CN108119165B - 地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法，在隧道外对单节拱架进行混凝土预灌注，将装配式节点与拱架进行精确焊接，进行拱架试拼装，并折叠形成装配式拱架，吊运至隧道掌子面后利用拱架安装设备对拱架进行架设，连接纵向定位装置，使用激光定位仪和拱架升降装置对整榀拱架进行精确定位，利用激光测距装置进行断面复查，打设锁脚锚杆，然后进行其他工序。本发明解决了约束混凝土拱架预灌注关键技术，实现了整榀拱架的吊运和一次性架设，提高了施工效率，保障了施工安全。

Description

地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法

技术领域

本发明涉及一种适用于地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法。

背景技术

随着隧道交通建设的迅速发展，建设规模逐渐增大，在浅埋、偏压、高应力及断层破碎带等复杂地质条件下隧道建设的重难点工程增多。锚网喷、型钢拱架、格栅钢架等传统支护形式由于强度、刚度不足或支护不及时引发的拱顶冒落、大变形、支护构件破断等安全事故频发。约束混凝土拱架作为一种新型支护形式，具有高强、高刚的承载特性，已经在矿山巷道中得到了广泛的应用，近年来在交通隧道中也逐渐得到推广应用。同时，约束混凝土拱架相比于传统的型钢拱架支护，需向钢管内灌注混凝土，增加了现场施工工序，需对该施工工艺进行优化和改进。

同时，在隧道建设过程中，传统型钢拱架重量大，拱架安装主要靠人力施工，法兰节点拼装工艺复杂，施工困难，劳动强度大、施工效率低。隧道开挖完成到拱架架设期间，极易发生拱顶冒落、掉块等安全事故，易造成人员伤亡。隧道施工亟需一种安全、高效的机械化施工技术，以提高施工效率，保证施工安全。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法。本发明可解决传统支护形式强度不足的问题，同时能够保障施工安全、提高施工效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法，包括以下步骤：步骤1：在隧道外对单节拱架进行混凝土预灌注，灌注密实后进行养护；

步骤2：按照拱架设计轮廓，利用套装装置将各节拱架的端部与装配式节点进行精确焊接，进行拱架试拼装，同时在拱架的设定位置安装纵向定位配套装置；

步骤3：按照拱架安装顺序对各节拱架进行折叠，拱架安装机吊运拱架至隧道掌子面前；

步骤4：利用拱架安装机和辅助安装机对拱架进行架设，在拱架表面连接纵向定位装置，两侧拱脚和拱顶部位设置激光定位仪，拱脚部位设置拱架升降装置；

步骤5：使用激光定位仪和拱架升降装置对整榀拱架进行精确定位后；安装该循环剩余拱架，利用激光测距装置进行断面复查，打设锁脚锚杆；然后进行其他工序。

进一步的，步骤1中所述的对单节拱架进行混凝土灌注，可采取顶部开口顺延灌注或底部开口顶升灌注两种方案。

进一步优选的，所述的顶部开口顺延灌注，是指在单节拱架相对高度较高的端部开设注浆口，采用混凝土输送设备对拱架自上而下进行灌注，并用振捣设备和震动电机对钢管内的混凝土进行实时不间断的压实处理。

进一步优选的，所述的底部开口顶升灌注，是指将单节拱架相对高度较低的端部开设注浆口，并在注浆口处设置特殊连接构造件，通过输送管与混凝土输送设备相连，对每节拱架自下而上进行灌注；同时在相对高度较高的端部设置一至多个排气孔，待排气口均匀流出混凝土表明灌注密实。

进一步的，步骤1中所述的对灌注后的单节拱架进行密实度检测，根据拱架长度和钢管周长，在拱架的径向和环向等间距布设检测点，使用超声波检测仪进行密实度检测，并配合人工敲击法，对于灌注不密实的部位应进行补浆，或者焊设钢板补强。

进一步的优选的，在布置测点时，可先测量钢管实际周长，再将圆周等分，在钢管检测部位画出若干根母线和等间距的环向线，线间距宜为150-300mm；检测时可先作径向对测，在钢管混凝土每一环线上保持发射换能器和接收换能器的连线通过圆心，然后沿环向测试，逐点读取声时、波幅和主频，可得缺陷形状、大小。

进一步的优选的，所述的两种方式对单节拱架进行预灌注，开设的注浆口在注浆完成后需及时进行焊板封堵，并在开口的局部部位进行补强，可采用周边钢板补强和侧弯钢板补强等方式。

