一种防岩溶塌陷的防护装置及施工方法

1.本发明属于隧道施工建设的技术领域，具体涉及一种防岩溶塌陷的防护装置及施工方法。


背景技术：

2.为保证隧道施工的安全性，需要在隧道内搭建支撑结构，如中国专利cn201821296168.1 一种通过旋升螺母展开组合式结构的锚杆支护构件，用于竖向支撑隧道内壁以避免在施工时发生坍塌；另外，还需要在隧道内壁上设置支护结构，如中国专利cn202022530625.2 一种隧道支护结构，即将钢筋网固定锚杆上，锚杆嵌设在隧道内壁的内部，锚杆为钢筋网提供一定拉力，隧道内部设置钢拱架也为钢筋网提供支撑作用，钢筋网和钢拱架用于维持隧道内壁形状以提高隧道结构的稳定性，保证通行安全。
3.但当在石灰岩地区进行隧道施工建设时，由于山体内或地下存在大量的岩腔，在隧道开挖过程中经常会出现岩腔壁被挖穿的情况，容易导致岩腔结构失衡而造成地表土体发生沉降和塌陷；因此，不仅需要对隧道内部做支撑设计，还需要对岩腔进行防塌陷处理，目前一般采用以下两种方式，一是先勘察分析出岩腔的位置和范围，将岩腔内的水引出，再注入填充材料，如中国专利cn201710062628.8 填充性岩溶隧道施工处理方法，该方案虽然可使岩腔壁被挖穿后仍能保持较好的结构稳定性，但耗时较长，且需要的填充材料较多，施工成本较高；二是在岩腔壁被挖穿后立即设置上述支护结构，但由于岩腔壁被挖穿后，其结构稳定性已经遭到破坏，设置支护结构时危险系数较高，且由于岩腔的尺寸一般比隧道小，设置支护结构的施工难度也较高。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种防岩溶塌陷的防护装置及施工方法，解决目前对岩腔进行防塌陷处理的方式耗时较长且施工较为困难的问题，取得降低施工成本和提高施工安全性的效果。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种防岩溶塌陷的防护装置，包括支撑架和竖向设置的多根承力杆，承力杆的上端与支撑架可拆卸连接以为承力杆提供竖向的支撑力，承力杆的下端固定连接有朝下的钻头；承力杆外于钻头上方设有十字型的承力架，承力架包括四根在承力杆外周向均布的骨架杆，骨架杆横向设置，骨架杆的一端通过横向的转轴与承力杆转动连接且骨架杆仅可向上朝承力杆转动收拢；承力架上覆盖有采用柔性材料并呈方形的承力层，承力层连接于所有骨架杆上并可随骨架杆向上朝承力杆转动而折叠收拢；承力杆外于钻头上方套设有可竖向活动的护筒，护筒的外径小于或等于钻头的直径，护筒的内径大于承力杆的外径，护筒内壁与承力杆之间形成用于容纳收拢后的骨架杆和承力层的收纳腔；所有承力层位于同一平面且相邻两承力层边与边相接组成承力面。
6.进一步地，承力架还包括设于每相邻两根骨架杆之间的折叠杆，折叠杆的两端分
别通过竖向的转轴与两侧骨架杆转动连接，折叠杆的中部断开并通过球铰链连接，折叠杆可随骨架杆向上朝承力杆转动而折叠收拢于收纳腔内。
7.进一步地，每相邻两根骨架杆之间折叠杆的数量为两根并沿承力杆的径向平行间隔设置，承力架还包括设于每两根相互平行折叠杆之间的连接绳，连接绳的两端分别栓接于两根折叠杆上靠近球铰链的位置，承力层还连接于连接绳上。
8.进一步地，支撑架包括矩形的安装框，安装框的四角均连接有竖向设置的支撑杆，安装框内侧于安装框所在平面连接有多根横向均匀间隔分布和多根纵向均匀间隔分布的安装杆，每两根安装杆的交叉处为安装部，每个安装部处可拆卸连接有一根承力杆。
9.进一步地，安装部上具有竖向贯穿的安装孔，承力杆的上半部分具有外螺纹，承力杆的上端穿过对应安装孔位于安装部上方并螺纹连接有安装螺母，安装螺母与安装部抵接。
