一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置及系统的制作方法

本实用新型属于地下工程领域，具体涉及一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置及系统。

背景技术：

近年来，虽然我国隧道工程建设技术在不断的提高与发展，但是在建设过程中依然面临着围岩失稳洞室坍塌的问题。在地质条件不复杂的情况下，隧道在修建过程中，一般通过加固开挖面及周边围岩，及时施做衬砌，就能达到洞室稳定的目的，并能保证后期使用的安全性。

但是在地质情况复杂、土层软弱、高地应力，洞室偏压严重等条件下修建隧道，当衬砌在围岩释放压力的过程中，不能满足其引起的变形要求，极易造成衬砌的变形、开裂、坍塌等危险。对于高地应力软岩隧道，在超高水平压力作用下，隧道变形呈两边墙向内收敛，拱顶受挤压的变形特征，其变形如图1所示，轻则引起混凝土开裂、剥落，重则导致钢拱架屈服、失稳，严重的可以引起隧道坍塌等严重灾害，现有技术中通过技术改进，已经可以解决图1中钢拱架两侧的横向压力向内收敛的问题。

发明人在实现本实用新型实施例的过程中，发现背景技术中至少存在以下缺陷：

在围岩不均匀荷载作用下，特别是存在局部围岩失稳压力作用下，如图2所示，隧道拱顶处的钢拱架受力变形如图4所示，左横向压力62与右横向压力63作用在一组钢拱架的两侧，竖向压力61直接由钢拱架承重，如果受到不均衡的竖向压力61则钢拱架会剪切变形，钢拱架在竖向压力61、左横向压力62右横向压力63的作用下，两个一组的钢拱架中的两侧存在法向压缩和切向错动的两种位移，引起一组钢拱架产生压缩和剪切变形，当竖向压力61过大时，两个一组的钢拱架极易因剪切破坏导致的不均衡变形，引起初支钢架中心线不在隧道起拱线位置，而发生钢架失稳失效，影响洞室整体稳定性。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置，目的在于解决上述问题，解决一组钢拱架因剪切破坏导致的不均衡变形，引起初支钢架中心线不在隧道起拱线位置，而发生钢架失稳失效，影响洞室整体稳定性的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置，包括

第一连接板；

第二连接板；

弹性部，所述弹性部设在第一连接板和第二连接板之间；

导向部，所述导向部设在第一连接板和第二连接板之间；

第一连接板与第二连接板平行，且第一连接板和第二连接板分别与所述导向部滑动连接；所述弹性部的压缩方向与第一连接板和第二连接板沿所述导向部的滑动方向相同。

所述导向部为导向螺柱，第一连接板上具有第一导向通孔，第二连接板上具有与所述第一导向通孔同轴的第二导向通孔，导向螺柱同时伸入并位于所述第一导向通孔和所述第二导向通孔中；

所述导向螺柱伸出所述第一导向通孔或第二导向通孔的位于第一连接板和第二连接板外的导向螺柱的端部上设有用于防止导向螺柱端部向其另一端缩回的限位部。

所述弹性部为压缩弹簧，压缩弹簧套在导向螺柱上并位于第一连接板和第二连接板之间。

所述第一连接板和第二连接板为两成对的拱架上的初支拱架连接板。

所述第一连接板和第二连接板分别固定连接在两成对拱架上的用于固定第一连接板或第二连接板并具有与第一连接板或第二连接板对应通孔的初支拱架连接板上。

所述弹性部和所述导向部为多组，所述弹性部和所述导向部均匀的分布于第一连接板和第二连接板之间，多组的所述导向部的轴向方向均平行。

还包括拱架和初支拱架连接板，所述拱架与初支拱架连接板固定连接，所述拱架与所述初支拱架连接板之间具有l形帮焊加强钢筋，所述拱架通过l形帮焊加强钢筋与所述初支拱架连接板加固连接。

