一种水囊填充管式组合拱架及其施工工艺

摘要

本发明公开了一种水囊填充管式组合拱架及其施工工艺，包括多节钢管，多节钢管通过连接套管连接形成一个拱形断面，在所述的每节钢管内贴敷多条高性能纤维囊体，囊体在注水孔位置及每段钢管两端被提前撑开，起到固定囊体作用，在所述的高性能纤维囊体内注入液体；同时钢管拱架内弧侧设置抗弯强化钢筋以提高拱架抗弯承载力。在连接套管空隙处注入高浓度纤维水泥浆，使整个装置组成一个组合拱架。水囊填充管式组合拱架内囊体具有微膨胀性，多条囊体相互挤压充满每段钢管内腔，囊体与接头处水泥湿接成整体，充满整个拱架。

权利要求

1.一种水囊填充管式组合拱架，其特征在于，包括多节钢管，多节钢管通过连接套管连接形成一个拱形钢架，在每节钢管内设有至少三条纤维囊体，囊体贴敷在钢管内壁上，在钢管的横截面上均匀设置；在所述的纤维囊体内注入液体，囊体充满每段钢管内腔，钢管上设有第二加注口，囊体在第二加注口位置及每节钢管的两端被提前撑开；钢管拱架内弧侧设置抗弯强化钢筋；在连接套管空隙处注入高浓度纤维水泥浆，将囊体与钢管组合形成整体拱架结构；囊体为高性能纤维与树脂胶编织的密封囊袋，囊体尾部设置与囊体一体连接的放射状纤维束。

2.如权利要求1所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，在所述的连接套管上设有第一加注口，其中第一加注口用于向连接套管空隙处注入高浓度纤维水泥浆，第二加注口用于向高性能纤维囊体注入液体。

3.如权利要求2所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，在所述的第二加注口处焊接带有阀门的注水嘴。

4.如权利要求2所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，在每节钢管内设有3-4条纤维囊体，所述的3-4条纤维囊体在钢管的横截面上均匀设置。

5.如权利要求4所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，所述的纤维囊体在充满液体后，同段钢管内3-4条囊体之间没有空隙。

6.如权利要求2所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，所述的钢管包括四节，四节钢管分别为顶弧段、左帮段、右帮段和反底拱段。

7.如权利要求2所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，所述的囊体具有微膨胀性。

8.如权利要求2所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，所述的钢管和连接套管之间可拆卸式连接。

9.如权利要求1所述的水囊填充管式组合拱架，其特征在于，所述的钢管由GFRP管代替。

10.如权利要求1-9任一项所述的水囊填充管式组合拱架的制作方法，其特征在于，如下：步骤1在每节钢管内粘贴多条未注液的纤维囊体，钢管在第二加注口处提前开洞，将注水嘴焊接在钢管上，并通过连接套管将多节连接钢管形成拱架；

步骤2纤维囊体在第二加注口位置和每段钢管的两端被提前撑开，通过钢管上的第二加注口向每个高性能纤维囊体内注入液体，纤维囊体由原来粘贴在钢管内壁上的未起胀状态逐渐膨胀，最终充满钢管内壁，囊袋充满钢管内部，且保证同段钢管内多条囊体之间无空隙；然后停止注液，关闭阀门；

步骤3通过连接套管上的第一加注口向连接套管的管道空隙处注入高浓度纤维水泥浆，水泥浆注满之后，封闭第一加注口，使整个装置组成一个组合拱架。

说明书

一种水囊填充管式组合拱架及其施工工艺

技术领域

[0001] 本发明是属于地下工程支护领域，具体涉及一种水囊填充管式组合拱架及其施工工艺。

背景技术

[0002] 随着我国地下工程向深埋、特大等方向发展，围岩稳定越来越差，很多工程所在的地质条件愈发恶劣，支护工作也越来越困难，如软岩、断层构造等问题已严重影响我国地下工程安全施工，进而可能引起支护失效。煤矿井下巷道空间小，容易造成施工不便的困扰。钢管混凝土支架承载力高、施工简单，已成为深部软岩及其他深地工程支护领域广泛采用的支护结构。钢管混凝土属于钢管与混凝土组合结构，钢管约束核心混凝土，使混凝土抗压强度显著提高，混凝土充满钢管，延缓或避免了钢管屈曲，两者结合使钢管混凝土承载力大幅提高，因此，采用钢管混凝土做成的钢管混凝土支架支护效果显著。

