钢管混凝土支架让压装置及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种钢管混凝土支架让压装置及使用方法。钢管混凝土支架让压装置包括钢管混凝土构件、沙漏形让压构件和连接套管，沙漏形让压构件位于相邻的两个钢管混凝土构件之间，连接套管位于沙漏形让压构件外侧并将沙漏形让压构件和钢管混凝土构件连接在一起；沙漏形让压构件的上、下端面处分别设置若干个锚固钢筋，锚固钢筋连接在沙漏形让压构件上并伸入钢管混凝土构件的内部；沙漏形让压构件的侧面设有一号注浆孔；沙漏形让压构件的内部设有一对相对位移传感器；连接套管上设有二号注浆孔和排气孔；相对位移传感器的数据传输线依次穿过一号注浆孔引和排气孔后连接到数据采集装置上。本发明变形可控、能够预防钢管混凝土构件剪切错动。
【专利说明】钢管混凝土支架让压装置及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用在钢管混凝土构件连接部位的钢管混凝土支架让压装置及使用方法，适用于深部高应力大变形巷道、硐室以及隧道等地下工程支护。
【背景技术】
[0002]目前，我国煤炭开采主产区已经由东部转往西部，开采深度已由浅部转入深部。在新疆、宁夏、内蒙等西部地区，煤系沉积岩多为泥化弱胶结强膨胀软岩；埋置深度达到1000米以上的岩层为高应力软岩。布置于这两类软岩地层中的巷道和硐室存在开挖后变形量大、变形速度快、变形不收敛、支护难度大、支护成本高等缺点，需要不断地返修维护。现有的深部高应力和大变形巷道支护方式中，钢管混凝土支架是一种有效的刚性支护结构。但是，钢管混凝土支架刚性大的特点不能够适应深部高应力大变形巷道和硐室的上述缺点，当巷道的变形长时间得不到释放，钢管混凝土支架所承受的围岩压力过大时，支架极易发生脆性破坏，造成财产损失、人员伤亡。此外，深部高应力巷道的变形长时间得不到释放时，容易发生岩爆等地质灾害。因此，需要提供一种让压装置，使钢管混凝土支架在一定程度上具备让压变形的功能，以适应高应力大变形巷道的缺点，实现让抗结合支护，使围岩与支护结构共同承载，确保巷道或硐室实现长期稳定。为了实现支架的让压作用，中国专利局目前已经公布了几种钢管混凝土支架可缩性接头。
[0003]专利号为ZL2011204363970的实用新型公开了一种钢管混凝土支架可缩性接头，该接头安装操作过程复杂，其让压变形过程是脆性错坏的过程，具有不可预测性。此外，该接头在使用过程中，相邻的两段钢管混凝土构件容易发生剪切错动，进而造成钢管混凝土支架整体失稳，有一定的安全隐患。
[0004]专利号为ZL2013200704602的实用新型公开了一种伸缩式钢管混凝土支架，该伸缩性多孔金属接头能够为支架提供一定的让压空间，但会出现小孔应力集中，接头处相邻的两段钢管混凝土构件容易发生剪切错动，造成支架突然性整体失稳。
[0005]申请号为ZL2013104663540的发明公布了一种钢管混凝土支架让压构件，该构件能够实现较好的让压变形，而且也能保证混凝土的连续灌注。但是，该构件让压变形的过程具有不可控制的特点，且连接套管容易随之而损坏，相邻的钢管混凝土构件因此会发生剪切错动，进而造成支架整体失稳。
[0006]申请号为ZL2013104698145的发明公布了一种钢管混凝土支架持续渐进让压可缩装置及其使用方法，该装置能够很好地实现支架的渐进让压可缩功能，但是相邻的钢管混凝土构件同样容易发生剪切错动，进而支架整体失稳。
[0007]按照新奥法和耦合支护作用原理，当支架初期承受荷载过大时，支架必须具有让压变形的功能；上述可缩性接头虽然具有让压作用，但是让压变形的过程是不可控制或不可预测的，而且钢管混凝土构件连接处均有可能发生剪切错动，进而造成支架整体失稳。
【发明内容】
