CN113153357A - 一种隧道仰拱半幅拆除装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道工程技术领域，公开了一种隧道仰拱半幅拆除装置，包括位于隧道一侧的栅格桁架、将栅格桁架固定在隧道底部的第一连接件、将栅格桁架固定在隧道侧面的第二连接件、位于栅格桁架上方的施工装置；其中，第一连接件与栅格桁架之间通过第一导轨滑动连接；第二连接件与栅格桁架之间通过第二导轨滑动连接；施工装置与栅格桁架之间通过第三导轨滑动连接。该装置结构简单，方便安装，设计巧妙，实用性强。本发明还公开了两种隧道仰拱半幅拆除施工方法，采用上述两种方法施工成本低，隧道稳定性高，可实现施工的同时不耽误交通，方便群众出行，大大提高了人们生活质量。

Description

一种隧道仰拱半幅拆除装置及施工方法

技术领域

本发明涉及于隧道工程技术领域，尤其涉及一种隧道仰拱半幅拆除装置及施工方法。

背景技术

在交通网络的拓展过程中，难免会有隧道的建设，其质量好坏对道路的正常运行有着重要影响。仰拱是隧道结构的主要组成部分之一，其为隧道底部设置的与上部衬砌闭合成环、能够约束围岩变形和增加围岩稳定性的反拱形结构。仰拱在隧道工程建设中起着至关重要的作用，能解决基础承载力不够的问题，减少隧道下沉；起到防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力的作用；能封闭围岩，阻止围岩过大的变形，提高隧道的整体承载力；还能增加底部和墙部的支撑抵抗力，防止围岩内挤而导致底部和墙部剪切破坏。然而，在特殊情况下，隧道仰拱病害诸如仰拱底鼓开裂、衬砌结构破坏和路面翻浆冒水等仍在隧道运营期间中发生，此时就需要考虑对仰拱进行拆换。

仰拱拆换主要针对隧道仰拱结构已无法满足隧道结构受力要求的情况下，对病害段仰拱、仰拱填充和路面结构等进行拆除并重新修筑，同时对仰拱下部已遭受破坏软化的软弱基底进行清除换填或注浆加固，以达到彻底解决因基底软化和仰拱结构缺陷等因素导致的仰拱病害的目的。传统方法拆除仰拱通常采用的是整幅拆除，如公开号为CN111535858A的专利，其采用的就是整幅拆除法。但采用上述方法整个装置的承重部分几乎都落在了横梁上，由于横梁跨度较大，在跨中处产生较大的弯矩，因此需要大幅增加材料用量确保横梁具有足够的承载能力，且施工反力会产生一个作用于施工装置上拉力，易造成整个施工器械与轨道脱离，整体装置的安全性不高。此外，采用整幅拆除法在施工期间隧道会停止使用，人们为了出行必须选择绕路，这会造成群众出行时间增加、燃料费用上升等问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种隧道仰拱半幅拆除装置，其结构简单，方便安装，设计巧妙，实用性强。

本发明的第二个目的在于提供一种隧道仰拱半幅拆除施工方法，其工作效率高，社会效益好；采用半幅拆除法可实现施工的同时不耽误交通，方便出行，大幅缩短人们出行的时间，降低通行成本。

本发明的第三个目的在于提供另一种隧道仰拱半幅拆除施工方法(即跳槽拆除法)，采用上述方法可使未拆除段对正在拆除段两端产生约束从而降低拱顶的沉降和拱底的隆起，相较于连续拆除隧道的稳定性更高。实现本发明第一个目的所采用的技术方案是：

一种隧道仰拱半幅拆除装置，包括位于隧道一侧的栅格桁架、将栅格桁架固定在隧道底部的第一连接件、将栅格桁架固定在隧道侧面的第二连接件、位于栅格桁架上方的施工装置；其中，第一连接件与栅格桁架之间通过第一导轨滑动连接；第二连接件与栅格桁架之间通过第二导轨滑动连接；施工装置与栅格桁架之间通过第三导轨滑动连接。

