棚硐硐顶防崩塌落石装配式弹簧消能垫层防护结构的制作方法

本发明涉及到一种棚硐或明硐硐顶防崩塌落石的消能结构，属于道路工程及灾害防治工程领域。

背景技术：

在公路、铁路等道路工程建设中，棚硐或明硐时常会出现在崩塌落石灾害易发区，用于防止落石对线路及人民生命财产造成的危害。特别是在我国山区，山坡陡峻，一旦发生落石灾害，落石对棚硐硐顶的瞬时冲击力相当巨大，因此，需对棚硐硐顶做特殊处理，以达到减小落石冲击力，延长落石冲击历时防止棚硐被落石砸坏的目的。目前，常用的棚硐顶部防护结构是在硐顶回填一定厚度的素填土，为使回填土达到缓冲效果，对其回填厚度具有一定要求，如我国公路铁路行业标准建议回填素填土垫层不应小于1.5米，如此厚度的回填土层，对棚硐基础承载力具有很高要求，会增加施工成本，对于特殊地段，其施工难度大。此外，由于回填土层在其自重作用下会发生固结，导致其对落石的缓冲效果减小，其更换难度大。出于减轻棚硐顶部荷载及抵抗落石的目的，也有一些棚硐在顶部回填时加入聚苯乙烯土工泡沫板或土工格栅等材料，但其实施成本及施工难度较大，且不易更换。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种轻型装配式棚硐硐顶消能垫层防护结构，以大幅度降低棚硐顶部消能垫层的自重，并且能有效保证消能垫层抵抗落石的冲击能力，解决现有棚硐硐顶回填缓冲垫层重量大、缓冲效果不佳、不易更换等技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

棚硐硐顶防崩塌落石装配式弹簧消能垫层防护结构，其特征在于该轻型消能垫层结构由弹簧消能块组装形成，弹簧消能块由弹簧骨架及橡胶外壳组成，弹簧骨架安装在橡胶外壳内，弹簧消能块之间用连接垫片及螺钉连接形成消能垫层，将消能垫层固定于棚硐顶部，垫层与硐顶之间设置防水层。

本发明设计了一种由弹簧消能块组装形成的消能垫代替棚硐顶部回填土层，充分利用了弹簧的消能缓冲能力，并将其与橡胶外壳组合形成消能块，极易组装，显著的降低了施工难度及施工成本，具有很强的操作性；此外，由于弹簧本身具有很强的弹性变形能力，将其并联形成弹簧块在落石冲击荷载作用下具有较好的抗冲击性能，能够有效增加冲击历时，减小落石对硐顶的冲击力，保证棚硐的正常运营；并且由于用弹簧消能垫替换传统的回填土层，极大减小了硐顶荷载。此外，弹簧消能垫由弹簧块组成，当消能垫层局部受到损坏时，对弹簧块进行更换操作简单，极易进行维修处理。因此，弹簧消能垫具有很好的经济、环保及减灾效益。

作为优选，消能块弹簧刚度系数不应小于10³kN/m，弹簧直径应在10cm-15cm之间。

进一步的技术方案是弹簧消能块的组装及将其组装成消能垫层的方式如下：

弹簧消能块为立方体形状，由弹簧骨架及橡胶外壳组成，弹簧骨架包括弹簧、固定框架、固定圈及串联钢丝，将弹簧阵列在固定框架内，与固定框架边缘处邻接的弹簧通过固定圈固定在固定框架上，弹簧与弹簧之间用串联钢丝串联，将弹簧形成一个整体骨架；橡胶外壳包括橡胶箱及橡胶盖板，橡胶箱顶部四个角有连接孔，用于弹簧消能块之间的连接，橡胶箱底部开口，在橡胶箱四个面底部有装配圆孔，在橡胶盖板四边端面有与橡胶箱底部四个面下端对应的装配圆孔，将弹簧骨架放置于橡胶箱内，橡胶箱与橡胶盖板通过装配螺丝连接密封，形成弹簧消能块。

由于橡胶外壳的作用是保证弹簧能够整体受力及起防水作用，且橡胶在竖向上应具有很强延展性，作为优选，橡胶材料的抗拉强度应在4.0-12.5MPa之间，撕裂强度应在9-55kN/m之间，伸长率不应小于100％。

弹簧消能垫层的安装方法如下：将弹簧消能块用连接垫片及连接螺丝连接便形成消能垫层，将弹簧消能垫层固定于棚硐硐顶之上，即用预埋于棚硐顶部四个角点上的预埋钢筋贯穿弹簧消能垫层四个角点上的预留孔，将其固定于硐顶之上。

本发明的关键技术是在棚硐顶部用弹簧制作的轻型消能垫层替换传统的回填土层，形成一种易于安装更换、自重较轻及消能效果极好的棚硐顶部防护结构，适用于崩塌落石灾害易发的棚硐建筑地段。