[0008]针对现有技术中钢管混凝土支架可缩性接头存在的上述不足，本发明提供了一种可注浆控制形变防错动的钢管混凝土支架让压装置，其变形可控、能够预防钢管混凝土构件剪切错动，可用于矿山深部高应力大变形巷道和硐室、隧道工程的钢管混凝土支架。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]钢管混凝土支架让压装置，包括钢管混凝土构件、沙漏形让压构件和连接套管，沙漏形让压构件位于相邻的两个钢管混凝土构件之间，连接套管位于沙漏形让压构件外侧并将沙漏形让压构件和钢管混凝土构件连接在一起；钢管混凝土构件的内部灌注混凝土 ；沙漏形让压构件的内部空心；所述沙漏形让压构件的上、下端面处分别设置若干个锚固钢筋，锚固钢筋连接在沙漏形让压构件上并伸入钢管混凝土构件的内部；沙漏形让压构件的侧面设有一号注浆孔；沙漏形让压构件的内部设有一对相对位移传感器，其中一个相对位移传感器安装于沙漏形让压构件的上端面内侧中心处，另一个相对位移传感器安装于沙漏形让压构件的下端面内侧中心处；连接套管上设有二号注浆孔和排气孔，二号注浆孔与排气孔位于连接套管的相对侧；相对位移传感器的数据传输线依次穿过一号注浆孔引和排气孔后连接到数据采集装置上，数据采集装置获取沙漏形让压构件的变形数据。
[0011]进一步，上述沙漏形让压构件的上、下端面上分别设有与相应端面处锚固钢筋数量相同的螺纹孔，锚固钢筋上设有外螺纹，锚固钢筋与沙漏形让压构件螺纹连接。
[0012]进一步，上述沙漏形让压构件的上、下端面各设有三个相同的螺纹孔；位于同一端面上的三个螺纹孔分布于一个正三角形的三个顶点上，正三角形的中心与相应端面的中心重合。
[0013]进一步，上述沙漏形让压构件的上、下端面均为圆形状，每相邻两个螺纹孔之间的距离为相应端面直径的一半。
[0014]进一步，通过二号注浆孔向位于连接套管和沙漏形让压构件之间的空隙内部注橡胶水泥砂浆，橡胶水泥砂浆经过一号注浆孔进入沙漏形让压构件的内部，其中，在橡胶水泥砂浆中，橡胶所占的重量比为30%。
[0015]本发明的另一个目的在于提出一种上述钢管混凝土支架让压装置的使用方法，其采用如下技术方案:
[0016]一种钢管混凝土支架让压装置的使用方法，包括如下使用步骤:
[0017]a、首先将锚固钢筋与沙漏形让压构件连接在一起，然后通过连接套管将沙漏形让压构件与相邻的两段钢管混凝土构件连接在一起；
[0018]b、所有钢管混凝土构件依次连接成为整体并固定于巷道、硐室或隧道的表面后，向钢管混凝土构件内灌注混凝土；
[0019]C、数据采集装置通过相对位移传感器获取沙漏形让压构件的让压变形量的相关数据，并分析数据，等到沙漏形让压构件变形趋于收敛后，通过连接套管表面的二号注浆孔向位于连接套管和沙漏形让压构件之间的空隙注橡胶水泥砂浆，直至空隙被填满；如果沙漏形让压构件的变形持续不收敛，则不需要注浆。
[0020]进一步，上述步骤c中，橡胶在橡胶水泥砂浆中所占的重量比为30%。
[0021]本发明具有以下优点:
[0022]1、在具备“让” “抗”结合支护功能的基础上通过锚固钢筋和后期注浆防止了钢管混凝土支架相邻构件的剪切错动，提高了钢管混凝土支架的稳定性。[0023]2、通过相对位移传感器可以直观地了解沙漏形让压构件的让压变形的情况，并据此选择注浆时机，能够更好地控制让压装置的让压过程。
[0024]3、由沙漏形让压构件、锚固钢筋和连接套管组成，结构简单、受力合理。
[0025]4、通过向连接套管和沙漏形让压构件让压变形后的空隙注水泥砂浆，并在水泥砂浆中掺入重量比为30%的橡胶颗粒，在提高钢管混凝土支架抗力的同时，使钢管混凝土构件的连接处具备一定的柔性，提高了支架的抗震能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明中钢管混凝土支架让压装置的侧面剖视图；
[0027]图2为图1中沙漏形让压构件的结构示意图；
[0028]图3为图2中沙漏形让压构件的侧面剖视图；
[0029]其中，1-沙漏形让压构件、2-锚固钢筋、3-连接套管、4-钢管混凝土构件、5-混凝土、6-连接套管与沙漏形让压构件之间的空隙、7-相对位移传感器、8-数据传输线、9-一号注浆孔、10-螺纹孔、11- 二号注浆孔、12-排气孔。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明:
