本发明属于隧道支护,具体涉及一种破碎带隧道钢架支护装置及预警方法。
背景技术:
1、中亚由于其独特的地理位置,其处于印度洋板块、欧亚板块及环太平洋板块等几大板块交接部位,同时由于全球处于地震活跃时期,是世界上地震活跃地区之一。地震活动频度高、强度大、分布广、震源浅,加上此地区多为发展中国家,人口稠密、建筑物抗震能力低,因此地震灾害为全球之最。
2、近年来,在建或大量拟建的隧道属于高烈度地震多发区,在这一全球活跃的地震时期和中亚复杂的工程地质环境条件下,考虑高烈度区地震隧道,特别是破碎带隧道的施工是当前工程建设必须面对的问题。
3、针对上述情况,破碎带隧道的施工通常采取"管超前、严注浆、短开挖、不(弱)爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的施工原则,在拱部超前小管棚注浆预固结围岩的保护下,采用三步台阶法进行施工,以减小破碎带滑动对隧道产生破坏;在采用上述三步台阶法进行施工时,虽然提前设置了小导管,并通过小导管对周围围岩进行注浆,但是在更大范围内断层破碎带还是存在滑动的可能。目前强支护过程中虽然通过单独钢拱架架设可以满足围岩支护,但是对于大范围的断层破碎带滑动,钢拱架开始阶段的变形通常不易察觉,而等到钢拱架发生大变形被察觉时,由于受力结构迅速失效,留给人员撤离时间短,就容易造成财产和人员损失。
技术实现思路
1、本发明提供了一种破碎带隧道钢架支护装置及预警方法,旨在解决现有隧道破碎带在进行钢架支护时,钢架组装支护时间过长,容易造成隧道坍塌的问题,本发明可实现钢架支护装置的快速组装,能够减少钢架架设的时间,减少隧道在爆破后无支护的暴露时间,降低隧道通过破碎带时围岩塌陷的风险;还能够对围岩变形情况和钢架受力情况进行监测,在围岩发生长时间大变形和短时间突发变形以及钢架受力超出其安全允许值时及时发出警报,提高了施工的安全性。
2、本发明的第一个目的是提供一种破碎带隧道钢架支护装置,包括长梁段,长梁段的底部两侧分别垂直对称设置有横向调节机构,每个横向调节机构的底部均设置有高度调节机构,每个高度调节机构的底部均设置有底座移动机构,长梁段的顶部设置有多组支护机构,支护机构的顶部设置有钢架,钢架上设置有预警机构。
3、优选的,每个所述底座移动机构包含承重底座、第一驱动电机、第二驱动电机、第一驱动齿轮、第二驱动齿轮、第一锥形齿轮、两个第二锥形齿轮、两个辅助支撑机构和四个移动滑轮,四个移动滑轮设置于承重底座的底部,第一驱动电机和第二驱动电机分别设置于承重底座的侧面上,第一锥形齿轮和第一驱动齿轮分别设置于第一驱动电机和第二驱动电机的输出轴上,两个第二锥形齿轮分别设置于同侧的两个移动滑轮上对应的转动杆上,两个第二锥形齿轮分别与第一锥形齿轮啮合,第二驱动齿轮设置于承重底座的顶部,第一驱动齿轮和第二驱动齿轮啮合,两个辅助支撑机构分别对称设置于承重底座相对的两个侧面上。
4、优选的,每个辅助支撑机构包含支腿、支座液压器、连接支腿和支腿底座,支腿设置于承重底座的侧面上,支座液压器和连接支腿均设置于支腿的内部,连接支腿的顶部与支座液压器的液压杆的底部连接,连接支腿的底部贯穿并延伸至支腿的外侧,支腿底座设置于连接支腿的底部。
5、优选的,每个所述高度调节机构包含第一支撑杆、第一液压单元、第二支撑杆和承重顶座,第一支撑杆的底部垂直设置于承重底座的内部,第一支撑杆通过底座固定螺栓与承重底座固定,第一液压单元设置于第一支撑杆的顶部,第二支撑杆的底部与第一液压单元的液压杆的顶部连接,承重顶座设置于第二支撑杆的上方,第二支撑杆的顶部设置于承重顶座的内部,第二支撑杆与承重顶座通过顶座固定螺栓固定。
