CN112211653A - 一种钢拱架支撑结构及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钢拱架支撑结构及其安装方法，所述钢拱架支撑结构包括钢拱架、锁脚连接板和锁脚锚管，所述锁脚连接板的数量为偶数个且沿钢拱架的弯曲方向间隔设置，所述锁脚连接板设置在钢拱架靠近围岩的侧面上，在钢拱架的拱脚位置均设有锁脚连接板，各锁脚连接板均设置为其厚度方向的中心轴线与钢拱架的圆心共线，在每个锁脚连接板上均设有偶数个通孔，通过将锁脚锚管一一对应插入通孔中，实现对钢拱架的锁紧固定。所述安装方法包括步骤1、将所述锁脚连接板预先焊接在钢拱架上，形成组合架；步骤2、采用拱架安装台车完成组合架的拼装作业；步骤3、采用拱架安装台车完成锁脚锚管的安装和注浆作业。所述安装方法能够实现机械化、智能化。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种钢拱架支撑结构及其安装方法。
背景技术
使用合理的隧道初期支撑结构对于开展隧道施工具有决定性的意义，是保护施工作业人员和广大人民群众的生命财产安全的关键所在。隧道初期支撑结构一般由钢拱架、钢筋网片、锁脚锚管和喷射混凝土等组成，是隧道轮廓主要承载结构。其中钢拱架因其能在短时间内给予围岩强有力的支护，约束围岩的位移，控制围岩塑性区的发展成为初期支护重要构件之一。在钢拱架架设完成后，需要通过锁脚锚管对钢拱架进行锁紧固定。
目前关于锁脚锚管与钢拱架的连接固定方式，常用的方法仍然是风钻打孔，现场工人焊接和注浆，这些工作由人工完成，既费时，也非常不安全。如专利为CN208153033U的发明专利公开了一种隧道初期支护钢拱架与锁角锚管的快速连接组合套板，该装置包括连接横板和套筒，连接横板长度方向与套筒轴线平行、连接横板的一侧垂直焊接于套筒外侧面，锁脚锚管插入连接于套筒内，连接横板插入连接于钢拱架工字钢的一侧槽口内。其中套筒直径大于锁脚锚管直径，且直径差不超过6mm，保证锁脚锚管与套筒的连接安装方便。连接横板垂直焊接于钢拱架工字钢的槽口内，连接横板长度为工字钢槽口宽度÷cosβ，β角度为锁脚锚管的预设安装角度值。连接横板的宽度与钢拱架工字钢的单侧槽口深度相等或略大于工字钢槽口深度。具体操作过程为：1按照前述尺寸加工圆形套管和连接横板，并将二者焊接形成连接组合套板，连接横板厚度中心线通过圆形套管中心；2隧道开挖完毕后，按照要求架设初期支护工字钢；3按照设计要求的位置、深度、角度、钻孔直径施做锚管孔。4将连接组合套板中的圆形套管套在锚管上，连接横板按照锚管与工字钢间夹角放入工字钢槽内，并将连接横板的其他三边(一边已经与圆形套管焊接)与工字钢双面焊接，并保证锁角锚管与钢拱架安装角度。虽然该专利给出了一种新型钢拱架与锁脚锚管连接形式，但是连接横板的加工精度要求高，施工难度大，且这种连接形式仍然需要工人暴露在围岩下进行人工焊接完成连接，破碎的围岩经常发生坍塌、掉落，给作业人员带来较大的安全威胁，拼装效率低下且施工质量难以保证，施工方式也没能实现机械化。
综上所述，急需一种钢拱架支撑结构及其安装方法以解决现有技术中钢拱架与锁角锚管连接形式中存在的连接横板的加工精度要求高，施工难度大，且不能实现机械化施工的问题。
发明内容
本发明第一目的在于提供一种钢拱架支撑结构，具体技术方案如下：
一种钢拱架支撑结构，包括钢拱架、锁脚连接板和锁脚锚管，所述锁脚连接板的数量为偶数个且沿钢拱架的弯曲方向间隔设置，多个锁脚连接板关于钢拱架的中轴线对称分布，所述锁脚连接板设置在钢拱架靠近围岩的侧面上，在钢拱架的拱脚位置均设有锁脚连接板，各锁脚连接板均设置为其厚度方向的中心轴线与钢拱架的圆心共线，在每个锁脚连接板上均设有偶数个通孔，多个通孔两两对称分布在钢拱架宽度方向的两侧，所述锁脚锚管与通孔的数量相等，通过将锁脚锚管一一对应插入通孔中，实现对钢拱架的锁紧固定。
