一种适用于地下隧道的约束混凝土拱架支护自动化施工方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于地下隧道的约束混凝土拱架支护自动化施工方法，约束混凝土拱架至少包括两段，相邻段的节点处铰接，相邻两段的节点的接触面设置为相互配合的结构，其中一段的接触面结构设置为凸起结构，另一段的接触面结构设置为与所述凸起结构配合的凹口结构，凸起结构和凹口结构之间还设置有当两者处于配合状态时对两者进行卡合固定的结构，每段均为方钢或圆钢内填充有混凝土的复合结构。拱架采用折叠式，连接处采用铰接方式，在架设过程中拱架能够自动展开，无需人工现场拼接，安全高效；在节点处的接触面上设置相配合的凹口结构和凸起结构，并设置卡合结构，使约束混凝土拱架伸展后自动卡合，方便了施工，而且保证了约束混凝土拱架的支护强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地下工程支护领域，具体涉及一种适用于地下隧道的约束混凝土拱架支护自动化施工方法，该约束混凝土拱架可以在软岩、高应力及断层破碎带等复杂地质条件中突显更强的承载能力。
技术介绍
近年来，随着隧道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。地质条件不断恶化，围岩岩体结构、力学性质、强度和变形等特性发生变异，致使现有的围岩控制理论及技术不能适应深部新的情况出现了大量的难支护隧道，直接影响隧道的安全及生产。所以，这种高应力、软弱破碎带等复杂条件地层的支护问题越来越突出。目前常用的刚拱架主要是钢筋格栅以及型钢拱架，其具体的施工过程是：在隧道洞口钢构件厂按照隧道所处围岩设计尺寸加工型钢拱架各构件，隧道开挖后，利用装载机将已加工好的型钢构件倒运至掌子面处，采用挖机配合人工进行现场安装，这种施工方案存在的问题主要在安装方面，安装时需要挖掘机配合人工进行安装，型钢倒运耗费大量人工，而且大型机械设备因没有作业空间，使用不畅，导致施工速度慢，劳动强度大等问题。在高应力、软弱破碎带等复杂条件地层，隧道支护存在更大的危险性，对进入隧道内部参与施工的工作人员存在巨大安全隐患，而如果减少人力的投入，则会出现支护不到位的情形，影响支护的稳定性。虽然已经在深部复杂条件矿山等工程中尝试应用一种新型的约束混凝土支护体系，如已经有论文公开了在深部巷道采用U型约束混凝土拱架进行支护，可以取得较好的力学性能，明显减小支护体系下的巷道围岩变形量。但是对于超大断面隧道软弱围岩约束混凝土控制技术的研究在国内外处于起步阶段，国内还没有成熟的适用于约束混凝土支护体系的施工方法。所以，亟需一种具有更强承载能力的能替换现有的型钢拱架的新型支护拱架和一种劳动强度小，且能够进行自动化快速施工的施工方法，开展此方面的研究，可以为约束混凝土支护技术在隧道工程中的应用奠定基础，同时能够推动隧道中自动化快速施工的普及，具有较高的工程价值。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的以上问题，本专利技术的一个目的是提供一种适用于地下隧道