6、优选的,每个所述横向调节机构包含安装通槽、多个滑轨、多个滑块、多个滚动轮、多个传动带、多个第三驱动电机、可转动支座、连接杆、支撑连杆和多个滑动轮,安装通槽开设于承重顶座的顶部,多个滑轨沿安装通槽宽度方向间隔交错设置,多个滑块分别设置于对应的滑轨上方,多个滑动轮分别与对应的滑块滑动活动连接,且滑动轮与对应的滑轨滑动连接,多个第三驱动电机分别设置于对应的滑块的内部,多个传动带分别与对应的第三驱动电机的输出轴以及对应的滑动轮连接,支撑连杆设置于多个滑块的上方,多个滚动轮转动套设于支撑连杆上,多个可转动支座分别设置于对应的滑块的顶部,多个连接杆的一端与对应的可转动支座连接,另一端与支撑连杆铰接。
7、优选的,所述长梁段的顶部和底部分别设置有第一限位卡块和第二限位卡块,长梁段通过第二限位卡块与承重顶座上的安装通槽插接,且第二限位卡块的底部与滚动轮的顶部相抵触,长梁段的底部与承重顶座的顶部相接触,长梁段通过第一限位卡块与多组支护机构连接。
8、优选的,每组所述支护机构包含垂直支护机构、第一偏移支护机构和第二偏移支护机构,垂直支护机构、第一偏移支护机构和第二偏移支护机构均设置于长梁段的顶部,且均与第一限位卡块连接,第一偏移支护机构和第二偏移支护机构分别位于垂直支护机构的两侧,垂直支护机构、第一偏移支护机构和第二偏移支护机构的结构相同。
9、优选的,所述垂直支护机构包含支护底座、第二液压单元、固定座、u型固定槽、限位通槽和凸出卡扣,限位通槽开设于支护底座的底部,支护底座通过限位通槽与长梁段上的第一限位卡块插接,第二液压单元设置于支护底座的顶部,固定座设置于第二液压单元的上方,且固定座的底部与第二液压单元上的液压杆的顶部连接,u型固定槽开设于固定座的顶部,凸出卡扣设置于u型固定槽的内部,钢架与u型固定槽插接,且凸出卡扣与钢架上的凹槽插接。
10、优选的,所述预警机构包含钢架受力传感器、插杆、感应片、数据处理模块、数据显示模块和报警单元,钢架受力传感器设置于钢架侧面的底部,插杆设置于围岩的内部,插杆上远离插入端的一端位于围岩的外部,感应片设置于插杆的表面,数据显示模块位于承重底座上,感应片和受力传感器分别通过数据传输线与数据处理模块连接,数据处理模块分别与报警单元和数据显示模块通讯连接。
11、本发明的第二个目的是提供一种上述的破碎带隧道钢架支护装置的预警方法,包括以下步骤:
12、s1、当破碎带隧道钢架支护装置对爆破后的隧道进行支护完成后,钢架受力传感器和感应片每隔1s分别对隧道围岩应力f1和产生的位移s1进行记录,形成数据集;
13、s2、数据处理模块遍历步骤s1得到的数据集中的每个数据项,对于每个数据项,检查隧道围岩应力f1是否<钢架安全值*60%,并且位移s1的移动值是否在0.1-0.5mm/s范围内,若数据项满足这两个条件,则将数据项保留下来,形成日常数据集,并将所有满足条件的数据项作为筛选结果;
14、s3、在步骤s2得到的筛选结果满足要求后,对于每个数据项,数据处理模块检查隧道围岩应力f2是否满足:钢架安全值*60%<检查围岩应力f2<钢架安全值*80%,若满足,则输出数据至数据显示模块,且报警单元发出预警,提醒关注受力变化,同时钢架受力传感器和感应片更改记录间隔,每隔0.1s记录一次隧道围岩应力f2和产生的位移s2;若不满足且f2>钢架安全值*80%,则判断该次记录数据的位移s2是否满足:位移s2的移动值>0.5mm/s,若结果不符合该判定,则输出数据至数据显示模块,且报警单元发出预警,提醒关注位移变化;若满足,则报警单元立即发出预警,提醒需要立即停止施工,采取措施加强围岩稳定性,撤离施工人员。
15、本发明与现有技术相比,其有益效果在于:
16、(1)本发明提供的破碎带隧道钢架支护装置通过长梁段、横向调节机构、高度调节机构、底座移动机构、支护机构和钢架的多个模块化的配合设计,能够实现整个支护装置的快速组装,能够减少钢架架设的时间,减少隧道在爆破后无支护的暴露时间,降低隧道通过破碎带时围岩塌陷的风险;
