专利名称：土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法及其插板机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地下铁道和地下工程暗挖施工方法及其使用的设备。
经检索，检索到两篇相关的文献CN87100318A和DT2802-612。其中，在DT2802-612文献中，主要是记载着连续覆盖隧道内表面由弧形块形成若干拟合隧道形状的拱，这些弧形块依靠从隧道左侧延续到右侧的液压圆钢筒向外承受荷载。这些弧形块只是作为隧道衬砌，起支承作用。因此，该弧形块是在隧道挖好后所采取的技术措施。而CN87100318A文献中，公开了一种超前棚顶暗挖法，该方法是在地面1米深以下准备修建的地铁结构外沿，在没开挖土方之前，逐个间隔，紧密相接的超前钻孔，插进钢筋笼和两根胶管，封口、压注水泥浆或水泥砂浆。超前做成一个由一根根钢筋笼和水泥浆或砂浆组成的梁及孔周固结土体共同组成的一个外壳，以安全承受开挖后的土压力和地面荷载的超前棚顶，然后再作开挖衬砌。该方法在遇到特殊地层，如砂层、粉细砂层、回填土层、淤泥质粘土层等易塌方不良地层时不能实施，这是因为在上述地层上超前钻孔极易塌方，钢筋笼无法插进。而目前在地下铁道、热力隧道，地下商场、地下停车场等地下工程暗挖施工中，常采用“新奥法”。在“新奥法”施工中，在遇到特殊地层，如砂层、粉细砂层、回填上层、淤泥质粘土层等易塌方不良地层时，多采用打入小导管，并通过导管中心孔注入化学浆液加固周围土层，再开挖的方法。该方法工序多，工艺也比较复杂，进度慢，尤其对粉细砂层的注浆加固，难以达到预期效果，往往出现塌顶事故，造成地面沉陷，危及地面建筑物及交通安全。同时注浆加固费用也比较高。
本发明的目的是提供一种为在砂层、粉细砂层、回填土层、淤泥质粘土层等易塌方不良地层的暗挖施工方法，即土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法。该方法是一种不用注浆加固土层，又安全、又可靠、操作简单，速度快的支护方法。所使用的插板机具有便于操作、插板速度快等优点。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案这种地下土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法是这样实现的隧道掘进前，沿隧道顶部，向掘进方向依次插入插板，在隧道顶部形成板棚，并在插板的尾端安装板棚支架，然后隧道掘进，当掘进到一个插板的长度时，再在插板的头端安装板棚支架，并在上述两道板棚支架之间跟进钢筋网片和喷射混凝土，即完成一个工作单元的插板暗挖施工，然后再沿未开挖隧道顶部依次插入插板，形成板棚，继续隧道掘进。在开始时，即隧道掘进前，也可以先安装板棚支架，再插板。插板可以使用插板机，也可以人工用气动冲击器插板。
在该方法中，所采用的插板为定型长板，其板宽两边缘可以带锁口，也可以没有锁口。当定型长板采用带有锁口方式时，其锁口形状为瓦楞形、三角形，槽形、U形中的任一种，每个工作单元中的定型长板通过锁口互相咬合，每个工作单元之间的定型长板的板长两边相互压搭，使所形成的板棚为闭合式的。
在该方法中，当定型长板采用不带有锁口方式时，在每个工作单元中定型长板的板宽两边相互搭接，每个工作单元之间的定型长板的板长两边相互压搭，使所形成的板棚为闭合式的。
在该方法中，所使用的定型长板为定型长钢板，其板长为1m至6m，板宽为150mm至500mm，板厚为3mm至8mm。
在该方法中，在完成一个工作单元的插板暗挖施工后，再沿未开挖隧道顶部依次插入定型长钢板的过程中，所使用的定型长钢板通过插板机可以从板棚支架上部插入，也可以从板棚支架下部插入，当所使用的定型长钢板在从板棚支架下部插入时，由于要留出挂钢筋网片和喷射混凝土的厚度，所以利用送板器将定型长钢板的板尾插入土层中300mm至500mm。在依次插入定型长钢板之后，继续隧道掘进，自然在定型长钢板的板尾的下部留出挂钢筋网片和喷射混凝土的厚度。当定型长钢板通过插板机从板棚支架上部插入时，由于定型长钢板的板尾入土点高，因此，就不存在上述问题。