优选的，对于所述锁脚锚管，其远离插入端方向的外径大于或等于其靠近插入端方向的外径。
优选的，所述锁脚锚管包括依次远离其插入端连接设置的第一管段和第二管段，所述第一管段为锥形结构且外径沿远离插入端的方向逐渐变大，所述第二管段包括依次远离插入端连接设置的圆柱形主体和圆台形尾部，所述圆台形尾部的最小外径与圆柱形主体的外径相等，且小于所述通孔的直径，所述圆台形尾部的最大外径大于所述通孔的直径。
优选的，所述锁脚连接板的数量为四个；
对于台阶法施工的隧道，其中两个锁脚连接板对称设置在下台阶钢拱架的拱脚位置，另外两个锁脚连接板对称设置在上台阶钢拱架的拱脚位置；
对于全断面法施工的隧道，其中两个锁脚连接板对称设置在钢拱架的拱脚位置，另外两个锁脚连接板对称设置在钢拱架的拱腰位置。
优选的，对于台阶法施工的隧道，对称设置在下台阶钢拱架拱脚位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为两个，而对称设置在上台阶钢拱架拱脚位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为四个；
对于全断面法施工的隧道，对称设置在钢拱架拱脚位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为两个，而对称设置在钢拱架拱腰位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为四个。
本发明第二目的在于提供一种钢拱架支撑结构的安装方法，具体技术方案如下：
所述安装方法包括以下步骤：
步骤1、将所述锁脚连接板预先焊接在钢拱架上，形成组合架，所述钢拱架在制作时根据施工需求确定材质和尺寸，且进行分段制作；
步骤2、采用拱架安装台车完成所述组合架的拼装作业；
步骤3、采用拱架安装台车完成所述锁脚锚管的安装和注浆作业；
所述拱架安装台车能够同时进行所述步骤2和步骤3的作业。
优选的，所述拱架安装台车包括底盘、支腿、驾驶室、左臂架、右臂架、机械手、凿岩机构、锚杆臂、锚管库、底盘覆盖件、全站仪、激光扫描仪、电机泵组、发动机动力系统、电气系统、液压系统、水汽系统、润滑系统、注浆系统和智能控制系统，所述拱架安装台车通过将各部件组合成整机，所述拱架安装台车能够实现隧道设计导入、空间补偿定位、隧道三维轮廓扫描、超欠挖识别、锁脚锚管施工和自动生成拼装日志。
优选的，在步骤1和步骤2之间，还包括运送步骤，具体是将所需数量的组合架和锁脚锚管运送到作业区域；在步骤2和步骤3之间，还包括钻孔步骤，具体是采用所述拱架安装台车控制凿岩机构驱动锚杆臂对正对所述通孔位置处的围岩进行钻孔作业，以形成用于安装所述锁脚锚管的安装孔。
优选的，所述步骤2，具体是所述拱架安装台车开至掌子面3～4m处，撑开支腿，通过全站仪和激光扫描仪完成所述拱架安装台车在隧道施工坐标系中的定位，自动计算出拱架安装台车在隧道中的位置及姿态，根据扫描结果规划左臂架、右臂架和机械手的运动轨迹，生成作业程序，识别并抓取组合架，按照设计位置将组合架进行拼装，识别组合架拼装位置，并实时反馈给智能控制系统，以指导组合架在后续安装过程中的横向和纵向位置。
优选的，所述步骤3，具体是所述拱架安装台车根据扫描结果规划左臂架、右臂架和机械手的运动轨迹，生成作业程序，识别并抓取锚管库中的锁脚锚管，按照设计位置将锁脚锚管经通孔推送至安装孔中，完成锁脚锚管安装作业，然后由注浆系统对锁脚锚管注入浆液，所述注浆系统能够实现自动计量、自动制浆、自动注浆和自动记录注浆数据，所述注浆系统的注浆压力为4MPa，注浆流量为3.5m3/h，注浆时间为30s，浆液中水泥质量占比为35％。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明中所述钢拱架支撑结构，对台阶法施工的隧道以及全断面法施工的隧道，选择在钢拱架的特定位置处设计锁脚连接板，还限定了特定位置处锁脚连接板的通孔数量，这不仅简化了支撑结构，还降低了制造成本。此外，锁脚锚管的变径设计，不仅能够保证锁脚锚管对钢拱架的底部及腰部锁紧固定，还能够容许机械化施工中一定的对孔误差。
