作业平台及其用于隧道施工的连续作业系统和作业方法与流程

本发明属于隧道施工技术，具体涉及一种作业平台及其用于隧道施工的连续作业系统和作业方法。

背景技术

在智慧建造时代，全面机械化和无人施工是隧道工程技术发展的必然趋势。钻爆法和盾构法是隧道施工的两种主要方法。目前盾构法修建隧道通过采用配套齐全的大型盾构机，可以实现掘进、出渣、管片拼装、背后注浆等全工序机械化施工，理论上可达到无人施工。而钻爆法修建隧道包含开挖、支护、防水层铺挂、衬砌浇筑、衬砌养生等多种工序，每个工序都配置专门的机械设备或工作台架，实现全面机械化无人施工面临极大的困难。但钻爆法在隧道规模、便道条件、施工场地、预制条件等方面都有盾构法不可替代的优势和适应性，在未来相当长的时间内，仍是隧道施工的最主要方法。

采用钻爆法施工时，开挖(凿岩、装药、爆破、出渣)、支护(锚固、立架、喷砼)、施工监控、防水层铺挂、衬砌(包括绑扎钢筋)、养护等各个施工步骤都有不同类型的台车和机具，这些台车和机具都是支撑设置在隧道的地面行走施工，并且在几何结构与尺寸、行走机构、作业控制等各方面都存在巨大差异。同时，采用钻爆法施工的隧道采用炸药爆破破岩，实际开挖的隧道底部凹凸起伏，加之地下水浸泡和车辆碾压，施工场地极不规整。此外，采用钻爆法施工时，根据地层条件不同，还可能采用全断面、上下台阶、三台阶和导洞法等多种开挖工法进行开挖，不同开挖工法的断面分块数量、形状和大小都不相同，各个开挖阶段的隧道底边不能满足全面机械化的要求，对应特殊的施工情况还需要设计专门的施工机具。上述因素导致钻爆法隧道实现全面机械系化无人施工的难度极大。

例如申请号为201520901763.3的中国专利公开了一种隧道施工多功能拱形架，其中的作业平台通过支撑框架设置在设置移动轮的底盘上，再通过移动轮支撑移动设置在隧道的施工地面上。这种拱形架的作业平台一般只适用于隧道后期的线路铺设安装，此时隧道地面已经完成平整，可以便于移动轮的滚动。但是这种拱形架却不能够应用于隧道的钻爆法施工。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对现有隧道钻爆法施工过程中因为施工场地不规整导致的施工难题，提供一种新型的作业平台及其用于隧道施工的连续作业系统和作业方法，通过该类作业平台和连续作业系统能够实现隧道钻爆法的标准化和系统化施工。

本发明采用如下技术方案实现：

作业平台，包括与隧道拱形内壁横向形状相似的拱形支架1以及用于拱形支架沿隧道纵向方向移动的行走系统；

所述行走系统包括主行走机构2和辅助行走机构3；

所述主行走机构2包括悬挂轨道21和主行走轮22，所述悬挂轨道21沿隧道拱形内壁顶部纵向铺设，并且轨道面朝上，所述主行走轮22装配在拱形支架1的中心顶部，并与悬挂轨道21滚动配合，将拱形支架1悬挂连接在悬挂轨道21上；

所述辅助行走机构3包括支撑轨道31和辅助行走轮32，所述支撑轨道31沿隧道纵向铺设在悬挂轨道21的两侧隧道拱形内壁上，并且轨道面朝上，所述辅助行走轮32装配在拱形支架1的两侧，并与支撑轨道31滚动配合，将拱形支架1支撑连接在支撑轨道上；

所述主行走机构2或/和辅助行走机构3设置有驱动行走轮的驱动设备。

进一步的，所述拱形支架1上沿其圆拱方向设置有环向行走机构4。

进一步的，所述环向行走机构4包括沿拱形支架1的圆拱方向连续设置的传动齿41以及导向安装在拱形支架上的移动作业支架42，所述移动作业支架42沿拱形支架1的圆拱方向导向设置，通过与传动齿啮合的驱动齿轮43带动沿拱形支架的圆拱方向移动。