本发明的方法所使用的设备为插板机。该插板机包括有带有胶轮的底盘动力驱动装置和插板装置，所述动力驱动装置包括有由外接气动机驱动的液压油泵，所述液压油泵通过胶轮液压马达驱动上述胶轮自行，所述插板装置包括有回转装置，该回转装置安装在所述底盘上，在该回转装置的机体上安装有轴齿轮、两个水平油缸，所述两个水平油缸的活塞各连接一齿条，并分别与所述轴齿轮的对称两侧的齿牙啮合，该轴齿轮通过传动轴连接回转臂，该回转臂上端与上支撑油缸的活塞杆端铰接，该回转臂的下端与下支撑油缸的缸体端铰接，所述上支撑油缸的缸体端、所述下支撑油缸的活塞杆端分别铰接在支撑臂上，该支撑臂的头部安装有托架，在该托架上设有臂架，在该臂架的前端固定有滑动板支架，并在该臂架上设有固定板支架和气动冲击器，上述各油缸的油进出口分别与前述的液压油泵接通。该插板机的臂架由回转装置及其水平油缸控制，完成隧道横断面上作360°回转，臂架由支撑臂及其支撑油缸控制，完成在垂直方向上升降。
在该插板机中，在所述支撑臂的前部上通过两对连接双耳铰接一仰角油缸，臂架的仰角由支撑臂及其仰角油缸控制仰角角度的调整。
该插板机通过上述两种或三种运动的结合，并采用气动冲击器冲击打板，来实现隧道全断面插板作业，完成隧道水平方向或仰角方向的拱顶及平顶板棚插板施工。
在该插板机中，所述臂架是通过置于所述托架上的两凹滑槽中，以滑动连接方式设在该托架上的，并该臂架的外底面上通过两对臂架双耳平行铰接一推进补偿油缸，该推进补偿油缸的油进出口与前述的液压油泵接通。通过推进补偿油缸实现插板的定向冲击推进。
在该插板机中，所述固定板支架和气动冲击器通过与其固定的固定板上的两对滑块，以滑动连接方式设在所述臂架上的，并且所述臂架为槽形状，且在该臂架的槽中装有由液压马达驱动的螺杆推进器，与该螺杆推进器啮合的行进螺母与上述固定板固接，所述液压马达的油进出口与前述的液压油泵接通。通过螺杆推进器实现气动冲击器的给进。
在该插板机中，液压油泵可采用两个。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为采用本发明的方法所形成的插板棚顶的示意2为采用本发明的方法所形成的插板棚顶支护示意3为图2的A-A剖面4为定型长钢板的U形锁口互相咬合的示意5为插板机结构6为图5的B-B剖面7为插板机的回转装置主视8为插板机的回转装置侧视9为插板机的回转装置俯视图如图1、图2、图3所示，在遇到砂层、粉细砂层、回填土层、淤泥质粘土层等易塌方不良地层时，利用插板机，沿隧道顶部(拱顶或平顶)，依照次序插入定型长板101即插板，在隧道顶部形成板棚，并在定型长板101的尾端安装板棚支架102，然后隧道掘进，当掘进到一个定形长板的长度时，再在定型长板101的头端安装板棚支架102，并在上述两道板棚支架102之间跟进钢筋网片103和喷射混凝土104，即完成一个工作单元的插板暗挖施工，然后再沿未开挖隧道顶部依次插入定型长板101，形成板棚，继续隧道掘进，安装板棚支架102，再在两道板棚支架102之间跟进钢筋网片103和喷射混凝土104，又完成一个工作单元的插板暗挖施工。本发明的施工方法按上述一个接一个的工作单元的插板暗挖施工逐步进行。该方法安全可靠，操作简单，速度快。
本发明的方法所使用的板棚支架为暗挖施工中常用的钢拱架。图3所示的板棚支架102为格栅拱。
利用插板机，沿隧道顶部(拱顶或平顶)，插入的定型长板即插板，板宽两边缘带锁口或不带锁口，这两种插板的应用是根据地质情况和受力情况而决定。采用带锁口的定型长板，如图4所示，每块定型长板101互相咬合，在隧道顶部形成封闭的板棚；采用不带锁口的定型长板，每块定型长板互相搭接，在隧道顶部形成闭合的板棚。如图1、图2、图3所示，由定型长板101形成的板棚与板棚支架102共同作用，形成板棚支护。跟进钢筋网片103和喷射混凝土104形成隧道初级支护或永久支护。
在沿隧道未挖顶部依次插入插板时，是从板棚支架下部插入还是从板棚支架上部插入，要根据施工需要。当从板棚支架下部插入插板时，利用送板器，将板尾插入土层中300mm至500mm。这是因为要留出挂钢筋网片和喷射混凝土的厚度。在图3所示的插板棚顶支护示意图中，定型长板101是从板棚支架102上部插入，因此不存在上述的问题。
