用于明挖隧道整体式衬砌的工厂化施工方法与流程

本发明涉及明挖隧道的修筑施工
技术领域：
。更具体地说，本发明涉及用于明挖隧道整体式衬砌的工厂化施工方法。
背景技术：
：整体式衬砌施工技术是隧道衬砌施工的常用施工方法之一，通过预先将钢筋绑扎并安置在模板台车上，然后操作台车行驶到工作位置进行立模定位和端模安装，最后将混凝土泵送入模完成浇筑。混凝土凝固并经过保养后，将在隧道洞身形成永久性的钢筋混凝土支护结构，可防止围岩的变形或坍塌，实现隧道的长期稳定和耐久性，而模板台车则脱模离开进行下一个工作循环。对于采用明挖模式进行整体式衬砌的地下隧道结构施工，由于需要挖去隧道设计截面处覆盖的土方，隧道的衬砌作业在露天条件下进行，现场施工条件易受天气等外部环境因素的干扰。且按照常规整体式衬砌施工方法，衬砌钢筋或直接在模板台车上绑扎安装，占用大量模板台车工作时间，施工效率低；或在现场搭建的固定钢筋台车上绑扎后吊装至模板台车上，钢筋吊装和定位劳动强度大，耗费人工数量多，安全风险高。因此，需要发明一种工厂化施工方法，实现明挖隧道衬砌作业室内连续施工，从而达到延长每天的作业时间、提高整体工作效率的目的。技术实现要素：本发明的一个目的是提供用于明挖隧道整体式衬砌的工厂化施工方法，采用移动工棚的形式来进行工厂化施工，实现了明挖隧道整体式衬砌作业的室内施工，避免了露天施工条件下各种外部环境因素的影响，改善了工人作业条件，同时形成类似于“流水线”的施工流程，提高施工效率。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了用于明挖隧道整体式衬砌的工厂化施工方法，包括以下步骤：s1：仰拱施工完毕后，在初始工位搭建移动工棚，所述移动工棚内侧顶部安装有桁车，所述移动工棚内还设置有钢筋台车和模板台车，其均为可移动台车，然后在钢筋台车上进行衬砌钢筋笼绑扎作业；s2：完成后通过桁车起吊钢筋笼，钢筋台车向前移动一个工位；s3：模板台车移动到钢筋笼正下方，通过模板台车调整内模后，桁车将钢筋笼吊装至模板台车上，然后移动工棚向前移动一个工位；s4：再通过桁车起吊安装外模，后合模；s5：对称进行混凝土的浇筑并进行养护，在混凝土养护的同时在钢筋台车上绑扎下一工位的衬砌钢筋笼；s6：下一工位的衬砌钢筋笼绑扎完毕且初始工位的混凝土养护完成且脱模后，重复上述步骤s2至s6，直至完成最后一个工位的衬砌作业。优选的是，所述钢筋台车包括：桁架，其底部设置有行走系统，所述桁架顶部和侧面还设置有操作平台以及爬梯；顶部调节机构，其位于所述桁架顶部操作平台上，且所述顶部调节机构包括多个顶部举升油缸、固定梁和卡板，多个顶部举升油缸沿钢筋台车的横向和纵向均设置至少两个，所述固定梁固定于顶部举升油缸上且水平沿钢筋台车的横向设置至少两根，所述固定梁长度方向沿钢筋台车的纵向，所述固定梁上表面均设置有卡板，所述卡板设置为可沿固定梁长度方向移动，所述卡板上表面沿其长度方向设置有多个向下凹槽的卡槽；拱部调节机构，其固定于钢筋台车上且位于顶部调节机构的下方两侧，所述拱部调节机构包括多个拱部举升油缸，其在两侧均沿纵向均匀分布，所述拱部举升油缸倾斜向上朝外设置；侧向调节机构，其固定于钢筋台车上且位于拱部调节机构的下方两侧，所述拱部调节机构包括多个侧向举升油缸，其在两侧均沿纵向均匀分布，所述侧向举升油缸水平朝外设置，所述侧向举升油缸固定的为桁架的竖向支撑柱，其可伸缩。