本發(fā)明屬于隧道支護(hù)，提供一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隧道采空區(qū)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、采空區(qū)是指在地下開采礦物資源后形成的空洞或空間，通常是由于礦石被提取而導(dǎo)致的地下空間。這些空洞或空間可能位于地下的巖層或礦層中，也可能是地下水位下降或地表沉降導(dǎo)致的洞穴。采空區(qū)改變與破壞了地球表面和巖石圈的自然平衡，會(huì)產(chǎn)生采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。采空區(qū)塌陷是因礦體(層)采空、覆巖破壞引起的。埋藏于地下的各種大小礦體被采動(dòng)、掘空后，礦體上部覆巖的力學(xué)平衡就會(huì)被打破。在重力和應(yīng)力作用下，便產(chǎn)生裂隙和斷移，地下水乘虛而入，通過(guò)裂隙向采空區(qū)滲漏，這又加速了覆巖的破壞，引起巖層和地表移動(dòng)，最終形成了采空塌陷區(qū)。

2、在進(jìn)行隧道工程施工時(shí)，不可避免地會(huì)遇到采空區(qū)不良地質(zhì)段，且由于國(guó)家發(fā)展，煤礦資源需求越來(lái)越大，采空區(qū)也越來(lái)越多，存在隧道施工穿越多個(gè)采空區(qū)的情況，由于以往對(duì)采空區(qū)潛在危險(xiǎn)認(rèn)識(shí)的不足，導(dǎo)致在施工和運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)了各種程度的問題，如襯砌結(jié)構(gòu)受損、出現(xiàn)裂縫和變形，隧道輪廓受限等。目前已有大量關(guān)于隧道支護(hù)系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)，現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并有效應(yīng)對(duì)采空區(qū)坍塌引起的隧道不均勻沉降。現(xiàn)有的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上多安置為普通中空注漿錨桿，可提供的錨固力不足，錨桿桿體強(qiáng)度不能得到有效利用，控制圍巖變形效果差，且當(dāng)采空區(qū)突然塌陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，此錨桿不能起到一個(gè)消能的作用，無(wú)法解決采空區(qū)塌陷時(shí)引起隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受損現(xiàn)象的發(fā)生。目前傳統(tǒng)的隧道初期支護(hù)存在一些缺點(diǎn)，例如施工速度慢、自重較重、對(duì)圍巖的壓力較大、適應(yīng)性較差等，應(yīng)采取措施進(jìn)行改進(jìn)。且傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)不能及時(shí)獲取錨桿和初期支護(hù)的工作動(dòng)態(tài)，不便于相關(guān)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行維護(hù)。

3、基于上述情況，本發(fā)明提供一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隧道采空區(qū)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，用于解決當(dāng)前初期支護(hù)系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)采空區(qū)突然塌陷時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊力以及無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支護(hù)系統(tǒng)的健康狀態(tài)等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為了解決背景技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明提出了一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隧道采空區(qū)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，以解決當(dāng)前初期支護(hù)系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)采空區(qū)突然塌陷時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊力以及無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支護(hù)系統(tǒng)的健康狀態(tài)等問題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隧道采空區(qū)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在隧道初次襯砌外的超前注漿導(dǎo)管和設(shè)置在隧道初次襯砌上設(shè)置的消能錨桿，消能錨桿，包括錨固段、消能段和支承段，支承段固設(shè)于隧道初次襯砌上，且支承段在背離隧道初次襯砌的背離側(cè)依次設(shè)置有消能段及錨固段，錨固段為螺紋桿，消能段由外套筒、摩擦內(nèi)管、高強(qiáng)伸縮彈簧組成，外套管設(shè)于支承段上，其背離支承段的背離側(cè)套裝于螺紋桿外，外套管的內(nèi)壁上固設(shè)有用于增設(shè)其與螺紋桿之間摩擦阻力的摩擦內(nèi)管，外套管內(nèi)并位于螺紋桿的底部設(shè)置高強(qiáng)伸縮彈簧；螺紋桿上設(shè)置有位移傳感器；隧道初次襯砌內(nèi)設(shè)置有應(yīng)力傳感器。采用上述方案，在隧道采空區(qū)圍巖發(fā)生突然塌陷時(shí)，通過(guò)消能錨桿可以由其內(nèi)部的摩擦滑動(dòng)和緩沖變形，有效分散和降低作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的瞬時(shí)荷載，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，該消能錨桿設(shè)計(jì)不僅能適應(yīng)不同類型的圍巖，還能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整消能段的參數(shù)，如摩擦系數(shù)、彈簧彈性力等，以適應(yīng)不同的工程需求。還能通過(guò)位移傳感器和應(yīng)力傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，為隧道工程的安全運(yùn)行提供了重要保障。