本发明中的桁架为常见的桁架，如钢桁架，具体类型可按照现场施工需求进行选择，配置桁架的主要目的是为施工装置提供一个工作平台。第一连接件和第二连接件为锚杆和膨胀螺栓，其主要目的是承受装置自重，并平衡由施工反力对装置产生的拉力或剪力。本发明的控制装置集中在操作平台上。第一导轨、第二导轨和第三导轨均为形状均为“工”字形的钢轨。优选地，本发明的“工”字形钢轨设计为上窄下宽的形状。由于桁架和施工装置的载重量较大，钢轨需要由足够的断面面积确保承载能力，并且钢轨轨头需要与桁架连接，因此工字钢的上翼缘宽度需要进行匹配。在实际应用中，除了考虑承载能力，还要考虑翼缘的稳定性，故轨头的宽度和厚度是有限定的。因此，上下翼缘的宽度、厚度以及腹板的厚度和高度可以根据实际场景进行调整。此外，栅格桁架与第一导轨和第二导轨以及控制装置连接的部分设计成与“工”字形钢轨相配合的可拆卸扣件。

实现本发明第二个目的所采用的技术方案是：

一种隧道仰拱半幅拆除施工方法，包括以下步骤：

步骤S1，将隧道施工路段分为左右两侧的半幅区域，在隧道左右两侧的地面分界线处沿着隧道方向铺设第一导轨，并在一侧的隧道壁上铺设第二导轨；

步骤S2，先在铺设第二导轨的一侧设置隧道仰拱半幅拆除装置，并将仰拱半幅拆除装置在第一导轨上沿着施工方向施工拆除并推进，再将已经施拆除的路段进行下一步更换仰拱及浇筑等工作；

步骤S3，当步骤S2中已浇筑路段长度可供车辆通过时，本侧已浇筑路段可与另一侧未施工的路段形成“Z”字形行车空间，形成以供车辆通行；

步骤S4，在隧道施工路段起点的另一侧设置隧道仰拱半幅拆除装置，重复步骤S2中的施工方案；此时，左右两侧的隧道仰拱半幅拆除装置可同时朝着施工方向进行施工推进，直至需要施工的所有路段全部完成拆除和浇筑工作。传统整幅拆除装置中，整个装置的承重部分几乎都落在了横梁上，由于横梁跨度较大，在跨中处产生较大的弯矩，因此需要大幅增加材料用量确保横梁具有足够的承载能力，且施工反力会产生一个作用于施工机械上拉力，易造成整个施工器械与轨道脱离，整体装置的安全性不高。

本发明的隧道仰拱半幅拆除装置中桁架一侧与隧道底面连接，另一侧与隧道边墙连接，这样可减小桁架的跨度，从而降低桁架的挠度，保证施工机械的平稳运行。采用半幅拆除，在同一整幅拆除段内只拆除隧道的一侧，成拱性好，不易坍塌，结构较为稳定。

此外，本发明在刚开始在一侧施工时，另一侧整个隧道留出来供车辆通行；当左右两侧均开始施工时，整个隧道内的行车空间为“Z”字形；当一侧的隧道施工完成后，车辆可在已经施工完成后的一侧隧道内直线通行。采用上述施工方式在不耽误行车通畅的同时，保证整个施工段在较短的工期内全部拆换，提高了工作效率。

实现本发明第三个目的所采用的技术方案是：

一种隧道仰拱半幅拆除施工方法(即跳槽拆除法)，包括以下步骤：

步骤S1，沿隧道方向将需要施工的隧道划分为若干段，且依次定义为第一段，第二段，……，第N段；并将每一段分为左幅和右幅；

步骤S2，先对奇数段隧道进行拆换

步骤S201，在第一段隧道左右两侧的地面分界线处沿着隧道方向铺设第一导轨，并在第一段隧道左侧壁上铺设第二导轨，再在第一导轨和第二导轨上设置左幅仰拱半幅拆除装置；

步骤S202，将左幅仰拱半幅拆除装置在第一导轨上沿着施工方向施工拆除并推进，再将已经施拆除的路段进行下一步更换仰拱及浇筑等工作；

步骤S203，当完成第一段左幅仰拱拆换后，将第一段左幅的仰拱移动到第三段的左幅，同时在第一段右幅设置仰拱半幅拆除装置，使得左右两侧的仰拱半幅拆除装置中间的偶数段整幅隧道形成“Z”字形行车空间；然后左右两侧的装置同时施工；