优选的是，在钢筋台车上进行衬砌钢筋笼绑扎作业的具体步骤如下：s21：钢筋台车初步定位固定后，通过固定梁上设置的调节油缸微调卡板与固定梁的相对位置关系；s22：内环环向钢筋沿纵向依次通过卡板上的卡槽进行卡合定位，同时控制顶部举升油缸、拱部举升油缸、侧向举升油缸和竖向支撑柱动作，使得内环环向钢筋的拱度及位置关系符合设计要求；s23：在内环环向钢筋上进行内环纵向钢筋的定位和绑扎固定，同时在内环钢筋内侧设置混凝土垫块；s24：以内环钢筋为支撑进行外环钢筋的绑扎，同时在外环钢筋外侧也设置混凝土垫块，然后在内环钢筋和外环钢筋之间绑扎钩筋，完成衬砌钢筋笼的绑扎；s25：控制顶部举升油缸、拱部举升油缸和侧向举升油缸全部向内侧缩回，使得内环钢筋脱离，再通过桁车起吊钢筋笼。优选的是，所述模板台车包括：台车架，其顶部下方两侧均设置有多个沿纵向均匀间隔设置的竖直向上的伸缩油缸，同一横向上的多个伸缩油缸固定于同一水平的横梁上，所述横梁设置为可沿模板台车横向水平移动，所述台车架横向的两侧面均设置有多个升降丝杆，每个升降丝杆沿所在的纵向位置均设置多个；内模，其包括钢板和多块肋板，所述钢板的内侧沿纵向固定有多层横向肋板，每一横向肋板均包括顶部肋板和两侧的侧向肋板，顶部肋板和侧向肋板相互之间铰接紧挨设置，所述伸缩油缸均固定于顶部肋板上，所述升降丝杆两端分别铰接于侧向肋板和台车架上。优选的是，所述外模包括一对弧形模板和多个支撑调节丝杆，多个调节支撑丝杆沿纵向分布且将一对弧形模板固定连接，所述弧形模板上还设置有多个泵送孔。优选的是，步骤s3和s4具体包括：s41：模板台车到达预定位置后，调节模板台车使得模板台车的中心线与隧道中心线一致，而后固定模板台车；s42：操作伸缩油缸和升降丝杆动作，调整内模至设定的标准高度和形状后，操作桁车下放衬砌钢筋笼置于内模上，然后移动工棚向前移动一个工位；s43：外模涂抹脱模剂后通过桁车整体起吊后置于衬砌钢筋笼外侧面预设的位置上，所述外模两侧通过支撑杆铰接连接于隧道两侧的围护桩上，所述外模底端通过水平的木板密封连接于两侧的维护桩上；s44：安装纵向两端的端头模板，完成合模。优选的是，所述模板台车上带有养护系统。本发明至少包括以下有益效果：1、本发明通过采用移动工棚的形式来进行工厂化施工，实现了明挖隧道整体式衬砌作业的室内施工，避免了露天施工条件下各种外部环境因素的影响，改善了工人作业条件，同时形成类似于“流水线”的施工流程，提高施工效率；2、本发明使用行走式钢筋台车进行衬砌钢筋笼的绑扎作业，在模板台车就位前完成衬砌钢筋笼的绑扎，节省了模板台车的工作时间，提高了模板台车的利用率；同时通过移动工棚的顶部桁车进行钢筋笼和端头模板的吊装，解决了钢筋和端头模板的定位难题，实现了整体式衬砌的接力作业；3、本发明使用的全液压式模板台车的液压油缸由行走电机集中控制，可进行位移检测和自动补偿，实现了模板台车的自动行走、自动定位和主要受力构件应力的实时监测；同时采用整体移动式外模，更好的满足施工现场的要求；4、本发明采用带模养护技术，通过模块式养护棚架在外模模板上拼装搭建外模养护区，同时运用智能养护机和控制系统实时控制养护区内的温度和湿度，加快了混凝土强度发展速度，同时基本消除了混凝土温度梯度，降低了开裂风险，保证了养护质量。