本实用新型涉及高应力隧道开挖围岩卸压支护技术领域，特别地，涉及一种高压力隧道卸压装置。
背景技术：
随着我国铁路、公路建设的不断推进，在地质环境恶劣、高地应力、软弱围岩地区建设长、大隧道已不可避免。在高地应力软弱围岩中修建隧道，往往出现围岩大变形问题。地质构造发育地区的深埋地层由于曾经受到强烈的地质构造和构造挤压作用，除完整性较差外，往往还累积了较大的能量。穿过此类地层的深埋隧道，施工过程中由于开挖卸荷，围岩累积的能量逐渐释放必然出现较大的围岩变形。大量地应力测试结果表明：埋深较大的隧道赋存地层中存在着以水平方向为主的残余构造应力，应力大小与围岩压力大小及分布、隧道变形特点密切相关。因此，对地质构造发育地区深埋隧道围岩大变形的特点及控制技术进行研究具有重要意义。研究表明：隧址区地质构造强烈，围岩破碎、软弱结构面发育且赋存较高的构造残余应力是围岩大变形的内因。隧道大变形的外因主要有隧道结构形状和施工工艺两方面。受当前工艺水平限制，部分支护措施的效果无法达到设计要求。特别是系统锚杆、锁脚锚杆的施作有一定滞后，加之围岩软弱、破碎，锚杆锚固力不足，导致钢拱架接头处变形加剧、下部钢拱架无法与之有效连接，接头处成为薄弱环节，严重削弱拱架的整体刚度。此外，初期支护封闭时间过长，也是影响变形的主要因素之一。
高地应力软岩隧道的支护结构要能够适应、协调围岩的大变形，释放围岩的压力，同时保障结构本身能够持续不断提供支护阻力而又不出现开裂、塌方现象。现阶段在隧道支护方面大多停留在锚杆支护与拱形钢架支护等，只能起到支护作用而无法应对高应力变形带来的安全隐患。国内外对于锚杆在层状围岩的支护作用、锚杆注浆材料、预应力锚杆作用机理进行了大量研究。但目前在我国高应力软岩隧道支护中仍大量采用普通砂浆锚杆或刚性金属支架，无法适应高应力软岩隧道的变形量大、变形速度高、变形持续时间长的特点。常常发生初期支护破坏严重，侵入建筑限界，造成拆换现象。因此需要研究一种既能强化隧道支护能力又能达到对高应力的围岩进行卸压的结构装置。
技术实现要素：
本实用新型针对现有技术中高地应力环境下软岩隧道开挖面临的大变形破坏问题，提供一种应用性强、结构简单、在施工过程中易于安装使用的高压力隧道卸压装置，切实解决现有高压力隧道钢拱架支护强度低、卸压能力严重不足的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种高压力隧道卸压装置，用于在隧道开挖初次支护所喷护的混凝土喷层的基础上进行架设；所述卸压装置包括二级卸压锁脚锚杆、u型锁固托盘、卸压钢架和卸压接头，所述卸压钢架包括拱部卸压段、仰拱卸压段和两个边墙卸压段，所述拱部卸压段和仰拱卸压段均通过卸压接头与两个所述边墙卸压段分别相连；所述卸压钢架的两个边墙卸压段处各安装有两根二级卸压锁脚锚杆和一个u型锁固托盘，两根所述二级卸压锁脚锚杆分别位于沿所述隧道掘进方向上的边墙卸压段管壁的前后两侧且穿过混凝土喷层打入隧道岩体内，所述u型锁固托盘锁扣在边墙卸压段上且其两端分别与两根所述二级卸压锁脚锚杆的外杆外端相连，以使所述二级卸压锁脚锚杆固定在所述边墙卸压段上。
进一步的，所述二级卸压锁脚锚杆包括ⅰ级卸压体、ⅱ级卸压体和外杆，所述ⅰ级卸压体和ⅱ级卸压体均包括ⅰ号磨砂球、ⅱ号磨砂球、内杆和套管，所述ⅰ号磨砂球和ⅱ号磨砂球为可滑动地安装在套管内的实心椭圆形球体，所述ⅰ号磨砂球设置在内杆的前端，所述内杆为两段式结构，所述ⅱ号磨砂球长轴方向的两端分别与内杆的两段固定连接，所述ⅰ号磨砂球、ⅱ号磨砂球和内杆的两段焊接固定为一个能在套管内移动的整体结构，使得磨砂球与套管内壁能产生摩擦力；所述ⅰ级卸压体的套管前端设有堵头，所述ⅰ级卸压体的内杆通过螺纹接口与所述ⅱ级卸压体相连，所述所述ⅱ级卸压体的内杆与外杆相连。
