一种全工序机械化隧道施工的装配式拱架结构及施工方法与流程

本发明涉及隧道工程初期支护，特别涉及一种全工序机械化隧道施工的装配式拱架结构及施工方法。

背景技术：

1、传统隧道施工的初期支护主要靠人工完成，钢架接头多，安装效率低，对位精度差，质量控制困难，且存在大量焊接工作，施工安全风险高。

2、随着铁路隧道施工全工序机械化的推行，拱架安装台车可以实现大重量钢架的抓举拼装，依托全工序机械化隧道施工工装设备，通过工厂化预制生产，隧道内机械拼装，可降低人工作业，实现初期支护及时封闭，对提升施工质量和效率有重要实用价值。

3、如公开号为cn116335727a的中国发明专利申请公开了一种用于隧道初期支护钢架快速精确安装的施工方法，其单榀拱架的拱部单元和拱腰单元铰接，使拱架可以折叠，以保证拱

4、架可通过随车吊穿过衬砌台车运输进洞，再将3榀折叠拱架组合拼装，以保证拱架安装台车能一次同时施工三榀拱架，从而提高施工效率，保证洞内作业有效推进。但是相邻的多榀拱架单元间仍存在支护空隙，需要通过焊接纵向连接钢筋和钢筋网片连通，洞内焊接作业依然较多，初期支护的封闭时间依然较长，且支护结构受力体系与传统单榀钢架纵向采用钢筋连接并无较大区别，钢架间的纵向连接薄弱，无法形成面状整体受力体系，进而无法充分发挥隧道机械化施工高效率、高质量的优势，支护结构和施工方法有待进一步提高。

技术实现思路

1、本发明提供一种全工序机械化隧道施工的装配式拱架结构及施工方法，旨在克服现有技术中依托全工序机械化隧道施工工装设备施工初期支护时纵向单元间存在支护间隙，需通过焊接纵向连接钢筋及钢筋网片实现连通，导致洞内焊接作业量依然较大，初期支护封闭时间依然较长，同时焊接质量难以有效控制，从而影响初期支护的整体施工质量。本发明通过设计工字钢钢架或格栅钢架与槽钢结构、钢筋网片组合的装配式拱架模块，采用螺栓连接方式，可以完全避免钢架拼装过程中的焊接作业，提升结构整体型、连接可靠性与施工效率，确保初期支护及时封闭与成型质量。

2、在第一方面，本发明提供一种全工序机械化隧道施工的装配式拱架结构，包括沿隧道纵向连续设置的单元模块，所述单元模块在隧道环向包括拱部钢架模块、两个上边墙钢架模块和两个下边墙钢架模块，所述拱部钢架模块、上边墙钢架模块和下边墙钢架模块均包括钢架单元、框架单元以及钢筋网片；

3、所述框架单元包括两个环向拱架单元和两个纵向连接单元，两个环向拱架单元沿隧道纵向间隔设置，两个环向拱架单元均适配隧道开挖轮廓线形对应位置设置，两个纵向连接单元均沿隧道纵向设置，两个环向拱架单元的两个对应端分别通过两个纵向连接单元固定连接形成框架结构，两个环向拱架单元和两个纵向连接单元均为槽钢结构，槽钢结构的槽口朝向框架单元的内侧，两个环向拱架单元均设有环缝螺栓定位孔，两个纵向连接单元均设有纵缝螺栓定位孔；

4、所述钢架单元适配隧道开挖轮廓线形对应位置设置，所述钢架单元两端固定连接两个纵向连接单元的相对侧；

5、所述钢筋网片固定连接在框架单元靠围岩侧；

6、纵向相邻的两个单元模块的相邻两个所述拱部钢架模块、上边墙钢架模块和下边墙钢架模块通过螺栓配合对应的环缝螺栓定位孔固定形成双槽钢类工字钢架；拱部钢架模块的环向两侧与下方相邻上边墙钢架模块的相邻两个纵向连接单元通过螺栓配合纵缝螺栓定位孔固定连接，上边墙钢架模块下侧与相邻下边墙钢架模块上侧的相邻两个纵向连接单元通过螺栓配合纵缝螺栓定位孔固定连接。

7、通过上述结构，纵向相邻单元模块间的环缝连接完全以螺栓连接、槽口相背的方式实现，形成具有类工字钢截面受力能力的双槽钢类工字钢架，同环相邻钢架模块经纵缝螺栓固定。该结构及方法可完全取消钢架间焊接作业，提升结构整体性，实现初期支护快速封闭成型，保障施工安全与工程质量。