4、優(yōu)選的，消能段還包括有位于螺紋桿下方并用于連接高強(qiáng)伸縮彈簧的第一消能平板，第一消能平板設(shè)于摩擦內(nèi)管內(nèi)并與之摩擦滑動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)確保了在荷載作用下，第一消能平板可以有效地參與到消能過(guò)程中，即可以配合高強(qiáng)拉伸彈簧進(jìn)行有效的吸收部分動(dòng)能，減輕對(duì)錨桿的沖擊。這一過(guò)程能夠延緩荷載傳遞速度，降低對(duì)整體支撐結(jié)構(gòu)的損害。而摩擦內(nèi)管自上而下的摩擦阻力逐次增大。這樣，通過(guò)這種逐步增大的摩擦阻力設(shè)計(jì)，整體消能過(guò)程變得更加平滑和高效。各個(gè)構(gòu)件的消能作用有序進(jìn)行，避免了因瞬時(shí)荷載過(guò)大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷，增強(qiáng)了錨桿系統(tǒng)的抗沖擊能力。

5、優(yōu)選的，摩擦內(nèi)管上并介于螺紋桿與第一消能平板之間設(shè)置有多層的托環(huán)。通過(guò)多層托環(huán)的設(shè)計(jì)，整個(gè)消能段的功能得到了增強(qiáng)，使得消能錨桿在面對(duì)突發(fā)荷載時(shí)能夠更好地吸收和分散能量，有效保護(hù)周圍結(jié)構(gòu)。

6、優(yōu)選的，消能段還包括設(shè)于外套管與支承段之間的可伸縮支架和高強(qiáng)疊層彈簧，高強(qiáng)疊層彈簧位于可伸縮支架內(nèi)。這樣，通過(guò)引入可伸縮支架和高強(qiáng)疊層彈簧，構(gòu)建的多級(jí)消能結(jié)構(gòu)極大地增強(qiáng)了消能錨桿的消能能力，使其在面對(duì)突發(fā)荷載時(shí)，能夠更有效地吸收和分散能量，提升了整體錨桿的安全性與穩(wěn)定性。

7、優(yōu)選的，支承段由第二消能平板、方形托盤、連接桿組成，第二消能平板設(shè)置在方形托盤上，且兩者之間通過(guò)連接桿拉固，第二消能平板上設(shè)置可伸縮支架和高強(qiáng)疊層彈簧。這個(gè)支承段設(shè)計(jì)確保了整個(gè)消能錨桿通過(guò)第二消能平板與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的牢固連接，形成穩(wěn)定的消能平臺(tái)。

8、本發(fā)明還提供另一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隧道采空區(qū)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在隧道初次襯砌外的超前注漿導(dǎo)管和設(shè)置在隧道初次襯砌上設(shè)置的消能錨桿，消能錨桿包括錨固段、消能段和支承段，支承段固設(shè)于隧道初次襯砌上，且支承段在背離隧道初次襯砌的背離側(cè)依次設(shè)置有消能段及錨固段，其中，錨固段為螺紋桿，消能段由外套筒、摩擦內(nèi)管、高強(qiáng)疊層彈簧、筒蓋組成，外套管設(shè)于支承段上，其背離支承段的背離側(cè)設(shè)置有螺紋桿，外套管軸向上設(shè)置有伸縮節(jié)，外套管的內(nèi)壁上固設(shè)有用于增設(shè)其與筒蓋之間摩擦阻力的摩擦內(nèi)管，高強(qiáng)疊層彈簧設(shè)置在筒蓋上；筒蓋上設(shè)置有位移傳感器；隧道初次襯砌內(nèi)設(shè)置有應(yīng)力傳感器。同樣的，采用上述方案，在隧道采空區(qū)圍巖發(fā)生突然塌陷時(shí)，通過(guò)消能錨桿可以由其內(nèi)部的摩擦滑動(dòng)和緩沖變形，有效分散和降低作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的瞬時(shí)荷載，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，該消能錨桿設(shè)計(jì)不僅能適應(yīng)不同類型的圍巖，還能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整消能段的參數(shù)，如摩擦系數(shù)、彈簧彈性力等，以適應(yīng)不同的工程需求。還能通過(guò)位移傳感器和應(yīng)力傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，為隧道工程的安全運(yùn)行提供了重要保障。