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本发明移动工棚主视图；图2为本发明移动工棚侧视图；图3为本发明钢筋台车主视图；图4为本发明钢筋台车侧视图；图5为本发明固定梁和卡板的结构放大图；图6为本发明模板台车主视图；图7为本发明模板台车侧视图；图8为本发明模板台车外模主视图；图9为本发明模板台车外模展开图。附图标记说明：1、移动工棚，2、桁车，3、钢筋台车，31、桁架，32、顶部举升油缸，33、固定梁，34、卡板，35、拱部举升油缸，36、侧向举升油缸，37、竖向支撑柱，38、顶升横移机构，39、顶推行走机构，40、木板，41、台车架，42、伸缩油缸，43、横梁，44、升降丝杆，45、钢板，46、肋板，47、弧形模板，48、支撑调节丝杆，49、支撑杆。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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。本发明提供一种用于明挖隧道整体式衬砌的工厂化施工方法，包括以下步骤：s1：仰拱施工完毕后，在初始工位搭建移动工棚1，所述移动工棚1内侧顶部安装有桁车2，所述移动工棚1内还设置有钢筋台车3和模板台车，其均为可移动台车，且所述模板台车上带有养护系统，然后在钢筋台车3上进行衬砌钢筋笼绑扎作业；如图1和图2所示，移动工棚1、钢筋台车3和模板台车均可移动，实际衬砌的施工始终在移动工棚1内进行，移动工棚1内桁车2的起吊装置设置为两个；s2：完成后通过桁车2起吊钢筋笼，钢筋台车3向前移动一个工位；s3：模板台车移动到钢筋笼正下方，通过模板台车调整内模至设定位置后，桁车2将钢筋笼吊装至模板台车的内模上，然后移动工棚1向前移动一个工位；s4：再通过桁车2起吊安装外模，后安装端模进行合模；s5：由泵车通过对称的方式对模板内部进行混凝土的浇筑，混凝土初凝拆除端模后，搭建养护棚进行混凝土的养护，在混凝土养护的同时在钢筋台车3上绑扎下一工位的衬砌钢筋笼；s6：下一工位的衬砌钢筋笼绑扎完毕且初始工位的混凝土养护完成且脱模后，重复上述步骤s2至s6，直至完成最后一个工位的衬砌作业。在上述技术方案中，引入由移动工棚1和顶部桁车2所构成的移动厂房，明挖隧道的整体式衬砌施工作业均在移动厂房内部进行；通过可移动式钢筋台车3完成钢筋绑扎作业，然后移动厂房顶部桁车2将钢筋笼吊装至模板台车，模板台车合模并向其浇筑混凝土，混凝土初凝后拆除端模并继续在模板台车上实施带模养护，最终完成该段隧道的衬砌作业。本发明的移动工棚1的大车行走机构主要包括平衡梁、台车组以及锚固装置，台车组与锚固装置均安装在平衡梁下方，其中台车组与平衡梁通过铰支座及弹簧调节装置联接，此外还配有防风拉锁提高移动工棚1抗倾覆能力，其均为现有成熟结构，此处不再赘述。