10.进一步地，护筒包括大径段和小径段，大径段的内径大于承力杆的外径，大径段的内壁与承力杆之间形成所述收纳腔；小径段位于大径段上方，小径段的内径与承力杆的外径匹配。
11.进一步地，小径段的上端固定连接有锁紧螺母，锁紧螺母与承力杆螺纹连接，大径段与骨架杆的上表面抵接。
12.进一步地，承力杆的上端面刻画有十字型的对位标记，承力杆下端的四根骨架杆在竖向上的投影与对位标记重合。
13.进一步地，钻头呈朝下的锥形，骨架杆的下表面与钻头的上端面抵接以使骨架杆仅可向上朝承力杆转动收拢。
14.本发明还包括一种防岩溶塌陷的施工方法，使用如上所述一种防岩溶塌陷的防护装置，包括如下步骤：1）确定所述防护装置的安装区域，在安装区域标记出支撑杆和承力杆的安装点，在支撑杆的安装点钻设安装孔；2）将承力杆安装到钻机上，启动钻机通过承力杆端部的钻头对承力杆的安装点处进行竖向钻进，将护筒的大径段送入岩腔中；3）放置支撑架，将支撑杆的下端打入对应安装孔中以固定支撑架，使各承力杆的上端穿过对应安装孔并通过安装螺母与支撑架连接；4）拧动锁紧螺母使护筒上移直至承力架和承力层脱离收纳腔，承力架和承力层在重力作用下逐渐展开，再反向拧动锁紧螺母使护筒下移与承力层的上表面相抵，护筒继续下移推动承力架和承力层完全展开；5）转动承力杆并借助对位标记，使相邻两承力层呈边与边相对的姿态；拧动安装螺母，调节承力杆位于支撑架上方的长度，使所有承力层位于同一平面且相邻两承力层边与边相接组成承力面。
15.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明所述一种防岩溶塌陷的防护装置，该防护装置于隧道施工前设置，承力杆与支撑架连接以为承力杆提供支撑力，骨架杆和折叠杆在承力杆的下端组成可收拢和展开的承力架；承力杆通过端部的钻头钻入岩腔中后，其端部的承力架在重力作用下带动承力层展开，多个承力层组成承力面，承力面可与岩腔内壁抵接或位于岩腔内壁下方，以为岩
腔内壁提供支撑作用或承接岩腔的局部塌陷，保持岩腔壁被挖穿后岩腔整体的稳定性，避免岩腔壁被挖穿后出现塌陷或减小塌陷量，可有效避免因岩腔坍塌而影响隧道施工；该防护装置安装简单且成本较低，可有效解决目前对岩腔进行防塌陷处理的方式耗时较长且施工较为困难的问题，取得降低施工成本和提高施工安全性的效果。
16.2、本发明所述一种防岩溶塌陷的防护装置，承力架和钻头集成在承力杆上，承力杆通过端部的钻头钻入岩腔中，以供承力架直接展开，增强了该防护装置使用的便利性；钻头不仅起钻进作用，当钻进完成后承力架展开时，钻头还起保持承力架展开姿态的作用，使该防护装置的结构更加简单紧凑。
17.3、本发明所述一种防岩溶塌陷的防护装置，支撑架为框架架构，可针对不同的施工要求，灵活调整支撑架的尺寸以及同一支撑架上所连接承力杆的数量，可适用于各种尺寸大小的岩腔，使该防护装置具有更好的适应性。
附图说明
18.图1为实施例的一种防岩溶塌陷的防护装置的结构示意图；图2为实施例所述承力杆展开状态的示意图；图3为实施例所述护筒的结构示意图；图4为图1隐去护筒的示意图；图5为图4中a处的放大图；图6为实施例所述承力杆收拢状态的示意图；图7为图6隐去护筒的示意图；图8为实施例的一种防岩溶塌陷的防护装置的安装状态示意图；其中，承力杆1，钻头2，承力架3，骨架杆4，护筒5，折叠杆6，连接绳7，支撑架8，安装框9，支撑杆10，安装杆11，安装螺母12，锁紧螺母13，对位标记14，岩腔15，土层16，基岩层17。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。
