一种隧道开挖防岩爆用岩体稳定型支护装置及其施工方法与流程

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道开挖防岩爆用岩体稳定型支护装置及其施工方法。


背景技术：

2.岩爆是指地下开采的深部或构造应力很高的区域，在临空岩体中发生突发式破坏的现象。这种现象也称为岩爆。发生的原因是临空岩体积聚的应变能突然而猛烈地全部释放，致使岩体发生像爆炸一样的脆性断裂。冲击地压造成大量岩石崩落，并产生巨大声响和气浪冲击，不但可将矿井破坏，而且震动波可危及地面。
3.岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆是深井矿山面临的主要安全隐患之一。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的可测到4.6级的震级，烈度达7～8度，使地面建筑遭受破坏，并伴有很大的声响。岩爆可瞬间突然发生，也可以持续几天到几个月。发生岩爆的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在这种条件下，一旦地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。
4.因此，在隧道开挖的过程中，为了保护人员安全，以及保证隧道开挖质量，防止岩爆而采取有效的支护措施是至关重要的，而目前的的支护措施仅仅是依靠结构来削弱岩爆危害，不能对岩爆起到预防性的防治。因此，对开挖隧道的岩体内的能量进行稀释，削减地应力，以减少岩爆发生的概率、降低岩爆的威力是个亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明提出一种隧道开挖防岩爆用岩体稳定型支护装置及其施工方法，以解决上述提到的技术问题。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种隧道开挖防岩爆用岩体稳定型支护装置，包括：
8.围岩、混凝土层、支撑机构、释能机构；
9.其中，所述混凝土层设于所述围岩表面，所述支撑机构设于所述混凝土层下方；
10.所述混凝土层具有多个释能区；
11.所述混凝土层与所述支撑机构之间设有所述释能机构，所述释能机构与所述释能区相对应；
12.所述围岩内埋设有锚杆，所述锚杆的一端设于所述混凝土层。
13.进一步地，所述混凝土层包括第一混凝土层、第二混凝土层、钢筋层；
14.所述钢筋层处于所述第一混凝土层和第二混凝土层之间。
15.进一步地，所述释能机构包括第一弹性组件、第二弹性组件、释能底座；
16.所述释能底座与所述支撑机构相连接；
17.所述第一弹性组件、第二弹性组件的一端均设于所述释能底座，另一端分别设于所述释能区的两侧。
18.进一步地，所述支撑机构包括第一护板、第二护板、第三护板；
19.所述第二护板设于所述第一护板、所述第三护板之间；
20.所述第一护板、第三护板与所述第二护板连接的一端内部设有弹力层，所述第二护板的端部插入所述第一护板、所述第三护板，并与所述弹力层相配合。
21.进一步地，所述锚杆包括杆体、活动块、支杆、张臂；
22.所述杆体下端部分具有螺纹，且与所述活动块适配连接；
23.所述活动块的侧部通过所述支杆与所述张臂相连接；
24.所述张臂的外壁具有卡勾。
25.进一步地，所述锚杆还具有锁止机构；
26.所述锁止机构包括斜齿轮、锁止环；
27.所述锁止环的内侧设有锁止片；
28.所述锁止片与所述斜齿轮适配，且倾斜方向与所述斜齿轮的斜齿相适应。
29.进一步地，
30.所述锚杆下部具有涨壳锚头和倒爪结构；
31.所述倒爪结构的侧壁具有倒勾。
32.一种隧道开挖防岩爆用岩体稳定型支护装置的施工方法，包括以下步骤：
33.开挖隧道，在洞室的表面形成整体具有弧度的围岩；
34.在围岩的表面喷射混凝土层；
35.沿围岩的径向方向插入多个锚杆；
36.搭建支撑机构以及安装释能机构。
37.其中，所述在围岩的表面喷射混凝土层包括：
38.将多个条形的海绵设置在需要设置释能区的围岩对应位置；
39.沿围岩喷涂第一混凝土层；
