一种让压支护结构

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种让压支护结构。


背景技术：

2.近年来随着我国西部开发战略的持续推进，大量穿越高地应力区及软弱围岩地层的深长隧道工程不断涌现，如在建的川藏铁路、滇藏铁路等。受复杂地质条件、构造应力的影响，隧道建设过程中极易出现变形速率快、变形量级大以及收敛持续时间长等特征的软岩大变形问题。针对隧道大变形问题，国内外采用的支护技术可分为强支护、分层支护以及让压支护三大类。其中，让压支护技术是通过在衬砌与隧道围岩之间或者在支护结构内设置让压结构等方式，适当释放隧道围岩中的形变能，从而达到优化支护结构受力的效果。
3.目前国内外针对让压支护的研究已有不少成果，众多学者先后研制了可伸缩钢架及柔性接头等结构，但由于隧道围岩支护过程中的施工差异和围岩性质的多变性，现有让压支护结构在实际应用中常常出现使用性能不稳定的情况，主要表现为：(1)恒阻让压阶段变形量过小，如图8中曲线
②
相较于曲线
③
(理论值)而言，让压变形b0b1段小于理论b0b3段，致使隧道围岩形变能没有充分释放；(2)恒阻让压阶段变形量过大，如图8中曲线
④
相较于曲线
③
(理论值)而言，让压变形b0b5段大于理论b0b3段，致使支护结构产生过大变形而整体失效。另外，现有让压支护结构“恒阻性”的设计没能很好契合隧道围岩变形所经历的三个阶段，也在一定程度上限制支护性能的充分发挥。如图8所示，曲线
①
表示围岩力学特征曲线：(1)线弹性阶段，此阶段隧道围岩变形量大，但围岩压力会随着变形增加快速降低，因此要求支护结构具有较高的可压缩性，从而以充分的形变换取明显的围岩压力降低；(2)塑性阶段，此阶段中围岩变形速率加快且围岩压力随之降低不明显，因此要求支护结构具有一定的变阻性，从而通过不断增强的支护阻力逐渐平衡围岩压力，并最终达到稳定；(3)松动破坏阶段，此阶段中围岩压力不再随变形增加而减少，而是出现应力反增长的情况，因此要求支护结构具有限制的压缩量，即保证让压过程在塑性阶段完成，从而避免支护后的围岩进入松动破坏阶段。
4.鉴于以上特征，现有让压支护结构具有的恒阻让压性不能很好契合围岩的分阶段变形规律，致使让压支护性能没有能充分发挥。
5.综上所述，急需一种让压支护结构以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种让压支护结构，以解决让压支护结构分阶段变阻让压的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种让压支护结构，包括多个拱架单元和多个让压组件；相邻的拱架单元通过让压组件连接；所述让压组件包括让压管，沿所述让压管的轴线方向在让压管外壁上设有至少两个凹陷深度不同的凹纹区。
8.优选的，所述让压管外壁上设有深凹纹区、中凹纹区和浅凹纹区；所述深凹纹区的
凹陷深度为所述让压管壁厚的60％～80％，所述中凹纹区的凹陷深度为所述让压管壁厚的40％～60％，所述浅凹纹区的凹陷深度为所述让压管壁厚的20％～40％。
9.优选的，以所述让压管长度方向的中心对称设置所述深凹纹区、中凹纹区和浅凹纹区，相邻凹纹区之间的距离为6mm～8mm。
10.优选的，所述深凹纹区、中凹纹区和浅凹纹区均设有若干条环形凹纹；每个凹纹区中的相邻环形凹纹之间的间距为2mm～4mm。
11.优选的，所述环形凹纹的宽度为2mm～4mm。
12.优选的，所述让压组件还包括设于所述让压管两端的连接板一，所述连接板一与相邻的拱架单元连接。
13.优选的，所述拱架单元与让压组件连接的端部设有连接板二，所述连接板二与所述连接板一上均设有连接孔。
14.优选的，所述连接板一的两侧设有限位件；所述让压组件两侧设有用于与同侧的限位件配合的刚度限定板。
15.优选的，所述刚度限定板上设有滑槽，用以实现所述限位件在滑槽内的滑动；所述滑槽的长度方向与所述让压管的轴线方向平行。
16.优选的，所述限位件为螺栓组件。
17.应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