进一步的，步骤2中所述的对拱架进行试拼装，采用一种特制的辅助拱架拼接的套装装置，可将装配式节点与单节拱架进行精确焊接，保证拼装后的整榀拱架处于同一平面内。

进一步优选的，所述的套装装置，其主要由平整底座、侧向支撑和反力肋板三部分组成；所述的平整底座的两端设置反力肋板，在平整底座的中间部分设置侧向支撑。进一步的，所述的对单节拱架进行拼接，利用一种自动装配式节点进行连接形成整榀拱架，单节拱架可绕自动装配式节点进行转动和卡合固定，从而实现整榀拱架的折叠和伸展。

进一步的，步骤3中所述的拱架安装机吊运拱架，是指在拱架上设置卡环，利用特制吊绳连接卡环和拱架安装机机械手，将拱架吊装至隧道掌子面前。

所述步骤3中将拱架进行折叠，是指单节拱架在自动装配式节点的连接下形成整榀拱架，单节拱架可绕自动装配式节点进行转动和卡合固定，从而实现整榀拱架的折叠和伸展。

所述的装配式节点包括固定于相邻两节拱架上的装配式连接装置和导向承压连接装置以及连接装配式连接装置和导向承压连接装置的活动销轴；所述装配式连接装置设有多排贯通孔，每排通孔内设置有可拆卸弹簧销；所述的导向承压连接装置两侧设有耳板，耳板上设置有配合弹簧销卡合的圆形轴孔。

所述装配式连接装置设有多排贯通孔，每排通孔内设置有可拆卸弹簧销；可设置两排弹簧销，也可配设三排弹簧销；根据现场实际工程需要，还可将其中一排弹簧销设置成通孔，通过高强螺栓进行连接；

进一步优选的，所述的导向承压连接装置两侧设有耳板，耳板上设置有配合弹簧销卡合的圆形轴孔。

进一步的，步骤4中所述的纵向定位装置，是指于正在架设的拱架表面上安装纵向定位杆，在已架设完成的前一榀拱架表面焊设喇叭口导向装置，喇叭口内设有梅花卡圈，纵向定位杆插入到喇叭口内，与卡圈进行卡合固定，完成两榀拱架之间纵向定位装置的连接。

进一步的，所述的拱架安装机对拱架进行举升，在安装机伸缩臂端部的抓举部件-机械手上焊设一定长度的加强护板，通过加强护板加持拱架进行举升，增大拱架与机械手的接触面积，降低拱顶处的最大应力值，有效保护拱架。

进一步的，步骤4中所述的拱架升降装置，其主要由加肋底座，液压油缸，万向球头和拱架托板构成；所述的液压油缸安装在加肋底座上，液压油缸的动力输出端通过一个万向球头与拱架托板相连；万向球头可实现一定角度的旋转，油缸行程可根据实际工程进行调节。

进一步的，步骤5中所述的使用激光定位仪对拱架架设位置进行校准，是指拱顶和两侧拱脚三点位置的激光定位仪与掌子面对应的标记点进行位置的校准，与纵向定位装置配合，通过调节拱架升降装置实现拱架的精确定位。

进一步的，步骤5中所述的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，利用拱架安装设备和拱脚升降装置进行微调并复测。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出了在隧道工程中采用约束混凝土拱架的新型支护形式，其具有高强、高刚的承载特性，可解决复杂地质条件下高应力、极软岩、断层破碎带等支护难题。

(2)本发明提出了一种对约束混凝土进行预灌注的施工方法，约束混凝土拱架可进行预制，无需在施工环节进行现场注浆，减少现场施工工序。

(3)本发明提出了一种装配式约束混凝土拱架，在自动装配式节点的连接下可实现整榀拱架的折叠和伸展，可使用拱架安装机吊装折叠式拱架至隧道掌子面前，然后举升、伸展各节拱架，从而完成拱架的一次性架设。节省施工时间，大幅降低人力施工强度。

