地下隧洞装配式拱架支护系统及机械化施工方法与流程

本发明属于地下工程支护领域，具体涉及一种地下隧洞装配式拱架支护系统及机械化施工方法。

背景技术：

近年来，我国地下工程事业得到了飞速发展，不仅表现在数量的增长，技术上也在快速地发展和不断地突破。随着地下工程建设规模和速度的迅猛发展，作为地下初期支护主体的钢拱架，其安装速度、质量对节省工时显得尤为重要，而目前作为我国地下工程主要支护构件的钢拱架依旧采用现场人工安装方式。

传统的拱架施工方式主要存在以下缺点：①所需工人数量多，劳动强度大，效率较低。现有拱架多采用法兰、套管连接，现场安装时，需大量人工进行配合施工；②安全性差。安装过程中，需要大量工人在现场未支护空间进行长时间的高强度施工作业，安全性难以保证；③现有拱架连接方式均无法配合拱架的机械化现场施工。

因此，急需一种隧洞拱架机械化施工方法。开展此方面的研究，可以为隧洞装配式钢拱架机械化施工的推广奠定基础，具有较高的工程价值。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题，提供一种地下隧洞装配式拱架支护系统及机械化施工方法，通过该方法，可以实现拱架机械化装配施工，提高工人施工安全性，同时极大程度缩短了施工周期。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

地下隧洞装配式拱架支护系统及机械化施工方法，包括以下步骤：

(1)拱架试拼装：按照拱架设计轮廓，进行拱架试拼装，利用节点焊接套装装置将各节拱架的端部与节点进行精确焊接，同时在拱架的指定位置安装纵向定位配套装置；

(2)拱架运输：将拱架各连接节点打开，将拱架运输至隧洞掌子面前；

(3)拱架机械化安装：在拱架表面安装纵向定位装置，将两侧拱肩部位展开，拱架安装机抓扣拱顶部位进行举升，利用拱架辅助安装机将两侧拱脚部位展开，将拱架安放于指定位置，拱脚部位安放拱架升降装置；

(4)拱架精准定位：拱架安装机调节拱架，使纵向定位装置与前一榀拱架相连，在拱顶和两侧拱脚部位设置激光定位仪进行位置校准，调节拱脚升降装置，完成整榀拱架的精确定位；

(5)断面复查：利用激光测距装置进行断面复查，打设锁脚锚杆；

(6)其他工序：按照此工序，安装该循环剩余拱架，焊接其余纵向连接筋，铺设钢筋网及复喷混凝土。

进一步的，所述的工字钢拱架为补强后的拱架，在拱架机械化施工过程中关键变形部位增设加劲肋。

所述步骤(1)中拱架试拼装，通过一种特制的辅助拱架拼接的套装装置，其主要由平整底座、侧向支撑和反力肋板三部分组成，所述的平整底座的两端设置反力肋板，在平整底座的中间部分设置侧向支撑；可将装配式节点与单节拱架进行精确焊接，保证拼装后的整榀拱架处于同一平面内。进一步的，所述的工字钢拱架包括两种形式，一种形式的拱架，其节点全部采用装配式节点连接，另一种形式的拱架在拱脚位置采用装配式节点连接，拱肩位置采用法兰节点连接；

所述的装配式节点，包括分别焊接于相邻两节拱架的装配式连接装置和导向承压连接装置，所述导向承压连接装置由固定连接板和导向板组成，所述固定连接板用于连接一个单节拱架，所述的导向板焊接于固定连接板的两侧，形成一个槽型结构；所述装配式连接装置由导向伸缩装置和钢板组成，所述钢板用于连接另一个单节拱架；所述的钢板通过转动销轴与所述的固定连接板相连；所述的转动销轴的旋转角度0～360°；所述的导向伸缩装置连接所述的钢板与导向板。

进一步的，所述的钢板上设有三个贯通孔，分别为导向伸缩装置安装通孔、螺栓连接通孔、销轴旋转通孔。

所述导向板上端为呈圆弧状的侧斜滑动面，并在导向板开设与钢板三排通孔相对应的贯穿孔。

所述导向伸缩装置包括两个传力销、一个限位螺母和一个归位弹簧，两个传力销的销头部分为半球状，主体为圆柱状的结构，销尾为直径大于销头部分的圆形底座，在两个圆形底座内设有弹簧孔；所述限位螺母固定在其中一个传力销的前端，起固定传力销作用，所述的归位弹簧两端分别固定两个传力销的弹簧孔内。

导向伸缩装置通过内部归位弹簧，使传力销前端伸出孔外，所述导向承压连接装置绕销轴转动时，导向板挤压传力销，归位弹簧压缩，当固定连接板和钢板贴合后，传力销头弹出并锁扣在导向板贯穿孔内，将节点锁紧连接在一起。

