CN110675725B - 一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置及方法，它解决了现有技术中模型试验中人工涂抹难度大，且施工质量差的问题，具有保证衬砌施工模拟的精度与质量，可以实现洞室深处的衬砌施工模拟的有益效果，其方案如下：一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，包括固定台；机械臂，机械臂支撑于固定台，且机械臂能够相对于固定台实现前进或后退运动，机械臂的端部与浇筑套管的一端连接，浇筑套管能够通入衬砌相似材料，且浇筑套管相对于待支护洞室的距离可调；衬砌模架，浇筑套管的另一端伸入至衬砌模架内，衬砌模架的外部形状与待支护洞室形状一致，且衬砌模架开有若干用于喷射衬砌相似材料的衬砌窗口，且浇筑套管能够与至少部分衬砌窗口实现连通。

Description

一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别是涉及一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置及方法。

背景技术

物理模型试验是根据相似原理采用缩尺模型研究工程施工的物理模拟方法，现已成为岩土工程、隧道工程等学科中常用的科研手段之一，使用模型试验模拟隧道工程时主要包括以下步骤：配制相似材料、填筑并夯实相似材料、埋设监测元件、继续填筑相似材料、断面开挖及支护、监测信息采集。

双连拱隧道作为常用的隧道结构形式之一，由于其开挖断面大，实际施工中常常采用双侧壁导坑法、CRD法、CD法等分部开挖法进行施工，将隧道断面划分成形状不一的异形断面分别进行开挖，各导洞开挖后再施作衬砌支护，衬砌常采用钢筋混凝土材料。现阶段在此类隧道进行分部开挖法的模型试验中对衬砌施工的模拟，存在以下问题：

1、现阶段大断面隧道开挖模型试验中常采用在开挖洞室内壁人工涂抹衬砌相似材料的方法来模拟隧道衬砌施工，但由于模型试验采用实际施工现场的缩尺模型(例如常采用1：50、1：100的比例尺模型)，连拱隧道采用分部开挖法时的各个导洞的断面空间狭小，且形状不一，人工涂抹的方法难以实施；

2、人工涂抹衬砌相似材料的方法，难以保证衬砌的厚度均匀及施作质量，当衬砌相似材料和隧道围岩相似材料粘合性欠佳时，很容易出现衬砌相似材料脱落的情况，严重影响模型试验的进度；

3、当隧道模型洞室进深较大时，模型洞室深处的衬砌相似材料施作难以实现，且不易观察衬砌施作情况。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工的装置，能够满足连拱隧道分部开挖模型试验中各分部异形洞室的衬砌施工的模拟需要，保证衬砌施工模拟的精度与质量，可以实现洞室深处的衬砌施工模拟，并实现衬砌施工模拟的实时监测，保证连拱隧道模型试验的顺利进行。

一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置的具体方案如下：

一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，包括：

工作台；

机械臂，机械臂支撑于工作台，且机械臂能够相对于工作台实现前进或后退运动，机械臂的端部与浇筑套管的一端连接，浇筑套管能够通入衬砌相似材料，且浇筑套管相对于待支护洞室的距离可调；

衬砌模架，浇筑套管的另一端伸入至衬砌模架内，衬砌模架的外部形状与待支护洞室形状一致，且衬砌模架开有若干用于喷射衬砌相似材料的衬砌窗口，且浇筑套管能够与至少部分衬砌窗口实现连通。

上述的衬砌施工装置，用于连拱隧道分部开挖模型试验中，因为待支护洞室室有多个的，所以浇筑套管相对于待支护洞室的距离可调整，满足不同待支护洞室的支护需求，通过衬砌模架的设置，便于通过衬砌窗口向待支护洞室内壁喷射衬砌相似材料，衬砌模架的外部尺寸小于待支护洞室的内部尺寸，在衬砌模架与待支护洞室内壁之间形成空腔，这样衬砌相似材料注入到空腔，进而在待支护洞室内壁形成衬砌支护，保证衬砌施工模拟的精度与质量，能够实现洞室深处的衬砌施工模拟。

进一步地，所述浇筑套管开有若干开窗，开窗与所述衬砌窗口能够通过伸缩导管实现连通，开窗在浇筑套管上成梅花状分布，伸缩导管的尺寸与开窗、衬砌窗口的尺寸相适应，伸缩导管可伸缩，便于伸缩导管的连接，且伸缩导管的两端均设置螺纹，浇筑套管在开窗、衬砌模架在衬砌窗口处均设置螺纹，以实现伸缩导管与开窗、衬砌窗口的连接。