(4)本发明提出了一种机械化安装约束混凝土拱架的施工工艺，研发了拱架安装机和辅助安装机，实现了拱架架设的机械化施工，提高了施工效率，保障了施工安全。

(5)本发明提出了一种对拱架进行精确定位的施工方法，使用激光定位仪对拱架各部位位置进行检测，并辅以在拱脚处设置的拱架升降装置，实现整榀拱架的精确定位。

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为本发明拱架灌注方案示意图(自下而上)；

图2为本发明拱架灌注方案示意图(自上而下)；

图3(a)、图3(b)、图3(c)为本发明混凝土密实度检测方案示意图；

图4为本发明折叠式拱架示意图；

图5为本发明节点焊接套装装置；

图6为本发明拱架安装机吊运装配式拱架示意图；

图7为本发明自动装配式节点示意图；

图8(a)为本发明纵向定位连接装置中螺纹基座示意图；

图8(b)为本发明纵向定位连接装置喇叭口导向凹槽示意图；

图8(c)为本发明纵向定位连接装置纵向连接杆示意图；

图9为本发明拱架升降装置示意图。

其中：1、拱架，2、注浆口，3、排气孔，4、超声波检测仪发射换能器，5、超声波检测仪接收换能器，6、自动装配式节点，7、平整底座，8、侧向支撑，9、反力肋板，10、吊绳，11、机械手，12、装配式连接装置，13、导向承压连接装置，14、活动销轴，15、弹簧销，16、轴孔，17、耳板，18、螺纹基座，19、喇叭口导向装置，20、梅花卡圈，21、纵向定位杆，22、纵向定位杆螺纹，23、纵向定位杆对接凹槽，24、加肋底座，25、液压油缸，26、万向球头，27、拱架托板。

具体实施方案

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，现有技术中存在型钢拱架、格栅钢架等传统支护形式由于强度、刚度不足或支护不及时引发的拱顶冒落、大变形、支护构件破断等安全事故频发。同时，在隧道建设过程中，传统型钢拱架重量大，拱架安装主要靠人力施工，法兰节点拼装工艺复杂，施工困难，劳动强度大、施工效率低。隧道开挖完成到拱架架设期间，极易发生拱顶冒落、掉块等安全事故，易造成人员伤亡。隧道施工亟需一种安全、高效的机械化施工技术，以提高施工效率，保证施工安全。为了解决如上的技术问题，本申请提出了地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法；约束混凝土拱架可进行预制，无需在施工环节进行现场注浆，减少现场施工工序。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明在隧道外利用混凝土灌注设备对单节拱架1进行混凝土预灌注，然后进行养护；按照拱架设计轮廓对拱架进行试拼装，利用套装装置将装配式节点与拱架进行精确焊接，同时安装纵向定位配套装置，拱架安装机吊运拱架至隧道掌子面前；利用拱架安装机和辅助安装机对拱架进行架设，连接纵向定位装置，两侧拱脚和拱顶部位设置激光定位仪，拱脚部位设置拱架升降装置；使用激光定位仪和拱脚升降装置对整榀拱架进行精确定位；安装该循环剩余拱架，利用激光测距装置进行断面复查，打设锁脚锚杆；然后进行其他工序。在进行具体施工时，本施工方法的工作步骤如下：

(1)在隧道外使用混凝土灌注设备对拱架1进行预灌注，利用超声波检测仪(图3(a)、图3(b)、图3(c))进行密实度检测，然后对拱架进行养护。

所述的混凝土灌注，混凝土灌注设备可采用构造浇筑泵等小量程的混凝土输送设备，也可采用拖泵等大量程的混凝土输送设备。

具体的，所述的对单节拱架1进行灌注，可采用可采取顶部开口顺延灌注和底部开口顶升灌注两种方案。

如图1所示，顶部开口顺延灌注工艺，是指在单节拱架1相对高度较高的端部开设注浆口2，采用混凝土输送设备对拱架自上而下进行灌注，并用振捣设备和震动电机对钢管内的混凝土进行实时不间断的压实处理。

如图2所示，底部开口顶升灌注工艺，是指将单节拱架1相对高度较低的端部开设注浆口2，并在注浆口处设置特殊连接构造件，通过输送管与混凝土输送设备相连，对每节拱架自下而上进行灌注；同时在相对高度较高的端部设置一至多个排气孔3，待排气口均匀流出混凝土表明灌注密实。

具体的，所述的超声波检测仪进行密实度检测，针对圆形3(a)和方形3(b)不同截面形式的约束混凝土拱架1，检测时可先作径向对测，在钢管混凝土每一环线上保持发射换能器4和接收换能器5连线通过圆心，然后沿环向测试，逐点读取声时、波幅和主频，可得缺陷形状、大小。

(2)如图4、5所示，利用节点焊接套装装置将各装配式节点6与各节拱1架端部焊接，进行拱架1试拼装，同时在拱架1的指定位置安装纵向定位配套装置；在自动装配式节点的连接下可实现整榀拱架的折叠和伸展，可使用拱架安装机吊装折叠式拱架至隧道掌子面前，然后举升、伸展各节拱架，从而完成拱架的一次性架设。节省施工时间，大幅降低人力施工强度。