的约束混凝土拱架，该混凝土拱架采用铰接形式，不但具有较强的承载能力，还可以适应隧道支护的自动化施工方法。本专利技术的第二个目的是提供一种约束混凝土拱架支护系统，该支护系统将上述约束混凝土拱架连接成整体而成。本专利技术的第三个目的是提供上述约束混凝土支护系统的施工方法。该施工方法自动化进行，节省了大量的人力物力，保证了工作人员的安全和支护的强度。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种适用于地下隧道的约束混凝土拱架，包括若干段，相邻段的节点处铰接，相邻两段的节点的接触面设置为相互配合的结构，其中一段的接触面结构设置为凸起结构，另一段的接触面结构设置为与所述凸起结构配合的凹口结构，凸起结构和凹口结构之间还设置有当两者处于配合状态时对两者进行卡合固定的结构，每段均为方钢或圆钢填充混凝土的复合结构。其中，在方钢或圆钢内填充有混凝土，方钢和圆钢是指横截面是圆形或方形的管状钢。优选的，相邻段的节点处的铰接结构靠近约束混凝土拱架的内侧设置。优选的，所述凸起结构和凹口结构均大体呈圆柱状。进一步优选的，所述凸起结构的外表面设置有第一环状凹槽，所述凹口结构的内壁上设置有第二环状凹槽，第二环状凹槽内设置有环状卡簧。当凸起结构插入到凹口结构内时，第二环状凹槽内的卡簧发生弹性形变后插入到第一环状凹槽内，将凸起结构进行卡合固定，防止相邻两段之间的脱离，使约束混凝土拱架保持工作状态。优选的，所述凸起结构上还设置有排气孔。排气孔的设置时为了方便混凝土的灌注，例如，一节拱架要灌注混凝土，势必要开两个孔，一个是灌浆口，一个是排气孔，灌浆口用于灌浆，排气孔用于排气和出浆，并根据排气孔的出浆量确定拱架是否填充满混凝土。优选的，所述约束混凝土拱架包括的段数为奇数段，且大体相对于约束混凝土拱架的对称轴对称分布。进一步优选的，所述约束混凝土拱架的段数为3-7段。进一步优选的，所述约束混凝土拱架分段的节点位于拱肩以下。在断面不是很大的隧道支护中，将拱架分段的节点设置于拱肩以下，是为了方便拱架的安装，因为相邻段之间是通过铰接的，若拱顶段太短，不利于拱架的架设。一种约束混凝土拱架支护系统，包括至少两个所述约束混凝土拱架，约束混凝土拱架处于组装后的工作状态，相邻约束混凝土拱架之间通过定位连接杆进行定位固定，不同位
置处的定位连接杆的长度相同。由于约束混凝土拱架是折叠式的，当各段之间的凸起结构和凹口结构配合并进行卡合固定后，各段组成一个完整的拱架，此时的状态为工作状态。优选的，所述定位连接杆的设置位置为约束混凝土拱架的拱顶和拱腿。进一步优选的，所述定位连接杆还设置于约束混凝土拱架的拱肩位置。优选的，相邻两个约束混凝土拱架之间的定位连接杆的数量为3-9根。优选的，所述定位连接杆的一端设置螺纹基座，另一端设置插合固定结构。进一步优选的，所述约束混凝土拱架上设置有与所述螺纹基座配合的螺纹孔。进一步优选的，所述插合固定结构为设置于定位连接杆末端的连接杆凸起和套合在定位连接杆末端的压盖，压盖与连接杆凸起之间套合有倒锲形张紧卡环，压盖与约束混凝土拱架上的接口配合，将倒锲形张紧卡环卡紧连接杆凸起。更进一步优选的，所述约束混凝土拱架上设置有与所述连接杆凸起配合的接口，接口的外表面与所述压盖螺纹配合。进一步优选的，所述定位连接杆的插合固定结构为设置于定位连接杆末端的连接杆环状凹槽。更进一步优选的，所述约束混凝土拱架上设置有喇叭状对接口，喇叭状对接口内设置有对接口环状凹槽，对接口环状凹槽内安装有张紧环状卡簧。优选的，所述支护系统还包括连接在相邻两个约束混凝土拱架之间的纵向连接筋组。所述定位连接杆和纵向连接筋组构成纵向连接机构，对拱架进行定位固定。优选的，所述支护系统还包括铺设在约束混凝土拱架之间的钢筋网以及喷射在钢筋网和约束混凝土拱架上的混凝土喷层。