如图2、图3所示，在完成跟进钢筋网片103和喷射混凝土104施工之后，根据施工的要求，可以再现浇钢筋混凝土层105，形成隧道的永久支护。
如图5所示，本发明所使用的插板机是以压缩空气为动力，通过气动机驱动液压油泵11、12，再通过液压马达驱动胶轮14自行，液力推动各液压油缸。在插板机的底盘21上安装回转装置9，回转装置9通过回转臂22上的上、下支撑油缸16、26与支撑臂19铰接，在支撑臂19上装有托架20，托架20上设有臂架3，这样臂架3由回转装置9及其水平油缸10控制，完成隧道横断面上作360°回转；臂架3由上支撑油缸16、下支撑油缸26控制，完成在垂直方向上升降，臂架3的仰角由仰角油缸18来控制调整。通过这两种或三种运动的结合，来实现隧道全断面插板作业，完成隧道水平方向或水平仰角方向的拱顶及平顶板棚插板施工。一次施工高度2m至8m，一次作业宽度2m至6m。如图5所示，在插板机的底盘21上装有前液压支腿15、后液压支腿13。
如图5所示，回转装置9安装在插板机的底盘21上。如图7、图8、图9所示，该回转装置的机体209上安装有两个水平油缸10、轴齿轮204，所述两个水平油缸10的活塞203各连接一齿条206，并分别与所述轴齿轮204的对称两侧的齿牙啮合，该轴齿轮204通过传动轴210连接回转臂22，如图5所示，该回转臂22的上端通过回转臂上双耳与上支撑油缸16的活塞杆端铰接，该回转臂22的下端通过回转臂下双耳与下支撑油缸26的缸体端铰接，所述上支撑油缸16的缸体端、所述下支撑油缸26的活塞杆端分别与支撑臂19上的后双耳和前双耳铰接，并在所述支撑臂19的前部通过两对连接双耳铰接一仰角油缸18。通过两个水平油缸10的活塞203作相反运动，分别带动齿条206作相反运动，使轴齿轮204回转，并通过传动轴210、回转臂2、支撑臂19、托架20、带动臂架3作360°回转。通过与回转臂22和支撑臂19铰接的上支撑油缸16、下支撑油缸26的活塞的动作，带动臂架3完成在垂直方向上升降。通过支撑臂19上的仰角油缸18控制臂架3的仰角调整。
如图5所示，在臂架3的前端固定有滑动板支架1，并在该臂架3上设有固定板支架4和气动冲击器6。使用时，将定型长钢板头部置于滑动板支架上1上，其板尾与气动冲击器6上的定型冲击头5相接近，通过气动冲击器6的冲击，实现插板的定向冲击推进。
如图5所示，托架20是由两个对称等腰三角形板及其上的两凹槽块组成，托架20通过两三角形板的顶角铰接在支撑架19上。臂架3置于托架20上的两对凹槽中，臂架3的外底面上通过两对臂架双耳平行铰接一推进补偿油缸17。通过该推进补偿油缸17带动臂架3在托架20上滑动，也可实现插板的定向推进。
如图5、图6所示，固定板支架4和气动冲击器6固定在固定板23上，通过固定板23上的两对滑块24滑动连接在臂架3上。并且臂架3为槽形状，且在该臂架3的槽中装有由液压马达8驱动的螺杆推进器2，与该螺杆推进器2啮合的行进螺母25与固定板23固接。气动冲击器6由风管接头7连接压缩空气风管，供给动力，螺杆推进器2由液压马达8驱动，实现气动冲击器6的给进。固定板支架4、滑动板支架1均按照插板断面形状和尺寸相匹配。
本发明所使用的插板机工作行程2500mm至5000mm，气动冲击器冲击功200J至500J，臂架推进力2200N至4000N。
本发明所使用的插板机适合小型和大型隧道断面的全断面的插板作业，而且结构简单，操作方便，效率高。
实施例本发明的方法及其插板机在热力工程隧道横穿马路段进行实验。隧道开挖断面宽5.4m，拱顶高4m，隧道拱顶距地表5m。地质条件是地表下0至2m为杂填土，2至5m为粉质粉土，5至9m为粉砂层。为防止隧道掘进时塌方引起地面沉陷，确保地面交通安全，采用插板棚顶支护暗挖施工法，利用本发明的插板机插板，在隧道拱顶形成封闭式的板棚支护。定型钢板长1.5m，宽220mm，板厚4mm，板宽边缘为U形，板棚支架间距750mm至1000mm，初级支护喷射混凝土250mm厚，二次衬砌混凝土200mm。隧道开挖掘进未发生塌方，确保地面交通畅通。施工安全可靠，速度快，造价低。
权利要求