在另一种技术方案中，如图3和图4所示，所述钢筋台车3包括：桁架31，其底部设置有行走系统，所述桁架31顶部和侧面还设置有操作平台以及爬梯；行走系统的原理类似于步履式千斤顶或者现有其他的行走系统；顶部调节机构，其位于所述桁架31顶部操作平台上，且所述顶部调节机构包括多个顶部举升油缸32、固定梁33和卡板34，多个顶部举升油缸32沿钢筋台车3的横向和纵向均设置至少两个，所述固定梁33固定于顶部举升油缸32上且水平沿钢筋台车3的横向设置至少两根，所述固定梁33长度方向沿钢筋台车3的纵向，所述固定梁33上表面均设置有卡板34，所述卡板34设置为可沿固定梁33长度方向移动，所述卡板34上表面沿其长度方向设置有多个向下凹槽的卡槽，如图5所示；拱部调节机构，其固定于钢筋台车3上且位于顶部调节机构的下方两侧，所述拱部调节机构包括多个拱部举升油缸35，其在两侧均沿纵向均匀分布，所述拱部举升油缸35倾斜向上朝外设置；侧向调节机构，其固定于钢筋台车3上且位于拱部调节机构的下方两侧，所述拱部调节机构包括多个侧向举升油缸36，其在两侧均沿纵向均匀分布，所述侧向举升油缸36水平朝外设置，所述侧向举升油缸36固定的为桁架31的竖向支撑柱37，其可伸缩。在另一种技术方案中，在钢筋台车3上进行衬砌钢筋笼绑扎作业的具体步骤如下：s21：钢筋台车3初步定位固定后，通过固定梁33上设置的调节油缸微调卡板34与固定梁33的相对位置关系；在实际施工过程中，钢筋台车3只能初步固定定位，调整与上一工位已施工完成的衬砌之间的间距，如果此时的钢筋台车3上的卡板34在卡合内环环向钢筋时，与上一工位的衬砌间距不满足设计要求，此时调节钢筋台车3不符合实际施工情况，因此通过微调卡板34与固定梁33之间的间距，从而满足间隔的设定要求；s22：内环环向钢筋沿纵向依次通过卡板34上的卡槽进行卡合定位，同时控制顶部举升油缸32、拱部举升油缸35、侧向举升油缸36和竖向支撑柱37动作，使得内环环向钢筋的拱度及位置关系符合设计要求；s23：在内环环向钢筋上进行内环纵向钢筋的定位和绑扎固定，同时在内环钢筋内侧设置混凝土垫块；s24：以内环钢筋为支撑进行外环钢筋的绑扎，同时在外环钢筋外侧也设置混凝土垫块，然后在内环钢筋和外环钢筋之间绑扎钩筋，完成衬砌钢筋笼的绑扎；s25：控制顶部举升油缸32、拱部举升油缸35和侧向举升油缸36全部向内侧缩回，使得内环钢筋脱离，再通过桁车2起吊钢筋笼。在上述技术方案中，钢筋台车3适用于内环钢筋的支撑和定位，可通过各举升油缸完成钢筋台车3整体高度的调节。通过顶部举升油缸32、拱部举升油缸35、侧向举升油缸36的共同调节作用，可实现内环钢筋绑扎固定的形状满足实际设计的要求，另外再结合可伸缩的竖向支撑柱37进行环向钢筋环向拖动及对接仰拱锚杆时的微调；绑扎钢筋时根据需要进行侧向和拱部平台的伸缩与调节。实际绑扎钢筋笼的过程为：首先内环环向钢筋上料，再通过卡槽纵向定位、举升油缸举升定位后进行固定和绑扎；内环环向钢筋安装后进行内环纵向钢筋上料、固定和绑扎。待内环钢筋绑扎完毕后，以其为支撑进行外环钢筋的绑扎。在外环环向钢筋和外环纵向钢筋上料、定位、固定和绑扎后即可进行钩筋绑扎，最终完成整体的钢筋笼的绑扎。待衬砌钢筋笼绑扎完毕且模板台车混凝土养护完成并脱模后，钢筋台车3上的各举升油缸缩回，内环钢筋脱离，移动工棚1顶部桁车2通过双回字形吊具将绑扎完成的钢筋笼起吊。