步骤S204，将左右两侧的仰拱半幅拆除装置同时沿着隧道方向推进，且只拆除奇数段隧道，保证左右两侧的装置之间间隔一个偶数段整幅路段，直至奇数段隧道全部完成拆除和浇筑工作；

步骤S3，再对偶数段隧道进行拆换

步骤S301，当奇数段隧道完全拆除后，开始拆除偶数段隧道；从第二段起按照拆除奇数段隧道的方法沿着隧道方向进行施工，且只拆除偶数段隧道，保证左右两侧的装置之间间隔一个奇数段整幅路段，直至偶数段隧道全部完成拆除和浇筑工作。

上述拆除方法为跳槽拆除，首先按顺序拆换奇数段的仰拱，在奇数段仰拱拆换完成后对偶数段进行拆换，其中每段仰拱均为先拆换左幅再拆换右幅。跳槽拆除的机理是未拆除段会对正在拆除段两端产生约束从而降低拱顶的沉降和拱底的隆起，相较于连续拆除隧道的稳定性更高。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用半幅拆除法，在施工的同时不耽误交通，方便群众出行；

(2)本发明结构简单，方便安装，设计巧妙，实用性强；

(3)本发明的扣件采用两部分组合，方便安装、拆卸和更换；

(4)本发明的施工方法可在两侧开始施工的时间差异预留出整幅的横向通道，在不耽误行车通畅的同时，保证整个施工段在较短的工期内全部拆除，大大提高了工作效率；

(5)本发明采用仰拱半幅拆除方式进行施工，成拱性好，提高了隧道的安全性；

(6)本发明的另一种隧道拆除方法为跳槽拆除，跳槽拆除的机理是未拆除段会对正在拆除段两端产生约束从而降低拱顶的沉降和拱底的隆起，相较于连续拆除隧道的稳定性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1是本发明仰拱半幅拆除装置的一种断面示意图；

图2是本发明仰拱半幅拆除装置的一种局部放大图；

图3是本发明仰拱半幅拆除装置的一种侧视图；

图4是本发明扣件的一种整体结构示意图；

图5是本发明扣件的一种零件拆分结构示意图；

图6是本发明扣件的一种侧视结构示意图；

图7是本发明隧道一侧开始施工时的一种示意图；

图8是本发明隧道另一侧开始施工时的一种示意图；

图9是本发明的隧道两侧均已施工到拆换段中部的一种示意图；

图10是本发明的隧道一侧施工完成的一种示意图；

图11是本发明采用跳槽拆除法中步骤S201的一种施工示意图；

图12是本发明采用跳槽拆除法中步骤S203的一种施工示意图；

图13是本发明采用跳槽拆除法中步骤S301的一种施工示意图；

图14是本发明采用跳槽拆除法中步骤S301的另一种施工示意图；

图15是本发明跳槽拆换顺序的一种示意图；

图16是本发明采用跳槽拆除法在不同拆换距离隧道拱顶各点最大沉降值示意图；

图17是本发明采用跳槽拆除法在不同拆换距离隧道拱底各点最大隆起值示意图。

图中：1.隧道；2.栅格桁架；3.第一连接件；4.第二连接件；401.锁脚锚杆；402.膨胀螺栓；403.角钢；5.控制装置；6.第一导轨；7.第二导轨；8.第三导轨；9.施工组件；901.机械臂；902.施工器械；10.扣件；1001.第一连接部；1002.第二连接部；1003.连接条；11.已浇筑路段；12.运渣车；13.围栏。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。所述实施例和附图仅仅作为描述本发明的参考实施例，本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅仅为示意性附图而非限制性附图。为了进一步说明本发明的目的，在附图中，一些元件的尺寸可能被放大而未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际减少量。

说明书和权利要求书中的术语第一、第二和第三等用于区分相似元件，且不一定用于在时间上、空间上、排序中或以任何其他方式描述序列。应当理解，上述使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施方案能够以除本文描述或说明的其他顺序操作。

此外，说明书和权利要求中的术语上，下，左、等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解，上述使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施方案能够以除本文描述或说明的其他顺序操作。应注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置，它不排除其他元素或步骤。因此，应将其解释为指定所述特征、参数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、参数、步骤或组件或其组的存在或添加。