所述第一连接板和第二连接板顶部具有加强钢筋网片，加强钢筋网片设在拱架上端岩壁上的隧道喷射混凝土层；

第一连接板或第二连接板两侧具有勾形连接钢筋，第一连接板或第二连接板通过勾形连接钢筋与隧道喷射混凝土层固定连接；

导向螺柱与所述第一导向通孔或所述第二导向通孔间隙配合；

所述限位部为螺母，所述螺母与位于第一连接板和第二连接板外的导向螺柱的端部丝扣连接；

所述导向螺柱的数量为n，n=fs/(a×ftb)，其中fs为垂直作用在导向螺柱上的竖向剪力，a为单根的所述导向螺柱的横截面面积，ftb为导向螺柱设计抗剪强度；

所述压缩弹簧数量为m，m=fn/（k×δ），其中：fn为在围岩变形引起的拱顶处钢拱架内力，k为压缩弹簧的压缩刚度，δ为装置的设计变形允许量。

一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置，用于具有水平挤压的隧道内的拱架顶端，包括：

上述一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置；

第一拱架，第一拱架上具有第一初支拱架连接板或第一初支拱架连接板为第一连接板；

第二拱架，第二拱架上具有第二初支拱架连接板或第二初支拱架连接板为第二连接板；

第一连接板固定在第一初支拱架连接板或第一连接板固定在第一拱架顶部，第二拱架固定在第二初支拱架连接板或第二初支拱架连接板固定在第二拱架顶部，第一拱架和第二拱架为成对的一组拱架。

一种限位吸能系统，用于具有水平挤压的隧道内的拱架顶端，包括：

第一连接板，第一连接板具有多组，多组第一连接板首尾一体式连接；

第二连接板，第二连接板具有多组，多组第二连接板首尾一体式连接；

弹性部，所述弹性部具有多组并均匀设在第一连接板和第二连接板之间；

导向部，所述导向部具有多组并均匀设在第一连接板和第二连接板之间；

多组一体式连接的第一连接板与多组一体式连接的第二连接板平行，且第一连接板和第二连接板分别与所述导向部滑动连接；多组的所述导向部的轴向方向均平行；多组的所述弹性部的压缩方向均与第一连接板和第二连接板沿所述导向部的滑动方向相同。

本实用新型的有益效果是，通过设置在拱顶处的限位吸能装置内的弹性部压缩变形，可以实现释放围岩压力，而导向部可以对一组钢拱架进行导向作用，使得钢拱架受到剪切破坏时依然能均衡变形，初支钢架中心线处于隧道起拱线位置，从而保证了限位吸能装置相连的两端拱架受力的整体性和稳定性，由此使得隧道洞室的稳定性与安全性得到进一步的提升，本实用新型结构构造简单，安装方便且实用性强，能有效的提升隧道洞室的整体性与稳定性。

附图说明

图1为隧道拱架受均衡的水平挤压力变形示意图；

图2为隧道拱架受不均衡的水平挤压力变形示意图；

图3为隧道使用本实用新型限位吸能装置后的理想收敛变形示意图；

图4为钢拱架从图2状态转变为图3状态受力及剪切变形示意图；

图5为本实用新型一实施例的整体结构图；

图6为本实用新型另一实施例与钢拱架连接的整体结构示意图；

图7为图4的侧切示图；

图8为本实用新型一实施例中，一组钢拱架与其相邻的另一组钢拱架整体连接的俯视图；

图9为图6的正视图。

图中标记为：1、第一连接板；2、导向螺柱；3、限位部；4、压缩弹簧；5、第一导向通孔；6、第二导向通孔；7、安装螺栓；8、第二拱架；9；第二初支拱架连接板；10、第二连接板；11、加强钢筋网片；12、围岩；13、l形帮焊加强钢筋；14、连接板连接螺栓孔；15、勾形连接钢筋；16、连接板连接螺栓；17、第一拱架；18、第一初支拱架连接板；19、隧道喷射混凝土层。

具体实施方式

首先需要说明的是，在本实用新型各个实施例中，所涉及的术语为：

第一连接板1和第二连接板10，其为本实用新型限位吸能装置的外侧部件，第一连接板1和第二连接板10可位于隧道内钢拱架与隧道喷射混凝土层19之间，分别连接隧道内钢拱架和隧道喷射混凝土层；

第一连接板1和第二连接板10还可以位于隧道内的一组钢拱架顶端间隙处，用于连接在隧道内的一组钢拱架顶端的间隙处，第一连接板1和第二连接板10分别连接一组的两钢拱架。

弹性部，为压缩式弹簧，可以为碟簧、螺旋式压缩弹簧或压缩式异形弹簧等。

导向部，导向部可以迫使与其滑动连接的部件沿其径向方向移动，可以为杆状、长条状、带状、相互可以配合滑动的抓状或轨道状等。

限位部，其可以为凸起或螺母，本申请中的限位部为设置于导向部两端并阻止第一连接板1或第二连接板10向导向部外滑动时，第一连接板1或第二连接板10滑出导向部。

附图1中，围岩两侧具有侧压的围岩竖向压力31、左围岩侧压水平压力32、右围岩侧压水平压力33和围岩两侧具有侧压的围岩底部压力34共同作用后，使钢拱架也就是图1中虚线部分变形。

