一种隧道初期支护快速施工方法与流程

本发明涉及隧道机械技术领域，特别是隧道初期支护快速施工方法。

背景技术：

为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道工程中通常会施行初期支护，即隧道开发后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层。根据围岩特点、断面大小和使用条件等因素，初期支护可选择喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架等组合支护形式。

以常见的新奥法施工的锚喷支护技术为例，其具体流程包括：第一步，隧道掘进后混凝土喷浆车进场进行初喷，混凝土喷浆车出场；第二步，施工人员站在简易的台架上对初喷砼面进行锚杆孔位的测量和标注后，人工操作锚杆钻机在初喷砼面上钻孔并注浆以固定锚杆；第三步，拱架机进场，拱架机配合多人协同工作将安装好的钢拱架固定在初喷砼面的安装位置，拱架机出场；第四步，施工人员在台架上对钢拱架与锚杆进行焊接；第五步，混凝土喷浆车进场进行复喷。

传统新奥法施工技术的核心是最大限度地发挥围岩的自承能力，减小围岩的扰动和卸载位移，保护围岩原始强度。因此要求必须在开挖后及时喷射混凝土形成喷射砼，初期柔性支护越及时，施作时间越短，围岩的自承状态就越稳定。实际施工过程中，由于复喷之前，锚杆、钢筋网和钢拱架很难与初喷喷射砼形成有效的柔性支护，因此施工初期主要依靠初喷形成的喷射砼约束围岩的变形。初喷喷射砼厚度较小，承载力有限，且初喷和复喷之间时间间隔较长，因此，在初喷喷射砼应力较大处难免会发生围岩的局部变形，造成松弛卸载问题。另一方面，由于施工场地的空间限制，联合施工的设备需要频繁进出场，且需要进行大量的人员调度，这无疑会进一步推迟形成柔性支护的时间，并增加施工成本。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对现有初期支护方法初喷和复喷间隔较长，不能及时形成柔性支护的问题，以及设备进出场和人员调度拖慢施工进度的问题，本发明提供一种隧道初期支护快速施工方法及基于拱喷台车的隧道初期支护快速施工方法，隧道初期支护快速施工方法缩短初喷和复喷的时间间隔，在施工中期及时形成柔性支护；基于拱喷台车的隧道初期支护快速施工方法在及时形成柔性支护的基础上，节省设备进出场和人员调度时间，从而实现早支护，防止围岩过度变形，并节省施工成本。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明公开的一种隧道初期支护快速施工方法，包括以下步骤：

s1开挖步骤：隧道掘进并形成隧道断面，隧道断面大致呈拱形；

s2初喷步骤：初喷混凝土，以使隧道断面上形成初喷层；

s3立拱步骤：在初喷层上安装并固定钢拱架；

s4联网步骤：在钢拱架上挂设钢筋网，钢筋网覆盖初喷层；

s5复喷步骤：复喷混凝土并形成复喷层，复喷层覆盖初喷层、钢拱架和钢筋网，且复喷层、拱架、钢筋网和初喷层结合形成早支护层；

s6锚杆步骤：在早支护层上安设锚杆，锚杆穿过早支护层并固定在隧道断面的围岩中，形成围岩结合早支护层、锚杆的联合承载拱。

进一步地，所述s2初喷步骤的施工时间为0.5-1h；所述s2初喷步骤中，混凝土按照拱脚至拱顶的顺序喷射在隧道断面上以形成覆盖隧道断面的初喷层；混凝土的喷射角度为垂直于隧道断面；喷射距离为0.5-1.5m，初喷层厚度为3-5cm。

进一步地，所述s3立拱步骤的施工时间为1-3h；所述s3立拱步骤具体包括：

b1：钢拱架包括多榀拱架段，多榀拱架段通过设备举升至预定高度，多榀拱架段顺次首尾相接以形成拱形结构，多榀拱架段精确定位直至拱形结构的外拱与初喷层内拱相当；

b2：每榀拱架段之间固定连接以形成钢拱架，将钢拱架固定在初喷层上。

进一步地，所述s4联网步骤的施工时间为1.5-2h；所述s4联网步骤具体包括：在钢拱架外拱上挂设钢筋网片，将钢筋网片焊接在钢拱架上，相邻钢筋网片间焊接连接以形成钢筋网。

进一步地，所述s5复喷步骤的施工时间为3-5h；所述s5复喷步骤包括多次连续施作的单层混凝土喷射；单层混凝土按照由两侧拱脚向拱顶的顺序喷射在初喷层、钢拱架和钢筋网上，单层混凝土厚度为5-10cm，喷射距离为0.5-1.5m，喷射角度为垂直于隧道断面，连续施作多次单层混凝土喷射直至复喷层达到预定厚度。

