加強鋼筋(加強肋板)10。封閉鋼管7使礦用U型鋼變成封閉截面的鋼管，一方面增大了拱架的抗彎能力，另一方面明顯增大了拱架的護表面積。所述的礦用U型鋼和封閉鋼板8均有多種型號，所述混凝土 9也可根據需要選擇不同類型和配比。如圖1、圖3和圖4所示，所述的定量讓壓節點2用于連接多節所述管狀復合構件1，定量讓壓節點由套管11、定量讓壓環12、擋卡13組成，混凝土灌注完成之后，將定量讓壓環12安裝在設定位置，然后向下滑動套管11至擋卡13阻擋為止。所述的定量讓壓節點2可以根據需要設置在拱架的不同部位。套管11的截面尺寸略大于管狀復合構件I的截面尺寸，所述管狀復合構件I恰可套入套管11中。當拱架受力達到設定限度的時候，定量讓壓環12可通過自身的壓縮變形實現拱架的讓壓，所述的定量讓壓環12有多種型號，可根據拱架設定的不同讓壓點進行選擇。如圖1、圖5和圖6所示，所述的拱架的底拱和幫拱通過拱腳連接節點3進行連接，拱腳連接節點3包括幫拱連接法蘭16、底拱連接法蘭17和高強螺栓18，高強螺栓18連接上下兩法蘭，在兩法蘭的中間部位開有灌漿通孔19，便于混凝土 9流動。本實用新型的基于礦用U型鋼的約束混凝土構件是一種新型的支護結構。它是由礦用U型鋼和封閉鋼板8組成的封閉鋼管7作為外殼，內填裝混凝土 9組成。所述的管狀復合構件I利用封閉鋼管7和混凝土 9在受力過程中的相互作用使混凝土 9處于三維受壓應力狀態下，從而使混凝土 9的強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時由于混凝土9的作用可以避免或延緩封閉鋼管7發生局部屈曲，受壓時兩種材料在力學性能上表現出“共生現象”，從而保證材料性能的充分發揮。所述的約束混凝土拱架一般由4節管狀復合構件I組成，便于攜帶至施工現場。如果不需要底拱時，可采用頂幫3節管狀復合構件I的形式。首先在現場將方鋼管混凝土支架組裝好，然后再將混凝土 9通過灌漿孔注入封閉鋼管7內，使得方鋼管混凝土支架便于運輸、搬動，支護工藝簡單、實用。約束混凝土定量讓壓拱架在封閉鋼管7內部設置了加強鋼筋10，使拱架的抗彎能力得到提升，能夠有效應對圍巖偏壓作用，抗彎剛度大。所述的約束混凝土定量讓壓拱架相對礦用U型鋼拱架和圓形鋼管混凝土支架與圍巖之間的近似線接觸作用，由于是封閉鋼板8與圍巖接觸，一方面對圍巖具有更大的護表面積，有利于支護阻力更廣的向圍巖內部傳遞，可有效改善圍巖應力分布狀態；另一方面支架與圍巖面接觸，支架應力集中程度低，降低了拱架外表面受力集中，減少了因外表面應力集中造成的拱肩破斷情況。所述的約束混凝土拱架是在礦用U型鋼的基礎上實用新型的，保有礦用U型鋼優勢，可以直接利用礦用U型鋼拱架現有的生產、加工、安裝、使用等工藝，相應的設備不需要改變，僅在其基礎上新增幾道工序即可。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，其特征是，它是由多個拱形單架通過縱向連接套管連接而成的拱形立體結構，拱形單架為由多節管狀復合構件圍成的拱狀結構，兩節管狀復合構件的連接處設有定量讓壓環，兩節管狀復合構件通過套在定量讓壓環和兩節管狀復合構件端頭外面的套管相互連接，套管的下面設有阻止套管向下運動的擋卡。
2.根據權利要求1所述的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，其特征是，所述的管狀復合構件由封閉鋼管及其填充在封閉鋼管內部的混凝土組成，封閉鋼管為由礦用 U型鋼和封閉鋼板焊接而成，封閉鋼板處在外側接觸面，封閉鋼管其橫截面呈拱形或等腰梯形。
3.根據權利要求2所述的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，其特征是，所述的封閉鋼管內部設有加強肋板或加強鋼筋。
4.根據權利要求2所述的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，其特征是，所述的封閉鋼管側部管壁上開有灌漿孔及排氣孔。
5.根據權利要求1所述的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，其特征是，所述的拱形立體結構為直墻拱形、直墻三心拱型或馬蹄形。
6.根據權利要求1所述的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，其特征是，所述的拱形單架的拱腳處通過連接法蘭實現底拱和幫拱的連接。
7.根據權利要求1所述的基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，其特征是，所述的管狀復合構件為3飛節。
專利摘要本實用新型涉及一種基于礦用U型鋼的約束混凝土定量讓壓拱架，它是由多個拱形單架通過縱向連接套管連接而成的拱形立體結構，拱形單架為由多節管狀復合構件圍成的拱狀結構，兩節管狀復合構件的連接處設有定量讓壓環，兩節管狀復合構件通過套在定量讓壓環和兩節管狀復合構件端頭外面的套管相互連接，套管的下面設有阻止套管向下運動的擋卡。本實用新型結構簡單、裝置連接方便、支護能力強、護表面積大、能夠定量讓壓、穩定性好、受力合理，可定量讓壓，用于深部或軟巖難支護巷道、隧道、硐室的支護。
文檔編號E21D11/10GK202882942SQ201220535149
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者李為騰, 李術才, 王 琦, 王富奇, 阮國強, 左金忠, 張波, 王洪濤, 王德超 申請人:山東大學