地下工程装配式约束混凝土拱架及机械化施工方法与流程

本发明属于地下工程支护领域，具体涉及地下工程装配式约束混凝土拱架机及械化施工方法。

技术背景

近年来，随着我国经济高速发展，交通需求量剧增，传统的公路车道数量已无法满足日益增加的车流量需求，双向八车道及以上等公路工程逐年增加，相应的隧道工程不断增多。隧道施工过程中围岩常出现拱顶冒落、大变形、支护构件破断等工程问题，围岩控制困难。目前，我国隧道拱架支护大量使用人力施工，在地下工程施工过程中，常发生拱顶冒落、拱架破断等安全事故，造成人员伤亡；且施工过程中存在拱架重量大，施工效率低的问题，导致现场拱架安装困难，工期长、成本高。

目前，国内众多研究人员对隧道机械化的应用进行了研究，并有相关研究论文发表。然而尽管国内大多数研究采用的拱架安装车性能良好，但是在隧道机械化施工过程中却很难进行推广应用，究其原因是没有配套应用的装配式拱架及其施工方法。在地下工程支护中，拱架构件之间的节点连接主要以法兰节点为主，进行机械化施工时，仍然需要人工进行螺栓的连接等工序，这就可能产生了人员安全问题及施工效率的问题，与机械化施工并不匹配。

因此，目前隧道施工亟需一种可以配合机械化施工的装配式拱架及其施工方法，开展此方面的研究，可以为地下工程装配式约束混凝土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：

为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明的一个目的是提供一种配合地下工程机械化施工的装配式约束混凝土拱架及其相关配套装置。该约束混凝土拱架采用装配式节点、纵向连接装置等配套装置，保证较强承载力的同时，配合隧道机械化自动化施工。

本发明的第二个目的是提供一种装配式约束混凝土拱架机械化施工方法。该方法全程进行机械化施工，保证施工人员的安全的同时提高了施工效率。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：本发明提出的地下工程装配式约束混凝土拱架，每榀拱架包括若干段，相邻两段拱架通过装配式节点进行连接；所述的装配式节点包括分别固定于相邻两段拱架上的组合承压板、固定导向板以及连接组合承压板及固定导向板的活动销轴；所述组合承压板边侧设置多排贯通孔，所述贯通孔内设置有可拆卸弹簧销；所述固定导向板两侧设置有耳板，耳板上设置有配合所述弹簧销卡合的圆形销口；所述组合承压板及固定导向板中心开设连通孔，且设置有相互配合的密闭装置。

优选的，拱架的段数为奇数。

优选的，所述装配式节点还可以配合三排弹簧销。

进一步优选的，所述装配式节点根据现场实际工程需要，还可将所述的组合承压板中其中一排弹簧销设置成通孔，最后通过高强螺栓连接固定导向板和组合承压板进行连接。

本发明提出的地下工程装配式约束混凝土拱架机械化施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)利用可移动拱架折叠装置进行约束混凝土拱架节点焊接、顺序拼装、折叠及固定；-将折叠拱架吊运至隧道掌子面；

(2)将折叠拱架左右两侧向两边展开，肩部通过自动装配式节点完全展开固定，拱脚处拱架展开至水平放置，同时将纵向定位杆固定在拱架预定位置；机械手将拱架举升至指定高程，利用辅助安装机将拱脚部位开；

(3)调整机械手将纵向定位杆与前一榀已安装拱架对接并固定，将拱架放置于拱脚升降装置上，并通过拱顶、拱脚处安装激光定位仪进行拱架定位；

(4)待第一榀拱架安装完成后，进行剩余拱架的安装定位；

(5)利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，利用安装设备进行微调，然后复测，合格后打设锁脚锚杆固定；