(2)本发明中所述安装方法使整个安装过程可实现机械化、智能化，拼装速度快，质量可控，能快速完成锁脚锚管的安装和注浆作业，及时形成高质量支护，避免人工在裸露破碎围岩下作业，保证人员安全性。
(3)本发明中所述步骤1中将所述锁脚连接板预先焊接在钢拱架上，形成组合架，大大简化了施工难度，且避免人工在裸露破碎围岩下作业，保证人员安全性。
(4)本发明中所述拱架安装台车的凿岩机构在实现安装孔钻孔的同时还能进行隧道轮廓整形。
(5)本发明中所述步骤3中采用特定的注浆工艺能够确保浆液快速固化，从而快速形成稳定的初期支撑结构。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的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。在附图中：
图1是本发明实施例1的钢拱架支撑结构安装后的结构示意图；
图2是图1中C位置处锁脚连接板的结构示意图；
图3是图1中D位置处锁脚连接板的结构示意图；
图4是图1中锁脚锚管插入锁脚连接板通孔后的结构示意图；
其中，1、钢拱架，2、锁脚连接板，2.1、通孔，3、锁脚锚管，3.1、第一管段，3.2、第二管段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1(选择全断面法施工的隧道安装钢拱架支撑结构)：
参见图1-图4，一种钢拱架支撑结构，包括钢拱架1、锁脚连接板2和锁脚锚管3，所述锁脚连接板2的数量为四个且沿钢拱架1的弯曲方向间隔设置，四个锁脚连接板2关于钢拱架1的中轴线对称分布，所述锁脚连接板2设置在钢拱架1靠近围岩的侧面上，在钢拱架1的拱脚位置均设有锁脚连接板2，参见图1中D处，另外两个锁脚连接板2对称设置在钢拱架1的拱腰位置，参见图1中C处，各锁脚连接板2均设置为其厚度方向的中心轴线与钢拱架1的圆心共线；在每个锁脚连接板2上均设有偶数个通孔，多个通孔两两对称分布在钢拱架1宽度方向的两侧，所述锁脚锚管3与通孔2.1的数量相等，通过将所述锁脚锚管3一一插入所述通孔2.1中，实现对钢拱架1的锁紧固定。
对于全断面法施工的隧道，对称设置在钢拱架1拱脚位置的两个锁脚连接板2(尺寸为长294mm，宽220mm)上的通孔2.1数量均为两个，参见图3，而对称设置在钢拱架1拱腰位置的两个锁脚连接板2(尺寸为长450mm，宽294mm)上的通孔2.1数量均为四个，参见图2。
对于所述锁脚锚管3，其远离插入端方向的外径大于或等于其靠近插入端方向的外径。
参见图4，所述锁脚锚管3包括依次远离其插入端连接设置的第一管段3.1和第二管段3.2，所述第一管段3.1为锥形结构且外径沿远离插入端的方向逐渐变大，所述第二管段3.2包括依次远离插入端连接设置的圆柱形主体和圆台形尾部，所述圆台形尾部的最小外径与圆柱形主体的外径相等，所述圆台形尾部的最小外径(具体为42mm)不小于第一管段3.1的最大外径(具体为42mm)，而小于所述通孔2.1的直径，所述第二管段3.2的最大外径(具体为52mm)大于所述通孔2.1的直径(具体为50mm)。
一种所述钢拱架支撑结构的安装方法，包括以下步骤：
步骤1、将所述锁脚连接板2预先焊接在钢拱架1上，形成组合架，所述钢拱架1在制作时根据施工需求确定材质和尺寸，且进行分段制作；
步骤2、采用拱架安装台车完成所述组合架的拼装作业；
步骤3、采用拱架安装台车完成所述锁脚锚管3的安装和注浆作业；
所述拱架安装台车能够同时进行所述步骤2和步骤3的作业。
