CN104453930A - 一种隧道预衬砌施工设备及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道预衬砌施工设备及施工方法。所述施工设备包括掘进灌注装置和拱形机架，掘进灌注装置包括切削钻头、收土仓、螺旋钻具、螺旋出土仓、动力输出轴、动力输出轴仓、混凝土灌注管、动力头、混凝土灌入量测量装置、混凝土压力测量装置、地层超前探测装置以及机壳等；所述施工方法包括设备安装、掘进成槽、灌注混凝土、置入型钢或钢筋，混凝土预制件咬合等步骤。本发明解决了预衬砌施工方法中存在的相邻混凝土预制件咬合，槽口混凝土封堵，混凝土预制件抗剪性能及相邻预衬砌结构搭接等问题。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工领域，尤其涉及一种隧道预衬砌施工设备及施工方法。
背景技术
随着交通建设的迅速发展和人民生活水平的提高，对隧道施工的安全、质量、进度要求越来越高，而且我国的劳动力资源也日趋紧张，因此隧道的机械化施工成为必然趋势。
隧道预衬砌可以保证隧道开挖的安全，且隧道开挖结束后，衬砌结构可作为隧道结构的一部分，节约了材料，避免人力物力浪费，同时，其有利于实现隧道全断面开挖，提高隧道建设的机械化施工，因此成为行业关注的焦点，但该方法需要相配套的设备，国外其配套的施工设备一直没有同盾构机一样成型，因此也没有推广到我国。国内的铁道科学研究院进行了相关初步实验。铁建重工开发出了类似设备并在宝兰线隧道附近进行了实验但没有取得成功。CN103104265A公开了一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法及衬砌设备，该方法采用微型盾构的方式在隧道拱部形成多个纵向的混凝土块并在横向搭接从而连接成拱形衬砌结构。克服了传统预切槽设备结构复杂且不能封水保压的缺陷。但是该方法无法实现预衬砌结构中相邻混凝土片的有效搭接，在一定程度上降低了预衬砌结构的承载能力，同时可能会发生漏水漏砂等，降低了施工安全系数。混凝土灌注时无法及时监测槽体混凝土填充状态，无法确保混凝土的灌注效果，而且以一定上仰角掘进成槽时会形成一定的施工盲区，无法保证相邻预衬砌拱的有效搭接，存在一定的安全隐患，另外，当预衬砌拱承重较大时，其抗剪性能不一定能够满足安全要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目在于提供一种隧道预衬砌施工设备及施工方法，以实现衬砌装置的快速定位、行走灵活、场地适用性强，并解决现有预衬砌方法存在的预衬砌混凝土预制件无法有效咬合、预衬砌拱无法有效搭接、预衬砌拱抗拉强度低、混凝土灌注无法及时监测槽体混凝土填充状态、无法确保混凝土预制件的结构均匀性以及掘进前方地层情况不明等问题。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种隧道预衬砌施工设备，包括掘进灌注装置和拱形机架；所述掘进灌注装置安装于所述拱形机架上；所述掘进灌注装置包括掘进仓体和仓体给进架；所述掘进仓体包括中心钻头、收土仓、螺旋钻具、螺旋出土仓、动力输出轴、动力输出轴仓、混凝土灌注管、动力头、混凝土灌入量测量装置、混凝土压力测量装置、地层超前探测装置以及机壳；所述螺旋钻具包括螺旋钻头与螺旋钻杆，螺旋钻杆位于所述螺旋出土仓中，所述动力输出轴位于所述动力输出轴仓中；所述拱形机架包括前拱架、后拱架、前后拱架连杆、拱架支撑系统、掘进灌注装置就位系统、拱架支腿、支腿底座以及拱架行走系统。