进一步的，还包括辅助支撑系统5，所述辅助支撑系统5包括位于拱形支架两侧与隧道拱形内壁之间的侧向支撑结构51，以及拱形支架两端与隧道地面之间的竖向支撑结构52。

进一步的，所述侧向支撑结构51为横向设置在拱形支架上的伸缩侧向撑靴。

进一步的，所述竖向支撑结构52为竖直设置在拱形支架端部的伸缩支腿。

进一步的，所述拱形支架1为拼接的拱形桁架结构。

本发明还公开了一种用于隧道施工的连续作业系统，包括若干组上述的作业平台；

所述作业平台分别分布在隧道施工的各个施工段，并在不同施工段的拱形支架上安装对应施工段所用的施工设备机头。

具体的，所述施工设备机头包括扫描机头、喷砼机头、喷水机头、凿岩机头和防水板滚轴中的至少一种。

本发明还公开了一种用于隧道施工的连续作业方法，通过采用上述的连续作业系统进行钻爆法隧道施工，利用多组工作平台对各个施工段依次进行钻孔、爆破、支护、防水、衬砌的施工。

本发明利用隧道施工过程中隧道的拱形内壁较地面更统一规整的特点，通过在隧道拱顶设置两组行走机构，并通过主行走机构将与隧道拱形内壁相似的拱形支架悬挂设置，在移动施工过程中，脱离了隧道地面的限制，克服了施工场地极不规整的问题。

同时可将隧道施工的工序作业机具搭载在标准化的拱形支架上，隧道的所有纵向施工段的所有作业平台可以在同一轨道系统上行走，使各作业工序实现了系统化和标准化。

拱形支架同时也采用模块化的桁架拼装，实现作业平台的伸缩或折叠调整，有利于不同施工尺寸的搭建拼装，满足了不同开挖工法作业的需要，克服了开挖工法多样的问题。

由上所述，本发明通过上述技术方案提出了一种全新的隧道钻爆法施工方式，有效克服了钻爆法施工过程中存在的施工场地不规整、开挖工法多样、设备通用性不强的技术难题，为实现钻爆法隧道全面机械化和无人施工奠定了基础条件。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例一中工作平台的结构示意图。

图2为实施例一中工作平台位于隧道台阶开挖过程中的截面分布示意图。

图3为实施例一中工作平台位于台阶高位布置的结构示意图。

图4为实施例一中工作平台位于台阶低位布置的结构示意图。

图5为实施例一中设置环向行走机构的工作平台的结构示意图。

图6为实施例二中工作平台的结构示意图。

图7为实施例三中的连续作业系统在钻爆法施工过程中的截面分布示意图。

图8为实施例三中的连续作业系统中的其中一组工作平台结构示意图，该工作平台主要用于隧道初期支护以及支护衬砌养护。

图9为实施例三中的连续作业系统中的另一组工作平台结构示意图，该工作平台主要用于防水板的卷铺施工。

附图标记：

1-拱形支架、

2-主行走机构、21-悬挂轨道、22-主行走轮、23-轮架，24-导轨支架，

3-辅助行走机构、31-支撑轨道、32-辅助行走轮、

4-环向行走机构、41-传动齿、42-移动作业支架，43-驱动齿轮

5-辅助支撑系统、51-侧向支撑结构、52-竖向支撑结构、

101-凿岩机头、102-喷砼机头、103-喷水机头、104-防水板滚轴

61-隧道拱形内壁，62-隧道地面

具体实施方式

实施例一

为了解决隧道钻爆法施工过程中因为施工场地不规整导致的台车等作业设备不易架设、移动的问题，提供一种新型的作业平台方案，如附图1所示，该工作平台主要包括拱形支架1、主行走机构2以及辅助行走机构3。

具体的，拱形支架1为一个弧形桁架构件，其外侧弧形形状与隧道拱形内壁61形状相似，即可以保证拱形支架1在紧贴靠近隧道拱形内壁时，整个拱形支架1的顶部与隧道的拱形内壁横截面平行，这样整个作业平台在移动时，能够避免与隧道的拱形内壁发生碰撞。

结合图2所示，在隧道内部的不同施工段，不同段之间施工地面高度不同，导致隧道拱形内壁的长度也都不尽相同，因此本实施例的拱形支架1采用拼接结构的桁架，可根据不同施工段的实际情况组装拼装对应长度的拱形支架，并且采用铝合金材质，保证强度的同时，尽量降低工作平台本身的自重。