进一步地，所述s6锚杆步骤的施工时间为3-4h；所述s6锚杆步骤具体包括：

e1：在早支护层表面标示锚杆位置并钻孔；

e2：在孔位中打入锚杆并使锚杆固定在孔位中。

常规初期支护施工方法总用时在17-20h左右，即开挖17-20h后形成结合初喷层、锚杆、钢筋网、钢拱架和复喷层的联合支护层，在复喷层终凝以前，钢拱架、钢筋网和锚杆对围岩的限制作用有限，主要依靠初喷层限制围岩变形，围岩由于得不到有效支撑而持续变形，无法尽早进入稳定的自承状态。在本发明的隧道初期支护快速施工方法中，s2初喷步骤至s5复喷步骤的施工时间最快缩短至6-11h，即最快在开挖6-11h内形成结合初喷层、钢拱架、钢筋网和复喷层的早支护层，将围岩的变形控制在最小范围内，使围岩在短时间内进入稳定的自承状态。

根据本发明公开的一种基于拱喷台车的隧道初期支护快速施工方法，拱喷台车上安装有混凝土喷射臂和两个拱架安装臂，混凝土喷射臂前端设置有喷射装置，喷射装置与泵送系统连通；拱架安装臂前端设置有抓取机构；混凝土喷射臂和拱架安装臂前端均设置有吊篮；施工方法包括以下步骤：

步骤ⅰ：混凝土喷射臂带动喷射装置对准隧道断面并沿隧道断面喷射混凝土，以使隧道断面上形成初喷层；

步骤ⅱ：两个拱架安装臂的抓取机构分别抓取左拱架段和右拱架段并带动其抬升、回转，抓取机构调节角度并精确定位以使左拱架段和右拱架段形成拱形结构，拱形结构与初喷层的内拱相当；混凝土喷射臂带动吊篮抬升，混凝土喷射臂和拱架安装臂吊篮中施工人员对左拱架段和右拱架段进行连接以形成钢拱架，并将钢拱架固定在初喷层上；

步骤ⅲ：混凝土喷射臂和两个拱架安装臂带动吊篮沿钢拱架移动，以使吊篮上的施工人员在钢拱架外拱上挂设钢筋网；

步骤ⅳ：混凝土喷射臂带动喷射装置对准初喷层并沿初喷层复喷混凝土，复喷层覆盖初喷层、钢拱架和钢筋网，且复喷层与初喷层、钢筋网、钢拱架结合形成早支护层；

步骤ⅴ：混凝土喷射臂和两个拱架安装臂带动吊篮沿早支护层移动，以使吊篮上的施工人员在早支护层上安设锚杆；锚杆穿过早支护层并固定在隧道断面中，形成隧道断面结合早支护层、锚杆的联合承载拱。

进一步地，所述步骤ⅱ具体包括：

ⅱ-1：两个拱架安装臂的抓取机构分别抓取左拱架段和右拱架段，通过两个拱架安装臂的俯仰和回转运动使左拱架段和右拱架段的上端大致对准；两个抓取机构带动左拱架段和右拱架段微调并使其上端精确对准，左拱架段和右拱架段形成对应初喷层内拱的拱形结构，两个拱架安装臂使左拱架段和右拱架段上端保持精确对准状态；

ⅱ-2：混凝土喷射臂带动吊篮抬升并对准左拱架段和右拱架段的连接处，以使施工人员对左拱架段和右拱架段进行连接；混凝土喷射臂带动吊篮沿钢拱架的拱顶部移动，以使施工人员将拱顶部固定在初喷层上；

ⅱ-3：两个拱架安装臂分别带动吊篮沿钢拱架的左拱段部和右拱段部移动，以使施工人员将左拱段部和右拱段部固定在初喷层上。

进一步地，混凝土喷射臂与吊篮可拆卸地连接；所述步骤ⅰ和步骤ⅳ中，混凝土喷射臂与吊篮拆卸分离；所述步骤ⅱ、步骤ⅲ和步骤ⅴ中，混凝土喷射臂与吊篮对位装配。

进一步地，步骤ⅰ施工时间为0.5-1h，初喷层终凝后实施步骤ⅱ；步骤ⅱ施工时间为1-3h；步骤ⅲ施工时间为1.5-2h；步骤ⅳ施工时间为3-5h，复喷层终凝后实施步骤ⅴ；步骤ⅴ施工时间为3-4h。

本发明利用拱喷台车的结构和功能特点压缩整体施工时长和早支护层的形成时间，提高施工效率和效果。除施工方法的差异外，限制常规隧道支护施工速度和效果的主要因素是设备进出场和人员调度。常规隧道支护施工采用多设备联合施工，每台设备配备专门的操作人员，因此，设备进出场时间和人员调度时间需要消耗2-4h左右。本发明的基于拱喷台车的隧道初期支护快速施工方法使用拱喷台车进行连续的初喷-立拱-联网-复喷作业，工序之间无需预留设备进出场时间和人员调度时间，且施工人员相比常规方法可减少4-5人，人工成本低，施工时间短。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的隧道初期支护快速施工方法缩短初喷至复喷的时间间隔，通过连续施作初喷、立拱、联网和复喷，在初期支护的中期形成早支护层，使围岩快速稳定在自承状态中，限制围岩进一步形变；