如图1～图3所示，一种隧道仰拱半幅拆除装置，包括位于隧道1一侧的栅格桁架2、将栅格桁架2固定在隧道1底部的第一连接件3、将栅格桁架2固定在隧道1侧面的第二连接件4、位于栅格桁架2上方的施工装置；其中，第一连接件3与栅格桁架2之间通过第一导轨6滑动连接；第二连接件4与栅格桁架2之间通过第二导轨7滑动连接；施工装置与栅格桁架2之间通过第三导轨8滑动连接。

本发明中的桁架为常见的桁架(如钢桁架)，具体类型可按照现场施工需求进行选择，配置桁架的主要目的是为施工装置提供一个工作平台。第一连接件3和第二连接件4为锚杆和膨胀螺栓，其主要目的是承受装置自重，并平衡由施工反力对装置产生的拉力或剪力。本发明的控制装置5集中在操作平台上。第一导轨6、第二导轨7和第三导轨8均为形状均为“工”字形的钢轨。优选地，本发明的“工”字形钢轨设计为上窄下宽的形状。由于桁架和施工装置的载重量较大，钢轨需要由足够的断面面积确保承载能力，并且钢轨轨头需要与桁架连接，因此工字钢的上翼缘宽度需要进行匹配。在实际应用中，除了考虑承载能力，还要考虑翼缘的稳定性，故轨头的宽度和厚度是有限定的。因此，上下翼缘的宽度、厚度以及腹板的厚度和高度可以根据实际场景进行调整。此外，栅格桁架2与第一导轨6和第二导轨7以及控制装置5连接的部分设计成与“工”字形钢轨相配合的可拆卸扣件10。本发明的导轨和扣件10的配合示意图具体如图2～图3所示。

进一步地，如图1～图3所示，所述第一导轨6设置在隧道1左右两侧的地面分界线处。

当需要施工的隧道1较短时，所述第一导轨6贯穿整个施工地段，这样可以一次性铺设和拆除第一导轨6，后期只需在移动半幅拆除装置时灵活设置第二导轨7，减少了工字钢的用量，降低了造价成本。若第一导轨6贯穿整个施工地段则可在行车车辆通行的整幅路段上铺设保护装置，如盖板等。当需要施工的隧道1较长时，可设置多段第一导轨6。

进一步地，如图1所示，所述施工装置包括控制装置5和与控制装置5连接的施工组件 9。控制装置5连接施工组件9的目的是方便控制装置5控制施工组件9进行工作，且在控制装置5移动时带动施工组件9随控制装置5灵活移动实现半幅拆除。

进一步地，如图1～图2所示，所述第一连接件3为竖直锚杆；第二连接件4由锁脚锚杆401、膨胀螺栓杆402和角钢403组成，与角钢403相连的锁脚锚杆401打入隧道1的一侧边墙并且通过膨胀螺栓杆402将角钢403固定在边墙上。采用连接件的目的是固定第一导轨6和第二导轨7，提高整体装置的稳定性。

进一步地，如图1～图2所示，所述第一导轨6、第二导轨7和第三导轨8的形状均为“工”字形，且栅格桁架2与第一导轨6和第二导轨7以及施工装置与第三导轨8连接的部分设计成与“工”字形钢轨相配合的可拆卸扣件10。所述扣件10的整体形状为类似在一边开一个小口的“回”字形，这样设置的目的是使得钢轨形状进行配合更加紧密，不易脱落，扣件10的具体形状如图3～图6所示。

优选地，本发明的“工”字形钢轨设计为上窄下宽的形状。由于桁架和施工装置的载重量较大，钢轨需要由足够的横截面积确保承载能力，并且钢轨轨头需要与轨道连接，因此工字钢的上翼缘宽度需要进行匹配。在实际应用中，除了考虑承载能力，还要考虑翼缘的稳定性，故轨头的宽度和厚度是有限定的。因此，上下翼缘的宽度、厚度以及腹板的厚度和高度可以根据实际场景进行调整。