本发明的有益效果是：与传统棚硐硐顶回填土层防护结构相比，该结构消能效果较好，由于弹簧本身具有很好的缓冲性能，在落石冲击荷载的作用下能有效延缓落石的冲击能量，减小落石冲击力，延长落石冲击历时。此外，由于该结构由弹簧消能块组装形成，其中弹簧消能块能由工厂化生产制作，运送至施工场地直接进行安装，易于施工，能有效降低施工成本。并且当弹簧消能垫层在使用过程中局部受损时，对其进行更换操作简单，能及时保证棚硐的安全运营。

附图说明

图1弹簧消能块结构示意图。

图2弹簧消能块正向剖视图。

图3弹簧消能块侧向剖视图。

图4弹簧骨架正向视图。

图5弹簧骨架俯视图。

图6橡胶外壳正向剖视图。

图7橡胶外壳侧向剖视图。

图8橡胶外壳四框俯视图。

图9橡胶盖板主视图。

图10橡胶盖板后视图。

图11橡胶盖板俯视图。

图12弹簧消能块组装平面图。

图13棚硐顶部弹簧消能垫层剖面示意图

图14弹簧消能块四个圆孔连接垫片主视图。

图15弹簧消能块两个圆孔连接垫片主视图。

图16小尺寸弹簧消能块平面图。

图中：1、棚硐立柱；2、棚硐纵梁；3、棚硐硐顶；4、防水层；5、弹簧骨架；51、弹簧；52、固定框架；53、固定圈；54、串联钢丝；6、橡胶外壳；61、橡胶箱；611、橡胶箱顶部连接孔；612、橡胶箱底部装配孔；62、橡胶盖板；621、橡胶盖板四边端面装配孔；7、连接螺丝；8、预埋钢筋；9、装配螺丝；10、弹簧消能块两个圆孔连接垫片，11、弹簧消能块四个圆孔连接垫片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明装配式轻型弹簧消能垫层防护结构作进一步的说明：

图1至图3给出了弹簧消能块结构。由图可知，弹簧消能块由弹簧骨架5外包橡胶外壳6组成，即将制作好的弹簧骨架5放置于橡胶箱61内，用装配螺丝9通过装配孔612和621将橡胶盖62与橡胶箱61组装成一整体，形成密封有橡胶外壳6的弹簧消能块。为保证橡胶外壳的完整性及连接牢固性，应在螺丝连接处加入垫片。

图4、图5给出了弹簧骨架5结构，其中弹簧骨架5由九个弹簧51、固定框架52、固定圈53、串联钢丝54组成，即将九个弹簧51纵横排列置于固定框架52内，将固定框架52与弹簧51接触处用固定圈53固定，弹簧51内部用串联钢丝54将九个弹簧51连接成一个整体，便形成弹簧骨架5。

弹簧骨架5中弹簧51的弹性系数不应小于于10³kN/m，弹簧51长度50cm，为便于实际工程施工，可选这多种尺寸弹簧块相间组装使用，优选弹簧骨架5宽度采用50cm或25cm，小尺寸弹簧消能块平面图如图16所示。

图6至图8为橡胶箱61结构示意图，图9至图11给出了橡胶盖板62结构示意图。由图可知，橡胶箱61为正立方体形式，为保证弹簧消能块之间的连接，在橡胶箱61顶部四个角设置如图3所示的连接圆孔611，用弹簧消能块连接垫片10及螺丝即可连接多个弹簧消能块。在橡胶箱61四个面底部每个面设置两个装配圆孔612，橡胶盖板62四边端面每个端面设置两个装配圆孔621，用螺丝9贯穿装配圆孔612及621即可将橡胶箱61和橡胶盖板62装配为一整体，从而保证弹簧消能块的防水及稳定性。

图12为橡胶消能块组装平面图，即用具有一定厚度D的弹簧消能块连接垫片及连接螺丝7将多个弹簧消能块组装在一起，便形成弹簧消能垫层，其中，弹簧消能块连接垫片由两种规格，图14所示的四个圆孔的垫片11用于弹簧块内部连接，图15所示的两个圆孔的垫片10用于边侧连接。此外，由于需要将组装后的消能垫层固定于棚硐顶部，因此需对垫层四个角点的弹簧消能块做特殊处理，即将四个弹簧消能块与硐顶重合的角点处的圆孔至上而下贯穿，便于预埋钢筋8穿过圆孔将垫层固定于硐顶之上。

图13为棚硐顶部弹簧消能垫层剖面示意图，由图可知，弹簧消能垫层位于棚硐硐顶之上，在弹簧垫层与硐顶之间设置有防水层4，用预埋与棚硐顶部四个角点的钢筋8贯穿过弹簧消能垫层四个角点的贯通的圆孔，便可以将弹簧消能垫层与硐顶牢固连接在一起。