作为优选，所述螺旋钻头与中心钻头位于掘进仓体前端，中心钻头和螺旋钻头切屑土体后使土体进入螺旋出土仓并排出；所述混凝土灌注管设置于掘进仓体顶部，嵌插于机壳中，可根据需要进行拆卸和组装，混凝土通过混凝土泵泵送至混凝土灌注管并进入槽体。
作为优选，每个所述的拱架支腿包括一个升降油缸和两个移动油缸；所述升降油缸负责拱架的升降，所述移动油缸负责拱架前后移动时支腿的伸缩。
作为优选，所述支腿底座含有两个行走轮；所述拱架行走系统包括导轨和行走油缸；所述支腿底座置于导轨上。进行下一循环作业时，拱形架的移动通过拱形架支腿和行走系统完成，根据隧道轮廓线位置，适当调整拱形架支腿升降油缸调整拱形架高度，当拱形架前移时，通过控制移动油缸收起拱架支腿，行走油缸驱动拱架移动，当移动至前端拱架无有效行走距离时，通过控制移动油缸使支腿着地，给予拱架足够的支撑力，行走油缸收缩驱动轨道前移，如此反复操作实现拱架前行走。
一种隧道预衬砌施工方法，依次包括如下步骤：
步骤一：对施工设备进行安装调试，并根据预衬砌施工工位进行设备定位；
步骤二：启动设备，掘进灌注装置以一定的上仰角掘进成槽至设计深度，边缘工位施工时，分两次掘进成槽，一是对边缘工位掘进，二是对因上仰角产生的盲区进行掘进；
步骤三：边回退掘进灌注装置边灌注混凝土，掘进灌注装置回退至距槽口1米左右时，通过动力输出轴仓泵送速凝剂并同混凝土搅拌混合，直至混凝土灌入至槽口，以及时封堵槽口；为提高衬砌拱的抗剪强度，在灌注的混凝土中设置加强构件，所述加强构件为型钢或钢筋；当所述加强构件为型钢时，型钢采用顶进设备在混凝土初凝前振动顶进；当加强构件为钢筋时，在灌注混凝土前，将钢筋置于螺旋出土仓中，在混凝土灌注时，逐步将钢筋置入到混凝土中；
步骤四：进行下一工位的施工，相邻工位混凝土预制件通过咬合工艺实现咬合；所述咬合工艺有两种：一种是掘进成槽时在掘进灌注装置收土仓一侧或两侧安装刀口，掘进灌注装置前进时可对相邻工位的混凝土进行切割，产生一定形状的咬合槽，相邻工位预制件通过咬合槽咬合；另一种是在相邻施工工位混凝土灌注完毕后，在相邻工位的混凝土预制件之间打入型钢，实现相邻工位混凝土预制件咬合；
步骤五：沿拱形机架环向施作多个混凝土预制件后，环向预制件组成一弧形拱壳，即预衬砌结构；
步骤六：在步骤五施工完成的预衬砌结构下进行隧道开挖，开挖深度要小于步骤五中所述弧形拱壳的长度，保留一定长度的拱壳以便与下一循环预衬砌结构有效搭接；
步骤七：以步骤六开挖结束位置作为新的掌子面，重复步骤一至六，直至全部预衬砌施工完成。
作为优选，所述步骤二掘进深度为2-20m,掘进成槽的同时利用地层超前探测装置监测掘进前方地层地质情况.
作为优选，所述步骤三灌注混凝土时，利用混凝土灌入量测量装置和混凝土压力测量装置分别记录混凝土灌入量和灌入压力，以确保混凝土充分填充槽体，保证混凝土预制件结构的浇筑效果。
作为优选，所述步骤五中，多个混凝土预制件的施工顺序为沿施工轮廓线一侧底部向另一侧依次施工，或者间隔施工。
作为优选，所述步骤六中，拱壳的预留搭接长度为1-2米。
所述隧道预衬砌施工方法可以采用前述的隧道预衬砌施工设备或其它类施工设备。