[0031]结合图1所示，钢管混凝土支架让压装置，包括沙漏形让压构件1、锚固钢筋2、连接套管3和钢管混凝土构件4。沙漏形让压构件I位于相邻的两个钢管混凝土构件4之间。钢管混凝土构件4的内部灌注混凝土。沙漏形让压构件I具有上、下两个端面，在上、下端面上分别设有螺纹孔10，锚固钢筋2上设有外螺纹，锚固钢筋2与沙漏形让压构件I通过螺纹连接在一起，然后通过连接套管3将沙漏形让压构件I与钢管混凝土构件4连接成为一体，锚固钢筋2伸入钢管混凝土构件4内部。
[0032]具体的，沙漏形让压构件I由钢材制成，长度为15cm?30cm，内部是空心的，沙漏形让压构件I的上、下端面处的截面直径最大，沙漏形让压构件I中间处的截面直径最小，且沿沙漏形让压构件I的上、下端面分别指向沙漏形让压构件I的中间处，沙漏形让压构件I的截面直径呈减小趋势，沙漏形让压构件I中间处的截面直径为沙漏形让压构件I的上、下端面处的截面直径的1/3?1/2。沙漏形让压构件I的上、下端面处的截面直径与钢管混凝土构件4的截面直径相同。沙漏形让压构件I的上、下端面各设有三个相同的螺纹孔10，位于同一端面(即同时位于上端面上、或同时位于下端面上)上的三个螺纹孔10分布于一个正三角形的三个顶点上，该正三角形的中心与相应端面的圆心重合，边长为相应端面直径的1/2。沙漏形让压构件I的侧面设有一号注浆孔9。沙漏形让压构件I的内部设有一对相对位移传感器7,—个相对位移传感器7安装于上端面内侧中心处,另一个相对位移传感器7安装于下端面内侧中心处，相对位移传感器7的数据传输线8通过一号注浆孔9引出。沙漏形让压构件I在上、下端面受压后能够持续的让压变形，使钢管混凝土支架具有可缩的特性。
[0033]锚固钢筋2由钢筋制成，长度为15cm?30cm，一共有6根，其中有3根位于沙漏形让压构件I的上端面处，另外3根位于沙漏形让压构件I的下端面处。锚固钢筋2的一端设有外螺纹，通过螺纹孔10与沙漏形让压构件I牢固地连接在一起。锚固钢筋2的作用是，在向钢管混凝土构件4灌注混凝土 5后，将沙漏形让压构件I与钢管混凝土构件4连接成为一体，防止相邻的钢管混凝土构件4发生剪切错动，保证钢管混凝土支架的稳定性。
[0034]连接套管3中间设有二号注浆孔11和排气孔12，二号注浆孔11与排气孔12分别位于连接套管3的相对侧。二号注浆孔11和排气孔12为圆形状。通过二号注浆孔11向位于连接套管3和沙漏形让压构件I之间的空隙6注橡胶水泥砂浆，以控制让压过程，一方面实现让抗结合支护，又能保证钢管混凝土支架具有一定的柔性和足够的稳定性。橡胶水泥砂浆经过一号注浆孔9进入沙漏形让压构件I的内部。橡胶水泥砂浆中，橡胶所占的重量比为30%。排气孔12的作用是平衡注浆时连接套管3和沙漏形让压构件I之间的内部气压，保证注浆的顺利进行。相对位移传感器7的数据传输线8最终通过排气孔12引出，并与数据采集装置连接，数据采集装置用于获取沙漏形让压构件I的变形数据。
[0035]钢管混凝土支架让压装置的使用方法如下:
[0036]将6根锚固钢筋2与沙漏形让压构件I上、下端面的螺纹孔10连接，然后通过连接套管3将沙漏形让压构件I与相邻的两段钢管混凝土构件4连接，所有钢管混凝土构件4依次连接成为整体并固定于巷道、硐室或隧道的表面后，向钢管混凝土构件4内灌注混凝土 5。然后通过沙漏形让压构件I上、下端面内侧的相对位移传感器7获取沙漏形让压构件I的让压变形量的相关数据，分析数据，等到沙漏形让压构件I变形趋于收敛后，通过连接套管3表面的二号注浆孔11向位于连接套管3和沙漏形让压构件I之间的空隙6注橡胶水泥砂浆，直至空隙6被填满为止；如果沙漏形让压构件I的变形持续不收敛，则不需要进行注浆。