21.实施例：请参见图1、图2、图5和图6，一种防岩溶塌陷的防护装置，包括支撑架8和竖向设置的多根承力杆1，承力杆1的上端与支撑架8可拆卸连接以为承力杆1提供竖向的支撑力，承力杆1的下端固定连接有朝下的钻头2；承力杆1外于钻头2上方设有十字型的承力架3，承力架3包括四根在承力杆1外周向均布的骨架杆4，骨架杆4横向设置，骨架杆4的一端通过横向的转轴（图中未示出）与承力杆1转动连接且骨架杆4仅可向上朝承力杆1转动收拢；承力架3上覆盖有采用柔性材料并呈方形的承力层（图中未示出），承力层连接于所有骨架杆4上并可随骨架杆4向上朝承力杆1转动而折叠收拢；承力杆1外于钻头2上方套设有可竖向活动的护筒5，护筒5的外径小于或等于钻头2的直径，护筒5的内径大于承力杆1的外径，护筒5内壁与承力杆1之间形成用于容纳收拢后的骨架杆4和承力层的收纳腔；所有承力层位于同一平面且相邻两承力层边与边相接组成承力面；请参见图4和图7，本实施例中，钻头2呈朝下的锥形，骨架杆4的下表面与钻头2的上端面抵接以使骨架杆4仅可向上朝承力杆1转动收拢；钻头2不仅起钻进作用，当钻进完成后承力架3展开时，钻头2还起保持承力架3展开姿态的作用；实施时，承力层可采用耐腐蚀且低弹性的布料或塑料膜。
22.本发明所述一种防岩溶塌陷的防护装置，该防护装置于隧道施工前安装，承力杆1与支撑架8连接以为承力杆1提供支撑力，骨架杆4和折叠杆6在承力杆1的下端组成可收拢和展开的承力架3，承力杆1通过端部的钻头2钻入岩腔15中后，其端部的承力架3在重力作用下带动承力层展开，多个承力层组成承力面，承力面可与岩腔15内壁抵接或位于岩腔15内壁下方，以为岩腔15内壁提供支撑作用或承接岩腔15的局部塌陷，保持岩腔15壁被挖穿后岩腔15整体的稳定性，避免岩腔15壁被挖穿后出现塌陷或减小塌陷量，可有效避免因岩腔15坍塌而影响隧道施工；该防护装置安装简单且成本较低，可有效解决目前对岩腔15进行防塌陷处理的方式耗时较长且施工较为困难的问题，取得降低施工成本和提高施工安全性的效果。
23.请参见图2和图4，为进一步提高承力架3对承力层的固定和支撑效果，承力架3还包括设于每相邻两根骨架杆4之间的折叠杆6，折叠杆6的两端分别通过竖向的转轴与两侧骨架杆4转动连接，折叠杆6的中部断开并通过球铰链连接，折叠杆6可随骨架杆4向上朝承力杆1转动而折叠收拢于收纳腔内；另外，每相邻两根骨架杆4之间折叠杆6的数量为两根并沿承力杆1的径向平行间隔设置，承力架3还包括设于每两根相互平行折叠杆6之间的连接绳7，连接绳7的两端分别栓接于两根折叠杆6上靠近球铰链的位置，承力层还连接于连接绳7上；这样，在两根折叠杆
6直接设置连接绳7，不仅增加承力层的安装点，还可强化的结构强度，使承力架3受力更加均匀，从而提高承力架3的稳定性。
24.请参见图1，本实施例中，支撑架8采用如下结构形式：支撑架8包括矩形的安装框9，安装框9的四角均连接有竖向设置的支撑杆10，安装框9内侧于安装框9所在平面连接有多根横向均匀间隔分布和多根纵向均匀间隔分布的安装杆11，每两根安装杆11的交叉处为安装部，每个安装部处可拆卸连接有一根承力杆1；这样，支撑架8不仅制造成本低，且结构简单可靠。
25.请参见图1、图2和图6，另外，承力杆1的上端与安装部可拆卸连接的具体结构形式如下：安装部上具有竖向贯穿的安装孔，承力杆1的上半部分具有外螺纹，承力杆1的上端穿过对应安装孔位于安装部上方并螺纹连接有安装螺母12，安装螺母12与安装部抵接；这样，不仅方便承力杆1与支撑架8的连接，且可通过拧动安装螺母12调整承力杆1的竖向位置。