本发明的有益效果：（1）成功实现了相邻工位混凝土预制件的有效搭接；（2）边缘工位的二次掘进，避免了产生施工盲区；（3）通过在混凝土中加型钢或钢筋，提高了预衬砌拱的抗剪性能，进一步提高了预衬砌结构的安全系数；（4）通过安装混凝土灌入量压力监测装置，确保了混凝土充分填充槽体保证了混凝土的灌注效果及所形成的混凝土预制件的结构均匀性；（5）通过安装地层超前探测装置，能随时观测掘进过程前方地层状况；（6）拱形机架灵活性高，场地适用性强。可以实现拱架的上下和前后移动，使得其能根据场地需求适当调整位置，同时可实现掘进灌注装置的快速定位；（7）整台设备机械化程度较高，也可以实现多台掘进机同架施工，提高了施工工效和水平。
附图说明
图1.1是隧道预衬砌掘进灌注装置安装于拱形机架的主视结构图；
图1.2是图1.1中L的大样图；
图2是隧道预衬砌掘进灌注装置安装于拱形机架的侧视结构示意图；
图3是预衬砌掘进灌注装置内部构造图；
图4.1是衬砌结构相邻混凝土预制件通过咬合槽进行咬合示意图；
图4.2是图4.1中M的大样图；
图5.1是衬砌结构相邻混凝土预制件通过咬合打入型钢进行咬合示意图；
图5.2是图5.1中N的大样图；
图6是边缘工位侧视图；
图7是加筋效果图；
图8是弧形拱壳即预衬砌结构示意图。
图中，A、衬砌设备掘进灌注装置；B、拱形机架； 1、掘进仓体；1.1、收土仓；1.2、 螺旋出土仓 ；1.3、螺旋钻具；1.3.1 、螺旋钻头；1.3.2、螺旋钻杆；1.4、输出轴；1.5、输出轴仓；1.6、中心钻头；1.7、混凝土灌注管；1.8、预留管道；1.9、动力头；2、仓体给进架；3、前拱架；4、后拱架；5、前后拱架连杆；6、拱架支撑系统；7、掘进灌注装置就位系统；7.1、定位槽；8、拱架支腿；8.1、升降油缸；8.2、移动油缸；9、支腿底座；9.1、行走轮；10、拱架行走系统；10.1、导轨；10.2、行走油缸；11咬合槽；12、型钢；13、边缘工位槽；14、施工盲区；15、钢筋。
具体实施方式
参见图1.1、图1.2、图2、图3，一种隧道预衬砌施工设备，包括掘进灌注装置A和拱形机架B；所述掘进灌注装置A安装于所述拱形机架B上；所述掘进灌注装置A包括掘进仓体1和仓体给进架2；所述掘进仓体1包括中心钻头1.6、收土仓1.1、螺旋钻具1.3、螺旋出土仓1.2、动力输出轴1.4、动力输出轴仓1.5、混凝土灌注管1.7、动力头1.9、混凝土灌入量测量装置、混凝土压力测量装置、地层超前探测装置、以及机壳；所述螺旋钻具1.3包括螺旋钻头1.3.1与螺旋钻杆1.3.2，螺旋钻杆1.3.2位于所述螺旋出土仓1.2中，所述动力输出轴1.4位于所述动力输出轴仓1.5中；所述拱形机架B包括前拱架3、后拱架4、前后拱架连杆5、拱架支撑系统6、掘进灌注装置就位系统7、拱架支腿8、支腿底座9以及拱架行走系统10。
所述螺旋钻头1.3.1与中心钻头1.6位于掘进仓体1前端，中心钻头1.6和螺旋钻头1.3.1切屑土体后使土体进入螺旋出土仓1.2并排出；所述混凝土灌注管1.7设置于掘进仓体1顶部，嵌插于机壳中，可根据需要进行拆卸和组装，混凝土通过混凝土泵泵送至混凝土灌注管1.7并进入槽体。
每个所述的拱架支腿8包括一个升降油缸8.1和两个移动油缸8.2；所述升降油缸8.1负责拱架的升降，所述移动油缸8.2负责拱架前后移动时支腿的伸缩。
所述支腿底座9含有两个行走轮9.1；所述拱架行走系统10包括导轨10.1和行走油缸10.2；所述支腿底座9置于导轨10.1上。
参见图4-8，一种隧道预衬砌施工方法，依次包括如下步骤：
步骤一：对施工设备进行安装调试，并根据预衬砌施工工位进行设备定位；
步骤二：启动设备，掘进灌注装置以一定的上仰角掘进成槽至设计深度，边缘工位施工时，为了避免因上仰角产生施工盲区（参见图6），分两次掘进成槽，一是对边缘工位掘进，二是对因上仰角产生的盲区进行掘进；