进一步地，如图4～图6如图所示，所述扣件10包括带有插销的第一连接部1001、带有插销孔的第二连接部1002和连接条1003；第一连接部1001和第二连接部1002均为“凹”字形结构且两者表面均设有螺栓孔，连接条1003也开设有螺栓孔；第一连接部1001和第二连接部1002通过插销、插销孔进行对准定位，再通过连接条1003的螺栓孔将第一连接部 1001和第二连接部1002进行连接。本发明的扣件10采用两部分进行组合，便于安装、拆卸和更换；采用插销和插销孔进行配合的方式将扣件10的两部分进行组合可实现精准定位。

如图1～图2所示，所述施工组件9为机械臂901和施工器械902。控制装置5可控制机械臂901和施工器械902可实现灵活施工，采用机械臂901模拟人的动作来进行工作，不仅节省人力，而且安全性好，工作效率高。所述施工器械902为常见的破碎锤或挖斗。第三导轨8的数量为两条以上。设置第三导轨8的目的是方便控制装置5在桁架上移动，本发明优选在桁架顶部的长边两侧分别设置一条导轨，可实现平稳移动控制装置5的同时大大节约成本。在施工道路的外侧还设置有围栏13。在施工道路的外侧设置有围栏13的目的是为了方便管理和保证施工安全。

如图7～图10所示，一种隧道仰拱半幅拆除施工方法，包括以下步骤：

步骤S1，将隧道1施工路段分为左右两侧的半幅区域，在隧道1左右两侧的地面分界线处沿着隧道1方向铺设第一导轨6，并在一侧的隧道1壁上铺设第二导轨7；

步骤S2，先在铺设第二导轨7的一侧设置隧道仰拱半幅拆除装置，并将仰拱半幅拆除装置在第一导轨6上沿着施工方向施工拆除并推进，再将已经施拆除的路段进行下一步更换仰拱及浇筑等工作；

步骤S3，当步骤S2中已浇筑路段11长度可供车辆通过时，本侧已浇筑路段11可与另一侧未施工的路段形成“Z”字形行车空间，形成以供车辆通行；

步骤S4，在隧道1施工路段起点的另一侧设置隧道仰拱半幅拆除装置，重复步骤S2中的施工方案；此时，左右两侧的隧道仰拱半幅拆除装置可同时朝着施工方向进行施工推进，直至需要施工的所有路段全部完成拆除和浇筑工作。

本发明的施工方法可在两侧开始施工的时间差异预留出整幅的横向通道，在不耽误行车通畅的同时，保证整个施工段在最短的工期内全部拆除，大大提高了工作效率；采用仰拱半幅拆除方式进行施工，成拱性好，提高了隧道1的安全性。此外，本发明在刚开始施工时，隧道1的另一侧全留出来供车辆通行；当左右两侧均开始施工时，整个隧道1内的行车空间为“Z”字形；当一侧的隧道1施工完成后，车辆可在已经施工完成后的一侧隧道1内直线通行。采用上述施工方式在不耽误行车通畅的同时，保证整个施工段在较短的工期内全部拆除，大大提高了工作效率。

进一步地，当步骤S2中本侧已浇筑路段11长度为6～12m时开始另一侧施工。当步骤 S2中本侧已浇筑路段11长度为6～12m时开始另一侧施工可保证施工过程中车辆可以正常通行，且单次拆换距离在6～12m时隧道均处于安全状态，但考虑到仰拱拆除时会产生较大的隆起变形而影响施工，为了将拱底变形控制在较小范围内，宜尽量选择单次拆换距离短的方案。

进一步地，步骤S3中，沿着施工方向设置有一个以上仰拱半幅拆除装置。为了提高本发明的工作效率，本发明优选设置两个仰拱半幅拆除装置，沿隧道1施工方向，第一个仰拱半幅拆除装置上的施工器械902为破碎锤，第二个仰拱半幅拆除装置上的施工器械902为挖斗，且还配置有运渣车12清除碎渣等垃圾，实现边施工边清理，大大提高工作效率。