2、本发明的基于拱喷台车的隧道初期支护快速施工方法，利用拱喷台车可连续进行初喷-立拱-联网-复喷作业的特点，无需预留设备进出场和人员调度的时间，形成早支护层的时间更短；与常规初期支护方法相比，基于拱喷台车的隧道初期支护快速施工方法的施工时间可缩短15-30％。

附图说明

图1和图2是本发明实施例2中拱喷台车喷射混凝土时的示意图；

图3和图4是本发明实施例2中拱喷台车立拱时的示意图；

图中标记：1-混凝土喷射臂；2-拱架安装臂；3-喷射装置；4-抓取机构；5-泵送系统；6-电焊机；7-喷浆臂吊篮；8-立拱臂吊篮。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

根据本实施例公开的隧道初期支护快速施工方法包括以下步骤：

s1开挖步骤：隧道掘进并形成隧道断面，隧道断面大致呈拱形；

s2初喷步骤：初喷混凝土，以使隧道断面上形成初喷层；

s3立拱步骤：在初喷层上安装并固定钢拱架；

s4联网步骤：在钢拱架上挂设钢筋网，钢筋网覆盖初喷层；

s5复喷步骤：复喷混凝土并形成复喷层，复喷层覆盖初喷层、钢拱架和钢筋网，且复喷层、拱架、钢筋网和初喷层结合形成早支护层；

s6锚杆步骤：在早支护层上安设锚杆，锚杆穿过早支护层并固定在隧道断面的围岩中，形成围岩结合早支护层、锚杆的联合承载拱。

本实施例中，s2初喷步骤的施工时间为0.5-1h；s2初喷步骤中，混凝土按照拱脚至拱顶的顺序喷射在隧道断面上以形成覆盖隧道断面的初喷层；混凝土的喷射角度为垂直于隧道断面；喷射距离为0.5-1.5m，初喷层厚度为3-5cm。

本实施例中，s3立拱步骤的施工时间为1-3h；s3立拱步骤进一步包括：

b1：钢拱架包括多榀拱架段，多榀拱架段通过设备举升至预定高度，多榀拱架段顺次首尾相接以形成拱形结构，多榀拱架段精确定位直至拱形结构的外拱与初喷层内拱相当；

b2：每榀拱架段之间固定连接以形成钢拱架，将钢拱架固定在初喷层上，且初喷层与钢拱架间存在间隙。

本实施例中，s4联网步骤的施工时间为1.5-2h；s4联网步骤进一步包括：在钢拱架外拱上挂设钢筋网片，将钢筋网片焊接在钢拱架上，相邻钢筋网片间焊接连接以形成钢筋网。

本实施例中，s5复喷步骤的施工时间为3-5h；s5复喷步骤包括多次连续施作的单层混凝土喷射；单层混凝土按照由两侧拱脚向拱顶的顺序喷射在初喷层、钢拱架和钢筋网上，单层混凝土厚度为5-10cm，喷射距离为0.5-1.5m，喷射角度为垂直于隧道断面，连续施作多次单层混凝土喷射直至复喷层达到预定厚度。

本实施例中，s6锚杆步骤的施工时间为3-4h；s6锚杆步骤具体包括：

e1：在早支护层表面标示锚杆位置并钻孔；

e2：在孔位中打入锚杆并使锚杆固定在孔位中。

实施例2

根据实施例公开的一种基于拱喷台车的隧道初期支护快速施工方法，如图1和图2所示，应用该施工方法的拱喷台车上安装有混凝土喷射臂1和两个拱架安装臂2，混凝土喷射臂1前端设置有喷射装置3，喷射装置3与泵送系统5连通；拱架安装臂2前端设置有抓取机构4；混凝土喷射臂1和拱架安装臂2前端均设置有吊篮，其中混凝土喷射臂1前端安装喷浆臂吊篮7，拱架安装臂2前端安装立拱臂吊篮8；施工方法包括以下步骤：

步骤ⅰ：混凝土喷射臂1带动喷射装置3对准隧道断面并沿隧道断面喷射混凝土，以使隧道断面上形成初喷层；

步骤ⅱ：两个拱架安装臂2的抓取机构4分别抓取左拱架段和右拱架段并带动其抬升、回转，抓取机构4调节角度并精确定位以使左拱架段和右拱架段形成拱形结构，拱形结构与初喷层内拱相当；混凝土喷射臂1带动喷浆臂吊篮7抬升，喷浆臂吊篮7和拱架安装臂2吊篮中的施工人员对左拱架段和右拱架段进行连接以形成钢拱架，并将钢拱架固定在初喷层上；