具体的，如图5所示，套装装置主要由平整底座7、侧向支撑8和反力肋板9三部分组成，平整底座7的两端设置反力肋板9，在平整底座7的中间部分设置侧向支撑8；可以根据拱架的形状设置多个侧向支撑，侧向支撑设计成不同高度的结构；其主要功能为将拱架1与装配式节点6进行精确焊接；其工作原理为：根据拱架1的设计轮廓，确定反向肋板9与平整底座7的相对位置及倾斜角度关系，将装配式节点6固定于反向肋板9上，将拱架1抬放至套装装置上，拱架1在侧向支撑8辅助下保持固定，并与装配式节点6接触，然后进行精确焊接。

具体的，纵向定位配套装置主要包括螺纹基座18和喇叭口导向装置19，在拱架拼装时安装至拱架表面；正在架设的拱架表面上安装纵向定位杆，在已架设完成的前一榀拱架表面焊设喇叭口导向装置，喇叭口内设有梅花卡圈，纵向定位杆插入到喇叭口内，与卡圈进行卡合固定，完成两榀拱架之间纵向定位装置的连接。

装配式节点6为自动装配结构，包括固定于相邻两节拱架上的装配式连接装置12和导向承压连接装置13以及连接两部分的活动销轴14。

装配式连接装置设有多排贯通孔，孔内设置有可拆卸弹簧销；可设置两排弹簧销，也可配设三排弹簧销；根据现场实际工程需要，还可将其中一排弹簧销设置成通孔，通过高强螺栓进行连接。

导向承压连接装置两侧设有耳板，耳板上设置有配合弹簧销卡合的圆形轴孔。

(3)按照现场安装顺序对拱架1进行折叠，拱架安装机吊运拱架1至隧道掌子面。

具体的，对拱架1进行折叠，主要是在装配式节点6的连接下，相邻两节拱架可绕活动销轴14进行旋转，形成折叠式拱架。

具体的，拱架安装机对拱架1进行吊运，主要利用吊绳10将拱架1和机械手11相连，然后拱架安装机进行吊运。

在折叠好的拱架上设置U型卡环进行固定，利用特制吊绳连接卡环和拱架安装机机械手，实现拱架吊运至隧道掌子面前。

(4)在拱架表面安装纵向定位装置，利用拱架辅助安装机将两侧拱肩部位展开，拱架安装机抓扣拱顶部位进行举升，利用拱架辅助安装机将两侧拱脚部位展开，安放拱架于指定位置，拱脚部位设置拱架升降装置。

具体的，在拱架表面安装纵向定位装置，指的是将纵向定位杆21固定于螺纹基座18上。

具体的，拱架辅助安装机将拱架各部位展开，指的是利用辅助安装机将拱架1向外侧拨动，装配式连接装置12内的弹簧销15在与耳板17进行接触后，弹簧销15向内收缩，当弹簧销15与耳板17上的轴孔16位置相对时，弹簧销15立即弹出，完成装配式节点6的卡合固定。

具体的，所述的升降装置，主要由加肋底座24，液压油缸25，万向球头26和拱架托板27三部分组成；所述的液压油缸25安装在加肋底座24上，液压油缸25的动力输出端通过一个万向球头26与拱架托板27相连；装置的万向球头可实现一定角度的旋转，油缸行程可根据实际工程进行调节。

拱架安装机对拱顶部位进行举升，是指在安装机伸缩臂端部的抓举部件-机械手上焊设一定长度的加强护板，通过加强护板加持拱架进行举升，增大拱架与机械手的接触面积。

(5)拱架安装机调节拱架1，使纵向定位装置与前一榀拱架相连，在拱顶和两侧拱脚部位设置激光定位仪进行位置校准，调节拱脚升降装置，完成整榀拱架的精确定位；安装该循环剩余拱架，利用激光测距装置进行断面复查，打设锁脚锚杆；按照此工序，安装该循环剩余拱架，焊接其余纵向连接筋，铺设钢筋网及复喷混凝土。具体的，所述的激光定位仪对拱架位置进行校准，在两侧拱脚和拱顶部位安装激光定位仪，使用全站仪于掌子面上打设两侧拱脚和拱顶对应的设计位置点，若激光束能够与打设的点重合，则拱架安装位置精确；若不能重合，则拱架安装机重新调节拱架位置，并以拱架升降装置配合，直至激光束与掌子面打设点重合。

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。

Claims (5)

1.一种地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在隧道外对单节拱架进行混凝土预灌注，灌注密实后进行养护；对灌注后的单节拱架进行密实度检测，根据拱架长度和钢管周长，在拱架的径向和环向等间距布设检测点，使用超声波检测仪进行密实度检测，并配合人工敲击法，对于灌注不密实的部位应进行补浆，或者焊设钢板补强；所述的超声波检测仪进行密实度检测，针对圆形和方形不同截面形式的约束混凝土拱架，检测时先作径向对测，在钢管混凝土每一环线上保持发射换能器和接收换能器连线通过圆心，然后沿环向测试，逐点读取声时、波幅和主频，得缺陷形状、大小；

步骤2：按照拱架设计轮廓，利用套装装置将各节拱架的端部与装配式节点进行精确焊接，进行拱架试拼装，同时在拱架的设定位置安装纵向定位装置；对拱架进行试拼装，采用一种特制的辅助拱架拼接的套装装置，将装配式节点与单节拱架进行精确焊接，保证拼装后的整榀拱架处于同一平面内；所述的套装装置，其主要由平整底座、侧向支撑和反力肋板三部分组成；所述的平整底座的两端设置反力肋板，在平整底座的中间部分设置侧向支撑；对单节拱架进行拼接，利用一种自动装配式节点进行连接形成整榀拱架，单节拱架绕自动装配式节点进行转动和卡合固定，从而实现整榀拱架的折叠和伸展；

所述的装配式节点包括固定于相邻两节拱架上的装配式连接装置和导向承压连接装置以及连接装配式连接装置和导向承压连接装置的活动销轴；所述装配式连接装置设有多排贯通孔，每排通孔内设置有可拆卸弹簧销；所述的导向承压连接装置两侧设有耳板，耳板上设置有配合弹簧销卡合的圆形轴孔；

步骤3：按照拱架安装顺序对各节拱架进行折叠，拱架安装机吊运拱架至隧道掌子面前；

步骤4：利用拱架安装机和辅助安装机对拱架进行架设，连接纵向定位装置，两侧拱脚和拱顶部位设置激光定位仪，拱脚部位设置拱架升降装置；

步骤5：使用激光定位仪对拱架架设位置进行校准和使用拱架升降装置对整榀拱架进行精确定位后；安装剩余拱架，利用激光测距装置进行断面复查，打设锁脚锚杆；然后进行其他工序。

2.如权利要求1所述的地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法，其特征在于，步骤1中所述的对单节拱架进行混凝土预灌注，采取顶部开口顺延灌注或底部开口顶升灌注两种方案；

顶部开口顺延灌注，是指在单节拱架相对高度较高的端部开设注浆口，采用混凝土输送设备对拱架自上而下进行灌注，并用振捣设备和震动电机对钢管内的混凝土进行实时不间断的压实处理；所述的底部开口顶升灌注，是指将单节拱架相对高度较低的端部开设注浆口，并在注浆口处设置特殊连接构造件，通过输送管与混凝土输送设备相连，对每节拱架自下而上进行灌注；同时在相对高度较高的端部设置一至多个排气孔，待排气口均匀流出混凝土表明灌注密实。

3.如权利要求1所述的地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法，其特征在于，步骤4中所述的纵向定位装置，是指于正在架设的拱架表面上安装纵向定位杆，在已架设完成的前一榀拱架表面焊设喇叭口导向装置，喇叭口内设有梅花卡圈，纵向定位杆插入到喇叭口内，与卡圈进行卡合固定，完成两榀拱架之间纵向定位装置的连接。

4.如权利要求1所述的地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法，其特征在于，步骤4中所述的拱架升降装置，其主要由加肋底座、液压油缸、万向球头和拱架托板构成；所述的液压油缸安装在加肋底座上，液压油缸的动力输出端通过一个万向球头与拱架托板相连；所述的万向球头实现一定角度的旋转，油缸行程根据实际工程进行调节。

5.如权利要求1所述的地下工程标准化装配式约束混凝土拱架智能安装方法，其特征在于：

步骤5中使用激光定位仪对拱架架设位置进行校准，是指拱顶和两侧拱脚三点位置的激光定位仪与掌子面对应的标记点进行位置的校准，与纵向定位装置配合，通过调节拱架升降装置实现拱架的精确定位；步骤5中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，利用拱架安装设备和拱脚升降装置进行微调并复测。