一种用于隧道初期支护加固的组合式护拱台车及方法

摘要

本发明公开了一种用于隧道初期支护加固的组合式护拱台车及方法，它由多节移动式护拱单元体拼接而成；所述护拱单元体包括拱形工作台，在拱形工作台底部设有行走机构，顶部一侧设有多段搭接在一起构成拱形结构的弧形支撑梁，每段弧形支撑梁通过伸缩机构与拱形工作台相连；通过多节护拱单元体拼接成的组合式护拱台车，其包括收拢移动形态和扩展支撑形态，结构简单，轻便易携，实施便捷、可操作性强，通过两种工作形态的切换，可对隧道初期支护任意位置的变形段进行快速、可靠的支撑加固，配合上台车所提供的拱形工作台，便于工作人员进行高空作业，可大幅提高初期支护加固施工的工作效率缩短施工周期，减少财力和时间投入，操作安全、高效，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于隧道初期支护加固的组合式护拱台车及方法，属于隧道建设技术领域。

背景技术

作为地下构筑物，隧道的施工难度较大，施工风险突出，特别是在穿越软弱围岩或不良地质段时，隧道初期支护的结构可靠性无法得到有效的保证。具体而言，当地质条件较差时，或因为施工操作不规范等原因，隧道施工过程中常出现初期支护开裂变形、沉降变形乃至侵限失稳等诸多问题，进而严重威胁施工安全及结构可靠性。针对上述情况，实际施工中最常用的处治措施是在初期支护的内侧增设可确保施工期间初期支护稳定性的临时护拱，继而在临时护拱的保护下进行诸如径向注浆加固、换拱等施工作业。待相应的加固措施可以确保初期支护稳定性后，再对临时护拱进行拆除。作为一种临时性的辅助施工措施，临时护拱需要反复进行架立及拆除工作，施工工序相对繁琐。目前施工现场多采用人工操作的方式，其架立及拆除过程所耗费的时间相对较长，且临时护拱所用到的工字钢在拆除过程中容易损坏，材料利用率较低。此外，考虑到临时护拱是在初期支护存在安全隐患的前提下增设的，其施工过程中初期支护存在的失稳破坏的可能性，采用人工施作的方法存在一定的安全隐患。

可以看出，现有采用人工施作临时护拱的方法存在着施工费时长、材料利用率低、施工人员安全隐患较大等诸多问题。鉴于上述考虑，研究一种能显著提高施工效率、材料利用率并能改善施工安全性的组合式护拱台车已经成为工程界亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种用于隧道初期支护加固的组合式护拱台车及方法，可以克服现有技术的不足。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于隧道初期支护加固的组合式护拱台车，它由多节移动式护拱单元体拼接而成；所述护拱单元体包括拱形工作台，在拱形工作台底部设有行走机构，顶部一侧设有多段搭接在一起构成拱形结构的弧形支撑梁，每段弧形支撑梁通过伸缩机构与拱形工作台相连。

前述相邻的护拱单元体之间通过伸缩式纵向连接构件可拆卸连接。

在前述护拱单元体的弧形支撑梁上还设有监控量测设备，所述监控量测设备包括设置在弧形支撑梁顶部的土压力盒，及设置在弧形支撑梁内侧的钢筋应力计。

前述拱形工作台包括多层台阶设置的平台框架，在平台框架一侧设有呈拱形结构设置的支撑架，在支撑架上布设有用于固定伸缩机构的安装座；在平台框架和支撑架底部处设有立柱，所述行走机构设置在立柱底端。

前述行走机构包括位于立柱底部的V形斜腿构件，V形斜腿构件的底端设有扩大钢垫板；并且在V形斜腿构件中部设有伸缩式支撑杆及与之连接的轴承滚轮。

前述弧形支撑梁为三段设置，包括拱部弧形钢梁，在拱部弧形钢梁两端对称设有侧部弧形钢梁，拱部弧形钢梁两端底面设有搭接段，侧部弧形钢梁上端设有与之匹配的搭接槽，使三段弧形钢梁在扩展支撑状态下通过槽形实现搭接，使得三段弧形钢梁之间形成互相托起的结构。