8、进一步地，所述钢架单元采用工字钢钢架或者格栅钢架。钢架单元的选型可根据围岩地质条件灵活确定，以兼顾支护强度与经济性。

9、进一步地，所述拱部钢架模块、上边墙钢架模块和下边墙钢架模块的框架单元纵向幅宽为1.8m～3m，每个框架单元内沿隧道纵向设置两个钢架单元，相邻两个钢架单元之间的间距为0.6m～1.0m。上述尺寸参数可满足洞内运输和安装作业空间的要求，同时保证单元模块具有合理的纵向刚度。

10、具体地，拱部钢架模块的拱部框架单元环向长度为6.5m～7m；上边墙钢架模块的上边墙框架单元环向长度为4m～4.5m；下边墙钢架模块的下边墙框架单元环向长度为3m～3.5m。各模块的环向长度分区设计适配隧道断面各部位的几何特征，确保各模块尺寸均满足洞内运输和三臂拱架安装台车的抓举安装作业要求。

11、进一步地，所述拱部框架单元的环向拱架单元等间距设有4个拱部环缝螺栓定位孔，纵向相邻的两个单元模块的相邻两个拱部钢架模块通过螺栓配合对应的4个拱部环缝螺栓定位孔固定连接；所述上边墙框架单元的环向拱架单元等间距设有3个上边墙环缝螺栓定位孔，纵向相邻的两个单元模块的相邻两个上边墙钢架模块通过螺栓配合对应的3个上边墙环缝螺栓定位孔固定连接；所述下边墙框架单元的环向拱架单元等间距设有3个下边墙环缝螺栓定位孔，纵向相邻的两个单元模块的相邻两个下边墙钢架模块通过螺栓配合对应的3个下边墙环缝螺栓定位孔固定连接。等间距布置的螺栓定位孔保证了相邻单元模块环缝连接的受力均匀性。

12、进一步地，所述拱部框架单元的纵向连接单元等间距设有3个拱部纵缝螺栓定位孔；所述上边墙框架单元的纵向连接单元等间距设有3个上边墙纵缝螺栓定位孔；所述下边墙框架单元的纵向连接单元等间距设有3个下边墙纵缝螺栓定位孔；拱部钢架模块的环向两侧与下方相邻上边墙钢架模块的相邻两个纵向连接单元通过螺栓配合3个拱部纵缝螺栓定位孔和对应的3个上边墙纵缝螺栓定位孔固定连接，上边墙钢架模块下侧与相邻下边墙钢架模块上侧的相邻两个纵向连接单元通过螺栓配合3个上边墙纵缝螺栓定位孔和对应的3个下边墙纵缝螺栓定位孔固定连接。

13、在第二方面，本发明还提供一种全工序机械化隧道施工的装配式拱架的施工方法，用于施工上述装配式拱架结构，包括以下步骤：

14、s1、掌子面一次全断面开挖第一单元模块纵向幅宽的间距，出渣和初喷完成后，对墙角虚渣清除平整；

15、s2、先通过拱架安装台车的工作臂分别抓取第一单元模块左右侧下边墙钢架模块至左右侧下边墙并临时固定；

16、然后通过拱架安装台车的工作臂分别抓取第一单元模块左右侧上边墙钢架模块至左右侧上边墙，并使得左右侧上边墙钢架模块底部纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔分别对齐左右侧下边墙钢架模块顶部纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔，由施工人员将上边墙钢架模块底部的纵向连接单元通过螺栓配合纵缝螺栓定位孔固定于下边墙钢架模块顶部的纵向连接单元；

17、再通过拱架安装台车的工作臂抓取第一单元模块拱部钢架模块至拱部，并使得拱部钢架模块的两侧纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔分别对齐左右侧上边墙钢架模块顶部纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔，由施工人员将拱部钢架模块的两侧纵向连接单元通过螺栓配合纵缝螺栓定位孔固定于左右侧上边墙钢架模块顶部纵向连接单元形成第一单元模块；

18、s3、掌子面一次全断面开挖下一单元模块纵向幅宽的间距，出渣和初喷完成后，对墙角虚渣清除平整；

19、s4、通过拱架安装台车的工作臂分别抓取当前单元模块左右侧下边墙钢架模块至对应左右侧下边墙，并使得当前单元模块左右侧下边墙钢架模块的环向拱架单元的环缝螺栓定位孔与上一单元模块左右侧下边墙钢架模块的相邻环向拱架单元的环缝螺栓定位孔对齐，然后由施工人员将当前单元模块左右侧下边墙钢架模块与上一单元模块左右侧下边墙钢架模块的相邻环向拱架单元通过螺栓配合对应的环缝螺栓定位孔固定连接；