如图11～图14所示，本发明另一种隧道仰拱半幅拆除施工方法(即跳槽拆除法)，具体包括以下步骤：

步骤S1，沿隧道1方向将需要施工的隧道1划分为若干段，且依次定义为第一段，第二段，……，第N段；并将每一段分为左幅和右幅；

步骤S2，先对奇数段隧道1进行拆换

步骤S201，在第一段隧道1左右两侧的地面分界线处沿着隧道1方向铺设第一导轨6，并在第一段隧道1左侧壁上铺设第二导轨7，再在第一导轨和第二导轨上设置左幅仰拱半幅拆除装置，具体如图11所示；

步骤S202，将左幅仰拱半幅拆除装置在第一导轨6上沿着施工方向施工拆除并推进，再将已经施拆除的路段进行下一步更换仰拱及浇筑等工作；

步骤S203，当完成第一段左幅仰拱拆换后，将第一段左幅的仰拱移动到第三段的左幅，同时在第一段右幅设置仰拱半幅拆除装置，使得左右两侧的仰拱半幅拆除装置中间的偶数段整幅隧道1形成“Z”字形行车空间；然后左右两侧的装置同时施工，具体如图12所示；

步骤S204，将左右两侧的仰拱半幅拆除装置同时沿着隧道1方向推进，且只拆除奇数段隧道1，保证左右两侧的装置之间间隔一个偶数段整幅路段，直至奇数段隧道1全部完成拆除和浇筑工作；

步骤S3，再对偶数段隧道1进行拆换

步骤S301，当奇数段隧道1完全拆除后，开始拆除偶数段隧道1；从第二段起按照拆除奇数段隧道1的方法沿着隧道1方向进行施工，且只拆除偶数段隧道1，保证左右两侧的装置之间间隔一个奇数段整幅路段，直至偶数段隧道1全部完成拆除和浇筑工作，具体如图13和图14所示。

进一步地，步骤S1中，每一段的长度为6～12m。

在V级围岩情况下，单次拆换距离在6～12m时隧道均处于安全状态。但考虑到仰拱拆除时会产生较大的隆起变形而影响施工，为了将拱底变形控制在较小范围内，宜尽量选择单次拆换距离短的方案。

在本发明中，图11～和图14只简单画出了将隧道拆为四段的示意图，实际拆分段数需要根据实际情况进行划分。

本发明的跳槽拆除法首先按顺序拆换奇数段的仰拱，在奇数段仰拱拆换完成后对偶数段进行拆换，其中每段仰拱均为先拆换左幅再拆换右幅。具体示意图如图15所示，图中数字表示拆换的顺序。跳槽拆除的机理是未拆除段会对正在拆除段两端产生约束，从而降低拱顶的沉降和拱底的隆起，相较于连续拆除隧道的稳定性更高。本发明中采用了两种拆除隧道拆除方式，与第一种方式相比，采取跳槽拆换的方式施工的安全性更高。

采用跳槽拆除方法，在拆除偶数段前已经完成奇数段左右两幅仰拱的拆换，也就是说拆除偶数段时，偶数段相邻两段均为已拆换完成的C45仰拱，其能更好地对偶数段拆换过程中产生的位移起到限制作用。可见，跳槽拆除方法能在不影响行车的情况使得新筑的更高强度的仰拱闭合成环，能更早地发挥拆换后仰拱的承载能力，使得拱底和拱顶位移值也相对较小，因此遵循尽早使得拆换后的仰拱闭合成环的原则，对发挥衬砌结构的承载性能，提高拆换过程中隧道结构的稳定性具有重要作用。

拆换距离也是在仰拱拆换过程中对隧道结构稳定性的重要影响因素，而目前实际工程中对拆换距离的确定往往通过经验确定。

作为本发明的一个实施例，本发明以重庆某个仰拱严重腐蚀隧道的工程实例进行展开，并采用跳槽拆除法在不同的单次拆换距离情况下隧道结构变形情况。

现有的公路隧道相关规范中对隧道拆换过程中的周边位移和拱顶沉降限值并未做出规定。通过查阅相关文献可知，魏强于2020年2月发表在《铁道建筑》第60卷第2期上的文章《高速铁路隧道仰拱隆起病害分析及整治方案》(文章编号为：1003-1995(2020)02-0056- 05中对某一铁路隧道仰拱拆换过程中的隧道拱顶沉降监测值提出了分级管理措施，分级管理措施见如表1所示：