[0003] 然而，发明人发现虽然目前钢管混凝土支架承载力达到了施工要求，但是组合材料成本较高，支架重量较大安装不方便，且不可回收利用；同时，钢管内混凝土灌注工艺复杂，存在灌注不密实和拱顶脱空的潜在风险，以上因素制约了钢管混凝土支架在地下工程支护中的推广应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种水囊填充管式组合拱架及其施工工艺，用水囊代替混凝土填充钢管，同时钢管也可以换成GFRP管(即玻璃钢管)，管材质量更轻，水囊充放水方便，拱架安装后通过注水孔充水，拱架使用结束后，通过注水孔放空水囊即可回收拱架，由此解决钢管混凝土支架成本过高、不可回收利用以及混凝土灌注工艺复杂等一系列问题。

[0005] 本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种水囊填充管式组合拱架，包括多节钢管或GFRP管，多节钢管或GFRP管通过连接套管连接形成一个拱形断面，在每节钢管内均设有至少三条高性能纤维囊体，囊体在注液孔位置以及每节钢管的两端被提前撑开，起到固定囊体的作用。在所述的高性能纤维囊体内可注入液体，为节约成本，液体优先选用水，囊体注水后充满整个钢管内部；同时在钢管拱架的内弧侧设置抗弯强化钢筋以提高拱架抗弯承载力。各段钢管内水囊注满水后，在连接套管空隙处注入高浓度纤维水泥浆，使整个装置组成一个组合拱架。

[0007] 本发明采用水囊填充管式组合拱架，将向拱架灌注混凝土换成高性能纤维囊体，囊体为CFRP等高性能纤维与树脂胶编织的密封囊袋，钢管拱架安装后在囊体内注满液体，囊体具有微膨胀性，多条囊体相互挤压充满每段钢管内腔，囊体与接头处水泥体湿接成整体，充满整个拱架。高性能纤维囊体具有良好的抗拉韧性，紧密包裹注入其中的液体，液体能够传递轴力，囊体能够传递弯矩。钢管可以采用GFRP管代替，GFRP管自重轻，可以进一步降低施工重量，操作便捷。利用高性能纤维囊体的良好抗拉性能保持拱架承载力，与钢管混凝土支架相比，在不降低支架承载力的同时，实现支架回收再利用，回收时只需在注液孔放出囊体内液体即可，采用支架安装机拆卸和复用钢管拱架。

[0008] 本发明中水囊填充管式组合拱架在向拱架管道内的囊体注入液体后，由于套管处的钢管连接处仍存在空隙，使得轴力和弯矩传递不连续，容易造成接头薄弱；因此在套管空隙处设置湿连接，即注入高浓度纤维水泥浆，在此之前，钢管内囊体尾部已经设置了高性能纤维束，纤维束与囊体为一体连接，呈放射状，纤维束能够与参有纤维材料的水泥浆结合为整体，如此将钢管内所有囊体连成整体，囊体与钢管组合形成整体拱架结构，满足支护承载力设计要求。

[0009] 进一步的，在所述的连接套管上设有第一加注口，钢管支架上设有第二加注口，其中第一加注口用于向连接套管内注入高浓度纤维水泥浆，第二加注口用于向高性能纤维囊体内注入液体。

[0010] 进一步的，在所述的第二加注口处设有注水嘴,注水嘴为一种直接焊接在钢管上带有阀门的特制短钢管；所述的阀门正转通，逆转关。阀门和注水嘴均可耐高压，囊体注液时阀门通，注满后阀门关，拱架回收时阀门再次打开。