20、s5、通过拱架安装台车的工作臂分别抓取当前单元模块左右侧上边墙钢架模块至左右侧上边墙，并使得左右侧上边墙钢架模块底部纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔分别对齐当前单元模块左右侧下边墙钢架模块顶部纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔，并使得当前单元模块左右侧上边墙钢架模块的环向拱架单元的环缝螺栓定位孔与上一单元模块左右侧上边墙钢架模块的相邻环向拱架单元的环缝螺栓定位孔对齐；然后由施工人员将当前单元模块左右侧上边墙钢架模块与上一单元模块左右侧上边墙钢架模块的相邻环向拱架单元通过螺栓配合对应的环缝螺栓定位孔固定连接，并由施工人员将当前单元模块上边墙钢架模块底部的纵向连接单元通过螺栓配合纵缝螺栓定位孔固定于当前单元模块下边墙钢架模块顶部的纵向连接单元；

21、s6、通过拱架安装台车的工作臂抓取当前单元模块拱部钢架模块至拱部，并使得拱部钢架模块的两侧纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔分别对齐当前单元模块左右侧上边墙钢架模块顶部纵向连接单元的纵缝螺栓定位孔，并使得当前单元模块的拱部钢架模块与上一单元模块的拱部钢架模块的相邻环向拱架单元的环缝螺栓定位孔对齐；

22、然后由施工人员将当前单元模块拱部钢架模块的两侧纵向连接单元通过螺栓配合纵缝螺栓定位孔固定于当前单元模块左右侧上边墙钢架模块顶部纵向连接单元形成当前单元模块，并由施工人员将当前单元模块拱部钢架模块与上一单元模块拱部钢架模块的相邻环向拱架单元通过螺栓配合对应的环缝螺栓定位孔固定连接，最终形成上一单元模块与当前单元模块之间的双槽钢类工字钢架；

23、s7、重复步骤s3-s6，直至全工序机械化隧道施工的装配式拱架结构施工完成。

24、进一步地，当地质条件差时，拱部钢架模块、上边墙钢架模块和下边墙钢架模块的钢架单元均采用工字钢钢架；当地质条件好时，拱部钢架模块、上边墙钢架模块和下边墙钢架模块的钢架单元均采用格栅钢架；当拱部地质条件差、边墙地质条件好时，拱部钢架模块的钢架单元采用工字钢钢架，上边墙钢架模块和下边墙钢架模块的钢架单元均采用格栅钢架。上述三种组合配置方式可根据实际围岩地质条件灵活选用，实现支护强度与经济效益的最优匹配。

25、进一步地，所述拱架安装台车为三臂拱架安装台车，包含第一工作臂、第二工作臂和第三工作臂；安装上边墙钢架模块和下边墙钢架模块时，通过第一工作臂和第三工作臂分别抓取左右侧上边墙钢架模块和下边墙钢架模块，通过第二工作臂挂篮运输施工人员；安装拱部钢架模块时，通过第二工作臂抓取拱部钢架模块，通过第一工作臂和第三工作臂分别挂篮运输施工人员对拱部钢架模块两侧进行固定连接。三臂拱架安装台车的三个工作臂分工协作，实现了抓举、对位与螺栓固定作业的同步推进，显著提高了拱架安装效率。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果：

27、1.本发明提供全工序机械化隧道施工的装配式拱架结构，将适配隧道开挖轮廓线形对应位置设置的钢架单元与框架单元连为一体，并在框架单元靠围岩侧固定钢筋网片，形成模块化组合结构，纵向相邻的两个单元模块的相邻两个拱部钢架模块、上边墙钢架模块和下边墙钢架模块能够通过螺栓配合对应的环缝螺栓定位孔固定形成双槽钢类工字钢架，保证纵向受力连通且双槽钢类工字钢架具备类工字钢架受力性能，同单元模块间纵缝通过螺栓连接槽钢结构，增强了钢架间的纵向连接强度，提高了初期支护的空间协同受力性能及整体刚度和稳定性。

28、2.本发明提供的全工序机械化隧道施工的装配式拱架的施工方法，适配全工序机械化隧道施工，能够配合拱架安装台车实现机械化拼装，且相比于现有技术，可解决相邻多榀拱架单元间的支护空隙及纵向连接钢筋和钢筋网片的焊接作业问题，避免了焊接作业质量缺陷和安全风险，进而提高施工效率和成型质量，保障隧道支护结构的整体稳定性与安全性。