表1隧道结构断面收敛、拱顶沉降监测管理措施表

注：表中Δh为实测拱顶累计沉降值。

因此，本发明以3mm为隧道在仰拱拆换过程中的拱顶沉降限值，认为当拱顶沉降在3mm 以内时，隧道结构处于安全状态。

1、计算工况

由于隧道拆除长度越短造价越高，拆除长度越长安全性就越低。故，在本次实施例中，综合过往经验和经过严谨分析后认为本次实施例中的单次拆除距离选6m可以平衡造价和安全性之间的关系，小于6m造价虽然安全性越高，但造价也更高。为保证拆除时的安全，本次实施例主要分析单次拆换距离在6～12m时隧道结构的变化状态。

在本实施例中共设置了四种单次拆换距离，分别为6m(0.6D)、8m(0.8D)、10m(1D)、12m(1.2D)，其中D是隧道等效直径，具体长度为10m。拆换顺序为本发明中跳槽拆除方式的拆换顺序，并将拆换过程中采集的数据用岩土有限元分析软件Midas GTS NX来进行数据分析。

2、计算结果分析

由图16可知，随着单次拆换距离的增加，隧道拱顶的沉降值整体都在变大。在不同拆换距离下，拱顶的变形趋势基本相同，都呈现中间大两边小的特点，且中间段的拱顶位移非常接近。根据四种拆换距离的结果，拱顶产生的位移值均小于3mm。参考上述隧道结构拱顶沉降监测管理措施表，若以拱顶位移3mm为界限来评价仰拱拆换过程中安全性，当仰拱单次拆换距离小于1.2D时，隧道结构都处于稳定的状态。

由图17可知，随着单次拆换距离的增加，隧道拱底的整体隆起值也在增大。与拱顶最终沉降规律相同，受到两侧的未拆换段的限制，拆换段中间部分的拱底隆起值大于两端的隆起值，在不同的拆换距离情况下，拱底变形趋势也呈现周期性凸起的特点。

综上，当进行隧道仰拱拆换时，单次拆换距离越大，隧道拱顶和拱底产生的变形就越大。当以隧道拱顶沉降值3mm为限值时，V级围岩情况下，单次拆换距离在0.6D～1.2D时隧道均处于安全状态。但考虑到仰拱拆除时会产生较大的隆起变形而影响施工，为了将拱底变形控制在较小范围内，宜尽量选择单次拆换距离短的方案，即6m。故，在本次实施例中，采用跳槽拆除方法拆除隧道时，每一段的距离为优选6m，但在实际施工时，单次的最佳距离需要根据实际情况进行分析和调整。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道仰拱半幅拆除装置，其特征在于，包括位于隧道(1)一侧的栅格桁架(2)、将栅格桁架(2)固定在隧道(1)底部的第一连接件(3)、将栅格桁架(2)固定在隧道(1)侧面的第二连接件(4)、位于栅格桁架(2)上方的施工装置；其中，第一连接件(3)与栅格桁架(2)之间通过第一导轨(6)滑动连接；第二连接件(4)与栅格桁架(2)之间通过第二导轨(7)滑动连接；控制装置(5)与栅格桁架(2)之间通过第三导轨(8)滑动连接。

2.根据权利要求1所述的隧道仰拱半幅拆除装置，其特征在于，第一导轨(6)设置在隧道(1)左右两侧的地面分界线处。

3.根据权利要求1或2所述的隧道仰拱半幅拆除装置，其特征在于，所述施工装置包括控制装置(5)和与控制装置(5)连接的施工组件(9)。

4.根据权利要求1所述的隧道仰拱半幅拆除装置，其特征在于，所述第一连接件(3)为竖直锚杆；第二连接件(4)由锁脚锚杆(401)、膨胀螺栓杆(402)和角钢(403)组成，与角钢(403)相连的锁脚锚杆(401)打入隧道1的一侧边墙并且通过膨胀螺栓杆(402)将角钢(403)固定在边墙上。

5.根据权利要求1、2或4所述的隧道仰拱半幅拆除装置，其特征在于，所述第一导轨(6)、第二导轨(7)和第三导轨(8)的形状均为“工”字形，且栅格桁架(2)与第一导轨(6)和第二导轨(7)以及施工装置与第三导轨(8)连接的部分设计成与“工”字形钢轨相配合的扣件(10)。