附图2中，围岩两侧具有偏压的围岩竖向偏压压力41、左围岩水平偏压压力42、左围岩水平偏压压力43和围岩两侧具有偏压的围岩底部压力44共同作用后，使钢拱架也就是图2中虚线部分变形。

附图3中，围岩具有均压的围岩竖向压力51、左围岩水平均压压力52、右围岩水平均压压力53和围岩两侧具有均压的围岩底部压力54共同作用后，使钢拱架也就是图3中虚线部分变形。

附图4中，左侧为正常隧道内钢拱架的均衡状态，和右侧受到不均衡的剪切力后隧道内钢拱架发生剪切变形60后的不均衡状态。

下面，将通过几个具体的实施例对本实用新型实施例提供的限位吸能方案进行详细介绍说明。

请参考图5，其示出了本实用新型一实施例提供的一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的整体示意图，该限位吸能装置，包括

第一连接板1；

第二连接板10；

弹性部，所述弹性部设在第一连接板1和第二连接板10之间；

导向部，所述导向部设在第一连接板1和第二连接板10之间；

第一连接板1与第二连接板10平行，且第一连接板1和第二连接板10分别与所述导向部滑动连接；所述弹性部的压缩方向与第一连接板1和第二连接板10沿所述导向部的滑动方向相同。

上述实施例中，第一连接板1和第二连接板10与导向部滑动连接，并且导向部的作用为在第一连接板1和第二连接板10分别受到相向的压力时，无论第一连接板1和第二连接板10会不会再受到垂直于上述相向压力的剪切力时，第一连接板1和第二连接板10会沿着导向部的径向方向移动，导向部使第一连接板1和第二连接板10受到剪切力后的移动不会错位，继而弹性部也可以更稳定的工作，稳定的缓冲第一连接板1和第二连接板10受到的相向的力。

进一步的，请参考图5至图6，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述导向部为导向螺柱2，第一连接板1上具有第一导向通孔5，第二连接板10上具有与所述第一导向通孔5同轴的第二导向通孔6，导向螺柱2同时伸入并位于所述第一导向通孔5和所述第二导向通孔6中；

上述实施例中，导向部使用导向螺柱2，并且第一连接板1上具有第一导向通孔5，第二连接板10上具有与所述第一导向通孔5同轴的第二导向通孔6，导向螺柱2可不必固定于一稳固的物体上，第一连接板1、第二连接板10和导向螺柱2与同轴的第一导向通孔5和第二导向通孔6即可组成稳定的导向系统，使第一连接板1和第二连接板10稳定相向滑动。

进一步的，请参考图5至图6，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述导向螺柱2伸出所述第一导向通孔5或第二导向通孔6的位于第一连接板1和第二连接板10外的导向螺柱2的端部上设有用于防止导向螺柱端部向其另一端缩回的限位部3。

上述实施例中，导向螺柱2的端部设有限位部3，用于防止第一连接板1或第二连接板10向导向部外滑动时，第一连接板1或第二连接板10滑出导向部，也可以防止导向螺柱2受到震动时，导向螺柱2震出第一连接板1或第二连接板10上的通孔，防止第一连接板1、第二连接板10和导向螺柱2所组成的导向系统的失效。

进一步的，请参考图5至图6，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述弹性部为压缩弹簧4，压缩弹簧4套在导向螺柱2上并位于第一连接板1和第二连接板10之间。

上述实施例中，弹性部设为压缩弹簧4，压缩弹簧4选用螺旋弹簧，螺旋弹簧安装至第一连接板1和第二连接板10之间，导向螺柱2从螺旋弹簧和第一导向通孔5和第二导向通孔6中穿过，导向螺柱2的直径略小于第一导向通孔5和第二导向通孔6的直径，当螺旋弹簧受到第一连接板1和第二连接板10的偏压受压变形时，导向螺柱2将螺旋弹簧的形变方向始终限定在垂直于第一连接板1和第二连接板10的滑动方向，使螺旋弹簧形变时更为稳定，防止了其意外弹出或螺旋弹簧与第一连接板1和第二连接板10连接时，螺旋弹簧由于不稳定而失效。