所述拱架安装台车包括底盘、支腿、驾驶室、左臂架、右臂架、机械手、凿岩机构、锚杆臂、锚管库、底盘覆盖件、全站仪、激光扫描仪、电机泵组、发动机动力系统、电气系统、液压系统、水汽系统、润滑系统、注浆系统和智能控制系统，所述拱架安装台车通过常规设置将各部件组合成整机，所述拱架安装台车能够实现隧道设计导入、空间补偿定位、隧道三维轮廓扫描、超欠挖识别、锁脚锚管3施工和自动生成拼装日志。
在步骤1和步骤2之间，还包括运送步骤，具体是将本次作业所需数量的组合架和锁脚锚管运送到作业区域；在步骤2和步骤3之间，还包括钻孔步骤，具体是采用所述拱架安装台车控制凿岩机构在正对所述通孔2.1位置处的围岩进行钻孔作业，以形成用于安装所述锁脚锚管3的安装孔。
所述步骤2，具体是开至至掌子面3～4m处，撑开支腿，通过全站仪和激光扫描仪完成所述拱架安装台车在隧道施工坐标系中的定位，自动计算出拱架安装台车在隧道中的位置及姿态，根据扫描结果规划左臂架、右臂架和机械手的运动轨迹，生成作业程序，识别并抓取组合架，按照设计位置将组合架进行拼装，识别组合架拼装位置，并实时反馈给智能控制系统，以指导组合架在后续安装过程中的横向和纵向位置。对于台阶法施工的隧道，建议采用长台阶，所述拱架安装台车站在上台阶施工。如采用微台阶施工，建议上台阶高度6米左右，台阶长度2～3米。
所述步骤3，具体是所述拱架安装台车根据扫描结果规划左臂架、右臂架和机械手的运动轨迹，生成作业程序，识别并抓取锚管库中的锁脚锚管3，按照设计位置将锁脚锚管3经通孔2.1推送至安装孔中，完成锁脚锚管3安装作业，然后由注浆系统对锁脚锚管3注入浆液，所述注浆系统能够实现自动计量、自动制浆、自动注浆和自动记录注浆数据，所述注浆系统的注浆压力为4MPa，注浆流量为3.5m3/h，注浆时间为30s，浆液中水泥质量占比为35％，所述注浆系统采用的储浆罐容量为100L。所述步骤3中采用特定的注浆工艺能够确保浆液快速固化，从而快速形成稳定的初期支撑结构。
实施例1中所述钢拱架支撑结构，对台阶法施工的隧道以及全断面法施工的隧道，选择在钢拱架1的特定位置处设计锁脚连接板2，还限定了特定位置处锁脚连接板2的通孔2.1数量，这不仅简化了支撑结构，还降低了制造成本。此外，锁脚锚管3的变径设计，不仅能够保证锁脚锚管3对钢拱架1的底部及腰部锁紧固定，还能够容许机械化施工中一定的对孔误差。
实施例1中所述安装方法使整个安装过程可实现机械化、智能化，拼装速度快，质量可控，能快速完成锁脚锚管2的安装和注浆作业，及时形成高质量支护，避免人工在裸露破碎围岩下作业，保证人员安全性。
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)
1.一种钢拱架支撑结构，其特征在于，包括钢拱架、锁脚连接板和锁脚锚管，所述锁脚连接板的数量为偶数个且沿钢拱架的弯曲方向间隔设置，多个锁脚连接板关于钢拱架的中轴线对称分布，所述锁脚连接板设置在钢拱架靠近围岩的侧面上，在钢拱架的拱脚位置均设有锁脚连接板，各锁脚连接板均设置为其厚度方向的中心轴线与钢拱架的圆心共线，在每个锁脚连接板上均设有偶数个通孔，多个通孔两两对称分布在钢拱架宽度方向的两侧，所述锁脚锚管与通孔的数量相等，通过将锁脚锚管一一对应插入通孔中，实现对钢拱架的锁紧固定。
2.根据权利要求1所述的钢拱架支撑结构，其特征在于，对于所述锁脚锚管，其远离插入端方向的外径大于或等于其靠近插入端方向的外径。
3.根据权利要求2所述的钢拱架支撑结构，其特征在于，所述锁脚锚管包括依次远离其插入端连接设置的第一管段和第二管段，所述第一管段为锥形结构且外径沿远离插入端的方向逐渐变大，所述第二管段包括依次远离插入端连接设置的圆柱形主体和圆台形尾部，所述圆台形尾部的最小外径与圆柱形主体的外径相等，且小于所述通孔的直径，所述圆台形尾部的最大外径大于所述通孔的直径。