40.在第一混凝土层进行钻孔，并插入锚杆；
41.在第一混凝土层铺设钢筋层；
42.在释能区继续设置条形海绵，并向钢筋层喷射第二混凝土层。
43.进一步地，所述沿围岩的径向方向插入多个锚杆包括：
44.将锚杆插入围岩内；
45.转动杆体，使张臂张开；
46.通过锁止机构限制杆体反向转动。
47.本发明的有益效果为：
48.通过将开挖隧道的洞室表面形成具有弧度的围岩，并在围岩表面喷射混凝土层，形成第一道支护结构，为了避免让混凝土层凝固后与围岩整体的应力过于集中，在混凝土层形成时预设了释能区，以提供混凝土层适当的变形空间，使得在隧道开挖的过程中，起到良好的支护效果同时适当释放围岩内部积蓄的能量，降低岩爆的可能性及爆发时的威力。由于释能区的连接强度相对薄弱，因此在每个的释能区相应设置了释能机构，释能机构能够对释能区进行良好的支持作用，同时不影响其变形空间；同时，释能机构的另一侧的支撑
机构作为第二道支护结构，其形状与混凝土层相适应，对释能机构进行良好的支持，并且将释能机构所受的力均匀分散，让整体结构更加稳定。
附图说明
49.图1为支护装置在隧道岩体的配合示意图；
50.图2为锚杆的结构示意图；
51.图3为锁止机构的结构示意图。
52.1、围岩；2、混凝土层；3、支撑机构；4、释能机构；5、锚杆；6、锁止机构；7、涨壳锚头；8、倒爪结构；21、第一混凝土层；22、第二混凝土层；23、钢筋层；24、释能区；31、第一护板；32、第二护板；33、第三护板；34、弹力层；51、杆体；52、活动块；53、支杆；54、张臂；55、卡勾；61、斜齿轮；62、锁止环；63、锁止片；81、倒勾。
具体实施方式
53.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
54.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
55.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
56.如图1-3所示，一种隧道开挖防岩爆用岩体稳定型支护装置，包括：
57.围岩1、混凝土层2、支撑机构3、释能机构4；
58.其中，混凝土层2设于围岩1表面，支撑机构3设于混凝土层2下方；
59.混凝土层2具有多个释能区24；
60.混凝土层2与支撑机构3之间设有释能机构4，释能机构4与释能区24相对应；
61.围岩1内埋设有锚杆5，锚杆5的一端设于混凝土层2。
62.具体而言，开挖隧道时，将洞室表面的挖成具备弧度的围岩，然后将围岩的表面喷涂形成混凝土层2，为了防止应力集中，混凝土层2设置了多个释能区24，在喷射混凝土时，在释能区24对应位置设置柔性且具有弹性的物料，这样在喷射成型后释能区24让混凝土层2具备一定的形变空间，释能区24相对较薄弱，释能机构4设置在释能区24的相应位置，能够提升释能机构4的强度，同时保留形变空间，稀释岩石积蓄的能量，减小地应力，释能机构4通过支撑机构3进行支撑，支撑机构3的形状整体同样为圆弧形，每个释能机构4所受的力由
支撑机构3支撑并进行均匀分散，使得整体处于稳定的状态。
63.可选的，混凝土层2包括第一混凝土层21、第二混凝土层22、钢筋层23；
64.钢筋层23处于第一混凝土层21和第二混凝土层22之间。
65.在一些实施例中，混凝土层2在形成时，先沿着围岩喷射第一混凝土层21，再铺设钢筋层23，之后向钢筋层23喷射第二混凝土层22；喷射形成的混凝土密度较高，在喷涂的过程中，混凝土能够与岩体进行充分地融合，与岩土紧密粘结，对围岩起到良好的加固效果；两层混凝土层之间的钢筋层23能够作为骨架让第一混凝土层21和第二混凝土层22更加稳定，更加有利于喷射成型过程的顺利；钢筋层23能够与锚杆5更好地进行连接。
66.可选的，释能机构4包括第一弹性组件41、第二弹性组件42、释能底座43；
67.释能底座43与支撑机构3相连接；
68.第一弹性组件41、第二弹性组件42的一端均设于释能底座43，另一端分别设于释能区24的两侧。