步骤三：边回退掘进灌注装置边灌注混凝土，掘进灌注装置回退至距槽口1米左右时，通过动力输出轴仓泵送速凝剂并同混凝土搅拌混合，直至混凝土灌入至槽口，以及时封堵槽口；为提高衬砌拱的抗剪强度，在灌注的混凝土中设置加强构件，所述加强构件为型钢或钢筋；当所述加强构件为型钢时，型钢采用顶进设备在混凝土初凝前振动顶进；当加强构件为钢筋时，在灌注混凝土前，将钢筋置于螺旋出土仓中，在混凝土灌注时，逐步将钢筋15置入到混凝土中（加筋效果见图7）；
步骤四：进行下一工位的施工，相邻工位混凝土预制件通过咬合工艺实现咬合；所述咬合工艺有两种：一种是掘进成槽时在掘进灌注装置收土仓一侧或两侧安装刀口，掘进灌注装置前进时可对相邻工位的混凝土进行切割，产生一定形状的咬合槽11，相邻工位预制件通过咬合槽11咬合（参见图4.1、图4.2）；另一种是在相邻施工工位混凝土灌注完毕后，在相邻工位的混凝土预制件之间打入型钢12，实现相邻工位混凝土预制件咬合(参见图5.1、图5.2)；
步骤五：沿拱形机架环向施作多个混凝土预制件后，环向预制件组成一弧形拱壳，即预衬砌结构；
步骤六：在步骤五施工完成的预衬砌结构下进行隧道开挖，开挖深度要小于步骤五中所述弧形拱壳的长度，保留一定长度的拱壳以便与下一循环预衬砌结构有效搭接；
步骤七：以步骤六开挖结束位置作为新的掌子面，重复步骤一至六，直至全部预衬砌施工完成。
所述步骤二掘进深度为2-20m,掘进成槽的同时利用地层超前探测装置监测掘进前方地层地质情况.
所述步骤三灌注混凝土时，利用混凝土灌入量测量装置和混凝土压力测量装置分别记录混凝土灌入量和灌入压力，以确保混凝土充分填充槽体，保证混凝土预制件结构的浇筑效果。
所述步骤五中，施工顺序采用由预衬砌轮廓线左侧向右 依次相间工位施工，再从右侧向左进行成槽搭接。
所述步骤六中，拱壳的预留搭接长度为1-2米。
所述隧道预衬砌施工方法采用前述的隧道预衬砌施工设备。
使用本发明的方法施工完成后，即形成一隧道预衬砌拱（参加图8），所述预衬砌拱由若干个混凝土预制件紧密固结搭接成，混凝土预制件的长度为2-20m,宽度 0.5-2m,厚度为0.2-0.8m,通过加筋以及相邻预制件的咬合，提高了预衬砌拱的抗拉强度，边缘工位的2次掘进避免了产生施工盲区，保证了与下一循环预衬砌拱的有效拼接，拼接长度为1-2米。同时通过安装混凝土灌入量压力监测装置，保证了混凝土能够充分填充槽体，实现了预衬砌拱的结构均一性，另外在掘进过程中，地质超前探测装置可对掘进前方地层实时监测，可根据监测情况及时调整掘进参数，保证施工顺利有效的进行。
Claims (9)
1.一种隧道预衬砌施工设备，其特征在于：包括掘进灌注装置(A)和拱形机架(B)；所述掘进灌注装置(A)安装于所述拱形机架(B)上；所述掘进灌注装置(A)包括掘进仓体(1)和仓体给进架(2)；所述掘进仓体(1)包括切削钻头(1.6)、收土仓(1.1)、螺旋钻具(1.3)、螺旋出土仓(1.2)、动力输出轴(1.4)、动力输出轴仓(1.5)、混凝土灌注管(1.7)、动力头(1.9)、混凝土灌入量测量装置、混凝土压力测量装置、地层超前探测装置以及机壳；所述螺旋钻具(1.3)包括螺旋钻头(1.3.1)与螺旋钻杆(1.3.2)，螺旋钻杆(1.3.2)位于所述螺旋出土仓(1.2)中，所述动力输出轴(1.4)位于所述动力输出轴仓(1.5)中；所述拱形机架(B)包括前拱架(3)、后拱架(4)、前后拱架连杆(5)、拱架支撑系统(6)、掘进灌注装置就位系统(7)、拱架支腿(8)、支腿底座(9)以及拱架行走系统(10)。