[0011] 进一步的，在所述的第二加注口截面处囊体被提前撑开，既方便注水，也起到固定囊体的作用；同时囊体在每节钢管的两端也被提前撑开以固定囊体，如此每节钢管有三个固定点，囊体尾部设纤维束。

[0012] 进一步的，在每节钢管内设有多条高性能纤维囊体，囊体贴敷在钢管内壁上，在钢管的横截面上均匀设置；设置多条囊体的好处在于，当拱架受力过程中一条囊体出现破裂情况漏液时，其他囊体还能继续承载，拱架不至于快速失稳破坏，可以及时采取加固措施，保障拱架结构稳定。

[0013] 本发明还提供了一种水囊填充管式组合拱架的施工工艺，包括以下步骤：

[0014] 步骤1在每节钢管内粘贴至少三条未注液的高性能纤维囊体，钢管在第二加注口处提前开洞，将注水嘴焊接在钢管上，并通过连接套管将多节钢管连接形成拱架；

[0015] 步骤2高性能纤维囊体在第二加注口位置和每段钢管的两端被提前撑开，通过钢管支架上的第二加注口向每个高性能纤维囊体内注液，高性能纤维囊体由原来粘贴在钢管内壁上的未起胀状态逐渐膨胀，最终充满钢管内腔，且保证钢管内囊体之间无空隙；然后停止注液，关闭阀门；

[0016] 步骤3各段钢管内水囊注满水后，通过连接套管的第一加注口向连接套管的管道空隙处灌注高浓度纤维水泥浆，水泥浆注满之后，封闭第一加注口，使整个装置组成一个组合拱架。

[0017] 在钢管与高性能纤维囊体组合的支架安装并完成注液后，拱架能够满足承载力要求，通过回收再利用来降低拱架成本。

[0018] 本发明技术方案带来的有益效果：

[0019] (1)本发明提供了一种水囊填充管式组合拱架，把向拱架灌注混凝土换成向高性能纤维囊体内注入液体，不降低拱架支护承载力、且通过重复利用降低拱架材料成本。解决钢管混凝土支架成本过高、不可回收利用及混凝土灌注工艺复杂的问题。

[0020] (2)水囊填充管式式组合拱架内囊体有微膨胀性，多条囊体相互挤压充满每个钢管内腔，能够传递压力与弯矩，高性能纤维材料具有良好抗拉性能，能够满足拱架承载力与强度，同时纤维囊体具有良好的抗拉韧性，紧密包裹注入其中的液体，液体能够传递轴力，囊体能够传递弯矩。钢管可以采用GFRP管代替， GFRP管自重轻，可以进一步降低施工重量，操作便捷。能在巷道等狭小的空间操作，施工过程不受影响。

[0021] (3)本发明提供了一种水囊填充管式组合拱架施工工艺，能够有针对性的应对注液过程中出现的支架内存在间隙导致支架整体性破坏及囊体意外破裂等问题，避免注液后液体出现逆向流出的情况。

[0022] (4)水囊填充管式组合拱架能够很好地替代钢管混凝土支架，缓解不利受力条件造成的结构破坏，延长拱架服务年限，降低支架的重量，重复利用节约成本。

[0023] (5)高性能纤维囊体具有良好的抗拉性能，密度小，厚度薄，紧密包裹注入其中的液体，注液后能够传递轴力和弯矩，满足支架所需承载力并降低支架重量。

[0024] (6)水囊填充管式组合拱架内每段钢管布置多条高性能纤维囊体，当拱架受力过程中一条囊体出现破裂漏液时，其他囊体还能继续承载，拱架不至于快速失稳破坏，可以及时采取加固措施，保障拱架结构稳定。囊体在注液孔位置及每段钢管两端被提前撑开，起到固定囊体的作用，同时可以方便注水。注液孔处设有注水嘴，注液前，囊袋处于未起胀状态，贴敷在钢管内壁，仍为空心钢管；通过各个囊体之间的过水孔向四个囊体中注液，注液完成后，囊体处于起胀状态，完全充满液体，同段钢管内多条囊体之间没有空隙。注水嘴设有阀门，正转通，逆转关，囊体注液时阀门通，注满后阀门关，拱架回收时阀门再次打开放水。