(6)焊接剩余纵向连接筋，铺设钢筋网，固定拱架；

(7)灌注核心混凝土；

(8)进行核心混凝土密实度检测，最后进行关键部位补强。

进一步的，通过可移动拱架折叠装置进行拱架的拼装、折叠，以及前期焊接节点、纵向连接装置等工序，其包括上部槽口装置、中部可微调的支撑结构以及下部滑动装置；所述的上部槽口装置下部连接中部可微调的支撑结构，所述的中部可微调的支撑结构连接下部滑动装置，对下部滑动装置在竖直方向上的位置进行微调。进一步的，约束混凝土拱架按照顺序折叠，相邻两节之间利用U型夹装置施加约束，U型夹两侧开孔，并通过活动销轴固定拱架，活动销轴上安装有配合机械手吊装的卡环装置。

所述U型夹装置安放位置，可通过断面形状，拱架大小，拱架段数等相关现场实际情况计算得到整榀拱架的重心，从而确定U型夹装置的安放位置。

进一步的，所述纵向连接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杆结构；导向口装置内部设有凹槽结构，凹槽内放置有梅花卡圈；底座结构为螺纹基座，可固定连接杆结构；连接杆结构前端设置有凸起结构，可置于梅花卡圈中固定，末端设置有螺纹可固定于底座结构上。纵向连接装置的长度可根据现场实际拱架间距进行设计。

进一步的，将激光定位仪安装在拱脚处，配合机械手上安装的激光笔进行拱架定位；其中，激光笔对准掌子面拱顶位置的高程点，两拱脚处的激光定位仪对准掌子面对应位置的高程点，最终确定拱架位置。

优选的，所述激光定位仪还可以设置于拱肩或拱腰等关键部位。

进一步的，在进行拱架定位时需要利用拱架升降装置进行整榀拱架的调整，其包括底座、油缸、托板、高程调节装置及万向球头构成，所述的油缸驱动高程调节装置，油缸竖直的安装在所述的底板上，在高程调节装置通过万向球头与托板相连，可调节拱架高程，辅助定位。

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需要进行调节。

拱架安装完成后，通过激光测距装置进行断面复查，其由激光发射装置、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。

进一步的，所述断面复查方法是指在拱脚处安装激光测距装置对拱架间距进行测量，并于设计图纸对应，得到拱架超欠部位，从而进行拱架调整或施加补强措施。

拱架安装完成后，利用混凝土泵进行核心混凝土灌注。

所述混凝土泵，根据隧道断面形状、尺寸大小，拱架尺寸大小及钢管厚度等现场实际需要进行混凝土泵型号的选择。

所述约束混凝土拱架，在拱脚段开设灌浆口，在拱顶处开设出气孔，进行灌注。

所述进行补强的部位为进行核心混凝土密实度检测后不合格的部位。

所述关键部位补强措施包括对拱架关键部位焊接钢板或加筋肋、对灌浆口进行封堵及其周边焊接钢板等方法。

优选的，所述关键部位补强措施还包括对机械手夹具两侧焊接钢板等方法。

上述装配式约束混凝土拱架及其机械化施工方法在地下工程支护中进行应用。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的装配式约束混凝土拱架，通过研发与之相配套的装配式节点、纵向连接装置等设备，实现了地下工程拱架安装的装配式机械化作业，装配式节点以及纵向连接装置强度高，只需要进行对准，稍微用力，进行卡合固定非常容易，使隧道机械化安全高效施工成为可能；

(2)本发明的装配式拱架可进行折叠，节省占地空间；同时研发了可移动拱架折叠装置，可以为装配式拱架进行拼装、折叠、焊接等相关工序提供方便，可提高后期施工效率；

(3)本发明的拱架升降装置设置于拱脚处，可以进行拱架位置的精准调节，相比传统隧道施工过程中利用洞内石块进行垫用，更为方便，且精准；

(4)本发明的激光定位仪以及激光笔分别安装于拱架的拱脚以及机械手上，进行隧道施工时，分别对准掌子面预先打设的高程点，进行拱架定位，相比传统隧道施工中的利用拉线定位，更为精确；

(5)本发明的激光测距装置对断面进行复查，确定拱架超欠部位，及时进行补强，保证隧道安全施工；

(6)本发明进行混凝土灌注后，还进行密实度检测工序，确保混凝土灌注密实，针对密实度不足的地方及时进行补灌或焊接钢板补强，保证拱架的后期承载能力。

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是本发明的实施例的装配式约束混凝土拱架机械化施工方法流程图；