2.根据权利要求1所述的隧道预衬砌施工设备，其特征在于所述螺旋钻头(1.3.1)与中心钻头(1.6)位于掘进仓体(1)前端，中心钻头(1.6)和螺旋钻头(1.3.1)切屑土体后使土体进入螺旋出土仓(1.2)并排出；所述混凝土灌注管(1.7)设置于掘进仓体(1)顶部，嵌插于机壳中，可根据需要进行拆卸和组装，混凝土通过混凝土泵泵送至混凝土灌注管(1.7)并进入槽体。
3.根据权利要求1所述的隧道预衬砌施工设备，其特征在于：每个所述的拱架支腿(8)包括一个升降油缸(8.1)和两个移动油缸(8.2)；所述升降油缸(8.1)负责拱架的升降，所述移动油缸(8.2)负责拱架前后移动时支腿的伸缩。
4.根据权利要求1所述的隧道预衬砌施工设备，其特征在于：所述支腿底座(9)含有两个行走轮(9.1)；所述拱架行走系统(10)包括导轨(10.1)和行走油缸(10.2)；所述支腿底座(9)置于导轨(10.1)上。
5.一种隧道预衬砌施工方法，其特征在于依次包括如下步骤：
步骤一：对施工设备进行安装调试，并根据预衬砌施工工位进行设备定位；
步骤二：启动设备，掘进灌注装置以一定的上仰角掘进成槽至设计深度，边缘工位施工时，分两次掘进成槽，一是对边缘工位掘进，二是对因上仰角产生的盲区进行掘进；
步骤三：边回退掘进灌注装置边灌注混凝土，掘进灌注装置回退至距槽口1米左右时，通过动力输出轴仓泵送速凝剂并同混凝土搅拌混合，直至混凝土灌入至槽口，以及时封堵槽口；为提高衬砌拱的抗剪强度，在灌注的混凝土中设置加强构件，所述加强构件为型钢或钢筋；当所述加强构件为型钢时，型钢采用顶进设备在混凝土初凝前振动顶进；当加强构件为钢筋时，在灌注混凝土前，将钢筋置于螺旋出土仓中，在混凝土灌注时，逐步将钢筋置入到混凝土中；
步骤四：进行下一工位的施工，相邻工位混凝土预制件通过咬合工艺实现咬合；所述咬合工艺有两种：一种是掘进成槽时在掘进灌注装置收土仓一侧或两侧安装刀口，掘进灌注装置前进时可对相邻工位的混凝土进行切割，产生一定形状的咬合槽，相邻工位预制件通过咬合槽咬合；另一种是在相邻施工工位混凝土灌注完毕后，在相邻工位的混凝土预制件之间打入型钢，实现相邻工位混凝土预制件咬合；
步骤五：沿拱形机架环向施作多个混凝土预制件后，环向预制件组成一弧形拱壳，即预衬砌结构；
步骤六：在步骤五施工完成的预衬砌结构下进行隧道开挖，开挖深度要小于步骤五中所述弧形拱壳的长度，保留一定长度的拱壳以便与下一循环预衬砌结构有效搭接；
步骤七：以步骤六开挖结束位置作为新的掌子面，重复步骤一至六，直至全部预衬砌施工完成。
6.根据权利要求5所述的隧道预衬砌施工方法，其特征在于，所述步骤二掘进深度为2-20m,掘进成槽的同时利用地层超前探测装置监测掘进前方地层地质情况。
7.根据权利要求5所述的隧道预衬砌施工方法，其特征在于：所述步骤三灌注混凝土时，利用混凝土灌入量测量装置和混凝土压力测量装置分别记录混凝土灌入量和灌入压力，以确保混凝土充分填充槽体，保证混凝土预制件结构的浇筑效果。
8.根据权利要求5所述的隧道预衬砌施工方法，其特征在于：所述步骤五中，多个混凝土预制件的施工顺序为沿施工轮廓线一侧底部向另一侧依次施工，或者间隔施工。
9.根据权利要求5所述的隧道预衬砌施工方法，其特征在于：所述步骤六中，拱壳的预留搭接长度为1-2米。
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