[0025] (7)水囊填充管式组合拱架，在囊体内注满液体之后接头套管处仍存在空隙，使得轴力和弯矩传递不连续，容易造成接头薄弱；因此在套管空隙处设置湿连接，即注入高浓度纤维水泥浆，在此之前，钢管内囊体尾部已经设置了高性能纤维束，纤维束与囊体为一体连接，呈放射状，纤维束能够与参有纤维材料的水泥浆结合为整体，如此将钢管内所有囊体连成整体，囊体与钢管组合形成整体拱架结构，满足支护承载力设计要求。

[0026] (8)水囊填充管式组合拱架安装并完成注液后，拱架能够满足承载力的要求，通过回收再利用降低拱架成本。回收时只需在注液孔放出囊体内液体即可，采用支架安装机回收、拆卸和复用拱架。

附图说明

[0027] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0028] 图1是水囊填充管式组合拱架整体结构示意图；

[0029] 图2是水囊填充管式组合拱架拱顶局部示意图；

[0030] 图3(a)是水囊填充管式组合拱架注水孔部分示意图；

[0031] 图3(b)是水囊填充管式组合拱架注水孔部分截面示意图；

[0032] 图4(a)是图2中的A-A截面部分的囊袋未起胀状态示意图；

[0033] 图4(b)是图2中的A-A截面部分的囊袋起胀状态示意图；

[0034] 图5(a)是图3(a)中的B-B剖面部分的囊袋未起胀状态示意图；

[0035] 图5(b)是图2中的C-C剖面部分的囊袋未起胀状态示意图；

[0036] 图中：1-钢管拱架，2-连接套管，3-高浓度纤维水泥浆，4-高性能纤维囊体，5-注液孔，6-注浆孔，7-密封盖，8-阀门，9-注水嘴，10-未起胀的囊体，11-起胀的囊体，12-过水孔，13-提前撑开的囊体。

具体实施方式

[0037] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0038] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

[0039] 正如背景技术所介绍的，钢管混凝土属于钢管与混凝土组合结构，钢管混凝土需将钢管内填充混凝土，钢管约束核心混凝土，使混凝土抗压强度显著提高，混凝土充满钢管，延缓或避免了钢管屈曲，两者结合使钢管混凝土承载力大幅提高，因此，采用钢管混凝土做成的钢管混凝土支架支护效果显著。目前钢管混凝土支架支护承载力已经满足要求，但是组合材料成本较高，支架重量较大安装不方便。如何解决钢管混凝土支架成本过高、不可回收利用以及混凝土灌注工艺复杂等一系列问题，是本发明所要解决的技术难题。

[0040] 本申请的一种典型的实施方式中，提供一种水囊填充管式组合拱架，包括多节钢管或GFRP管，多节钢管或GFRP管通过连接套管连接形成一个拱形断面，在所述的每节钢管内均设有多条高性能纤维囊体。在所述的高性能纤维囊体内注入液体；同时钢管拱架内弧侧设置抗弯强化钢筋以提高拱架抗弯承载力。各段钢管内囊体注满水后，在连接套管空隙处注入高浓度纤维水泥浆，使整个装置组成一个组合拱架。

[0041] 如图1所示，本实施例中公开的钢管包括四节，且对应的需要四个连接套管，四节钢管分别为一个顶弧段、两个两帮段和一个反底拱，下面结合附图进行具体说明：

[0042] 如图1所示，四节钢管1分别通过四个连接套管2连接在一起，形成一个整体；在每节钢管内设有四个未注液的高性能纤维囊体，囊体均匀贴敷在钢管内壁的不同方向，参考图4(a)所示，分别位于钢管的上、下、左、右四个方向；四个高性能纤维囊体注液膨胀之后充满这段钢管，填充后的视图如图4(b)所示；参考图5所示，囊体在注液孔位置和每段钢管的两端被提前撑开，起到固定囊体的作用，同时可以方便注水。本实施例将支架承载力分担在各节钢管的四个纤维囊体上。