进一步地，所述浇筑套管在所述开窗外侧设有第一开关门，第一开关门与浇筑套管可打开设置，通过第一开关门的设置，可根据需求连通浇筑套管的部分开窗，在通入衬砌相似材料过程中，封闭另一部分开窗。

进一步地，所述衬砌模架包括若干拼装成与待支护洞室形状一致的衬砌管片，衬砌管片的每一面开有所述的衬砌窗口；衬砌管片在所述衬砌窗口处设有第二开关门，第二开关门相对于衬砌管片可打开设置，通过第二开关门的设置，用于实现部分衬砌窗口，在需要时，打开部分第二开关门，进行设置伸缩导管。

进一步地，所述浇筑套管为直角弯管，直角弯管通过螺纹与所述机械臂的端部连接，这样在对中部的待支护洞室进行喷涂时，浇筑套管与机械臂在同一平面，当需要对侧部的待支护洞室进行喷涂时，旋转浇筑套管90°，以对侧部的待支护洞室进行喷涂；

或者，所述工作台底部安装有可移动轮，这样浇筑套管为直管，可根据待支护洞室的位置，来移动固定台到相应待支护洞室的前侧，进行工作，可移动轮为可锁止轮。

进一步地，所述工作台表面设置导轨，机械臂穿过滑块设置，滑块与推动机构连接，滑块在推动机构的推动下能相对于导轨实现移动，推动机构可选用直线推动机构，如直线推动电机，这样推动滑块沿着导轨实现前进或后退，进而带动机械臂和浇筑套管的移动，从而将衬砌模架送入相应的待支护洞室。

进一步地，为了对滑块的移动进行限位，所述工作台上表面的两侧分别设置用于限定所述滑块的限位块。

进一步地，所述工作台包括台面，台面的下表面安装有伸缩支撑架，这样满足了不同高度的待支护洞室的支护需求。

进一步地，所述浇筑套管通过管路与衬砌材料罐连接，管路设置流量计，且在注浆套管安装有相机；

流量计、相机分别与计算机控制机构连接，计算机控制机构与推动机构同样连接，这样通过计算机控制机构来接收衬砌相似材料的实时流量，通过相机监测施工情况。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置的使用方法，包括如下内容：

步骤1：按照待支护洞室的尺寸与形状，拼装衬砌模架，连通衬砌模架的衬砌窗口与注浆套管；

步骤2：根据待支护洞室的位置，调整注浆套管的位置，以使衬砌模架对准相应的待支护洞室；

步骤3：机械臂相对于工作台实现前进运动，将衬砌模架送入待支护洞室内；

步骤4：通过注浆套管和衬砌窗口向待支护洞室的内壁注入衬砌相似材料；

重复上述步骤1-4，完成所有的待支护洞室的衬砌施工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过整体结构的设置，能够向待支护洞室内壁喷射衬砌相似材料，并深入至待支护洞室深处，无需人工涂抹衬砌相似材料，能够满足连拱隧道分部开挖模型试验中各分部异形洞室的衬砌施工的模拟需要，保证衬砌施工模拟的精度与质量。

2)本发明通过伸缩导管的设置，不仅能够实现浇筑套管与衬砌窗口的连通，实现衬砌相似材料的流通，而且伸缩导管的设置，能够满足不同待支护洞室的使用需求。

3)本发明通过拼装组合衬砌网片的形式，可以满足不同形状、不同尺寸的待支护洞室的衬砌施工，保证衬砌施工模拟的质量，且衬砌模架可以循环利用，节能环保，避免材料浪费。

4)本发明通过第一开关门和第二开关门的设置，能够在需要使用开窗或衬砌窗口时，打开相应的开关门，在不需要使用时，又可及时封闭相应的开关门。

5)本发明通过使用方法的给出，能够有效实现不同高度和位置的待支护洞室的支护，保证连拱隧道模型试验的顺利进行。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工的装置的示意图；

图2为本发明实施例中连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工的装置的使用示意图；

图3为本发明实施例中衬砌模架的示意图；

图4为本发明实施例中一种衬砌模架示意图；

图5为本发明实施例中另一种衬砌模架示意图；

图中：1计算机控制机构、2工作台、3限位块、4伸缩支撑架、5滑块、6直线推动电机、7滑轨、8机械臂、9微型红外相机、10流量计、11浇筑套管、12衬砌开窗、13衬砌网片、14注浆泵、15输运管、16伸缩导管、17浇筑套管开窗、18衬砌相似材料、19卡扣。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图5所示，连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工的装置，包括计算机控制机构1、工作台2、机械臂行进机构、衬砌材料浇筑机构、衬砌模架，计算机控制机构1控制机械臂行进机构、衬砌材料浇筑机构的运行，机械臂行进机构搭载在工作台2，并与衬砌材料浇筑机构相连接，衬砌材料浇筑机构与衬砌模架相搭接。