导向螺柱2不仅起到连接第一连接板1和第二连接板10的作用，还起到了限定压缩弹簧4变形方向的作用，防止在偏压作用下发生第一连接板1和第二连接板10之间错位变形造成限位吸能装置功能失效及初称的变形破坏。

进一步的，本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述第一连接板1和第二连接板10为两成对的拱架上的初支拱架连接板。

上述实施例中，由于现有技术中隧道内的一组钢拱架上具有初支拱架连接板，而初支拱架连接板可以替换掉本实用新型的第一连接板1和第二连接板10，直接使用初支拱架连接板利用现有部件可节省本装置的成本，使本实用新型低成本，使其实用性大大增强。

进一步的，如图5至图7，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述第一连接板1和第二连接板10分别固定连接在两成对拱架上的用于固定第一连接板或第二连接板并具有与第一连接板或第二连接板对应通孔的初支拱架连接板上。

上述实施例中，本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置采用出厂装配好的整体件，作为第一拱架17和第二拱架8顶端的吸能限位装置，第一拱架17和第二拱架8装配时可直接将整体件的限位吸能装置置于第一拱架17和第二拱架8之间进行固定装配，可大幅节省第一拱架17和第二拱架8之间的稳定调配工作，使第一拱架17和第二拱架8的装配更为迅速，可加快施工进程，提升施工效率，进而降低施工成本；

在本实施例中，第一拱架17和第二拱架8上的初支拱架连接板需要事先打好其上安装的第一连接板1或第二连接板10相对应的通孔和安装螺栓7的孔，安装螺栓7用于固定初支拱架连接板和第一连接板1或第二连接板10。

进一步的，本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述弹性部和所述导向部为多组，所述弹性部和所述导向部均匀的分布于第一连接板1和第二连接板10之间，多组的所述导向部的轴向方向均平行。

上述实施例中，第一连接板1和第二连接板10之间的导向部需要设置均匀分布的多组，用以承受隧道内的强压，此时为了使第一连接板1和第二连接板10与多组导向部同样组成可稳定相向滑动的滑动系统，多组导向部的轴向方向需要相互平行设置，以使第一连接板1和第二连接板10不被卡住。

进一步的，如图6至图7所示，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，还包括拱架和初支拱架连接板，所述拱架与初支拱架连接板固定连接，所述拱架与所述初支拱架连接板之间具有l形帮焊加强钢筋13，所述拱架通过l形帮焊加强钢筋13与所述初支拱架连接板加固连接。

上述实施例中，初支拱架连接板和钢拱架固定连接面两侧采用l形帮焊加强钢筋13增强连接效果。

进一步的，如图6所示，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述第一连接板1和第二连接板10顶部具有加强钢筋网片11，加强钢筋网片11设在拱架上端岩壁上的隧道喷射混凝土层19；

上述实施例中，在钢拱架与围岩12之间的隧道喷射混凝土层19中设加强钢筋网片11，增强隧道喷射混凝土层19的抗裂性能以及将所述围岩12所释放的竖向压力均匀分布在钢拱架上，进而均匀的传递给第一连接板1和第二连接板10。

进一步的，如图8所示，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，第一连接板1或第二连接板10两侧具有勾形连接钢筋15，第一连接板1或第二连接板10通过勾形连接钢筋15与隧道喷射混凝土层19固定连接；

上述实施例中，勾形连接钢筋15增强第一连接板1和第二连接板10与隧道喷射混凝土层19的连接性与整体性。

进一步的，本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，导向螺柱2与所述第一导向通孔5或所述第二导向通孔6间隙配合；

上述实施例中，导向螺柱2与第一导向通孔5或第二导向通孔6间隙配合、过渡配合或根据材料性能提升第一导向通孔5和第二导向通孔6与导向螺柱2相对的直径，导向螺柱2的直径小于第一连接板1和第二连接板10上与其连接的通孔，使其可以导向，并且调整导向螺柱2与第一导向通孔5和第二导向通孔6之间相对直径的差异可进一步调整第一连接板1或第二连接板10与导向螺柱2的摩擦力，其摩擦力进一步起到弹性部的作用，通过设计可节省弹性部的使用个数，节省成本。

进一步的，如图5至图6所示，其示出了本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述限位部3为螺母，所述螺母与位于第一连接板1和第二连接板10外的导向螺柱2的端部丝扣连接；