一种用于隧道初期支护加固的方法，其包括以下步骤：

s1、隧道正常施工阶段，通过伸缩式纵向连接构件可将多节护拱单元体连接为一个整体，构成组合式护拱台车，并布置于隧道内的上或中台阶尾部备用；

s2、当初期支护出现开裂变形、沉降变形、收敛变形等情况时，通过测量手段确定初期支护变形范围，并进行初期支护变形判断，判断初期支护为轻度开裂变形还是为侵限变形；

s3、根据变形范围调动部分或全部组合式护拱台车快速移动至初期支护变形段，并切换为展支撑形态，进行变形段支护加固；

s4，判断为轻度开裂变形，对变形段落进行径向注浆加固作业；

s4’，判断为侵限变形，采用逐榀换拱的方案施工，直至所有侵限的初期支护全部拆除重建，并完成所有段落的径向注浆加固施工。

前述步骤中，通过护拱单元体的弧形支撑梁上设有的监控量测设备对初期支护受力进行监测，通过土压力盒检测初期支护的变形压力、钢筋应力计检测弧形支撑梁的应力；

通过监控量测观察，结合土压力盒和钢筋应力计的检测值，进行初期支护变形情况判断。

前述步骤s4中，判断是轻度开裂变形，进行以下操作：

s4.1、根据实际情况调动部分或全部组合式护拱台车快速移动至初期支护变形段，并切换为展支撑形态，以确保施工期间安全，此时无需暂停掌子面人员施工；

S4.2、施工车辆及施工人员就位，施工人员可在多节护拱单元体的拱形工作台上同步对初期支护变形段落进行径向注浆加固作业,待注浆完成且浆液凝固后，将组合式护拱台车撤回上或中台阶尾部，等待下一次调用。

前述步骤s4’中，判断是侵限变形，进行以下操作：

s4.1’、立即让掌子面位置的工人撤离,暂停掌子面掘进施工；

s4.2’、根据实际情况调动部分或全部组合式护拱台车快速移动至初期支护变形段，并切换为展支撑形态，以预防初期支护可能产生的失稳破坏；

s4.3’、施工车辆及施工人员就位，施工人员借助第一节护拱单元体从未变形工字钢背后向初支侵限段落施作斜向注浆小导管，对围岩进行注浆加固；

s4.4’、步骤s4.3’施工完成后，第一节护拱单元体切换至收拢移动形态，并与后续护拱单元体脱离,重新驶回到上或中台阶尾部,其后施工车辆及施工人员就位于第二节护拱单元体；

s4.5’、施工人员在护拱台车及第一循环斜向注浆管的保护下对侵入二次衬砌限界的初期支护进行拆除重建,其后施作径向注浆小导管对换拱段进行二次注浆加固，以确保该段初期支护后续的结构可靠性；

s4.6’、从已更换完的工字钢背后向尚未换拱段落施作第二循环斜向注浆小导管，对围岩进行注浆加固；

s4.7’、重复步骤s4.3’到步骤s4.6’，有次序的组织组合式护拱台车、施工车辆和施工人员的调配与施工,闲置的护拱单元体重新驶回上或中台阶尾部并连接为一个整体，等待下一次调用；

s4.8’、采用逐榀换拱的方案施工直至所有侵限的初期支护全部拆除重新，并完成所有段落的径向注浆加固施工。

与现有技术比较，本发明公开的一种用于隧道初期支护加固的组合式护拱台车，它由多节移动式护拱单元体拼接而成；所述护拱单元体包括拱形工作台，在拱形工作台底部设有行走机构，顶部一侧设有多段搭接在一起构成拱形结构的弧形支撑梁，每段弧形支撑梁通过伸缩机构与拱形工作台相连，通过多节护拱单元体拼接成的组合式护拱台车，其包括收拢移动形态和扩展支撑形态，在隧道建设工程中，组合式护拱台车为收拢移动形态并放置在布置于隧道内的上或中台阶尾部备用，不会造成隧道施工干涉，所述拱形工作台的中部空腔为施工通道，便于工作人员及施工车辆通行；当发生初期支护变形时，可以将组合式护拱台车快速移动至变形段，使其形成扩展支撑形态进行变形支护加固。本发明还公开了一种用于隧道初期支护加固的方法，其在合理布置组合式护拱台车的同时，进行初期支护变形判断，判断初期支护为轻度开裂变形还是为侵限变形；如果为轻度开裂变形，对变形段落进行径向注浆加固作业；如果为侵限变形，采用逐榀换拱的方案施工，直至所有侵限的初期支护全部拆除重建，并完成所有段落的径向注浆加固施工。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述的组合式护拱台车，其可以为收拢移动形态和扩展支撑形态两种设置，结构简单，轻便易携，实施便捷、可操作性强，通过两种工作形态的切换，可对隧道初期支护任意位置的变形段进行快速、可靠的支撑加固，配合上台车所提供的拱形工作台，便于工作人员进行高空作业，可大幅提高初期支护加固施工的工作效率缩短施工周期，减少财力和时间投入，实用性强；