69.在释能区24的两侧分别设置第一弹性组件41、第二弹性组件42，既能保持释能区24的形变空间，防止应力集中，同时对释能区24两侧的混凝土层进行良好的独立支撑。而第一弹性组件41、第二弹性组件42共同连接在释能底座43，将受压的力传递至支撑机构3，从而达到整体平衡稳定的效果。
70.可选的，支撑机构3包括第一护板31、第二护板32、第三护板33；
71.第二护板32设于第一护板31、第三护板33之间；
72.第一护板31、第三护板33与第二护板32连接的一端内部设有弹力层34，第二护板32的端部插入第一护板31、第三护板33，并与弹力层34相配合。
73.支撑机构3为拼装结构，弹力层34让中部的第二护板32与两侧的第一护板31、第三护板33之间之间具备一定柔韧度，在受压时更容易消除应力，防止整个支撑机构3过于紧绷。
74.可选的，锚杆5包括杆体51、活动块52、支杆53、张臂54；
75.杆体51下端部分具有螺纹，且与活动块52适配连接；
76.活动块52的侧部通过支杆53与张臂54相连接；
77.张臂54的外壁具有卡勾55。
78.将锚杆5埋设进入围岩1内部后，通过转动杆体51使得，活动块52沿着杆体51的螺纹部分配合移动，通过支杆53将张臂54撑开，使得张臂54能够在围岩1内卡紧，使得混凝土层2稳定支护在围岩表面。卡勾55能够增强卡紧效果。
79.可选的，锚杆5还具有锁止机构6；
80.锁止机构6包括斜齿轮61、锁止环62；
81.锁止环62的内侧设有锁止片63；
82.锁止片63与斜齿轮61适配，且倾斜方向与斜齿轮61的斜齿相适应。
83.通过锁止片63与斜齿轮61的配合，能够防止杆体51沿反向转动，在张臂54张开后，将杆体51进行锁止，使得张臂54保持张开状态。需要说明的是，可以通过将锁止环62向上提拉，使得锁止片63与斜齿轮61脱离配合，解除锁止。
84.可选的，锚杆5下部具有涨壳锚头7和倒爪结构8；
85.倒爪结构8的侧壁具有倒勾81。
86.在将锚杆5埋设进入围岩1内部后，可控制涨壳锚头7充分涨开，使得锚杆5在围岩1的内部稳定连接。倒爪结构8能够在围岩1发生裂缝时，锚杆5为了适应间隙，倒爪结构8会张开，张开后对围岩的抓紧力度变大，能够防止锚杆5与围岩1脱离连接，需要说明的是，倒勾81和卡勾55，在锚杆5进入围岩1内部的过程中并不会增大阻力，而在对混凝土层2进行支护时，倒勾81和卡勾55会增强与岩土卡紧效果，围岩1的压力和混凝土层2的重力将锚杆5往外拽时，倒勾81和卡勾55会与岩土卡的更紧，有利于支护的稳定。
87.一种隧道开挖防岩爆用岩体稳定型支护装置的施工方法，包括以下步骤：
88.开挖隧道，在洞室的表面形成整体具有弧度围岩；
89.在围岩的表面喷射混凝土层；
90.沿围岩的径向方向插入多个锚杆；
91.搭建支撑机构以及安装释能机构。
92.其中，在围岩的表面喷射混凝土层包括：
93.将多个条形的海绵设置在需要设置释能区的围岩对应位置；
94.沿围岩喷涂第一混凝土层；
95.在第一混凝土层进行钻孔，并插入锚杆；
96.在第一混凝土层铺设钢筋层；
97.在释能区继续设置条形海绵，并向钢筋层喷射第二混凝土层。
98.具体而言，开挖隧道时，将洞室表面挖成具备弧度的围岩，通过喷射混凝土在围岩的表面形成第一混凝土层21，在喷射前，在需要设置释能区24的位置设置条形的海绵、泡沫或者其他柔性且带有弹性的物料；在第一混凝土层21喷射成型后转孔，并将锚杆5埋入围岩1内部，铺设钢筋层23，并通过钢筋层23与锚杆5进行连接。之后向钢筋层23喷射第二混凝土层22，喷射第二混凝土层22时对释能区24与喷射第一混凝土层21进行相同的设置。之后搭建支撑机构3，并将释能机构4安装在释能区24的适应位置。
99.可选的，沿围岩的径向方向插入多个锚杆包括：
100.将锚杆插入围岩内；
101.转动杆体，使张臂张开；
102.通过锁止机构限制杆体反向转动。
103.在插入锚杆5后，通过转动杆体51，使得张臂54张开，在围岩1内部进行卡紧。为了防止张臂54复位，让张臂5保持张开状态，通过锁止机构6的锁止片63与斜齿轮61进行配合，让杆体51无法反向转动，从而保持张臂5为张开状态。
104.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。