26.请参见图3和图6，护筒5包括大径段和小径段，大径段的内径大于承力杆1的外径，大径段的内壁与承力杆1之间形成所述收纳腔；小径段位于大径段上方，小径段的内径与承力杆1的外径匹配；这样，护筒5的大径段用于形成收纳腔，小径段内径与承力杆1的外径匹配，使护筒5保持与承力杆1同心，不仅便于生产时的装配，通过小径段也便于在安装时将护筒5向上提起释放承力架3展开。
27.请参见图3和图6，另外，小径段的上端固定连接有锁紧螺母13，锁紧螺母13与承力杆1螺纹连接，大径段与骨架杆4的上表面抵接；这样，首先，当承力架3呈收拢状态时，锁紧螺母13与承力杆1螺纹连接，护筒5不会自动沿承力杆1活动，导致承力架3从收纳腔中脱出，便于承力杆1的运输和使用；其次，当安装完成，承力架3呈展开状态时，骨架杆4的上表面和下表面分别与护筒5的大径段和钻头2抵接，骨架杆4主要由护筒5和钻头2夹紧固定，避免骨架杆4与承力杆1转动连接处承受较大负载，以使承力具有更好的结构强度。
28.请参见图1和图2，为便于在安装时，使所有承力层位于同一平面且相邻两承力层边与边相接组成承力面，本实施例中，在承力杆1的上端面刻画有十字型的对位标记14，承力杆1下端的四根骨架杆4在竖向上的投影与对位标记14重合；这样，在安装该防护装置的过程中，当承力杆1下方的承力架3展开后，可转动承力杆1，通过承力杆1上端的对位标记14掌握承力杆1位于岩腔15中承力架3的姿态（即各骨架杆4的朝向），以便使相邻两承力层的边与边相对，然后再拧动安装螺母12，通过调整承力杆1位于支撑架8上方的长度，使所有承力层位于同一平面组成承力面。
29.为便于理解本发明所述一种防岩溶塌陷的防护装置，介绍使用该防护装置的施工方法如下：第一步，按施工要求，对岩溶地区进行勘探，掌握岩腔15的范围、大小、深度、土层16厚度和涂层厚度等参数，确定该防护装置的安装区域；第二步，在安装区域标记出支撑杆10和承力杆1的安装点，在支撑杆10的安装点钻设安装孔；实施时，将安装孔钻进至基岩层17；第三步，将承力杆1安装到钻机上，启动钻机通过承力杆1端部的钻头2对承力杆1的安装点处进行竖向钻进，将护筒5的大径段送入岩腔15中；重复第三步，将所有承力杆1钻进至岩腔15中；第四步，放置支撑架8，将支撑杆10的下端打入对应安装孔中以固定支撑架8，使各
承力杆1的上端穿过对应安装孔并通过安装螺母12与支撑架8连接；实施时，支撑杆10可采用空心管，以降低制造成本，降低自重便于运输和安装，在固定后，向支撑杆10内部灌注混凝土砂浆，以增加支撑架8的结构强度；第五步，拧动锁紧螺母13使护筒5上移直至承力架3和承力层脱离收纳腔，承力架3和承力层在重力作用下逐渐展开，再反向拧动锁紧螺母13使护筒5下移与承力层的上表面相抵，护筒5继续下移推动承力架3和承力层完全展开，并使骨架杆4被夹紧于钻头2和护筒5之间；第六步，转动承力杆1并借助对位标记14，使相邻两承力层呈边与边相对的姿态；拧动安装螺母12，调节承力杆1位于支撑架8上方的长度，使所有承力层位于同一平面且相邻两承力层边与边相接组成承力面；在调节承力杆1位于支撑架8上方的长度时，同时调整承力面与岩腔15内壁的距离；针对内壁弧度较大的岩腔15，可使承力面与岩腔15内壁保持一定距离，以增加防塌陷面积；针对内壁较为平整的岩腔15，可使承力面与岩腔15内壁相抵，以最大化该防护装置的防塌陷效果；另外，该防护装置安装完成后，可安装螺母12和锁紧螺母13处加焊，以避免后期松动。
30.本发明所述防护装置，可针对岩腔15的大小，灵活调整支撑架8的数量或支撑架8的安装框9内侧安装杆11的数量，通过调整承力层的数量来调整承力面的大小，具体如图8所示。
31.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。