[0037]当钢管混凝土支架受载过大时，沙漏形让压构件I开始让压变形，该构件的形状能够较好地实现钢管混凝土支架持续让压变形；沙漏形让压构件I的变形量可以通过相对位移传感器7直观展现，让压变形最初阶段的目的是“让”，当沙漏形让压构件I变形趋于收敛后向内部空隙注入橡胶水泥砂浆，注浆的主要目的是“抗”和控制沙漏形让压构件I的让压变形的过程，而且橡胶水泥砂浆能够使钢管混凝土支架具备一定的柔性，于是就提高了支架的抗震能力。本发明在时间和空间上实现了钢管混凝土支架的让抗结合支护。
[0038]当然，以上说明仅仅为发明的较佳实施例，发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、或明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到发明的保护。
【权利要求】
1.钢管混凝土支架让压装置，包括钢管混凝土构件、沙漏形让压构件和连接套管，沙漏形让压构件位于相邻的两个钢管混凝土构件之间，连接套管位于沙漏形让压构件外侧并将沙漏形让压构件和钢管混凝土构件连接在一起；钢管混凝土构件的内部灌注混凝土 ；沙漏形让压构件的内部空心；其特征在于，所述沙漏形让压构件的上、下端面处分别设置若干个锚固钢筋，锚固钢筋连接在沙漏形让压构件上并伸入钢管混凝土构件的内部；沙漏形让压构件的侧面设有一号注浆孔；沙漏形让压构件的内部设有一对相对位移传感器，其中一个相对位移传感器安装于沙漏形让压构件的上端面内侧中心处，另一个相对位移传感器安装于沙漏形让压构件的下端面内侧中心处；连接套管上设有二号注浆孔和排气孔，二号注浆孔与排气孔位于连接套管的相对侧；相对位移传感器的数据传输线依次穿过一号注浆孔引和排气孔后连接到数据采集装置上，数据采集装置获取沙漏形让压构件的变形数据。
2.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架让压装置，其特征在于，所述沙漏形让压构件的上、下端面上分别设有与相应端面处锚固钢筋数量相同的螺纹孔，锚固钢筋上设有外螺纹，锚固钢筋与沙漏形让压构件螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的钢管混凝土支架让压装置，其特征在于，所述沙漏形让压构件的上、下端面上各设有三个相同的螺纹孔；位于同一端面上的三个螺纹孔分布于一个正三角形的三个顶点上，正三角形的中心与相应端面的中心重合。
4.根据权利要求3所述的钢管混凝土支架让压装置，其特征在于，所述沙漏形让压构件的上、下端面均为圆形状，每相邻两个螺纹孔之间的距离为相应端面直径的一半。
5.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架让压装置，其特征在于，通过二号注浆孔向位于连接套管和沙漏形让压构件之间的空隙内部注橡胶水泥砂浆，橡胶水泥砂浆经过一号注浆孔进入沙漏形让压构件的内部，其中，在橡胶水泥砂浆中，橡胶所占的重量比为30 %。
6.根据权利要求1所述的钢管混凝土支架让压装置的使用方法，其特征在于包括如下使用步骤: a、首先将锚固钢筋与沙漏形让压构件连接在一起，然后通过连接套管将沙漏形让压构件与相邻的两段钢管混凝土构件连接在一起； b、所有钢管混凝土构件依次连接成为整体并固定于巷道、硐室或隧道的表面后，向钢管混凝土构件内灌注混凝土； C、数据采集装置通过相对位移传感器获取沙漏形让压构件的让压变形量的相关数据，并分析数据，等到沙漏形让压构件变形趋于收敛后，通过连接套管表面的二号注浆孔向位于连接套管和沙漏形让压构件之间的空隙注橡胶水泥砂浆，直至空隙被填满；如果沙漏形让压构件的变形持续不收敛，则不需要注浆。
7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述步骤c中，橡胶在橡胶水泥砂浆中所占的重量比为30%。
【文档编号】E21D15/50GK103924992SQ201410150213
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】张仕林, 李廷春, 吕学安, 吕连勋, 陈伟 申请人:山东科技大学