18.(1)本发明中，通过沿让压管的轴线方向在让压管外壁上设置至少两个凹陷深度不同的凹纹区，通过凹纹减小了让压管凹纹区的横截面积，导致让压管凹纹区(即切削区域)的轴向抗压刚度降低，从而诱导让压管承受围岩压力时在凹纹区产生轴向压缩变形，达到主动让压的效果；而凹纹的切削深度越深，结构整体的抗压刚度就越低，通过在让压管的外壁上设置至少两个凹陷深度不同的凹纹区，可以根据让压支护结构承受的围岩压力变化实现分阶段变阻的效果。
19.(2)本发明中，通过在让压管上设置深凹纹区、中凹纹区和浅凹纹区，先通过深凹纹区的压缩变形换取明显的围岩压力降低，最大程度释放隧道围岩中的高形变能；然后通过中凹纹区限制让压支护结构的压缩变形量，从而通过不断增强的支护阻力逐渐平衡围岩压力，并达到稳定状态；最后由于浅凹纹区具有较高的轴向抗压刚度，通过高强支护使让压管的让压变形在围岩塑性变形阶段完成，从而避免支护后的围岩进入松动破坏阶段。这样的让压支护结构应用于大变形隧道支护结构中，能达到分阶段自适应变阻的效果。
20.(3)本发明中，以让压管长度方向的中心对称设置深凹纹区、中凹纹区和浅凹纹区，当让压管在承受围岩压力时，使让压管沿其轴线两端的压缩变形量尽可能保持一致。
21.(4)本发明中，通过在让压组件两侧设置刚度限定板，可增强自适应变阻让压支护结构的横向刚度，在限制横向位移的同时，不影响让压组件变阻让压过程中的竖向压缩变形(即让压管的轴向压缩变形)，保证布置在隧道初期支护结构中的让压组件具备足够的横向刚度。
22.(5)本发明中，让压支护结构包括让压组件和拱架单元，其中，让压组件包括让压管、连接板一和刚度限定板，制作工艺简单，可通过焊接和螺栓连接的方式进行预制拼装，可在隧道施工中现场简单安装，因此本让压支护结构具有成本可控、制造方便以及安装简单的优点。
23.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
24.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1是本技术实施例中一种让压支护结构应用于隧道支护的示意图；
26.图2是本技术实施例图1中a部分的放大图；
27.图3是本技术实施例图2中让压管的结构示意图；
28.图4是本技术实施例图2中连接板一的结构示意图；
29.图5是本技术实施例图2中连接板二的结构示意图；
30.图6是本技术实施例图2中刚度限定板的结构示意图；
31.图7是本技术实施例中让压支护结构的压缩力学特征曲线；
32.图8是现有让压支护结构与本技术的让压支护结构的力学特征曲线对比图；
33.图9是不同凹纹深度的让压管的压缩力学特征曲线图；
34.其中，1、拱架单元，1.1、连接板二，1.2、拱架段，2、让压组件，2.1、让压管，2.1.1、深凹纹区，2.1.2、中凹纹区，2.1.3、浅凹纹区，2.2、连接板一，2.2.1、限位件，2.3、刚度限定板，2.3.1、滑槽。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
36.实施例：
37.参见图1至图9，一种让压支护结构，本实施例应用于大变形隧道的自适应变阻让压支护。
38.一种让压支护结构，参见图1，包括多个拱架单元1和多个让压组件2；相邻的拱架单元1通过让压组件2连接，多个拱架单元1首尾连接构成与隧道断面轮廓相匹配的弧形拱架；参见图2和图3，所述让压组件2包括让压管2.1，沿所述让压管2.1的轴线方向在让压管2.1外壁上设有至少两个凹陷深度不同的凹纹区；且让压管2.1的轴线方向与让压组件2和拱架单元1之间的连接方向平行。本实施例中，让压管2.1采用空心钢管制成，在空心钢管外壁上切削出凹纹，通过凹纹减小了空心钢管凹纹区的横截面积，导致让压管2.1凹纹区(即切削区域)的轴向抗压刚度降低，从而诱导让压管2.1承受围岩压力时在凹纹区产生轴向压缩变形，达到主动让压的效果。而凹纹的切削深度(即凹纹相对于让压管2.1外壁的凹陷深度)越深，结构整体的抗压刚度就越低，如图9所示；通过在让压管2.1的外壁上设置至少两个凹陷深度不同的凹纹区，可以根据让压支护结构承受的围岩压力变化实现分阶段变阻的效果。