上述约束混凝土支护系统的施工方法，包括如下步骤：1)断面开挖后，对围岩喷射混凝土并打设锚杆，对围岩进行加固处理；2)使用安装车将所述约束混凝土拱架吊放至指定位置，在吊放所述约束混凝土拱架的过程中，拱架在节点采用铰接的方式下自动打开，所述安装车为伸缩臂拱架安装车；3)首先对约束混凝土拱架的拱顶进行定位固定，再操作另一台拱架安装车对拱脚进行定位固定；4)吊放下一个约束混凝土拱架，首先将定位连接杆安装至该拱架上，并利用机械手托举拱架，另一台机械手辅助将定位连接杆与步骤3)中安装完成的混凝土拱架上的对接口结构连接，然后对该约束混凝土拱架的拱顶和拱脚进行定位固定，完成安装；5)如此循环，完成所有约束混凝土拱架的安装。优选的，所述施工方法还包括在约束混凝土拱架之间焊接剩余纵向连接筋的步骤。进一步优选的，所述施工方法还包括在约束混凝土拱架之间铺设钢筋网的步骤。再进一步优选的，喷射混凝土时，由两侧拱脚自下而上喷射。优选的，步骤2)中，所述安装车为伸缩臂拱架安装车。进一步优选的，所述伸缩臂拱架安装车以设定倾斜角度吊装所述约束混凝土拱架。倾斜角度要根据现场地质条件来调节的，需要综合考虑以下参数：拱架间距、最后一榀拱架距掌子面的距离，拱架的垂直高度以及上下超挖长度。进一步优选的，步骤2)中，在爆破过程中，将底板向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于地下隧道的约束混凝土拱架，其特征在于：包括若干段，相邻段的节点处铰接，相邻两段的节点的接触面设置为相互配合的结构，其中一段的接触面结构设置为凸起结构，另一段的接触面结构设置为与所述凸起结构配合的凹口结构，凸起结构和凹口结构之间还设置有当两者处于配合状态时对两者进行卡合固定的结构，每段均为方钢或圆钢内填充有混凝土的复合结构。

【技术特征摘要】
1.一种适用于地下隧道的约束混凝土拱架，其特征在于：包括若干段，相邻段的节点处铰接，相邻两段的节点的接触面设置为相互配合的结构，其中一段的接触面结构设置为凸起结构，另一段的接触面结构设置为与所述凸起结构配合的凹口结构，凸起结构和凹口结构之间还设置有当两者处于配合状态时对两者进行卡合固定的结构，每段均为方钢或圆钢内填充有混凝土的复合结构。2.根据权利要求1所述的约束混凝土拱架，其特征在于：所述凸起结构和凹口结构均大体呈圆柱状；优选的，所述凸起结构的外表面设置有第一环状凹槽，所述凹口结构的内壁上设置有第二环状凹槽，第二环状凹槽内设置有环状卡簧；优选的，所述凸起结构上还设置有排气孔。3.根据权利要求1所述的约束混凝土拱架，其特征在于：所述约束混凝土拱架包括的段数为奇数段，且大体相对于约束混凝土拱架的对称轴对称分布；优选的，所述约束混凝土拱架的段数为3-7段。4.一种约束混凝土拱架支护系统，其特征在于：包括至少两个权利要求1-3任一所述约束混凝土拱架，约束混凝土拱架处于组装后的工作状态，相邻两榀约束混凝土拱架之间通过定位连接杆进行定位固定，不同位置处的定位连接杆的长度相同。5.根据权利要求4所述的支护系统，其特征在于：所述定位连接杆的设置位置为约束混凝土拱架的拱顶和拱腿；优选的，所述定位连接杆还设置于约束混凝土拱架的拱肩位置；优选的，相邻两个约束混凝土拱架之间的定位连接杆的数量为3-9根。6.根据权利要求4所述的支护系统，其特征在于：所述定位连接杆的一端设置螺纹基座，另一端设置插合固定结构；优选的，所述约束混凝土拱架上设置有与所述螺纹基座配合的螺纹孔；优选的，所述插合固定结构为设置于定位连接杆末端的连接杆凸起和套合在定位连...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，江贝，栾英成，李术才，秦乾，孙会彬，潘锐，于恒昌，王雷，鹿伟，高松，胥洪彬，高红科，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37