上述实施例中，限位部3使用与导向螺柱2丝扣连接的螺母，可更为方便的安装限位部3，现场施工时更为快速，便捷。

进一步的，本实用新型一种用于隧道内拱架顶端的限位吸能装置的另一实施例，所述导向螺柱2的数量为n，n=fs/(a×ft^b)，其中fs为垂直作用在导向螺柱2上的竖向剪力，a为单根的所述导向螺柱2的横截面面积，ft^b为导向螺柱2设计抗剪强度；所述压缩弹簧4数量为m，m=fn/（k×δ），其中：fn为在围岩变形引起的拱顶处钢拱架内力，k为压缩弹簧4的压缩刚度，δ为装置的设计变形允许量。

上述实施例中，通过计算可分别算出压缩弹簧4和导向螺柱2的数量，进而用于现场施工时，为所施工隧道计算出压缩弹簧4和导向螺柱2的数量，为本实用新型限位吸能装置的部件数量做好基础准备工作，科学施工。

请参考图6，本实用新型公布了用于具有水平挤压的隧道内的拱架顶端的一种限位吸能系统一实施例，该限位吸能系统包括：

第一连接板1；

第二连接板10；

弹性部，所述弹性部设在第一连接板1和第二连接板10之间；

导向部，所述导向部设在第一连接板1和第二连接板10之间；

第一连接板1与第二连接板10平行，且第一连接板1和第二连接板10分别与所述导向部滑动连接；所述弹性部的压缩方向与第一连接板1和第二连接板10沿所述导向部的滑动方向相同；

第一拱架17，第一拱架17上具有第一初支拱架连接板18或第一初支拱架连接板18为第一连接板1；

第二拱架8，第二拱架8上具有第二初支拱架连接板9或第二初支拱架连接板9为第二连接板10；

第一连接板1固定在第一初支拱架连接板18或第一连接板1固定在第一拱架17顶部，第二拱架8固定在第二初支拱架连接板9或第二初支拱架连接板9固定在第二拱架8顶部，第一拱架17和第二拱架8为成对的一组拱架。

上述实施例中，第一连接板1和第二连接板10与导向部滑动连接，并且导向部的作用为在第一连接板1和第二连接板10分别受到相向的压力时，无论第一连接板1和第二连接板10会不会再受到垂直于上述相向压力的剪切力时，第一连接板1和第二连接板10会沿着导向部的径向方向移动，导向部使第一连接板1和第二连接板10受到剪切力后的移动不会错位，继而弹性部也可以更稳定的工作，稳定的缓冲第一连接板1和第二连接板10受到的相向的力。成对一组的拱架与限位吸能装置构成稳定的拱架系统。

请参考图8至图9，本实用新型公布了用于具有水平挤压的隧道内的拱架顶端的另一种限位吸能系统一实施例，该限位吸能系统包括：第一连接板1，第一连接板1具有多组，多组第一连接板1首尾一体式连接；

第二连接板10，第二连接板10具有多组，多组第二连接板10首尾一体式连接；

弹性部，所述弹性部具有多组并均匀设在第一连接板1和第二连接板10之间；

导向部，所述导向部具有多组并均匀设在第一连接板1和第二连接板10之间；

多组一体式连接的第一连接板1与多组一体式连接的第二连接板10平行，且第一连接板1和第二连接板10分别与所述导向部滑动连接；多组的所述导向部的轴向方向均平行；多组的所述弹性部的压缩方向均与第一连接板1和第二连接板10沿所述导向部的滑动方向相同。

可选的，第一连接板1或第二连接板10通过连接板连接螺栓孔14与连接板连接螺栓16一体式连接。

上述实施例中，相邻的钢拱架之间通过相互固定的多组一体式连接的第一连接板1和多组一体式连接的第二连接板10将隧道内所有钢拱架连接，使隧道内所有钢拱架组成整体，使现有技术中，一组钢拱架单独承担一段隧道内压力变为其一组钢拱架两侧的钢拱架同时分担该一组钢拱架的承重，避免了单组拱架单独承担一段隧道压力过大的情况，使隧道更为稳定。

本实用新型可用于钢拱架与隧道喷射混凝土层之间，其主要功能是用于一组钢拱架的顶部间隙位置，缓冲隧道内顶部压力不均衡时对钢拱架产生的剪切力，确保钢拱架对隧道的正常承重。

需要说明，本实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。