（2）可以及时进行初期支护变形段的支护加固，预防及减缓初期支护可能产生的失稳破坏，有效降低隧道施工人员的施工风险，安全性高；

（3）本发明所述的组合式护拱台车为备用支护加固装置放置与隧道内，隧道向前掘进而随之前移，以便及时进行支护加固，有效解决了临时护拱材料重复利用率较低的问题；

（4）本发明根据组合式护拱台车而制定了合理、高效的初期支护变形段的加固措施，操作安全、高效，可显著提高初期支护换拱或注浆加固施工的施工效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中伸缩式纵向连接构件5的结构示意图。

图3为图2中伸缩式纵向杆501的结构示意图。

图4为图1中螺孔座8的结构示意图。

图5为图1中卡槽结构9的结构示意图。

图6为图1中护拱单元体的结构示意图。

图7为图6中拱形工作台1的结构示意图。

图8为图6支撑架102的结构示意图。

图9为图8中A部分局部放大示意图。

图10为图8中B部分局部放大示意图。

图11为图8中C部分局部放大示意图。

图12图1中垫板10的结构示意图。

图13为拱形工作台1在隧道中的工作示意图。

图14为置于隧道中的护拱单元体收拢移动形态的结构示意图。

图15为置于隧道中的护拱单元体扩展支撑形态的结构示意图。

图16为初期支护为轻度开裂变形时的施工流程图。

图17为初期支护为侵限变形时的施工流程图一。

图18为初期支护为侵限变形时的施工流程图二。

图19为初期支护为侵限变形时的施工流程图三。

图20为初期支护为侵限变形时的施工流程图四。

图21为初期支护为侵限变形时的施工流程图五。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1-图12所示，一种用于隧道初期支护加固的组合式护拱台车，它由多节移动式护拱单元体拼接而成；所述护拱单元体包括拱形工作台1，在拱形工作台1底部设有行走机构2，顶部一侧设有多段搭接在一起构成拱形结构的弧形支撑梁3，每段弧形支撑梁3通过伸缩机构4与拱形工作台1相连。

详见图2-图5，相邻的护拱单元体之间通过伸缩式纵向连接构件5可拆卸连接。在护拱单元体前后两侧分别设有位置相对应的螺孔座8和卡槽结构9，使相邻两节护拱单元体中的一节与伸缩式纵向连接构件5螺栓铰接，另一节与伸缩式纵向连接构件5卡扣连接。优选的，在护拱单元体上设置有连接梁6，螺孔座8设置在连接梁6一端，而卡槽结构9设置在连接梁6一端另一端。

具体地，所述伸缩式纵向连接构件5包括伸缩式纵向杆501，伸缩式纵向杆501一端设有螺栓连接部502，另一端设有L形卡块503，使相邻两节护拱单元体中的一节与伸缩式纵向连接构件5通过螺栓连接部502铰接，另一节与伸缩式纵向连接构件5通过L形卡块503卡扣连接。所述伸缩式纵向杆501可以为液压/电动千斤顶机构、电动液推杆机构或液压油缸，通过伸缩式纵向连接构件5可将多节护拱单元体连接为一节整体构成组合式护拱台车进行协同工作，并且通过伸缩式纵向杆501调节多节护拱单元体的纵向间距，适用范围广。

在护拱单元体的弧形支撑梁3上还设有监控量测设备7。所述监控量测设备7包括设置在弧形支撑梁3顶部的土压力盒701，及设置在弧形支撑梁3内侧的钢筋应力计702。

详见图6，所述拱形工作台1包括多层台阶设置的平台框架101，在平台框架101一侧设有呈拱形结构设置的支撑架102，在支撑架102上布设有用于固定伸缩机构4的安装座103；在平台框架101和支撑架102底部处设有立柱104，所述行走机构2设置在立柱104底端。

优选地，所述平台框架101和支撑架102还可以设计为可拆卸连接结构，使用灵活性好，单独使用时，平台框架101可用于高空作业，支撑架102结合弧形支撑梁3可用于隧道初期支护变形的防护支撑；而组合使用则可以同时实现高空作业和防护支撑。