17、(2)本发明由于能够实现快速组装,可实现快速重复利用,在完成一次监测、支护任务后,可快速前进进行下一次监测、支护,且本发明通过横向调节机构和多个长梁段的拼接设计可适应不同隧道截面尺寸要求,通过液压装置升降实现钢架支护装置支护高度的可调整。
18、(3)本发明不仅能够对钢架提供额外支护,还能够通过预警机构对围岩变形情况和钢架受力情况进行监测,在围岩发生长时间大变形和短时间突发变形时,发出预警;还能够在钢架受力超出其安全允许值时及时发出警报,通知施工人员撤离,实现隧道变形监测和预警,可有效降低隧道变形和塌方对人员生命安全和财产造成的影响。
1.一种破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,包括长梁段(301),长梁段(301)的底部两侧分别垂直对称设置有横向调节机构,每个横向调节机构的底部均设置有高度调节机构,每个高度调节机构的底部均设置有底座移动机构,长梁段(301)的顶部设置有多组支护机构,支护机构的顶部设置有钢架(6),钢架(6)上设置有预警机构。
2.如权利要求1所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,每个所述底座移动机构包含承重底座(102)、第一驱动电机(103)、第二驱动电机(109)、第一驱动齿轮(111)、第二驱动齿轮(110)、第一锥形齿轮(107)、两个第二锥形齿轮(112)、两个辅助支撑机构和四个移动滑轮(101),四个移动滑轮(101)设置于承重底座(102)的底部,第一驱动电机(103)和第二驱动电机(109)分别设置于承重底座(102)的侧面上,第一锥形齿轮(107)和第一驱动齿轮(111)分别设置于第一驱动电机(103)和第二驱动电机(109)的输出轴上,两个第二锥形齿轮(112)分别设置于同侧的两个移动滑轮(101)上对应的转动杆上,两个第二锥形齿轮(112)分别与第一锥形齿轮(107)啮合,第二驱动齿轮(110)设置于承重底座(102)的顶部,第一驱动齿轮(111)和第二驱动齿轮(110)啮合,两个辅助支撑机构分别对称设置于承重底座(102)相对的两个侧面上。
3.如权利要求2所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,每个辅助支撑机构包含支腿(104)、支座液压器(106)、连接支腿(113)和支腿底座(108),支腿(104)设置于承重底座(102)的侧面上,支座液压器(106)和连接支腿(113)均设置于支腿(104)的内部,连接支腿(113)的顶部与支座液压器(106)的液压杆的底部连接,连接支腿(113)的底部贯穿并延伸至支腿(104)的外侧,支腿底座(108)设置于连接支腿(113)的底部。
4.如权利要求2所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,每个所述高度调节机构包含第一支撑杆(201)、第一液压单元(202)、第二支撑杆(203)和承重顶座(204),第一支撑杆(201)的底部垂直设置于承重底座(102)的内部,第一支撑杆(201)通过底座固定螺栓(105)与承重底座(102)固定,第一液压单元(202)设置于第一支撑杆(201)的顶部,第二支撑杆(203)的底部与第一液压单元(202)的液压杆的顶部连接,承重顶座(204)设置于第二支撑杆(203)的上方,第二支撑杆(203)的顶部设置于承重顶座(204)的内部,第二支撑杆(203)与承重顶座(204)通过顶座固定螺栓(205)固定。