图2是本发明的可移动拱架折叠装置示意图；

图3是本发明折叠式拱架及其吊运方式的一种实施例的结构示意图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)是本发明的装配式节点示意图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)是纵向连接装置示意图；

图6是拱脚升降装置示意图；

图7是激光测距装置示意图；

图8是拱架安装车的机械手的结构示意图。

其中，1、上部槽口装置，2、中部可微调的支撑结构，3、下部滑动装置，4、吊环，5、拱架，6、重心，7、装配式节点，8、约束混凝土拱架，9、组合承压板，10、固定导向板，11、耳板，12、弹簧销，13、活动销轴，14、连通孔，15、弹簧，16、导向口装置，17、底座机构，18、连接杆结构，19、凹槽结构，20、梅花卡圈，21、凸起结构，22、底座，23、油缸，24、托板，25、高程调节装置，26、万向球头，27、激光发射装置，28、活动轴套，29、夹具，30、机械手。

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，现有技术中我国隧道拱架支护大量使用人力施工，在地下工程施工过程中，常发生拱顶冒落、拱架破断等安全事故，造成人员伤亡；且施工过程中存在拱架重量大，施工效率低的问题，导致现场拱架安装困难，工期长、成本高。然而尽管国内大多数研究采用的拱架安装车性能良好，但是在隧道机械化施工过程中却很难进行推广应用，究其原因是没有配套应用的装配式拱架及其施工方法。在地下工程支护中，拱架构件之间的节点连接主要以法兰节点为主，进行机械化施工时，仍然需要人工进行螺栓的连接等工序，这就可能产生了人员安全问题及施工效率的问题，与机械化施工并不匹配。因此，目前隧道施工亟需一种可以配合机械化施工的装配式拱架及其施工方法，开展此方面的研究，可以为地下工程装配式约束混凝土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工程装配式约束混凝土拱架及机械化施工方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，地下工程装配式约束混凝土拱架机械化施工方法，包括如下步骤：

(1)利用可移动拱架折叠装置进行约束混凝土拱架节点焊接、顺序拼装、折叠及固定；利用拱架智能安装设备将折叠拱架吊运至隧道掌子面；

(2)通过遥控安装机机械手30(如图8所示)，将折叠拱架左右两侧向两边展开，肩部通过自动装配式节点7完全展开固定，拱脚处拱架展开至水平放置，同时将纵向定位杆18固定在拱架预定位置；机械手30将拱架举升至指定高程，利用辅助安装机将拱脚拱架打开；

(3)调整机械手将纵向定位杆与前一榀已安装拱架对接及固定，将拱架放置于拱脚升降装置上，并通过拱顶、拱脚处安装激光定位仪进行拱架定位；

(4)待第一榀拱架安装完成后，进行剩余拱架的安装定位；

(5)利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，利用安装设备进行微调，然后复测，合格后打设锁脚锚杆固定；

(6)焊接剩余纵向连接筋，铺设钢筋网，固定拱架；

(7)灌注核心混凝土；

(8)通过人工辅敲进行核心混凝土密实度初步检测，利用非金属超声波检测仪进一步确定核心混凝土的密实度，最后进行关键部位补强。

本发明提出的一种装配式约束混凝土拱架，如图3所示，包括若干段，一般为奇数，相邻两段的拱架通过装配式节点进行连接；如图4(a)、图4(b)、图4(c)装配式节点包括分别固定于相邻两段拱架上的组合承压板9和固定导向板10以及连接两部分的活动销轴13；所述组合承压板9边侧设置两排贯通孔，孔内设置有可拆卸弹簧销12；所述固定导向板10两侧设置有耳板11，耳板11上设置有配合弹簧销12卡合的圆形销口。

优选的，所述装配式节点还可以配.合三排弹簧销12，图中弹簧销的弹簧15如图所示。

本发明的装配式约束混凝土拱架，通过研发与之相配套的装配式节点、纵向连接装置等设备，实现了地下工程拱架安装的装配式机械化作业，装配式节点以及纵向连接装置强度高，只需要进行对准，稍微用力，进行卡合固定非常容易，使隧道机械化安全高效施工成为可能。本发明的装配式拱架可进行折叠，节省占地空间；同时研发了可移动拱架折叠装置，可以为装配式拱架进行拼装、折叠、焊接等相关工序提供方便，可提高后期施工效率。