如图1所示，工作台2包括台面、伸缩支撑架4、限位块3和滑轨7，台面设有两条滑轨7，伸缩支撑架设于台面下表面的4个角处，限位块3设于台面上表面，限位块3共设有3个，一个设于台面一侧的中部用于对机械臂进行限位，另两个设于台面另一侧的两侧，用于对滑块5的移动进行限位，伸缩支撑架4共有四个，通过调整四个伸缩支撑架4的高度以满足不同高度、不同角度的待支护洞室的要求，限位块3分别设置在台面两端以限制机械臂行进机构的运行范围。

本实施例中，伸缩支撑架4为多骨节支撑架，相邻的两段支撑架通过螺栓实现连接，或者，伸缩支撑架4可替换为电动升降架，该电动升降架与计算机控制机构连接，进行高度的控制。

如图1所示，机械臂行进机构包括机械臂8、滑块5和直线推动电机6，机械臂8内嵌在滑块5内，机械臂8底面距离工作台上表面有设定的高度，机械臂为实心或空心结构件，滑块5与设于台面的滑轨7配合，直线推动电机设于滑块5远离待支护洞室的侧部(图1中只是示意，并不代表直线推动电机6的实际设置位置)，直线推动电机机身固定于台面，直线推动电机与滑块5连接，滑块5在直线推动电机6的带动下能够沿着滑轨7实现前后移动，从而带动机械臂8的移动。

如图1所示，衬砌材料浇筑机构包括浇筑套管11、注浆泵14、输运管15、流量计10、微型红外相机9和伸缩导管16。

浇筑套管11通过管路如输运管15与衬砌材料罐连接，在输运管15设置注浆泵14，浇筑套管11设有多个可自由开合的开窗17，开窗17在浇筑套管11上成梅花状分布。浇筑套管11远离机械臂8的端部设置衬砌模架，衬砌模架中衬砌网片13开有多个衬砌开窗12。

伸缩导管16的两端均设置螺纹，浇筑套管11在开窗、衬砌模架在衬砌窗口处均设置螺纹，以实现伸缩导管16与开窗、衬砌窗口的连接，伸缩导管16可选用多骨节伸缩钢管。

本实施例中，浇筑套管11为直角弯管，直角弯管通过螺纹与机械臂8的端部连接，这样在对中部的待支护洞室进行喷涂时，浇筑套管与机械臂在同一平面，当需要对侧部的待支护洞室进行喷涂时，旋转浇筑套管90°，以对侧部的待支护洞室进行喷涂；

或者，在其他一些实施例中，工作台2底部安装有可移动轮，这样浇筑套管为直管，可根据待支护洞室的位置，来移动工作台到相应待支护洞室的前侧，进行工作，可移动轮为可锁止轮。

浇筑套管11一端伸入至衬砌网片13内，且该端部设置多个伸缩导管16，伸缩导管16一端与浇筑套管11的开窗17连接，另一端与衬砌开窗12相连接，流量计10安装在输运管15上，以监测衬砌相似材料浆液的实时流量，微型红外相机9安装在浇筑套管11上以监测衬砌施工情况。

计算机控制机构包括计算机和键盘，为现有技术，计算机用于接收流量计的数据，并显示微型红外相机9拍摄的视频信息，并控制机械臂的前进或后退、注浆泵14的打开或闭合。

如图3-图5所示，衬砌模架由多个衬砌网片13通过卡扣19连接组合而成，衬砌网片13包括弧度型网片与平面网片，弧度型网片的弧度与待支护洞室的弧度相一致，通过衬砌网片13的任意组合以适应不同形状、不同长度的待支护洞室的需求，衬砌网片13的中心设置能够自由打开和关闭的衬砌开窗12，衬砌开窗12优选圆形，且衬砌网片13外壁涂有聚四氟乙烯涂层，防止衬砌相似材料与衬砌网片13的粘连影响衬砌成型质量。

每一衬砌模架的外部尺寸小于相应待支护洞室的内部尺寸，这样在衬砌模架与待支护洞室内壁之间形成空腔，衬砌相似材料通过衬砌网片13的衬砌开窗12，注入到空腔，进而在待支护洞室内壁形成衬砌支护，有效提高衬砌支护设置的均匀性。