4.根据权利要求1所述的钢拱架支撑结构，其特征在于，所述锁脚连接板的数量为四个；
对于台阶法施工的隧道，其中两个锁脚连接板对称设置在下台阶钢拱架的拱脚位置，另外两个锁脚连接板对称设置在上台阶钢拱架的拱脚位置；
对于全断面法施工的隧道，其中两个锁脚连接板对称设置在钢拱架的拱脚位置，另外两个锁脚连接板对称设置在钢拱架的拱腰位置。
5.根据权利要求4所述的钢拱架支撑结构，其特征在于，对于台阶法施工的隧道，对称设置在下台阶钢拱架拱脚位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为两个，而对称设置在上台阶钢拱架拱脚位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为四个；
对于全断面法施工的隧道，对称设置在钢拱架拱脚位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为两个，而对称设置在钢拱架拱腰位置的两个锁脚连接板上的通孔数量均为四个。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的钢拱架支撑结构的安装方法，其特征在于，所述安装方法包括以下步骤：
步骤1、将所述锁脚连接板预先焊接在钢拱架上，形成组合架，所述钢拱架在制作时根据施工需求确定材质和尺寸，且进行分段制作；
步骤2、采用拱架安装台车完成所述组合架的拼装作业；
步骤3、采用拱架安装台车完成所述锁脚锚管的安装和注浆作业；
所述拱架安装台车能够同时进行所述步骤2和步骤3的作业。
7.根据权利要求6所述的安装方法，其特征在于，所述拱架安装台车包括底盘、支腿、驾驶室、左臂架、右臂架、机械手、凿岩机构、锚杆臂、锚管库、底盘覆盖件、全站仪、激光扫描仪、电机泵组、发动机动力系统、电气系统、液压系统、水汽系统、润滑系统、注浆系统和智能控制系统，所述拱架安装台车通过将各部件组合成整机，所述拱架安装台车能够实现隧道设计导入、空间补偿定位、隧道三维轮廓扫描、超欠挖识别、锁脚锚管施工和自动生成拼装日志。
8.根据权利要求7所述的安装方法，其特征在于，在步骤1和步骤2之间，还包括运送步骤，具体是将所需数量的组合架和锁脚锚管运送到作业区域；在步骤2和步骤3之间，还包括钻孔步骤，具体是采用所述拱架安装台车控制凿岩机构在正对所述通孔位置处的围岩进行钻孔作业，以形成用于安装所述锁脚锚管的安装孔。
9.根据权利要求8所述的安装方法，其特征在于，所述步骤2，具体是所述拱架安装台车开至掌子面3～4m处，撑开支腿，通过全站仪和激光扫描仪完成所述拱架安装台车在隧道施工坐标系中的定位，自动计算出拱架安装台车在隧道中的位置及姿态，根据扫描结果规划左臂架、右臂架和机械手的运动轨迹，生成作业程序，识别并抓取组合架，按照设计位置将组合架进行拼装，识别组合架拼装位置，并实时反馈给智能控制系统，以指导组合架在后续安装过程中的横向和纵向位置。
10.根据权利要求8所述的安装方法，其特征在于，所述步骤3，具体是所述拱架安装台车根据扫描结果规划左臂架、右臂架和机械手的运动轨迹，生成作业程序，识别并抓取锚管库中的锁脚锚管，按照设计位置将锁脚锚管经通孔推送至安装孔中，完成锁脚锚管安装作业，然后由注浆系统对锁脚锚管注入浆液，所述注浆系统能够实现自动计量、自动制浆、自动注浆和自动记录注浆数据，所述注浆系统的注浆压力为4MPa，注浆流量为3.5m3/h，注浆时间为30s，浆液中水泥质量占比为35％。
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- 2020-10-20 CN CN202011124296.XA patent/CN112211653B/zh active Active
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