9、優(yōu)選的，錨固段還包括有設(shè)置在筒蓋下方并呈多層重疊結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)環(huán)形彈簧，能夠提供更好的能量吸收和緩沖效果，而相鄰兩層高強(qiáng)環(huán)形彈簧之間設(shè)置有帶滾珠的橫板，橫板的至多半個(gè)外圓沿邊上設(shè)置與外套管內(nèi)壁滑動(dòng)配合的多個(gè)滾珠，該滾珠設(shè)計(jì)可適應(yīng)于多層高強(qiáng)環(huán)形彈簧在受壓過(guò)程中的軸向及徑向上的變形，使得橫板的穩(wěn)定支撐性更好，有助于提高運(yùn)動(dòng)的順暢性，從而使彈簧能夠更好地吸收和分散施加在結(jié)構(gòu)上的荷載；而底層的高強(qiáng)環(huán)形彈簧底部所設(shè)的橫板通過(guò)穩(wěn)定支架固定安裝在支承段上。這樣的設(shè)計(jì)不僅提高了支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能確保在受到外部荷載時(shí)，高強(qiáng)環(huán)形彈簧能夠有效發(fā)揮其緩沖作用，減少對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)沖擊。

10、優(yōu)選的，支承段采用至少兩層的高強(qiáng)板簧疊加而成，當(dāng)力傳送到高強(qiáng)板簧時(shí)能夠有效分散荷載，以增強(qiáng)支承段的承載能力和能量吸收效果，保證襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，即疊加的高強(qiáng)板簧能夠在受力時(shí)以更均勻的方式分散應(yīng)力，減少單一層板簧由于局部過(guò)載而導(dǎo)致的失效風(fēng)險(xiǎn)。這種設(shè)計(jì)還可以通過(guò)調(diào)整疊加層數(shù)和每層的參數(shù)來(lái)適應(yīng)不同的工程需求和地質(zhì)條件，使得支承段在各種工況下具有良好的適應(yīng)性。

11、優(yōu)選的，錨固段還包括有包裹于螺紋桿外的錨固劑，錨固劑為樹脂卷錨固劑。這種錨固劑具有優(yōu)良的粘結(jié)性能和快速固化特性。應(yīng)用樹脂卷錨固劑可以有效填充螺紋桿與圍巖之間的空隙，形成一個(gè)堅(jiān)固的錨固界面，從而提高錨桿的抗拔力和穩(wěn)定性。此外，螺紋桿的前端上設(shè)置有倒刺。利用倒刺可進(jìn)一步增強(qiáng)錨固段的螺紋桿穩(wěn)固性。

12、優(yōu)選的，隧道初次襯砌還包括有高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼板和輕質(zhì)混凝土，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼板及應(yīng)力傳感器均設(shè)于輕質(zhì)混凝土內(nèi)；位移傳感器為光纖光柵位移傳感器。

13、本發(fā)明的有益效果是：

14、(1)現(xiàn)有大多數(shù)隧道通過(guò)采空區(qū)時(shí)，初期支護(hù)上都布置為普通中空注漿錨桿，提供的錨固力不足，錨桿桿體強(qiáng)度不能得到有效利用，控制圍巖變形效果差，且當(dāng)采空區(qū)突然塌陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，此錨桿不能起到一個(gè)消能的作用。此復(fù)合支護(hù)裝置，采用新型監(jiān)測(cè)及多級(jí)的消能錨桿，可在采空區(qū)突然塌陷時(shí)，通過(guò)變形來(lái)消能，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且配合超前注漿導(dǎo)管，對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。

15、(2)本發(fā)明隧道次襯砌由新型薄壁輕鋼和輕混凝土所組成，相對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。新型薄壁輕鋼和輕混凝土結(jié)合，使隧道初次襯砌具備了高強(qiáng)度的特性，能夠承受更大的荷載和壓力。由于自重較小，安裝和搬運(yùn)過(guò)程中節(jié)省了大量的工時(shí)和材料成本。此外，這種材料組合具有良好的抗侵蝕性能，能夠在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，延長(zhǎng)了使用壽命。最重要的是，采用輕混凝土還符合低碳環(huán)保理念，減少了對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

16、(3)此支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)消能錨桿的位移和隧道初次襯砌的受力情況，還能夠快速響應(yīng)并進(jìn)行必要的處理和維護(hù)工作。通過(guò)這種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取預(yù)防措施，有效降低經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。

17、(4)此支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅能夠有效預(yù)防和處理采空區(qū)塌陷，確保隧道和圍巖的穩(wěn)定，還具備應(yīng)對(duì)各種突發(fā)受力荷載的能力。例如，在爆破作業(yè)或地震發(fā)生時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠有效吸收和分散沖擊力，保護(hù)隧道免受外部沖擊的影響，從而確保隧道的整體穩(wěn)定性和安全性。這種設(shè)計(jì)不僅考慮了靜態(tài)荷載的影響，還充分考慮了動(dòng)態(tài)荷載的影響，為隧道工程提供了全面的保護(hù)措施。

18、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。