同时钢筋台车3通过底部设置的行走系统行走至下一个工位，行走开始时，顶升横移机构38的顶升油缸全部缩回，顶推行走机构39与地面接触，行走油缸伸出，钢筋台车3行走，当行走油缸完全伸出后，钢筋台车3停止行走，顶升横移机构38的顶升油缸伸出，当顶推行走机构39行走装置离地后，停止顶升横移机构38的顶升油缸工作，行走油缸完全缩回，完成钢筋台车3的行走。实际使用时，根据对起吊后钢筋笼变形程度的实时监测，调整顶部桁车吊装的拉力，也可通过在定位时设置预拱度来消除其对衬砌保护层厚度的影响。钢筋台车3通过行走系统可实现自由行走，方便钢筋台车3移动到合适位置进行钢筋笼的绑扎，同时钢筋台车3上还设置有各举升油缸，实现钢筋绑扎精确定位至设定的形状和拱度。在另一种技术方案中，如图6和图7所示，所述模板台车包括：台车架41，其顶部下方两侧均设置有多个沿纵向均匀间隔设置的竖直向上的伸缩油缸42，同一横向上的多个伸缩油缸42固定于同一水平的横梁43上，所述横梁43设置为可沿模板台车横向水平移动，所述台车架41横向的两侧面均设置有多个升降丝杆44，每个升降丝杆44沿所在的纵向位置均设置多个；横梁43的移动可带动其上的伸缩油缸42移动，从而更为方便调整内模的形状和位置；再通过多个升降丝杆44的协同作用，可实现台车架41对内模精确定位至设定的形状和拱度；内模，其包括钢板45和多块肋板46，所述钢板45的内侧沿纵向固定有多层横向肋板46，每一横向肋板46均包括顶部肋板46和两侧的侧向肋板46，顶部肋板46和侧向肋板46相互之间铰接紧挨设置，所述伸缩油缸42均固定于顶部肋板46上，所述升降丝杆44两端分别铰接于侧向肋板46和台车架41上。顶部肋板46和侧向肋板46相互之间铰接，在其外设置有整块钢板45，并分别通过竖直的伸缩油缸42和侧向的升降丝杆44调节顶部肋板46和侧向肋板46远离或靠近隧道中心线，从而调整外部的钢板45的具体位置和形状满足内模的设置要求。内模上也设置有泵送孔，根据需要可用于二次注浆。在另一种技术方案中，如图8和图9所示，所述外模包括一对弧形模板47和多个支撑调节丝杆48，多个支撑调节丝杆48沿纵向分布且将一对弧形模板47固定连接，所述弧形模板47上还设置有多个泵送孔。通过纵向间隔设置的多个支撑调节丝杆48调节两侧的一对弧形模板47的位置和形状，从而调整整个外模在设置的位置和形状上。多个支撑调节丝杆48之间的间距可观察内部灌注混凝土的进度。在另一种技术方案中，步骤s3和s4具体包括：s41：模板台车到达预定位置后，锁定卡轨器，通过平移装置调节模板台车使得模板台车的中心线与隧道中心线一致，而后固定模板台车；s42：操作伸缩油缸42和升降丝杆44动作，调整内模至设定的标准高度和形状后，操作桁车2下放衬砌钢筋笼置于内模上，然后移动工棚1解开防风拉锁与行走机构的锚固装置后向前行走一个工位，到达指定位置后停车，启动锚固装置并安装防风拉锁；s43：外模清理完成后涂抹脱模剂后通过桁车2整体起吊后置于衬砌钢筋笼外侧面预设的位置上，所述外模两侧通过支撑杆49铰接连接于隧道两侧的围护桩上，所述外模底端通过水平的木板40密封连接于两侧的维护桩上；s44：安装中埋式止水带和纵向两端的端头模板，完成合模。端头模板采用组合式钢模，分内、外两块，沿模板台车端头全环布置，内侧模板采用螺栓固定在模板台车端头，外侧模板采用螺栓(或合叶)与内侧模板连接并起到夹具作用准确固定中埋式止水带。