39.本实施例中，所述让压管2.1外壁上设有深凹纹区2.1.1、中凹纹区2.1.2和浅凹纹区2.1.3；所述深凹纹区2.1.1的凹陷深度为所述让压管2.1壁厚的60％～80％，所述中凹纹区2.1.2的凹陷深度为所述让压管2.1壁厚的40％～60％，所述浅凹纹区2.1.3的凹陷深度
为所述让压管2.1壁厚的20％～40％。为保障让压支护效果，让压管2.1常采用直径100mm～120mm、壁厚10mm～20mm的q235空心钢管制作，本实施例中，让压管2.1的壁厚为10mm，由图9可知，当凹纹的凹陷深度处于壁厚的0％～90％时，具有不同的压缩变形特性，当凹陷深度越深时，其斜率呈现出逐渐减小的趋势，说明让压管2.1表面切削的凹纹深度越深，让压管2.1结构整体的抗压刚度就越低。
40.参见图8，该让压支护结构的特点在于，让压支护力学特征曲线
⑤
通过“零斜率”的恒阻de段释放围岩形变能，当其变形达到限值后，支护结构刚度开始逐渐增加(ef段)至与围岩力学特性曲线
①
相交，从而保证围岩的稳定。因此本技术的让压支护结构具备“边抗边让”的特性，适用于处理隧道大变形问题。
41.参见图7和图8，在支护结构受力初期，让压支护结构处于变阻i阶段，当隧道围岩处于线弹性变形阶段时(即图8中的线弹性阶段)，隧道围岩的变形量较大，围岩压力会随着变形增加快速降低，此时让压管2.1上横截面积最小的深凹纹区2.1.1因轴向抗压刚度较小会首先出现压缩变形，从而以充分的变形换取明显的围岩压力降低，最大程度释放隧道围岩中的高形变能。当隧道围岩变形持续由线弹性变形发展为塑性变形阶段(即图8中的塑性阶段)，围岩变形迅速增加且围岩压力降低不明显，此时让压支护结构处于变阻ii阶段，通过中凹纹区2.1.2为让压支护结构提供较大刚度的同时，限制让压支护结构的压缩变形量，从而通过不断增强的支护阻力逐渐平衡围岩压力，并达到稳定状态。为避免围岩变形从塑性变形阶段进入松动破坏阶段，在围岩塑性变形阶段后期，让压支护结构处于变阻iii阶段，由于浅凹纹区2.1.3具有较高的轴向抗压刚度，通过高强支护使让压管2.1的让压变形在围岩塑性变形阶段完成，从而避免支护后的围岩进入松动破坏阶段。这样的让压支护结构应用于大变形隧道支护结构中，能达到分阶段自适应变阻的效果。
42.参见图3，以所述让压管2.1长度方向的中心对称设置所述深凹纹区2.1.1、中凹纹区2.1.2和浅凹纹区2.1.3，当让压管2.1在承受围岩压力时，使让压管2.1沿其轴线两端的压缩变形量尽可能保持一致；相邻凹纹区之间的距离为6mm～8mm。本实施例中，让压管2.1上凹纹区的设置从上至下依次为：中凹纹区2.1.2、浅凹纹区2.1.3、深凹纹区2.1.1、浅凹纹区2.1.3、深凹纹区2.1.1、浅凹纹区2.1.3、中凹纹区2.1.2，如图3所示。
43.所述深凹纹区2.1.1、中凹纹区2.1.2和浅凹纹区2.1.3均设有若干条环形凹纹；本实施例中，每个凹纹区中的相邻环形凹纹之间的间距为2mm～4mm，所述环形凹纹的宽度为2mm～4mm，便于实现让压管2.1承受围岩压力时的压缩变形。可通过实际支护要求来调整凹纹的凹陷深度和凹纹间隔，通过凹纹凹陷深度和凹纹间隔的不同组合能够不同程度调节让压管2.1的轴向抗压刚度和限定变形量。
44.所述让压组件2还包括设于所述让压管2.1两端的连接板一2.2，所述连接板一2.2与相邻的拱架单元1连接，本实施例中，连接板一2.2与让压管2.1之间通过焊接实现固定连接；所述拱架单元1与让压组件2连接的端部设有连接板二1.1，所述连接板二1.1与所述连接板一2.2上均设有一一对应的连接孔，如图2、图4和图5所示，在连接板一2.2和连接板二1.1板面的四角均设有四个圆形连接孔，通过螺栓穿过连接孔将连接板一2.2和连接板二1.1进行固定连接，从而形成具有让压支护功能的弧形拱架，对隧道进行支护。本实施例中，连接板一2.2和连接板二1.1均采用高强度钢板制成。拱架单元1还包括与连接板二1.1焊接的弧形拱架段1.2，拱架段1.2采用工字钢制成。