所述的拱架节点打开方式为：利用节点卡钳将试拼装拱架的装配式节点打开；

优选的，对于法兰节点，通过人工拆卸螺栓的方式将法兰节点打开；

进一步的，所述节点卡钳由钳嘴、钳腮和手柄三部分组成，钳嘴向内伸出，主体为圆柱状，头部为半球状，且直径与传力销头直径相同；钳嘴与钳腮相连，钳腮与手柄相连；

进一步的，所述的拱架运输方式为：将全部采用装配式节点的工字钢拱架，进行折叠后，通过拱架安装机吊运至掌子面；

优选的，对于采用装配式节点和法兰节点的工字钢拱架，通过装载机将单节拱架运至掌子面；

进一步的，所述的拱架安装方式为：对于全部采用装配式节点的拱架，在掌子面处的地面上，用机械手将拱肩处打开，装配式节点卡合到位；

优选的，对于采用装配式节点和法兰节点的工字钢拱架，在拱肩处通过人工安装螺栓，进行拱架间连接；

进一步的，所述的使用激光定位仪对拱架架设位置进行校准，是指拱顶和两侧拱脚三点位置的激光定位仪与掌子面对应的标记点进行位置的校准，与纵向定位装置配合，实现拱架的精确定位；

所述的拱架升降装置包括底座、油缸、万向球头及托板构成；所述的液压油缸安装在底座上，液压油缸的动力输出端通过一个万向球头与拱架托板相连；万向球头可实现一定角度的旋转，油缸行程可根据实际工程进行调节。

所述万向球头最大转动角度、装置最低高度、油缸行程可根据实际工程进行调节；

进一步的，所述的使用激光测距装置进行断面复查，如符合拱架安装要求，打设锁脚锚杆进行固定；如不符合拱架安装要求，利用安装设备和拱脚升降装置进行微调并复测；

所述激光测距装置包括激光发射装置、活动轴套以及夹具组成；所述的活动轴套内安装激光发射装置，且活动轴套通过销轴安装在夹具上。

所述的拱架间纵向定位装置，包括设置于前一榀拱架上的导向口装置、待安装拱架上的底座结构以及连接筋结构；所述导向口装置内部设有凹槽结构，凹槽内放置有梅花卡圈；所述底座结构为螺纹基座，可固定连接杆结构；所述连接筋结构前段设置有凸起结构，可置于梅花卡圈中自动固定；末端设置有螺纹可固定于底座结构上，连接两榀拱架。

本发明还提供了一种利用上述方法形成的支护系统，包括多榀工字钢拱架，所述工字钢拱架支撑围岩，沿隧洞依次排布，相邻的拱架之间通过纵向连接筋连接，形成支撑体系；所述支撑体系上喷有混凝土喷层。

本发明的有益效果为：

(1)本发明易实施，适应性强，节点装置可配合各种不同截面形状的拱架，并可根据拱架截面的大小来调整节点的尺寸；

(2)本发明拱架间纵向连接装置能够方便、快捷的解决拱架安装快速定位问题；

(3)本发明拱架实现机械化施工，减轻人工劳动强度，缩短施工工期，施工速度快，现场需要工人数量少，节省大量成本。

附图说明

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。

图1为施工流程图；

图2为拱架节点位置示意图；

图3为节点焊接套装装置示意图；

图4为装配式节点示意图；

图5为节点卡钳示意图；

图6为拱架折叠示意图；

图7为拱架升降装置示意图；

图8(a)、图8(b)、图8(c)为纵向连接装置示意图；

图9为激光测距装置示意图。

其中，1、拱架，2、装配式节点，3、法兰节点，4、平整底座，5、侧向支撑，6、反力肋板，7、连接固定板，8、导向板，9、导向伸缩装置，10、钢板，11、销轴旋转机构，12、节点卡钳，13、钳嘴，14、钳腮，15、手柄，16、底座，17、油缸，18、万向球头，19、托板，20、螺纹基座，21、喇叭形导向口，22、梅花卡圈，23、凹槽，24、纵向连接筋，25、激光发射装置，26、活动轴套，27、夹具。

具体实施方式

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。

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。

正如背景技术所介绍的，在传统的拱架施工方式主要存在以下缺点：①所需工人数量多，劳动强度大，效率较低。现有拱架多采用法兰、套管连接，现场安装时，需大量人工进行配合施工；②安全性差。安装过程中，需要大量工人在现场未支护空间进行长时间的高强度施工作业，安全性难以保证；③现有拱架连接方式均无法配合拱架的机械化现场施工。

因此，急需一种地下隧洞装配式拱架机械化施工方法。开展此方面的研究，可以为隧洞装配式拱架机械化施工的推广奠定基础，具有较高的工程价值。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种地下隧洞装配式拱架支护系统及机械化施工方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，地下隧洞装配式拱架支护系统及机械化施工方法，包括以下步骤：

(1)拱架试拼装：按照拱架设计轮廓，进行拱架试拼装，利用节点焊接套装装置将各节点与每节拱架端部焊接，同时在拱架的指定位置安装纵向定位配套装置；

所述的工字钢拱架为补强后的拱架，在拱架机械化施工过程中关键变形部位加设加劲肋；

如图3所示，套装装置，其主要由平整底座4、侧向支撑5和反力肋板6三部分组成，可将装配式节点与单节拱架端部进行精确焊接，保证拼接后的整榀拱架处于同一平面内；所述的平整底座的两端设置反力肋板，在平整底座的中间部分设置侧向支撑。