进一步的，所述套管具有一段轴截面为波浪形的内壁面；所述ⅰ号磨砂球和ⅱ号磨砂球的短轴大于所述内壁面的最小直径、小于所述内壁面的最大直径。
进一步的，所述ⅰ号磨砂球和ⅱ号磨砂球的长轴均与内杆的中心轴线同轴设置。
进一步的，所述u型锁固托盘包括抱管钢拱和两个吸能盒，两个所述吸能盒分别通过垫板与抱管钢拱的两端相接。
进一步的，所述吸能盒为两侧开口的方筒结构；所述吸能盒上设有用于外杆穿过的通孔。
进一步的，所述卸压接头包括阻压台体和连接于所述阻压台体底部的承压柱，所述阻压台体插设于在上卸压段的连接口内且其侧面镶嵌有一圈齿条，所述承压柱插设于在下卸压段的连接口内。
进一步的，所述拱部卸压段、边墙卸压段和仰拱卸压段为连接口处内置柔性填充物的拱形圆钢管；在下卸压段的连接口内还设置有用于阻隔承压柱过度卸压而深入在下卸压段内部的底座。
进一步的，所述卸压钢架与所述混凝土喷层之间设置有用于增大与所述混凝土喷层接触面积并保护混凝土喷层的缓冲垫。
进一步的，所述隧道内沿隧道的掘进方向设置多榀卸压装置，相邻两榀卸压装置的卸压钢架之间使用连接槽钢连接。
相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
(1)、本实用新型的高压力隧道卸压装置，在高应力环境下通过多级逐次变形释放压力进而达到预定设计的卸压工程效果，保障高应力围岩环境下隧道安全施工和稳定支护。
(2)、本实用新型的高压力隧道卸压装置，结合锚杆支护与拱形支护，在多个方面可对围岩进行卸载压力，省去各部在单独使用时带来的施工问题和相互不连接带来的安全隐患。
(3)、本实用新型的高压力隧道卸压装置，卸压钢架刚度大、支护能力强、阻力大、变形量大、卸压程度高。采用二级卸压锁脚锚杆可以防止以往普通锁脚锚杆破损失效导致拱脚移动、扭曲，提高承载力。
(4)、本实用新型的高压力隧道卸压装置，结构易于安装、组件简单，方便了隧道施工的支护工作。
(5)、本实用新型的高压力隧道卸压装置，该装置的多处结构具有卸载围岩应力的功能能够在高应力环境下为隧道安全施工带来切实保障。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是本实用新型实施例卸压装置的整体结构示意图；
图2是本实用新型实施例卸压装置的主视结构示意图；
图3是本实用新型实施例的二级卸压锁脚锚杆结构示意图；
图4是本实用新型实施例的u型锁固托盘结构示意图；
图5是本实用新型实施例的卸压接头结构示意图(以卸压接头与拱部卸压段和边墙卸压段分别配合为例)；
其中：1-混凝土喷层，2-缓冲垫，3-二级卸压锁脚锚杆，31-ⅰ级卸压体，32-ⅱ级卸压体，33-外杆，3a-ⅰ号磨砂球，3b-ⅱ号磨砂球，3c-内杆，3d-套管，3e-堵头，3f-内壁面，3g-螺纹接口，4-u型锁固托盘，41-抱管钢拱，42-吸能盒，43-垫板，44-螺母，5-卸压钢架，51-拱部卸压段，52-边墙卸压段，53-仰拱卸压段，6-卸压接头，61-阻压台体，62-承压柱，63-齿条，64-底座，7-连接槽钢，8-螺栓。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1和图2，本实施例提供一种高压力隧道卸压装置，是在隧道开挖初次支护所喷护的混凝土喷层1的基础上进行架设，其中混凝土喷层用于对隧道开挖面临时支护；该卸压装置包括二级卸压锁脚锚杆3、u型锁固托盘4、卸压钢架5和卸压接头6。具体结构如下：