[0043] 相邻钢管之间具体的连接示意图如图2所示，通过连接套管2连接在一起，在连接套管2和钢管支架1上各设有一个加注口，连接套管2上的加注口用于加注高浓度纤维水泥浆，对应图2中的注浆孔6,设置注浆孔6是由于向拱架管道内的囊体注入液体后，套管处的钢管连接处仍存在空隙，使得轴力和弯矩传递不连续，容易造成接头薄弱；因此在套管空隙处设置湿连接，即注入高浓度纤维水泥浆，在此之前，钢管内囊体尾部已经设置了高性能纤维束，纤维束与囊体为一体连接，呈放射状，纤维束能够与参有纤维材料的水泥浆结合为整体，如此将钢管内所有囊体连成整体，囊体与钢管组合形成整体拱架结构，满足支护承载力的要求。一般情况下，在不需要注浆时，注浆孔6位置设置一个密封盖，将其密封，在需要进行注浆时，打开密封盖，进行注浆；钢管支架上的加注口用于向四个未起胀的高性能纤维囊体内注液，对应图2中的注液孔5；在注液孔5的位置焊接有如图3(b)所示注水嘴9，注水嘴上安装有阀门8，正转通，逆转关，囊体注液时阀门通，注满后阀门关，拱架回收时阀门再次打开，同时阀门和注水嘴均耐高压。通过各个囊体之间的过水孔10向四条个囊体中注液。

[0044] 拱架中安装的各套管处均可自由拆装，套管和钢管的连接方式可以选择现有的螺纹连接，以实现自由拆装；

[0045] 本发明中在水囊填充管式组合拱架安装并完成注液后，拱架能够满足承载力的要求，通过回收再利用降低拱架成本。回收利用时只需放出囊体内的水即可，采用支架安装机回收、拆卸和复用拱架。

[0046] 上述注入到高性能纤维囊体内的液体，为节约成本可以选择现有的油或水、油和水的组合物，或者是其他的无污染的液体等。

[0047] 水囊填充管式组合拱架将原先钢管混凝土拱架中向拱架灌注混凝土换成高性能纤维囊体，囊体为CFRP等高性能纤维与树脂胶编织的密封囊袋，钢管拱架安装后在囊体内注满液体。囊体具有微膨胀性，多条囊体相互挤压充满每段钢管内腔，囊体与接头处水泥湿接成整体，充满整个拱架。利用高性能纤维材料具有良好的抗拉性能，能够满足拱架承载力与强度，同时纤维囊体具有良好的抗拉韧性，紧密包裹注入其中的水和油。水和油能够传递轴力，囊体能够传递弯矩，钢管可以采用GFRP管代替，GFRP管自重轻，可以进一步降低施工重量，操作便捷，能在巷道等狭小的空间操作，施工过程不受影响。

[0048] 水囊填充管式组合拱架内每段钢管内设有多条高性能纤维囊体，当拱架受力过程中一条囊体出现破裂情况漏液时，其他囊体还能继续承载，拱架不至于快速失稳破坏，可以及时采取加固措施，保障拱架结构稳定。囊体在注液孔位置及每段钢管的两端被提前撑开，起到固定囊体的作用，同时可以便于注液。注液孔处设有注水嘴，注液前，高性能纤维囊体处于未起胀状态，贴敷在钢管内壁，仍为空心钢管；通过各个囊体之间的过水孔向四个囊体中注液，注液完成后，高性能纤维囊体处于起胀状态，完全充满液体，同段钢管内多条囊体之间没有空隙。

[0049] 水囊填充管式组合拱架安装并完成注液后，拱架能够满足承载力要求，通过回收再利用降低拱架成本。

[0050] 本发明的一种水囊填充管式组合拱架的施工工艺，其施工工序主要包括钢管拱架连接、连接注水管道并打开阀门、连接注水泵并向囊体中注液、从注浆孔向套管连接空隙处注入高浓度纤维水泥浆和支架的回收拆卸，具体过程如下：