在上述技术方案中，一种实施例中，模板台车在传统液压式模板台车的基础上通过增加液压控制、行走控制和自动定位3个模块实现自动化行走和模板调位。其中油缸有液压系统驱动，主要有顶升(4油缸)、侧模开合(4油缸)、横向调整(2油缸)总共10个执行油缸组成，分开动作无耦合；液压控制模块对油缸位移压力实时测量，自动位移同步控制。行走控制模块控制电机正反转，设置声光报警器，行走时声光报警提示，另一方面实时检测台车移动速度及位移，并显示与主控人际界面，同时设置前方障碍物检测传感器，增加行走主动安全保护。自动定位模块首先以隧道内的已知点作为快速定位的控制点，并在安装激光测距仪；然后在衬砌台车上固定反光片，将其作为激光测距仪使用中的激光反射靶，将激光测距仪所测量的数据信息传入工控机，由工控机对这些数据进行分析和处理，进而得到定位点的数据，得出位置的偏移量。最后将这些数据传送至系统终端，系统可根据这些数据对台车进行准确定位。同时为保证结构安全，模板台车上安装有振弦式应力测量系统对理论危险位置进行实时的动态监控。合模结束后，混凝土搅拌车运输至现场，泵送入模，侧墙混凝土浇筑时，应由下至上，两侧对称交替进行，拱顶混凝土自模板预留工作窗口灌入。浇筑过程中通过台车“窗口”采用插入式振捣棒并辅以附着式振捣器进行振捣密实，同时排专人观察模板、钢筋、预埋件和预留孔洞的情况，当发现有变形、位移时，应及时采取加固措施。养护系统分为外模养护系统和内模养护系统，其中外模养护实施方式为：混凝土浇筑完毕后，迅速将养护棚架搭设在外模模板上并固定，在养护棚架内部空间绑扎温湿度传感器，监测养护区域温湿度变化，在隧道外侧布置温度传感器监测周围环境温度变化。然后在养护棚架外侧覆盖保温篷布将养护区域封闭，用保温管将养护区域外侧的养护机与养护棚内的排气管连接，启动养护机开始衬砌混凝土结构的外模侧养护，控制系统通过收集分析混凝土内部温度和养护区域温湿度数据，向养护机发生相应的控制指令，养护机根据控制指令运行相应的养护模式，直至满足拆模要求。外模拆除后，由于冬期温度较低，应立即在表面覆盖棉被或土工织物进行保温，直至混凝土内部温度与环境温度差值在20℃以内方可拆除。内模养护实施方式为：混凝土浇筑完毕后，在衬砌内模侧安装温湿度传感器，监测内模养护区域的温湿度变化，然后采用保温篷布制作成门帘将养护段的两端口封闭，将养护机置于隧道内，布置好排气管路，启动养护机开始衬砌混凝土结构的外模侧养护，控制系统通过收集分析混凝土内部温度和养护区域温湿度数据，向养护机发生相应的控制指令，养护机根据控制指令运行相应的养护模式，直至满足拆模要求。内模拆除后，养护段隧道两端的门帘暂缓拆除，冬季时在内部布置暖风机维持温度，直至混凝土内部温度与环境温度差值在20℃以内方可拆除。本发明的工厂化施工方法相较于传统施工方法的施工时间对比如下表所示：项目传统施工时间(h)工厂化施工时间(h)钢筋绑扎240接地布设32外模安装42端模安装76浇筑混凝土1010养护168120总计216140本发明工厂化施工的优势在于：1、提高室内工作环境，增加雨雪天气作业窗口，提高工作效率；2、钢筋台车释放了钢筋绑扎所需要的时间，桁车辅助吊装节省了钢筋安装时间；3、室内养护提高养护效率。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12