在本实用新型较佳的实施例中，上述卸压钢架5包括设置于隧道拱顶的拱部卸压段51、对称设置于隧道两侧壁的两个边墙卸压段52和设置于隧道拱底的仰拱卸压段53，拱部卸压段51、边墙卸压段52以及仰拱卸压段53位于同一隧道横断面上，拱部卸压段51和仰拱卸压段53均通过卸压接头6与两个边墙卸压段52分别相连。优选的，拱部卸压段51、边墙卸压段52以及仰拱卸压段53均为拱形结构的圆钢管。施工时，根据隧道开挖面在拱顶利用机器布设拱部卸压段，后再利用卸压接头连接在两侧隧道壁架设边墙卸压段，同样的再利用卸压接头连接在拱底铺设仰拱卸压段，至此对隧道开挖面铺设一圈卸压钢架；且卸压钢架的所有卸压段与卸压接头连接的接口处均内置柔性填充物。安装卸压钢架前，需在隧道开挖面上加垫一层由具有延展性的橡胶制成的缓冲垫2，以增大卸压钢架与喷护的混凝土接触面积并保护混凝土喷层。本实施例中卸压钢架5的两个边墙卸压段处各安装有两根二级卸压锁脚锚杆3和一个u型锁固托盘4。
请结合参见图3，上述二级卸压锁脚锚杆3包括ⅰ级卸压体31、ⅱ级卸压体32和外杆33。具体地，ⅰ级卸压体和ⅰ级卸压体均包括ⅰ号磨砂球3a、ⅱ号磨砂球3b、内杆3c和套管3d，ⅰ号磨砂球3a和ⅱ号磨砂球3b均为可滑动地安装在套管3d内的实心椭圆形球体，内杆3c为两段式结构，ⅰ号磨砂球3a设置在第一段内杆的前端，ⅱ号磨砂球3b设置在第一段内杆和第二段内杆之间，本实施例中ⅰ号磨砂球3a和ⅱ号磨砂球3b的长轴与内杆3c的中心轴线同轴设置；也即ⅰ号磨砂球3a、ⅱ号磨砂球3b、内杆3c焊接固定为一个整体并能在套管内移动，以使磨砂球与套筒内壁产生摩擦力。本实施例中ⅰ级卸压体的套管前端还楔入有堵头3e，以防止泥水进入到ⅰ级卸压体内。ⅰ级卸压体的内杆3c与ⅱ级卸压体连接，ⅱ级卸压体的内杆3c与外杆33相连。本实施例中二级卸压锁脚锚杆由ⅰ级卸压体和ⅱ级卸压体通过螺纹接口3g旋接与外杆连接形成。本实施例中磨砂球初始位置置于靠近堵头以及螺纹接口的内壁位置，二级卸压锁脚锚杆受拉时围压推动内杆移动，磨砂球与套管的凸起对围岩应力产生阻力。
在本实用新型较佳的实施例中，套管3d具有一段轴截面为波浪形的内壁面3f，套管有钢质材料制成。本实施例中ⅰ号磨砂球3a和ⅱ号磨砂球3b的短轴大于内壁面的最小直径、小于内壁面的最大直径。套管的内壁握裹磨砂球在围岩压力作用下产生摩擦力和运动阻力。本实施例中ⅰ级卸压体的摩擦阻力要小于ⅱ级卸压体的摩擦阻力。
请结合参见图4，上述u型锁固托盘4包括抱管钢拱41和两个吸能盒42，两个吸能盒分别通过垫板43与抱管钢拱41的两端相接。本实施例中吸能盒42为两侧开口的方筒结构；吸能盒42上设有用于外杆33穿过的通孔。二级卸压锁脚锚杆3来压过大时吸能盒被压缩变形产生阻力。
请结合参见图5，上述卸压接头6包括直径小于卸压段直径的钢制阻压台体61，阻压台体61插设于在上卸压段的连接口内且其侧面镶嵌有一圈齿条63；卸载压力时，在上卸压段接口处的内置填充物与齿条之间产生阻力。阻压台体61下部连接一个钢制的圆柱形承压柱62，该承压柱62插设于在下卸压段连接口处的内置填充物内部。本实施例中在下卸压段内部且于其内置填充物的底部还进一步设有用于阻隔承压柱与在下卸压段内部空间的底座64，以防止承压柱62过度卸压而嵌入在下卸压段内部，保证使用安全。
在本实用新型较佳的实施例中，每个边墙卸压段处的两根二级卸压锁脚锚杆3分别位于沿隧道掘进方向上的边墙卸压段52管壁的前后两侧，且穿过混凝土喷层1打入隧道岩体内。本实施例中二级卸压锁脚锚杆在高围岩压力作用下推动内杆滑移，磨砂球与套管相向而行对围岩应力产生阻力；当围岩压力达到一定时ⅰ级卸压体的内杆产生滑移；围岩压力继续增大，ⅱ级卸压体的内杆发生滑动进而发生二次卸压。
在本实用新型较佳的实施例中，u型锁固托盘4锁扣在边墙卸压段52上且其两端分别与两根二级卸压锁脚锚杆3的外杆33外端相连；具体地，外杆33外端穿过吸能盒上的通孔与螺母44旋接固定。u型锁固托盘用于将二级卸压锁脚锚杆固定在边墙卸压段上，防止卸压钢架拱脚移动、倾斜，不利于侧向受力。