需要说明的是，本实施例中，浇筑套管11在开窗外侧设有第一开关门，第一开关门与浇筑套管11可打开设置，第一开关门与浇筑套管11通过锁紧件如卡扣实现连接；衬砌网片13在衬砌开窗12处设置第二开关门，第二开关门相对于衬砌网片实现推拉，即衬砌网片在衬砌开窗12内设置滑槽，第二开关门嵌入滑槽设置，方便推拉，当然第一开关门和第二开关门还可以选用其他形式。

如图1-图4所示，连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工的装置的使用方法包括：

步骤1：按照目标洞室的尺寸与形状，拼装组合衬砌网片13为衬砌模架，调整伸缩导管16至合适长度后将伸缩导管16一端与衬砌模架上合适位置的衬砌开窗12连接，另一端与浇筑套管11合适位置的开窗17连接，闭合衬砌模架其他位置的衬砌窗口、浇筑套管11其它位置的开窗；

步骤2：根据模型试验待支护洞室的高度及方向调整工作台2的四个伸缩支撑架4的高度，安装浇筑套管11到机械臂8，旋转浇筑套管11至合适的施工角度，连接输运管15至浇筑套管11，并通过计算机控制机构1对流量计10、注浆泵14、机械臂行进机构进行调试；

步骤3：通过计算机控制机构1操控机械臂8运作，通过微型红外相机9实时观测机械臂8的行进位置，将浇筑套管11及衬砌模架送至待支护洞室的衬砌施工位置；

步骤4：通过计算机控制机构1运行注浆泵14，并通过流量计10实时监测衬砌相似材料18的泵送量，衬砌浇筑完成后关闭注浆泵14；

步骤5：等待衬砌形成一定强度后，操控机械臂8后退完成衬砌施工；

步骤6：重复步骤1到5完成其他待支护洞室、其他待支护位置的衬砌施工。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，包括：

工作台；

机械臂，机械臂支撑于工作台，且机械臂能够相对于工作台实现前进或后退运动，机械臂的端部与浇筑套管的一端连接，浇筑套管能够通入衬砌相似材料，且浇筑套管相对于待支护洞室的距离可调；

衬砌模架，浇筑套管的另一端伸入至衬砌模架内，衬砌模架的外部形状与待支护洞室形状一致，且衬砌模架开有若干用于喷射衬砌相似材料的衬砌窗口，且浇筑套管能够与至少部分衬砌窗口实现连通。

2.根据权利要求1所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述浇筑套管开有若干开窗，开窗与所述衬砌窗口能够通过伸缩导管实现连通。

3.根据权利要求2所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述浇筑套管在所述开窗外侧设有第一开关门，第一开关门与浇筑套管可打开设置。

4.根据权利要求1所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述衬砌模架包括若干拼装成与待支护洞室形状一致的衬砌管片，衬砌管片的每一面开有所述的衬砌窗口；衬砌管片在所述衬砌窗口处设有第二开关门，第二开关门相对于衬砌管片可打开设置。

5.根据权利要求1所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述浇筑套管为直角弯管，直角弯管通过螺纹与所述机械臂的端部连接；

或者，所述工作台底部安装有可移动轮。

6.根据权利要求1所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述工作台表面设置导轨，机械臂穿过滑块设置，滑块与推动机构连接，滑块在推动机构的推动下能相对于导轨实现移动。

7.根据权利要求6所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述工作台上表面的两侧分别设置用于限定所述滑块的限位块。

8.根据权利要求1所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述工作台包括台面，台面的下表面安装有伸缩支撑架。

9.根据权利要求1所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置，其特征在于，所述浇筑套管通过管路与衬砌材料罐连接，管路设置流量计，且在注浆套管安装有相机；

流量计、相机分别与计算机控制机构连接。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种连拱隧道分部开挖模型试验中衬砌施工装置的使用方法，其特征在于，包括如下内容：

步骤1：按照待支护洞室的尺寸与形状，拼装衬砌模架，连通衬砌模架的衬砌窗口与注浆套管；

步骤2：根据待支护洞室的位置，调整注浆套管的位置，以使衬砌模架对准相应的待支护洞室；

步骤3：机械臂相对于工作台实现前进运动，将衬砌模架送入待支护洞室内；

步骤4：通过注浆套管和衬砌窗口向待支护洞室的内壁注入衬砌相似材料；

重复上述步骤1-4，完成所有的待支护洞室的衬砌施工。

Images