6.根据权利要求3所述的隧道仰拱半幅拆除装置，其特征在于，所述第一导轨(6)、第二导轨(7)和第三导轨(8)的形状均为“工”字形，且栅格桁架(2)与第一导轨(6)和第二导轨(7)以及施工装置与第三导轨(8)连接的部分设计成与“工”字形钢轨相配合的可拆卸扣件(10)。

7.根据权利要求5所述的隧道仰拱半幅拆除装置，其特征在于，所述扣件(10)包括带有插销的第一连接部(1001)、带有插销孔的第二连接部(1002)和连接条(1003)；第一连接部(1001)和第二连接部(1002)均为“凹”字形结构且两者表面均设有螺栓孔，连接条(1003)也开设有螺栓孔；第一连接部(1001)和第二连接部(1002)通过插销、插销孔进行对准定位，再通过连接条(1003)的螺栓孔将第一连接部(1001)和第二连接部(1002)进行连接。

8.基于权利要求1至7中任一权利要求所述的隧道仰拱半幅拆除装置，还包括一种隧道仰拱半幅拆除施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将隧道(1)施工路段分为左右两侧的半幅区域，在隧道(1)左右两侧的地面分界线处沿着隧道(1)方向铺设第一导轨(6)，并在一侧的隧道(1)壁上铺设第二导轨(7)；

步骤S2，先在铺设第二导轨(7)的一侧设置隧道仰拱半幅拆除装置，并将仰拱半幅拆除装置在第一导轨(6)上沿着施工方向施工拆除并推进，再将已经施拆除的路段进行下一步更换仰拱及浇筑等工作；

步骤S3，当步骤S2中已浇筑路段(11)长度可供车辆通过时，本侧已浇筑路段(11)可与另一侧未施工的路段形成“Z”字形行车空间，形成以供车辆通行；

步骤S4，在隧道(1)施工路段起点的另一侧设置隧道仰拱半幅拆除装置，重复步骤S2中的施工方案；此时，左右两侧的隧道仰拱半幅拆除装置可同时朝着施工方向进行施工推进，直至需要施工的所有路段全部完成拆除和浇筑工作。

9.基于权利要求1至7中任一权利要求所述的隧道仰拱半幅拆除装置，还包括另一种隧道仰拱半幅拆除施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，沿隧道(1)方向将需要施工的隧道(1)划分为若干段，且依次定义为第一段，第二段，……，第N段；并将每一段分为左幅和右幅；

步骤S2，先对奇数段隧道(1)进行拆换

步骤S201，在第一段隧道(1)左右两侧的地面分界线处沿着隧道(1)方向铺设第一导轨(6)，并在第一段隧道(1)左侧壁上铺设第二导轨(7)，再在第一导轨和第二导轨上设置左幅仰拱半幅拆除装置；

步骤S202，将左幅仰拱半幅拆除装置在第一导轨(6)上沿着施工方向施工拆除并推进，再将已经施拆除的路段进行下一步更换仰拱及浇筑等工作；

步骤S203，当完成第一段左幅仰拱拆换后，将第一段左幅的仰拱移动到第三段的左幅，同时在第一段右幅设置仰拱半幅拆除装置，使得左右两侧的仰拱半幅拆除装置中间的偶数段整幅隧道(1)形成“Z”字形行车空间；然后左右两侧的装置同时施工；

步骤S204，将左右两侧的仰拱半幅拆除装置同时沿着隧道(1)方向推进，且只拆除奇数段隧道(1)，保证左右两侧的装置之间间隔一个偶数段整幅路段，直至奇数段隧道(1)全部完成拆除和浇筑工作；

步骤S3，再对偶数段隧道(1)进行拆换

步骤S301，当奇数段隧道(1)完全拆除后，开始拆除偶数段隧道(1)；从第二段起按照拆除奇数段隧道(1)的方法沿着隧道(1)方向进行施工，且只拆除偶数段隧道(1)，保证左右两侧的装置之间间隔一个奇数段整幅路段，直至偶数段隧道(1)全部完成拆除和浇筑工作。

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