1.一种土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法，其特征在于隧道掘进前，沿隧道顶部，向掘进方向依次插入插板，在隧道顶部形成板棚，并在插板的尾端安装板棚支架，然后隧道掘进，当掘进到一个插板的长度时，再在插板的头端安装板棚支架，并在上述两道板棚支架之间跟进钢筋网片和喷射混凝土，即完成一个工作单元的插板暗挖施工，然后再沿未开挖隧道顶部依次插入插板，形成板棚，继续隧道掘进。
2.根据权利要求1所述的土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法，其特征在于所采用的插板为定型长板，其板宽两边缘都带锁口，其锁口形状为瓦楞形、三角形、槽形、U形中的任一种，每个工作单元中的定型长板通过锁口互相咬合，每个工作单元之间的定型长板的板长两边相互压搭，使所形成的板棚为闭合式的。
3.根据权利要求1所述的土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法，其特征在于所采用的插板为定型长板，在每个工作单元中定型长板的板宽两边相互搭接，每个工作单元之间的定型长板的板长两边相互压搭，使所形成的板棚为闭合式的。
4.根据权利要求2或3所述的土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法，其特征在于所使用的定型长板为定型长钢板，其板长为1m至6m，板宽为150mm至500mm，板厚为3mm至8mm。
5.根据权利要求4所述的土质隧道插板棚顶支护暗挖施工方法，其特征在于在完成一个工作单元的插板暗挖施工后，再沿未开挖隧道顶部依次插入定型长钢板的过程中，所使用的定型长钢板在从板棚支架下部插入时，利用送板器将定型长钢板的板尾插入土层中300mm至500mm。
6.一种权利要求1所述暗挖施工方法所用的插板机，该插板机包括有带有胶轮的底盘、动力驱动装置和插板装置，所述动力驱动装置包括有由外接气动机驱动的液压油泵，所述液压油泵通过胶轮液压马达驱动上述胶轮自行，其特征在于所述插板装置包括有回转装置，该回转装置安装在所述底盘上，在该回转装置的机体上安装有轴齿轮、两个水平油缸，所述两个水平油缸的活塞各连接一齿条，并分别与所述轴齿轮的对称两侧的齿牙啮合，该轴齿轮通过传动轴连接回转臂，该回转臂上端与上支撑油缸的活塞杆端铰接，该回转臂的下端与下支撑油缸的缸体端铰接，所述上支撑油缸的缸体端、所述下支撑油缸的活塞杆端分别铰接在支撑臂上，该支撑臂的头部安装有托架，在该托架上设有臂架，在该臂架的前端固定有滑动板支架，并在该臂架上设有固定板支架和气动冲击器，上述各油缸的油进出口分别与前述的液压油泵接通。
7.根据权利要求6所述的插板机，其特征在于在所述支撑臂的前部上通过两对连接双耳铰接一仰角油缸。
8.根据权利要求7所述的插板机，其特征在于所述臂架是通过置于所述托架上的两凹滑槽中，以滑动连接方式设在该托架上的，并该臂架的外底面上通过两对臂架双耳平行铰接一推进补偿油缸，该推进补偿油缸的油进出口与前述的液压油泵接通。
9.根据权利要求8所述的插板机，其特征在于所述固定板支架和气动冲击器通过与其固定的固定板上的两对滑块，以滑动连接方式设在所述臂架上的，并且所述臂架为槽形状，且在该臂架的槽中装有由液压马达驱动的螺杆推进器，与该螺杆推进器啮合的行进螺母与上述固定板固接，所述液压马达的油进出口与前述的液压油泵接通。
全文摘要
本发明涉及一种地下铁道和地下工程暗挖施工方法及其使用设备。隧道掘进前,利用插板机沿隧道顶部插入插板,形成板棚,并在插板尾端安装板棚支架,随隧道掘进,再在插板头端安装板棚支架,并在两道板棚支架之间跟进钢筋网片和喷射混凝土,然后按上过程继续隧道掘进。插板机是以压缩空气为动力,液力推动各液压油缸。由回转装置及其水平油缸控制回转,由支撑油缸控制升降,由气动冲击器冲击推动插板。本方法适合特殊地层,安全、可靠、速度快。
文档编号E21D9/06GK1179501SQ97119179
公开日1998年4月22日 申请日期1997年10月24日 优先权日1997年10月24日
发明者朱建春, 杜文库, 邓长基, 余波, 魏庆如, 覃必刚, 杨贺利, 刘洪斌, 胡定山 申请人:北京城建地铁地基工程有限责任公司