在本实用新型较佳的实施例中，在隧道中沿隧道的掘进方向铺设多榀卸压装置，相邻两榀卸压装置之间使用连接槽钢7连接。优选连接槽钢与卸压钢架之间使用螺栓8旋紧固定。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种高压力隧道卸压装置，用于在隧道开挖初次支护所喷护的混凝土喷层(1)的基础上进行架设；其特征在于，所述卸压装置包括二级卸压锁脚锚杆(3)、u型锁固托盘(4)、卸压钢架(5)和卸压接头(6)，所述卸压钢架包括拱部卸压段(51)、仰拱卸压段(53)和两个边墙卸压段(52)，所述拱部卸压段(51)和仰拱卸压段(53)均通过卸压接头(6)与两个所述边墙卸压段(52)分别相连；所述卸压钢架(5)的两个边墙卸压段(52)处各安装有两根二级卸压锁脚锚杆(3)和一个u型锁固托盘(4)，两根所述二级卸压锁脚锚杆(3)分别位于沿所述隧道掘进方向上的边墙卸压段(52)管壁的前后两侧且穿过混凝土喷层(1)打入隧道岩体内，所述u型锁固托盘(4)锁扣在边墙卸压段(52)上且其两端分别与两根所述二级卸压锁脚锚杆(3)的外杆(33)外端相连，以使所述二级卸压锁脚锚杆(3)固定在所述边墙卸压段(52)上。
2.根据权利要求1所述的卸压装置，其特征在于，所述二级卸压锁脚锚杆(3)包括ⅰ级卸压体(31)、ⅱ级卸压体(32)和外杆(33)，所述ⅰ级卸压体和ⅱ级卸压体均包括ⅰ号磨砂球(3a)、ⅱ号磨砂球(3b)、内杆(3c)和套管(3d)，所述ⅰ号磨砂球(3a)和ⅱ号磨砂球(3b)为可滑动地安装在套管(3d)内的实心椭圆形球体，所述ⅰ号磨砂球(3a)设置在内杆(3c)的前端，所述内杆(3c)为两段式结构，所述ⅱ号磨砂球(3b)长轴方向的两端分别与内杆的两段固定连接，所述ⅰ号磨砂球(3a)、ⅱ号磨砂球(3b)和内杆(3c)的两段焊接固定为一个能在套管(3d)内移动的整体结构，使得磨砂球与套管(3d)内壁能产生摩擦力；所述ⅰ级卸压体的套管前端设有堵头(3e)，所述ⅰ级卸压体的内杆(3c)通过螺纹接口(3g)与所述ⅱ级卸压体相连，所述ⅱ级卸压体的内杆(3c)与外杆(33)相连。
3.根据权利要求2所述的卸压装置，其特征在于，所述套管(3d)具有一段轴截面为波浪形的内壁面(3f)；所述ⅰ号磨砂球(3a)和ⅱ号磨砂球(3b)的短轴大于所述内壁面的最小直径、小于所述内壁面的最大直径。
4.根据权利要求2所述的卸压装置，其特征在于，所述ⅰ号磨砂球(3a)和ⅱ号磨砂球(3b)的长轴均与内杆(3c)的中心轴线同轴设置。
5.根据权利要求1所述的卸压装置，其特征在于，所述u型锁固托盘(4)包括抱管钢拱(41)和两个吸能盒(42)，两个所述吸能盒分别通过垫板(43)与抱管钢拱(41)的两端相接。
6.根据权利要求5所述的卸压装置，其特征在于，所述吸能盒(42)为两侧开口的方筒结构；所述吸能盒(42)上设有用于外杆(33)穿过的通孔。
7.根据权利要求1所述的卸压装置，其特征在于，所述卸压接头(6)包括阻压台体(61)和连接于所述阻压台体底部的承压柱(62)，所述阻压台体(61)插设于在上卸压段的连接口内且其侧面镶嵌有一圈齿条(63)，所述承压柱(62)插设于在下卸压段的连接口内。
8.根据权利要求7所述的卸压装置，其特征在于，所述拱部卸压段(51)、边墙卸压段(52)和仰拱卸压段(53)为连接口处内置柔性填充物的拱形圆钢管；在下卸压段的连接口内还设置有用于阻隔承压柱(62)过度卸压而深入在下卸压段内部的底座(64)。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的卸压装置，其特征在于，所述卸压钢架(5)与所述混凝土喷层(1)之间设置有用于增大与所述混凝土喷层接触面积并保护混凝土喷层(1)的缓冲垫(2)。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的卸压装置，其特征在于，沿所述隧道的掘进方向设置有多榀卸压装置，且相邻两榀卸压装置之间使用连接槽钢(7)连接。
技术总结