[0051] 步骤1钢管拱架连接

[0052] 钢管拱架是由四段拱架钢管和四个接头套管拼接成形，钢管注液孔处预先开洞，焊接带有阀门的注水嘴，将四个未注液的高性能纤维囊体分别贴敷在钢管内壁的四个方向。囊体在注液孔位置及每段钢管两端被提前撑开，起到固定囊体的作用。钢管伸入接头套管内，保证拱架变形钢管不脱落，拱架钢管和接头数量根据实际需求变更，同时钢管拱架内弧侧设置抗弯强化钢筋以提高拱架抗弯承载力。

[0053] 步骤2向囊体中注液

[0054] 内壁贴敷有未注液的高性能纤维囊体的钢管拱架连接完成后，将注水泵与注水管道相连，向注液孔内注入液体，通过各个囊体间的过水孔向四个纤维囊体中注入水和油。随着水和油的注入，高性能纤维囊体由原来粘贴在钢管内壁上的未起胀状态逐渐膨胀，最终充满钢管内壁，且同段钢管内多条囊体之间无空隙。注水嘴设有阀门，正转通，逆转关，囊体注液时阀门通，注满后阀门关，拱架回收时阀门再次打开。囊体具有微膨胀性，多条囊体相互挤压充满每段钢管内腔。

[0055] 步骤3从套管向管道空隙处灌注水泥浆

[0056] 向拱架钢管内的囊体中注入水和油后，由于套管处的钢管连接处仍存在空隙，使得轴力和弯矩传递不连续，容易造成接头薄弱。打开设置在套管处的注浆孔密封盖，在套管空隙处设置湿连接，注入高浓度纤维水泥浆，使整个装置组成一个组合拱架，满足支护承载力设计要求。

[0057] 步骤4支架的回收装卸

[0058] 水囊填充管式组合拱架安装并完成注液后，拱架能够满足承载力的要求，通过回收再利用降低拱架成本。回收利用时只需在注液孔放出囊体内的水即可，采用支架安装机回收、拆卸和复用拱架。

[0059] 本发明中的一种水囊填充管式组合拱架，把向拱架灌注混凝土换成向纤维囊体内注入液体。

[0060] 本发明中囊体具有微膨胀性，多条囊体相互挤压充满每段钢管内腔，囊体与接头处水泥体湿接成整体，充满整个拱架。高性能纤维材料具有良好抗拉性能，能够满足拱架承载力与强度。同时纤维囊体具有良好的抗拉韧性，紧密包裹注入其中的液体；液体能够传递轴力，囊体能够传递弯矩。钢管可以采用GFRP管代替，GFRP管自重轻，可以进一步降低施工重量，操作便捷。

[0061] 本发明中每节钢管内设置多条高性能纤维囊体，当拱架受力过程中一条囊体出现破裂情况漏液时，其他囊体还能继续承载，拱架不至于快速失稳破坏，可以及时采取加固措施，保障拱架结构稳定。

[0062] 本发明中向注液孔注入液体时，通过各个囊体间的过水孔向四个囊体中注入液体；注水嘴设有阀门，正转通，逆转关，囊体注液时阀门通，注满后阀门关，拱架回收时阀门再次打开。

[0063] 本发明中水囊填充管式组合拱架在向拱架管道内的囊体中注液后，由于套管处的钢管连接处仍存在空隙，使得轴力和弯矩传递不连续，容易造成接头薄弱。因此在套管空隙处设置湿连接，即注入高浓度纤维水泥浆。在此之前，钢管内囊体尾部已经设置了高性能纤维束，纤维束与囊体为一体连接，呈放射状，纤维束能够与参有纤维材料的水泥浆结合为整体，如此将钢管内所有囊体连成整体，囊体与钢管组合形成整体拱架结构，满足支护承载力设计要求。

[0064] 本发明中在水囊填充管式组合拱架安装并完成注液后，拱架能够满足承载力的要求，通过回收再利用来降低成本。回收利用时只需在注液孔放出囊体内的水即可，采用支架安装机回收、拆卸和复用拱架。

[0065] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。