45.参见图2，所述连接板一2.2的两侧设有限位件2.2.1；所述让压组件2两侧设有用于与同侧的限位件2.2.1配合的刚度限定板2.3，用于增强让压支护结构在围岩支护过程中的局部横向刚度，避免让压组件2发生扭转，影响支护效果。当让压组件2两侧未设置刚度限定板2.3时，让压组件2仅由让压管2.1抵抗横向剪切力和弯矩；当让压组件2两侧设置刚度限定板2.3时，让压组件2由两块刚度限定板2.3和让压管2.1共同抵抗横向剪切力和弯矩；由受力分析可得，设置刚度限定板2.3时，让压组件2整体的抗剪刚度可以提升5.6倍，抗弯刚度可以提升4.2倍。通过在让压组件2的两侧设置刚度限定板2.3，可增强自适应变阻让压支护结构的横向刚度，在限制横向位移的同时，不影响让压组件2变阻让压过程中的竖向压缩变形(即让压管2.1的轴向压缩变形)，保证布置在隧道初期支护结构中的让压组件2具备足够的横向刚度，可将让压组件2灵活布置于隧道初期支护结构中，使本技术中的让压支护结构在具备较强可适应性的同时，也具有较佳的实际使用性能。本实施例中，刚度限定板2.3采用厚度为10mm～20mm的高强度钢板制成。
46.参见图6，所述刚度限定板2.3沿板面中线处设有滑槽2.3.1，用以实现所述限位件2.2.1在滑槽2.3.1内的滑动；所述滑槽2.3.1的长度方向与所述让压管2.1的轴线方向平行，在限制让压组件2横向位移的同时避免影响让压管2.1的轴向压缩。
47.本实施例中，所述限位件2.2.1为螺栓组件，螺栓组件包括焊接于连接板一2.2两侧的长螺杆以及安装于长螺杆自由端的锁紧螺母；长螺杆的规格为m12，材质为45#钢，长度设置为30mm～35mm，通过焊接固定安装于连接板一2.2两侧边缘面的中心处，如图4所示(图中未示意锁紧螺母)。使用时，将长螺杆穿过刚度限定板2.3，再通过锁紧螺母锁紧，使长螺杆能在滑槽2.3.1内滑动。
48.上述的一种让压支护结构的制作及使用方法如下：
49.步骤一：制作让压管2.1：将大刚度厚壁空心钢管进行切割处理，得到20cm～30cm长的空心钢管，随后采用机床制作凹纹，先以40％～60％管壁厚度作为切削深度从空心钢管的两端端部开始进行切削，制备中凹纹区2.1.2，直至切削工作面距离空心钢管中心2/3总长度时，改用20％～40％管壁厚度作为切削深度制备浅凹纹区2.1.3；直至两边切削工作面距离空心钢管中心1/2总长度时，改用60％～80％管壁厚度作为切削深度制备深凹纹区2.1.1；直至两边切削工作面距离空心钢管中心5/6总长度时，改用20％～40％管壁厚度作为切削深度制备浅凹纹区2.1.3，直至空心钢管全长切削完毕，完成让压管2.1的制作；
50.步骤二：制作连接板一2.2和连接板二1.1：将高强度钢板切割为方形钢板，采用机床在方形钢板四角制备连接孔即可完成连接板二1.1的制作；制作连接板一2.2时，还需在方形钢板两侧焊接m12长螺杆；
51.步骤三：制作刚度限定板2.3：将高强度钢板切割为方形钢板，再通过机床在方形钢板板面中心线处切割出u形滑槽2.3.1，完成刚度限定板2.3的制作；
52.步骤四：让压组件2的组装：将两块连接板一2.2分别焊接于让压管2.1的两端，且使两连接板一2.2的限位件2.2.1对应平行，使限位件2.2.1中的长螺杆轴向方位保持一致，然后将两块刚度限定板2.3安装于两块连接板一2.2的两侧，使长螺杆穿过刚度限定板2.3的滑槽2.3.1，用锁紧螺母对长螺杆和刚度限定板2.3实现固定，完成让压组件2的组装。
53.步骤五：让压支护结构的使用：在隧道需要支护处将拱架单元1与让压组件2实现连接，将连接板一2.2和连接板二1.1的连接孔孔位对齐，同时调整让压组件2的位置直至刚
度限定板2.3板面朝向隧道岩面后，通过螺栓将连接板一2.2和连接板二1.1实现固定，即可实现对大变形隧道的自适应变阻让压支护。
54.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。