拱形支架1通过主行走机构2和辅助行走机构3连接到隧道拱形内壁61上，这样拱形支架1整体在移动过程中相对于隧道地面悬空设置，不与隧道地面接触，避免了隧道施工的不规整地面对工作平台的影响，本实施例中的主行走机构2和辅助行走机构3不仅仅实现拱形支架1的导向行走，同时还作为拱形支架1悬挂于拱形内壁的悬挂支撑件。

结合图1、图3和图4所示，主行走机构2包括悬挂轨道21、主行走轮22、轮架23和导轨支架24，其中悬挂轨道21沿隧道拱形内壁顶部纵向铺设，通过沿悬挂轨道21的轨迹向隧道内壁锚固固定若干l形的导轨支架24，悬挂轨道21固定铺设在导轨支架24上，保持悬挂轨道21的轨道面朝上。主行走轮22通过轮架23装配在拱形支架1的中心顶部，主行走轮22滚动装配在悬挂轨道21上，通过这种结构实现拱形支架1沿悬挂轨道21的导向移动，同时还利用主行走轮22将拱形支架1悬空挂接在隧道拱形内壁61上。

为了保证主行走机构2的平稳性和强度，悬挂轨道21采用两组并平行布置，对应通过两组对称得主行走轮22配合，将拱形支架可靠地悬挂在悬挂轨道21上。

辅助行走机构3包括支撑轨道31和辅助行走轮32，其中支撑轨道31沿隧道纵向铺设在悬挂轨道21的两侧隧道拱形内壁上，通过沿支撑轨道31的轨迹向隧道内壁锚固固定若干水平支架，支持轨道31直接布设在水平支架上，保持支撑轨道31的轨道面朝上，两侧的悬挂轨道21之间可以对称布置。辅助行走轮32装配在拱形支架1的两侧，同时辅助行走轮32滚动装配在支撑轨道31上，通过辅助支撑轨道对拱形支架1起到辅助支撑的作用，避免了拱形支架1的所有受力全部集中在主行走机构上。

辅助行走机构3的设置数量可根据拱形支架1的整体长度来设计，如图3中较长的拱形支架1在两侧与隧道拱形内壁61之间分别设置两组辅助行走机构，图4中较短的拱形支架1在两侧与隧道拱形内壁61之间分别设置一组辅助行走机构即可。

主行走机构2和辅助行走机构3中至少有一个机构具备有驱动行走轮沿轨道行走的驱动设备，如驱动电机。

如图5中所示，为了使工作平台能够实现自动化施工控制，本实施例在拱形支架1上沿其圆拱方向设置有环向行走机构4，施工设备机头可以通过环向行走机构4沿拱形支架1紧贴隧道内壁移动施工，结合主动行走机构2和辅助行走机构3实现工作平台对隧道内壁的全面覆盖施工。

具体的，环向行走机构4包括沿拱形支架1的圆拱方向连续设置的传动齿41以及导向安装在拱形支架上的移动作业支架42，移动作业支架42沿拱形支架1的圆拱方向导向设置，移动作业支架42和拱形支架1之间可通过导轮和导轨的导向安装方式，通过与传动齿啮合的驱动齿轮43带动沿拱形支架的圆拱方向移动。同时环向行走机构4的设置应该要避开拱形支架的主行走机构和辅助行走机构，避免不同方向上的行走机构之间相互干涉。

驱动齿轮43通过能够自锁的电机驱动，采用驱动齿轮43和传动齿41的驱动方式，驱动施工设备机头沿拱形支架1进行爬升移动的同时，能够利用啮合传动的特性，将机头定位在拱形支架的任意位置。

本实施例中的作业平台可用于隧道围岩和结构状况的扫描施工。

实施例二

实施例一属于轻型作业平台，可用于隧道内壁的扫描等不需要承受很大负荷的施工工序。为了进一步提高对于其他需要承受较大负载的施工工序，本实施例在实施例一的基础上提供一种另一种作业平台方案。

具体如图6所示，拱形支架1通过主行走机构2和辅助行走机构3悬挂连接在隧道拱形内壁61的同时，为了实现拱形支架1能够承受更大负载的施工过程，在拱形支架1上还设置又辅助支撑系统5，通过拱形支架1行走定位到固定位置后，将拱形支架1与隧道拱形内壁61和隧道地面62之间形成支撑固定，提供工作平台在施工过程中的辅助支撑。