进一步优选的，所述装配式节点根据现场实际工程需要，还可将其中一排弹簧销12设置成通孔，最后通过高强螺栓进行连接。

通过可移动拱架折叠装置进行拱架的拼装、折叠，以及前期焊接节点、纵向连接装置等工序，其包括上部槽口装置1、中部可微调的支撑结构2以及下部滑动装置3；所述的上部槽口装置下部连接中部可微调的支撑结构，所述的中部可微调的支撑结构连接下部滑动装置，对下部滑动装置的位置进行微调。

进一步的，如图2所示，所述的中部可微调的支撑结构包括一个支撑架，在支撑架的底部焊接一段竖直的螺杆，所述的螺杆与一个螺母配合，所述的螺母连接下部滑动装置，所述的下部滑动装置的位置可以在竖直方向上调整。

约束混凝土拱架按照顺序折叠，相邻两节之间利用U型夹装置施加约束，U型夹两侧开孔，并通过活动销轴固定拱架，活动销轴上安装有配合机械手吊装的卡环装置。

所述U型夹装置安放位置，可通过断面形状，拱架大小，拱架段数等相关现场实际情况计算得到整榀拱架的重心，从而确定U型夹装置的安放位置。

如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，纵向连接装置包括设置于前一榀拱架上的导向口装置16、待安装拱架上的底座结构17以及连接杆结构18；导向口装置内部设有凹槽结构19，凹槽内放置有梅花卡圈20；底座结构为螺纹基座，可固定连接杆结构；连接杆结构前端设置有凸起结构21，可置于梅花卡圈中固定；末端设置有螺纹可固定于底座结构上。纵向连接装置的长度可根据现场实际拱架间距进行设计。

将激光定位仪安装在拱脚处，配合机械手上安装的激光笔进行拱架定位。其中，激光笔对准掌子面拱顶位置的高程点，两拱脚处的激光定位仪对准掌子面对应位置的高程点，最终确定拱架位置。

优选的，所述激光定位仪还可以设置于拱肩或拱腰等关键部位。

如图6所示，在进行拱架定位时需要利用拱架升降装置进行整榀拱架的调整，其包括底座22、油缸23、托板24、高程调节装置25及万向球头26构成，可调节拱架高程，辅助定位；油缸23驱动高程调节装置25，油缸23竖直的安装在所述的底板上，在高程调节装置25通过万向球头26与托板24相连，可调节拱架高程，辅助定位。所述万向球头26最大转动角度，装置最低高度，油缸23行程可根据实际工程需要进行调节。如图7所示，拱架安装完成后，通过激光测距装置进行断面复查，其由激光发射装置27、活动轴套28以及夹具29组成；活动轴套28内安装激光发射装置27，且活动轴套28通过销轴安装在夹具29上；活动轴套28相对于夹具29可以180°旋转。

所述断面复查方法是指在拱架拱脚处安装激光测距装置对拱架间距一定距离进行测量，并于设计图纸对应，得到拱架超欠部位，从而进行拱架调整或施加补强措施。

拱架安装完成后，利用混凝土泵进行核心混凝土灌注。

所述混凝土泵，根据隧道断面形状、尺寸大小，拱架尺寸大小及钢管厚度等现场实际需要进行混凝土泵型号的选择；

所述约束混凝土拱架，在拱脚段开设灌浆口，在拱顶处开设出气孔；进行灌注。

所述进行补强的部位为进行核心混凝土密实度检测后不合格的部位。

所述关键部位补强措施包括对拱架关键部位焊接钢板或加筋肋、对灌浆口进行封堵及其周边焊接钢板等方法。

优选的，所述关键部位补强措施还包括对机械手夹具两侧焊接钢板等方法。

上述装配式约束混凝土拱架及其机械化施工方法在地下工程支护中进行应用。

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。