详见图7-图13，所述平台框架101、支撑架102均为桁架结构。具体地，所述平台框架101包括上台阶平台框架1011，在上台阶平台框架1011两端对称设有斜撑1012，在斜撑1012中部和底部分别设有中台阶平台框架1013、下台阶平台框架1014；所述支撑架102包括设置在上台阶平台框架1011后侧的支撑桁架1021，在支撑桁架1021两端对称设有上斜撑1022；所述立柱104为四根，立柱顶端与中台阶平台框架1013、上斜撑1022底端固连，底端通过行走机构2支承于地面上。伸缩机构的安装座包括布设在上斜撑1022上表面的楔形三角形垫块1031，及设置在立柱104上水平管座1032，且水平管座1032位于下台阶平台框架1014后侧。

所述上台阶平台框架1011、为目字形框架结构，斜撑1012、中台阶平台框架1013和下台阶平台框架1014为矩形框架结构；而支撑架102为三角形框架结构。

在平台框架101上铺设有便于踩踏的垫板10，侧部设有爬梯11，便于工作人员在平台框架101上进行高空作业。优选地，所述垫板10铺设在上台阶平台框架1011、中台阶平台框架1013和下台阶平台框架1014上。所述垫板10为钢丝网板。

所述伸缩机构4包括呈竖向布置在支撑桁架1021表面和上斜撑1022上段的第一伸缩机构401，及呈水平布置在上斜撑1022下段、立柱104上的第二伸缩机构402。所述第一伸缩机构401和第二伸缩机构402均为为液压/电动千斤顶机构或液压油缸。

所述行走机构2包括位于立柱104底部的V形斜腿构件201，在V形斜腿构件201中部设有伸缩式支撑杆202及与之连接的轴承滚轮203；所述伸缩式支撑杆202可以为液压/电动千斤顶或液压油缸。当伸缩式支撑杆202进行伸出运动，可以实现轴承滚轮203着地行走状态；反之，当伸缩式支撑杆202进行缩回运动，可以实现轴承滚轮203离地，切换为采用V形斜腿构件201支撑地面的工作状态。

在V形斜腿构件201底端设有扩大钢垫板204，可以加大支撑面积，稳固性和安全性更好。

所述弧形支撑梁3为承担初期支护应力的主要受力结构，其为三段设置，包括拱部弧形钢梁301，在拱部弧形钢梁301两端对称设有侧部弧形钢梁302，拱部弧形钢梁301两端底面设有搭接段3011，侧部弧形钢梁上端设有与之匹配的搭接槽3021，使三段弧形钢梁在扩展支撑状态下通过槽形实现搭接，使得三段弧形钢梁之间形成互相托起的弧形受力结构，支撑强度更好；并且在侧部弧形钢梁302底端设有伸缩式支撑脚303；所述的伸缩式支撑脚303可以通过液压/电动千斤顶机或内置式液压油缸实现伸缩操作。在收拢移动状态，伸缩式支撑脚303缩回离地，更加便于移动；而在扩展支撑状态下，通过伸缩式支撑脚303着地，有效增加支撑强度。

伸缩式支撑脚303的底端设置成扩大支脚3031，可以加大支撑面积，稳固性和安全性更好。

此外，在拱部弧形钢梁的搭接段3011和侧部弧形钢梁的搭接槽3021处设置有耐磨缓冲垫片12，使其具有一定的缓冲变形能力，使用寿命更长。

一种基于上述组合式护拱台车的方法，其包括以下步骤：

s1、隧道正常施工阶段，通过伸缩式纵向连接构件5可将多节护拱单元体连接为一个整体，构成组合式护拱台车，并布置于隧道内的上或中台阶13尾部备用；

s2、当初期支护出现开裂变形、沉降变形、收敛变形等情况时，通过测量手段确定初期支护变形范围，并进行初期支护变形判断，判断初期支护为轻度开裂变形还是为侵限变形；

s3、根据变形范围调动部分或全部组合式护拱台车快速移动至初期支护变形段，并切换为展支撑形态，进行变形段支护加固；

s4，如果是轻度开裂变形，对变形段落进行径向注浆加固作业；

s4’，如果是侵限变形，采用逐榀换拱的方案施工，直至所有侵限的初期支护全部拆除重建，并完成所有段落的径向注浆加固施工。

具体见图13-图14，

步骤s1中，在隧道正常施工阶段，

s1.1、通过伸缩式纵向连接构件5可将多节护拱单元体连接为一个整体，构成组合式护拱台车；

s1.2、将组合式护拱台车布置于隧道内的上或中台阶13尾部，并呈收拢移动形态，具体地，拱部弧形钢梁301及两侧部弧形钢梁302均呈收拢状态，行走机构的伸缩式支撑杆202伸出，使轴承滚轮203着地，同时侧部弧形钢梁底端的伸缩式支撑脚303缩回呈悬空状态；