5.如权利要求4所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,每个所述横向调节机构包含安装通槽(213)、多个滑轨(206)、多个滑块(212)、多个滚动轮(211)、多个传动带(208)、多个第三驱动电机、可转动支座(209)、连接杆(214)、支撑连杆(210)和多个滑动轮(207),安装通槽(213)开设于承重顶座(204)的顶部,多个滑轨(206)沿安装通槽(213)宽度方向间隔交错设置,多个滑块(212)分别设置于对应的滑轨(206)上方,多个滑动轮(207)分别与对应的滑块(212)活动连接,且多个滑动轮(207)分别与对应的滑轨(206)滑动连接,多个第三驱动电机分别设置于对应的滑块(212)的内部,多个传动带(208)分别与对应的第三驱动电机的输出轴以及对应的滑动轮(207)连接,支撑连杆(210)设置于多个滑块(212)的上方,多个滚动轮(211)转动套设于支撑连杆(210)上,多个可转动支座(209)分别设置于对应的滑块(212)的顶部,多个连接杆(214)的一端与对应的可转动支座(209)连接,另一端与支撑连杆(210)铰接。
6.如权利要求5所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,所述长梁段(301)的顶部和底部分别设置有第一限位卡块(303)和第二限位卡块(304),长梁段(301)通过第二限位卡块(304)与承重顶座(204)上的安装通槽(213)插接,且第二限位卡块(304)的底部与滚动轮(211)的顶部相抵触,长梁段(301)的底部与承重顶座(204)的顶部相接触,长梁段(301)通过第一限位卡块(303)与多组支护机构连接。
7.如权利要求6所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,每组所述支护机构包含垂直支护机构、第一偏移支护机构和第二偏移支护机构,垂直支护机构、第一偏移支护机构和第二偏移支护机构均设置于长梁段(301)的顶部,且均与第一限位卡块(303)连接,第一偏移支护机构和第二偏移支护机构分别位于垂直支护机构的两侧,垂直支护机构、第一偏移支护机构和第二偏移支护机构的结构相同。
8.如权利要求7所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,所述垂直支护机构包含支护底座(401)、第二液压单元(407)、固定座(403)、u型固定槽(408)、限位通槽(409)和凸出卡扣(406),限位通槽(409)开设于支护底座(401)的底部,支护底座(401)通过限位通槽(409)与长梁段(301)上的第一限位卡块(303)插接,第二液压单元(407)设置于支护底座(401)的顶部,固定座(403)设置于第二液压单元(407)的上方,且固定座(403)的底部与第二液压单元(407)上的液压杆的顶部连接,u型固定槽(408)开设于固定座(403)的顶部,凸出卡扣(406)设置于u型固定槽(408)的内部,钢架(6)与u型固定槽(408)插接,且凸出卡扣(406)与钢架(6)上的凹槽插接。
9.如权利要求2所述的破碎带隧道钢架支护装置,其特征在于,所述预警机构包含钢架受力传感器(405)、插杆(501)、感应片(502)、数据处理模块(503)、数据显示模块(504)和报警单元(505),钢架受力传感器(405)设置于钢架(6)侧面的底部,插杆(501)设置于围岩的内部,插杆(501)上远离插入端的一端位于围岩的外部,感应片(502)设置于插杆(501)的表面,数据处理模块(503)设置于插杆(501)上远离插入端的一端,数据显示模块(504)位于承重底座(102)上,感应片(502)和钢架受力传感器(405)分别通过数据传输线与数据处理模块(503)连接,数据处理模块(503)分别与报警单元(505)和数据显示模块(504)通讯连接。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的破碎带隧道钢架支护装置的预警方法,其特征在于,包括以下步骤: