CN108240228B - 一种约束混凝土拱架的装配设备及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种约束混凝土拱架的装配设备及施工工艺，装配设备包括：约束混凝土拱架模板，内部构成用以灌注混凝土的封闭空间；拱顶调节装置，设于约束混凝土拱架模板的拱顶位置，用以调节拱顶高度；两调节台车，用于分别对约束混凝土拱架模板的两拱腿进行调节定位，具体包括：上部加持部件，具有用以加持拱腿的朝上的开口部；调位支撑部件，可沿轴向伸缩，其顶部与上部加持部件的底部固定连接，其底部以可沿竖直平面转动的方式与承重台固定连接；激光对准系统，包括分别设于拱顶调节装置和调节台车上的激光发射接收器，通过各激光发射接收器的激光接收状态，及其与设置在拱架上的垂直定位锤的位置关系，判断拱架的定位准确程度。

Description

一种约束混凝土拱架的装配设备及施工工艺

技术领域

本发明涉及地下工程施工技术领域，具体涉及一种约束混凝土拱架的装配设备及施工工艺。

背景技术

随着地下工程建设规模和速度的迅猛发展，建设过程中所规划的隧道难免要穿过高应力、软弱破碎带等复杂条件地层，传统的支护方式难以满足现场实际需要。因此，在约束混凝土拱架作为一种新型的支护方式代替原有型钢支撑的同时，存在定位不准确，调整位置难等问题，容易在围岩作用下造成平面外失稳等问题，导致支护承载力不足。同时，在掌子面爆破过程中存在拱脚部位超挖等现象，对拱架的定位也造成相当大的影响，定位不准确可能无法对围岩进行有效控制，严重时引起掌子面失稳、隧道塌方，造成重大经济损失。

目前急需一种能够对约束混凝土拱架在支护过程中进行调整和定位的设备，并以此为基础，提出一种约束混凝土拱架的装配设备及施工工艺。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种约束混凝土拱架装配设备及施工工艺，本发明具有操作简易，实用性强以及定位准确的优点，可以满足我们对约束混凝土拱架在架立过程中进行位置和角度的实时调整，且可对约束混凝土拱架的灌注情况进行监测，保证约束混凝土拱架灌注密实。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种约束混凝土拱架的装配设备，包括：

约束混凝土拱架模板，内部构成用以灌注混凝土的封闭空间；

拱顶调节装置，设于所述约束混凝土拱架模板的拱顶位置，用以调节拱顶高度；

两调节台车，用于分别对约束混凝土拱架模板的两拱腿进行调节定位，具体包括：上部加持部件，具有用以加持拱腿的朝上的开口部；调位支撑部件，可沿轴向伸缩，其顶部与所述上部加持部件的底部固定连接，其底部以可沿竖直平面转动的方式与承重台固定连接；行走轮，设于所述承重台的底部，用于拱架的初步定位；

激光对准系统，包括分别设于所述拱顶调节装置和所述调节台车上的向拱架径向发射的激光发射接收器，通过各激光发射接收器的激光接收状态，及其与设置在拱架上的垂直定位锤的位置关系，判断所述拱架的定位准确程度。

约束混凝土拱架支护系统利用巧妙的设计，克服了拱架定位不准、调整困难这一难题，可以利用调节台车和拱顶调节装置来调整拱架的位置和姿态，确保拱架定位准确，一方面避免了拱架由于定位偏移所造成的平面外失稳等问题，确保支护达到设计承载力；另一方面避免了围岩可能出现变形超过容许范围的情况，进而实现对围岩变形进行有效控制，从而减少了掌子面失稳、隧道塌方的概率及其带来的重大经济损失。

所述上部加持部件，包括用以容纳所述拱腿的加持架，所述加持架的截面形状为矩形，其对置的侧壁内侧设有用以夹紧所述拱腿的加持板，所述加持板的外端与穿过所述加持架侧壁的螺栓固定连接，所述加持架的侧壁上设有与所述螺栓配合工作的螺纹。

所述上部加持部件，包括用以容纳所述拱腿的两个对置的弧形板，两个所述弧形板在两侧的连接部通过螺栓连接；当两个所述弧形板的中部紧贴所述拱腿时，两个弧形板的连接部之间具有设定间距，通过旋紧所述螺栓，使所述弧形板夹紧拱腿。

所述调位支撑部件为调位千斤顶。可根据拱架的设计垂直高度，来对拱架进行升降。

所述调位千斤顶的底部通过可沿水平轴转动的转动连接件与所述承重台固定连接。即根据拱架的架设角度，可对调位千斤顶进行角度的旋转从而间接调节拱架角度，确保拱架所在平面与隧道的轴线垂直。当角度调准后，调位千斤顶与承重台固定连接，可以对对调位千斤顶进行固定，防止调位千斤顶在受力状态下发生滑动。

所述承重台的底部，设有若干用以提升所述承重台并架空所述行走轮的底部千斤顶，可以在操作台车工作时，使操作平台更加稳固。

所述拱顶调节装置，包括：

底部的固定承载结构；

千斤顶，其下端与所述固定承载结构固定连接；

平行支撑叉，用以支撑拱顶的底部，与所述螺旋式千斤顶的顶端固定连接，顶部具有用以置于所述拱顶两侧的阻挡部。

优选的底部固定承载结构，是由三角叉组成，可在支撑架工作时插在拱架作业台车上；

优选的中部螺旋式千斤顶结构，可方便对拱顶进行升降，同时可在外表面焊设把手，可在操作千斤顶时省力；

优选的上部支撑叉，即三角叉在千斤顶的端部伸出两只竖直的平行叉，其间距比拱架宽0.5-10cm，起到限位作用。

所述激光发射接收器为激光对准仪，包括位于两个所述调节台车上的水平激光对准仪，两个水平激光对准仪在调节台车上的固定高度相同，布设方向与隧道侧壁垂直。当两个水平激光对准仪能彼此接收信号时，可以确保两侧拱底在同一水平高度上。

所述约束混凝土拱架模板上设有通过接口进行连接的压力计，使用混凝土灌注设备从拱架一侧的注浆孔灌注混凝土，待排气孔出现冒浆时，并读取压力计数值，若排气孔能够均匀流出混凝土且压力计读数为一定值时，表示一侧拱架灌注完成，再进行另一侧拱架混凝土的灌注。

约束混凝土拱架的装配设备的施工工艺，包括以下步骤：

步骤1：利用两个调节台车分别夹持住两侧的拱脚，从下至上架设剩余节拱架；

步骤2：整榀拱架拼接完成后，利用拱顶调节装置对拱顶位置进行支撑；

步骤3：通过所述调节台车、拱顶调节装置和激光对准仪调节拱架的位置和角度；

步骤4：焊设纵向连接筋和钢筋网，打设锁脚锚杆进行固定；

步骤5：将支撑调位台车撤出，然后依次架设此循环剩余榀拱架，在拱架顶部安设压力计，并通过接口与拱架连接，使用混凝土灌注设备从拱架一侧的注浆孔灌注混凝土，待排气孔出现冒浆时，读取压力计数值，若排气孔能够均匀流出混凝土且压力计读数为一定值时，表示一侧拱架灌注完成，再进行另一侧拱架混凝土的灌注。

步骤3中，具体包括：

3-1：通过调整调节台车上底部千斤顶的高度，使两个调节台车上的激光对准仪能够接收到彼此的激光信号，以此确保两侧拱底处于同一水平高度上；

3-2：确保顶部对准仪上的接收器能接收到两个水平激光对准仪发出的激光信号，然后根据垂直定位锤所下垂的垂直方向，通过调整调节台车来对拱架的角度进行调节，最终确保激光发射信号与垂直定位锤处于同一平面。

所述的混凝土灌注设备，其灌注压强应适中，根据计算其泵送压力对设备进行选型，最优的泵送状态为混凝土顺钢管内壁缓慢向上顶送，避免出现由于顶送速度过快而造成管内混凝土回落的现象，对混凝土的密实性不利。

进一步的，所述的压力计读数为一定值时，即压力计测量拱顶端的注浆压力，当压力达到一定值[P]时表示已灌注密实，其压力值与底部注浆压力、灌注高度、管壁摩擦力系数、管壁接触面积，拱架弧度等因素有关。

本发明的有益效果为：

(1)本发明具有设备操作简易，实用性强等特点，可满足拱架架立过程中的定位问题；

(2)本发明的设备对拱架两侧的拱脚和拱顶三个位置进行调整，由三点确定一个平面可知，调整位置点选取合理；

(3)本发明的辅助设备对拱架的定位可解决超挖等问题，可在定位结束后在拱底对超挖部位垫石块使超挖部分得到很好的解决；

(4)本发明在拱顶位置安设压力计，压力计读数为一定值时，表示拱架灌注密实。

附图说明

图1为本发明设备辅助架立拱架过程整体图；

图2为本发明定位操作台车结构示意图；

图3为本发明支撑架结构示意图；

图4为本发明激光对准仪工作原理示意图；

图5a为圆形截面拱架模板示意图；

图5b为矩形截面拱架模板示意图；

图6为约束混凝土拱架的局部示意图。

其中，1、拱架模板，2、支撑架，3、定位操作台车，4、拱架作业台车，5、轮胎，6、底部千斤顶，7、平台，8、操作杆，9、旋转定位装置，10、调位千斤顶，11、上部夹持结构，12、平行叉，13、千斤顶套管，14、千斤顶螺旋杆，15、三角支撑腿，16、激光信号，17、垂直定位锤，18、激光对准仪，19、弧形板，20、加持架，21、加持板，22、夹持螺栓，23、排气孔，24、压力计。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种约束混凝土拱架的装配设备，包括：约束混凝土拱架模板，内部构成用以灌注混凝土的封闭空间；在地面上对拱腿进行调节的定位操作台车3、在拱顶位置进行调节的支撑架2、和设置于拱顶和两侧拱脚的激光对准仪18。

定位操作台车3对拱腿进行调节，具体包括轮胎5、千斤顶和平台7等组成的底部承载结构，可旋转和固定的调位千斤顶10组成的中部支撑结构，对拱脚进行约束的上部夹持结构11。其中定位操作台车3底部承载结构，在一般的轮胎5和平台结构基础上，在平台7的四周焊设四个底部千斤顶6，操作台车对拱腿进行调节前，首先对操作台车进行稳固。具体方法为，可将四个底部千斤顶6升起一定高度从而架空轮胎5。

中部支撑结构，主体结构为设计吨位的调位千斤顶10，可根据拱架的设计垂直高度，对拱架模板1的高度进行升降调节，在调位千斤顶10与平台7之间通过旋转定位装置9即转动连接件进行连接。优选的，转动连接件可为齿轮结构，调位千斤顶10固定在齿轮结构上，通过操作杆8对齿轮结构进行控制。可根据拱架的架设角度，利用操作杆8使齿轮结构进行旋转，来带动调位千斤顶10的旋转，从而实现对拱架的角度调节。优选的，在调位千斤顶10对拱架模板1的位置调整结束后，可通过固定装置对调位千斤顶10进行固定，防止调位千斤顶10在受力状态下发生滑动。调位千斤顶的上部夹持结构11可对拱架拱腿部位进行夹持。由于转动连接件及对转动连接件进行限位的固定装置为常规结构，其具体结构不是本发明的重点，且替换方式多种多样，比如除了齿轮结构外，还可以选择转轴、铰链等结构，进行限位的固定装置可以选择限位块等，因此其具体结构在此不再进行赘述。

上部加持部件，当拱架模板截面为圆形时，可如图5a所示，包括用以容纳拱腿的两个对置的弧形板19，两个弧形板在两侧的连接部通过螺栓连接；当两个弧形板的中部紧贴拱腿时，两个弧形板的连接部之间具有设定间距，通过旋紧螺栓，使弧形板夹紧拱腿。

上部加持部件，当拱架模板截面为矩形时，可如图5b所示，包括用以容纳拱腿的加持架20，加持架的截面形状为矩形，其对置的侧壁内侧设有用以夹紧拱腿的加持板21，加持板的外端与穿过加持架侧壁的夹持螺栓22固定连接，加持架的侧壁上设有与螺栓配合工作的螺纹。

支撑架2对拱顶进行调节，即头部端架立拱架模板，尾部端矗立在拱架作业台车4上作为支撑点，具体包括底部的固定承载结构、中部的螺旋式千斤顶、和上部的平行支撑叉。底部固定承载结构，是由三角支撑腿15组成，可在支撑架2工作时支撑在拱架作业台车4上；优选的为中部螺旋式千斤顶结构，包括千斤顶套管13和千斤顶螺旋杆14，可方便对拱顶进行升降，同时可在外表面焊设把手，可在操作千斤顶时省力；优选的上部支撑叉，即在千斤顶的端部伸出两只平行叉12，其间距比拱架模板宽0.5-10cm。

支撑架2可与现场型钢支护的作业台车进行配合操作，即两侧的定位操作台车3在夹持拱脚的基础上，人工站立于作业台车上架设剩余节拱架模板，整榀拱架模板拼接完成后，用支撑架2对拱顶位置进行支撑，然后根据架立拱架模板的既定位置，通过定位操作台车3、支撑架2和激光对准仪18对拱架模板调节位置和角度。

激光对准仪18对拱架进行调节，其与垂直定位仪配合使用。在拱顶和两侧的拱底位置都设置激光对准仪18，布设在两侧的激光对准仪在调节台车上的固定高度相同，且发射方向与隧道侧壁的方向垂直。每一激光对准仪18都设有激光发射器和激光接收器两部分，每一激光对准仪18都会向另外两个激光对准仪18发射激光，另外两个激光对准仪18的接收器都能够接收到激光信号16。

两侧拱底处的激光对准仪18，每一激光对准仪18发射水平向激光，如果另一对准仪能接收到彼此的激光信号16，则表示两侧拱底在同一水平高度上；任一激光对准仪18上的接收器都接收到其他两个对准仪发出的激光信号16，则表示拱架模板拼接完成后在同一平面内；

进一步优选的，所述的调节拱架的角度，即拱架架设完成后，可能拱架所在平面不在竖直面内，此时需与垂直定位锤17配合使用。通过调节调位千斤顶的角度，使拱架的三个激光对准仪所发射的激光信号与垂直定位锤处于同一平面时，表明拱架所在平面为竖直平面。

一种约束混凝土拱架的装配设备的施工工艺，其具体步骤为：使用支撑调位台车3夹住两侧的拱腿，然后依次向上拼接其他节拱架模板1，在拼接顶部拱架时使用三角支撑架2架住顶部节拱架，然后根据拱架的设计排距、垂直高度及角度等，通过调整支撑调位台车3和三角支撑架2来对拱架进行精确定位，焊设纵向连接筋和钢筋网，纵向连接筋可以确保拱架所在平面与隧道侧壁垂直。打设锁脚锚杆进行固定，然后将支撑调位台车3撤出，拱脚位置如有超挖则垫石块进行弥合，然后依次架设此循环剩余榀拱架模板1，在拱架顶部安设压力计，并通过接口与拱架相连，使用混凝土灌注设备从拱架一侧的注浆孔灌注混凝土，待排气孔出现冒浆时，并读取压力计24数值，若排气孔23能够均匀流出混凝土且压力计24读数为一定值时，表示一侧拱架灌注完成，再进行另一侧拱架混凝土的灌注。

其中激光对准仪18对拱架模板1进行调节，需与垂直定位仪17配合使用。在拱顶和两侧拱底位置都设置激光对准仪18，每一激光对准仪18都设有激光发射器和激光接收器两部分，每一激光对准仪18都会向另外两个激光对准仪18发射激光信号16，另外两个激光对准仪18的接收器都能够接收到激光信号16。两侧拱底处的激光对准仪18，每一激光对准仪18发射水平向激光，如果另一对准仪能接收到彼此的激光信号16，则表示两侧拱底在同一水平高度上，如果任一激光对准仪18上的接收器都接收到其他两个对准仪发出的激光信号16，则表示拱架拼接完成后在同一平面内，然后根据垂直定位锤17所下垂的垂直方向，定位操作台车3对拱架模板1的角度进行调节，使拱架模板1与地面保持垂直。

混凝土灌注设备，其灌注压强应适中，根据计算其泵送压力对设备进行选型，最优的泵送状态为混凝土顺钢管内壁缓慢向上顶送，避免出现由于顶送速度过快而造成管内混凝土回落的现象，对混凝土的密实性不利。

进一步的，压力计读数为一定值时，即压力计测量拱顶端的注浆压力，当压力达到一定值[P]时表示已灌注密实，其压力值与底部注浆压力、灌注高度、管壁摩擦力系数、管壁接触面积，拱架弧度等因素有关。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于，包括：

约束混凝土拱架模板，内部构成用以灌注混凝土的封闭空间；

拱顶调节装置，设于所述约束混凝土拱架模板的拱顶位置，用以调节拱顶高度；

两调节台车，用于分别对约束混凝土拱架模板的两拱腿进行调节定位，具体包括：上部加持部件，具有用以加持拱腿的朝上的开口部；调位支撑部件，可沿轴向伸缩，其顶部与所述上部加持部件的底部固定连接，其底部以可绕水平轴转动的方式与承重台固定连接；行走轮，设于所述承重台的底部，用于拱架的初步定位；

激光对准系统，包括分别设于所述拱顶调节装置和所述调节台车上的向拱架径向发射的激光发射接收器，通过各激光发射接收器的激光接收状态，及其与设置在拱架上的垂直定位锤的位置关系，判断所述拱架的定位准确程度。

2.根据权利要求1所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：所述上部加持部件，包括用以容纳所述拱腿的加持架，所述加持架的截面形状为矩形，其对置的侧壁内侧设有用以夹紧所述拱腿的加持板，所述加持板的外端与穿过所述加持架侧壁的螺栓固定连接，所述加持架的侧壁上设有与所述螺栓配合工作的螺纹。

3.根据权利要求1所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：所述上部加持部件，包括用以容纳所述拱腿的两个对置的弧形板，两个所述弧形板在两侧的连接部通过螺栓连接；当两个所述弧形板的中部紧贴所述拱腿时，两个弧形板的连接部之间具有设定间距，通过旋紧所述螺栓，使所述弧形板夹紧拱腿。

4.根据权利要求1所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：所述调位支撑部件为调位千斤顶，所述调位千斤顶的底部通过可绕水平轴转动的转动连接件与所述承重台固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：所述承重台的底部，设有若干用以提升所述承重台并架空所述行走轮的底部千斤顶。

6.根据权利要求1所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：所述拱顶调节装置，包括：

底部的固定承载结构；

螺旋式千斤顶，其下端与所述固定承载结构固定连接；

平行支撑叉，用以支撑拱顶的底部，与所述螺旋式千斤顶的顶端固定连接，顶部具有用以置于所述拱顶两侧的阻挡部。

7.根据权利要求6所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：底部的所述固定承载结构，是由三角叉组成，所述三角叉在所述螺旋式千斤顶的端部伸出两只竖直的限位平行叉，所述平行叉的间距比拱架宽0.5-10cm。

8.根据权利要求1-7所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：所述激光发射接收器为激光对准仪，包括位于两个所述调节台车上的水平激光对准仪，两个水平激光对准仪在调节台车上的固定高度相同，布设方向与隧道侧壁垂直。

9.根据权利要求8所述的一种约束混凝土拱架的装配设备，其特征在于：所述约束混凝土拱架模板上设有通过接口进行连接的压力计。

10.根据权利要求9所述的约束混凝土拱架的装配设备的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用两个调节台车分别夹持住两侧的拱脚，从下至上架设剩余节拱架；

步骤2：整榀拱架拼接完成后，利用拱顶调节装置对拱顶位置进行支撑；

步骤3：通过所述调节台车、拱顶调节装置和激光对准仪调节拱架的位置和角度；

步骤4：焊设纵向连接筋和钢筋网，打设锁脚锚杆进行固定；

步骤5：将调节台车撤出，然后依次架设此循环剩余榀拱架，在拱架顶部安设压力计，并通过接口与拱架连接，使用混凝土灌注设备从拱架一侧的注浆孔灌注混凝土，待排气孔出现冒浆时，读取压力计数值，若排气孔能够均匀流出混凝土且压力计读数为一定值时，表示一侧拱架灌注完成，再进行另一侧拱架混凝土的灌注，

其中步骤3中，具体包括：

3-1：通过调整调节台车上底部千斤顶的高度，使两个调节台车上的激光对准仪能够接收到彼此的激光信号，以此确保两侧拱底处于同一水平高度上；

3-2：确保激光发射接收器上的接收器能接收到两个水平激光对准仪发出的激光信号，然后根据垂直定位锤所下垂的垂直方向，通过调整调节台车来对拱架的角度进行调节，最终确保激光发射信号与垂直定位锤处于同一平面。