工字钢拱架包括两种形式，一种形式的拱架节点全部采用装配式节点2，另一种形式的拱架，如图2所示，在拱脚位置采用装配式节点2，拱肩位置采用法兰节点3；

如图4所示，拱架装配式节点，包括分别焊接于相邻两节拱架的装配式连接装置和导向承压连接装置，所述装配式连接装置和导向承压连接装置通过销轴旋转机构11进行连接；

所述导向承压连接装置由连接固定板7和导向板8组成，所述固定连接板用于连接一个单节拱架，所述的导向板焊接于固定连接板的两侧，形成一个槽型结构；所述装配式连接装置由导向伸缩装置9和钢板10组成，所述钢板内部设置三排贯通孔；所述钢板用于连接另一个单节拱架；所述的钢板通过转动销轴与所述的固定连接板相连；所述的转动销轴的旋转角度0～360°；所述的导向伸缩装置连接所述的钢板与导向板。

钢板上设有三个贯通孔，分别为导向伸缩装置安装通孔、螺栓连接通孔、销轴旋转通孔。

导向板上端为呈圆弧状的侧斜滑动面，并在导向板开设与钢板三排通孔相对应的贯穿孔。。

导向伸缩装置包括两个传力销、一个限位螺母和一个归位弹簧，两个传力销的销头部分为半球状，主体为圆柱状的结构，销尾为直径大于销头部分的圆形底座，在两个圆形底座内设有弹簧孔；所述限位螺母固定在其中一个传力销的前端，起固定传力销作用，所述的归位弹簧两端分别固定两个传力销的弹簧孔内。

导向伸缩装置通过内部归位弹簧，使传力销前端伸出孔外，所述导向承压连接装置绕销轴转动时，导向板挤压传力销，归位弹簧压缩，当固定连接板和钢板贴合后，传力销头弹出并锁扣在导向板贯穿孔内，将节点锁紧连接在一起。

(2)拱架运输：将拱架各连接节点打开，利用拱架安装机或装载机将拱架运输至隧洞掌子面前；

所述的拱架节点打开方式为：利用节点卡钳将试拼装拱架的装配式节点打开；

优选的，对于法兰节点，通过人工拆卸螺栓的方式将法兰节点打开；

如图5所示，节点卡钳12由钳嘴13、钳腮14和手柄15三部分组成，钳嘴向内伸出，主体为圆柱状，头部为半球状，且直径与传力销头直径相同。

所述的拱架运输方式为：将全部采用装配式节点的工字钢拱架，进行折叠后，通过拱架安装机吊运至掌子面；

优选的，对于采用装配式节点和法兰节点的工字钢拱架，通过装载机将单节拱架运至掌子面；

(3)拱架机械化安装：在拱架表面安装纵向定位装置，将两侧拱肩部位展开，拱架安装机抓扣拱顶部位进行举升，利用拱架辅助安装机将两侧拱脚部位展开，将拱架安放于指定位置，拱脚部位安放拱架升降装置；

拱架安装方式为：对于全部采用装配式节点的拱架，在掌子面处的地面上，用机械手将拱肩处打开，装配式节点卡合到位；

优选的，对于采用装配式节点和法兰节点的工字钢拱架，在拱肩处通过人工安装螺栓，连接两节拱架的法兰节点；

(4)拱架精准定位：拱架安装机调节拱架，使纵向定位装置与前一榀拱架相连，在拱顶和两侧拱脚部位设置激光定位仪进行位置校准，调节拱脚升降装置，完成整榀拱架的精确定位；

所述的使用激光定位仪对拱架架设位置进行校准，是指拱顶和两侧拱脚三点位置的激光定位仪与掌子面对应的标记点进行位置的校准，与纵向定位装置配合，实现拱架的精确定位；

所述的拱架升降装置包括底座16、油缸17、万向球头18及托板19构成；

所述万向球头最大转动角度、装置最低高度、油缸行程可根据实际工程进行调节；

(5)断面复查：利用激光测距装置进行断面复查，打设锁脚锚杆；

所述的使用激光测距装置进行断面复查，如符合拱架安装要求，打设锁脚锚杆进行固定；如不符合拱架安装要求，利用安装设备和拱脚升降装置进行微调并复测；

如图7所示，激光测距装置包括激光发射装置25、活动轴套26以及夹具27组成；所述的激光发射装置25安装在活动轴套26内，活动轴套26通过旋转销轴连接夹具27；从而使激光发射装置25绕夹具27旋转。

如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示，拱架间纵向定位装置，包括设置于前一榀拱架上的导向口装置21、待安装拱架上的底座结构20以及连接筋结构24；

所述导向口装置内部设有凹槽结构23，凹槽内放置有梅花卡圈22；

所述底座结构为螺纹基座20，可固定连接杆结构；

所述连接筋结构24前段设置有凸起结构，可置于梅花卡圈22中自动固定；末端设置有螺纹可固定于底座结构20上，连接两榀拱架。

(6)其他工序：按照此工序，安装该循环剩余拱架，焊接其余纵向连接筋，铺设钢筋网及复喷混凝土。

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。