s1.3、在组合式护拱台车的侧边位置布置隧道逃生管道14；

在隧道正常施工阶段，组合式护拱台车与初期支护无直接接触，对初期支护的受力无任何影响，但其可作为预防下台阶开挖引发初期支护突然沉降失稳的应对措施；

施工车辆及施工人员可从拱形工作台的下部通道通行；

当隧道向前掘进时，组合式护拱台车在轴承滚轮203的驱动下随之前移。

步骤s2中，当初期支护出现开裂变形、沉降变形、收敛变形等情况时，

具体见图15，通过轴承滚轮203驱动组合式护拱台车至初期支护变形段落，并结合初期支护的实际情况，通过可伸缩式纵向连接构件5调节多节护拱单元体之间的纵向间距，其后将组合式护拱台车切换至扩展支撑形态，

具体地包括以下扩展步骤：

将行走机构的伸缩式支撑杆202缩回，使轴承滚轮203脱离地面，扩大钢垫板204着地；

使第一伸缩机构401同步伸长，带动拱部弧形钢梁301向外扩展并抵住初期支护；

使第二伸缩机构402同步伸长，进而带动侧部弧形钢梁302扩展，与拱部弧形钢梁301搭接，并抵住初期支护；

使侧部弧形钢梁302底端的伸缩式支撑脚303伸长，扩大支脚3031着地，并使得拱部弧形钢梁301及两侧部弧形钢梁302所组成的钢环梁呈紧密受力状态；

步骤s3中，通过护拱单元体的弧形支撑梁3上设有的监控量测设备7对初期支护受力进行监测，具体包括通过设置在弧形支撑梁3顶部的土压力盒701检测初期支护的变形压力，并通过设置在弧形支撑梁3内侧的钢筋应力计702检测弧形支撑梁3的应力；通过监测观察，结合土压力盒701和钢筋应力计702的检测值，进而判断初期支护受力情况，为后续具体支护参数的确定提供依据。

具体见图16，

步骤s4中，如果是轻度开裂变形，无需进行换拱，具体为以下操作：

s4.1、根据实际情况调动部分或全部组合式护拱台车快速移动至初期支护变形段，并切换为扩展支撑形态，以确保施工期间安全，此时无需暂停掌子面人员施工；

S4.2、施工车辆及施工人员就位，施工人员可在多节护拱单元体的拱形工作台1上同步对初期支护变形段落进行径向注浆加固作业,待注浆完成且浆液凝固后，将组合式护拱台车撤回上或中台阶13尾部，等待下一次调用。

具体见图17-图21，

步骤s4’中，如果是侵限变形，需要进行进行换拱，具体为以下操作：

s4.1’、立即让掌子面位置的工人撤离,暂停掌子面掘进施工；

s4.2’、根据实际情况调动部分或全部组合式护拱台车快速移动至初期支护变形段，并切换为展支撑形态，以预防初期支护可能产生的失稳破坏；

s4.3’、施工车辆及施工人员就位，施工人员借助第一节护拱单元体从未变形工字钢背后向初支侵限段落施作斜向注浆小导管15，对围岩进行注浆加固；

s4.4’、步骤s4.3’施工完成后，第一节护拱单元体切换至收拢移动形态，并与后续护拱单元体脱离,重新驶回到上或中台阶13尾部,其后施工车辆及施工人员就位于第二节护拱单元体；

s4.5’、施工人员在护拱台车及第一循环斜向注浆管的保护下对侵入二次衬砌限界的初期支护进行拆除重建,其后施作径向注浆小导管16对换拱段进行二次注浆加固，以确保该段初期支护后续的结构可靠性；

s4.6’、从已更换完的工字钢背后向尚未换拱段落施作第二循环斜向注浆小导管15，对围岩进行注浆加固；

s4.7’、重复步骤s4.3’到步骤s4.6’，有次序的组织组合式护拱台车、施工车辆和施工人员的调配与施工,闲置的护拱单元体重新驶回上或中台阶13尾部并连接为一个整体，等待下一次调用；

s4.8’、采用上述逐榀换拱的方案施工直至所有侵限的初期支护全部拆除重新，并完成所有段落的径向注浆加固施工。

考虑到所有初期支护侵限段落已全部更换，后续施工此段落不再打设斜向注浆小导管15。

将施工车辆将换拱过程中产生的废渣运出洞外,恢复洞内交通,其后恢复掌子面的掘进施工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式保密的限制，任何未脱离本发明技术方案内容、依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。