步骤ⅲ：混凝土喷射臂1和两个拱架安装臂2带动吊篮沿钢拱架移动，以使吊篮上的施工人员在钢拱架外拱上挂设钢筋网；

步骤ⅳ：混凝土喷射臂1带动喷射装置3对准隧道断面并沿隧道断面复喷混凝土，复喷层覆盖初喷层、钢拱架和钢筋网，且复喷层与初喷层、钢筋网、钢拱架结合形成早支护层；

步骤ⅴ：混凝土喷射臂1和两个拱架安装臂2带动吊篮沿早支护层移动，以使吊篮上的施工人员在早支护层上安设锚杆；锚杆穿过早支护层并固定在隧道断面中，形成隧道断面结合早支护层、锚杆的联合承载拱。

本实施例中，步骤ⅰ施工时间为0.5-1h，初喷层终凝后实施步骤ⅱ；步骤ⅱ施工时间为1-3h；步骤ⅲ施工时间为1.5-2h；步骤ⅳ施工时间为3-5h，复喷层终凝后实施步骤ⅴ；步骤ⅴ施工时间为3-4h。

本实施例中，如图1和图2所示，步骤ⅰ中，两个拱架安装臂2为收回状态，混凝土喷射臂1为伸出状态；如图3和图4所示，步骤ⅳ中，两个拱架安装臂2为收回状态，混凝土喷射臂1为伸出状态。

本实施例中，步骤ⅱ具体包括：

ⅱ-1：两个拱架安装臂2的抓取机构4分别抓取左拱架段和右拱架段，通过两个拱架安装臂2的俯仰和回转运动使左拱架段和右拱架段的上端大致对准；两个抓取机构4带动左拱架段和右拱架段微调并使其上端精确对准，使左拱架段和右拱架段形成对应初喷层内拱的拱形结构，两个拱架安装臂2使左拱架段和右拱架段上端保持精确对准状态；

ⅱ-2：混凝土喷射臂1带动喷浆臂吊篮7抬升并对准左拱架段和右拱架段的连接处，喷浆臂吊篮7中的施工人员对左拱架段和右拱架段进行连接，形成对应初喷层内拱的钢拱架；

ⅱ-3：混凝土喷射臂1带动立拱臂吊篮8沿钢拱架的拱顶部移动，以使施工人员将拱顶部固定在初喷层上；两个拱架安装臂2分别带动吊篮沿钢拱架的左拱段部和右拱段部移动，以使施工人员将左拱段部和右拱段部固定在初喷层上。

本实施例中，步骤ⅲ具体包括：

混凝土喷射臂1带动喷浆臂吊篮7沿钢拱架的拱顶部移动，喷浆臂吊篮7中的施工人员在拱顶部的外拱侧挂设钢筋网片；

两个拱架安装臂2分别带动立拱臂吊篮8沿钢拱架的左拱段部和右拱段部移动，立拱臂吊篮8中的施工人员分别在左拱段部、右拱段部外拱侧挂设钢筋网片；

混凝土喷射臂1和拱架安装臂2沿钢拱架移动，喷浆臂吊篮7和立拱臂吊篮8中的施工人员使用拱喷台车上设置的电焊机6将钢筋网片焊接在钢拱架外拱上，相邻钢筋网片之间焊接连接以形成钢筋网。

其中，步骤ⅲ中，相邻钢筋网片叠压设置。

本实施例中，步骤ⅴ具体包括：

ⅴ-1：混凝土喷射臂1带动喷浆臂吊篮7沿早支护层的拱顶段移动，喷浆臂吊篮7中的施工人员在早支护层的拱顶段标示锚杆位置并钻孔；两个拱架安装臂2分别带动立拱臂吊篮8沿早支护层的左拱段和右拱段移动，立拱臂吊篮8中的施工人员在早支护层的左拱段和右拱段标示锚杆位置并钻孔；

ⅴ-2：混凝土喷射臂1带动喷浆臂吊篮7沿早支护层的拱顶段移动，喷浆臂吊篮7中的施工人员在拱顶段孔位中安设锚杆并注浆固定；两个拱架安装臂2分别带动立拱臂吊篮8沿早支护层的左拱段和右拱段移动，立拱臂吊篮8中的施工人员在左拱段和右拱段的孔位中安设锚杆并注浆固定。

本实施例中，混凝土喷射臂1与吊篮可拆卸地连接；步骤ⅰ和步骤ⅳ中，混凝土喷射臂1与吊篮拆卸分离；步骤ⅱ、步骤ⅲ和步骤ⅴ中，混凝土喷射臂1与吊篮安装连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。