具体的，支撑系统5包括侧向支撑结构51和竖向支撑结构52，侧向支撑结构51固定设置在拱形支架1两侧上，采用朝两侧展开设置的伸缩侧向撑靴，通过伸缩侧向撑靴向外伸出，可以横向支撑在隧道拱形内壁61上；竖向支撑结构52固定设置在拱形支架1的两端，采用竖向朝下的伸缩支腿，通过伸缩支腿向下与隧道地面62接触，提供拱形支架1的竖向支撑，而竖向支撑结构只需要对隧道地面的两侧位置进行平整，不需要大面积的占用隧道地面空间。

拱形支架1在移动到指定施工位置后，将伸缩侧向撑靴和伸缩支腿伸出，分别将拱形支架1与隧道拱形内壁61和隧道地面62之间形成可靠支撑，避免施工过程中的全部载荷全部集中在行走机构上，提高工作平台的施工可靠性。

在实际应用中，拱形支架1可根据实际开挖工法进行长度的拼装调整。以上下台阶法施工为例，如实施例一的图3和图4所示，在隧道开挖上台阶时，拱形支架1的高度较低，整体长度较短，两侧仅需设置一组辅助行走机构3和一组侧向支撑结构51。在隧道开挖下台阶后，拱形支架1的高度增大，整体长度较长，同时支架的重量和随之增加，两侧可设置两组或更多组辅助行走机构3和一组侧向支撑结构51，以保证工作平台在施工过程中具有更加可靠的稳定性和强度。

本实施例同样在拱形支架1上设置有环向行走机构4，具体结构与实施例一相同，设置环向行走结构时还需要注意避开辅助支撑系统。本实施例的工作平台为中型或重型工作平台，可搭载凿岩钻孔、支护、衬砌或防水铺装等施工。

实施例三

本实施例根据实施例一和实施例二为基础提供了一种用于隧道施工的连续作业系统，具体如图7、图8和图9所示，包括沿隧道内部上下台阶上的多组工作平台，不同施工段的工作平台上搭载对应的施工设备机头，进行对应施工段的隧道内壁进行施工，在一个施工段完成后，可将后面施工段的工作平台通过行走机构向前移动，实现隧道内的连续施工作业。

以下结合图8和图9进行详细说明。

如图8所示，图示中工作平台的拱形支架1上设置有三组环向行走机构4，每组环向行走机构4共用传动齿，三组环向行走机构的移动作业平台上分别搭载设置凿岩机头101、喷砼机头102和喷水机头103，凿岩机头101在环向行走机构4的电机驱动下沿拱形支架1环向移动，可以进行径向凿岩安装锚杆，也可向前凿岩布设炮眼，对隧道前端进行爆破；喷砼机头102在环向行走机构4的电机驱动下沿拱形支架1环向移动，进行隧道拱形内壁61初期支护的喷砼作业；喷水机头103在环向行走机构4的电机驱动下沿拱形支架1环向移动，可以进行初期支护的混凝土养生。

多个施工设备机头可以搭载在同一个工作平台上，进行连续同步施工，也可以将多个施工设备机头分别搭载在多个工作平台上，进行前后连续施工。

如图9所示，结合图7可以看出，图示中针对防水板的卷铺施工，由于用于防水板铺设的防水板滚轴104的长度较长，本是实施例采用了前后三组接近的拱形支架1共同搭载防水板滚轴104，通过环向行走机构4带动防水板滚轴104以及其上绕卷的防水板，从拱形支架1的中间向两侧滚动，利用防水板滚轴104的自转将成卷的防水板卷铺到隧道拱形内壁的初期支护上。

本实施例的连续作业系统能够用于钻爆法隧道的施工，实现了隧道内的钻孔、支护、防水和衬砌的连续施工过程，具体的钻爆法施工工艺过程不变，通过相对隧道地面悬空行走的工作平台，降低了隧道开挖的不规则地面对施工的影响，并且工作平台的拱形支架1能够自由拼装，可以搭载常规的施工设备机头，不需要另外针对施工环境专门设计台车进行施工，提高了设备的通用性，降低了施工成本，提高了施工效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不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，可容易实现本发明专利其他结构设计的修改。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的图例。