一種車載式防止隧道拱頂圍巖塌方的系統及使用方法與流程

2023-10-30 15:50:27

本發明涉及一種車載式防止隧道拱頂圍巖塌方的系統及使用方法。

背景技術：

在隧道修建過程中，經常要穿越巖層破碎帶、斷層等圍巖不良地質區段，該區域圍巖穩定性差，常常出現塌方落石等地質災害，極大的增加施工難度，造成工期延誤、造價提升，甚至危及了施工人員的生命財產安全，如支護處理不當，還會造成二次塌方，甚至在隧道建成後期發生塌方，影響隧道的正常使用功能。因此，如何有效預防不良地質區段圍巖塌方，保證圍巖完整行已經成為隧道施工研究的熱點。目前隧道施工過程中管棚法、錨杆法、注漿法等方法從單一角度進行圍巖塌方預防與治理，預防效果有限。因此，亟需一種全新的綜合的隧道塌方預防方法，將拱架、錨杆、注漿等方法有機的結合在一起，三者共同作用，實現對圍巖塌方的有效預防與控制，降低施工風險和施工費用，且避免在後期施工過程出現的二次塌方，保證隧道工程施工安全。

技術實現要素：

本發明目的針對傳統隧道塌方治理技術與方法的不足，提供一種車載式防止隧道拱頂圍巖塌方的系統及使用方法，從而豐富隧道塌方治理技術，降低塌方災害帶來的損失，保證隧道安全施工。

為實現上述目的，本發明採用下述技術方案：

一種車載式防止隧道拱頂圍巖塌方的系統，包括放置在移動小車上的：

圍巖掃描系統，其根據預先設置好的圍巖等級以及巖土力學參數，對其掃描的圍巖段進行數據分析和圍巖等級識別；

鋼片支撐系統，實現對圍巖的支撐；

噴混系統，其用於在鋼片四周及鋼拱架位置處噴射混凝土，將鋼片四周密封；

注漿系統，通過焊接在鋼片外側的注漿管對破碎圍巖與鋼片之間進行注漿充填，使肋梁鋼片與圍巖之間接觸密實；和

控制系統，其與一個顯示裝置相連，控制圍巖掃描系統、鋼片支撐系統、噴混系統和注漿系統。

進一步的，所述的鋼片支撐系統為單向或雙向肋梁鋼片支撐系統。

進一步的，所述的單向肋梁鋼片支撐系統包括單向肋梁鋼片和用於支撐單向肋梁鋼片的支撐裝置，所述的單向肋梁鋼片，為弧度呈90°的圓弧狀鋼片，在所述的圓弧狀鋼片凹面側沿其圓周方向設有與其垂直的肋梁，且在圓弧狀鋼片上還設有多個孔洞。

進一步的，在所述的單向肋梁鋼片凸面側預先焊接有注漿管，注漿管一端焊接在單向肋梁鋼片中心位置處，另一端沿著跨度中心線方向伸出。

進一步的，沿單向肋梁鋼片的圓周方向的兩個側面設有側板，在所述的側板上設有螺紋孔，用於相鄰單向肋梁鋼片的連接。

進一步的，所述的雙向肋梁鋼片支撐系統，包括雙向肋梁鋼片和用於支撐雙向肋梁鋼片的支撐裝置，所述的雙向肋梁鋼片，為弧度呈90°的圓弧狀鋼片，在所述的圓弧狀鋼片凹面側沿其圓周方向和半徑方向設有與其垂直的肋梁，且在圓弧狀鋼片上還設有多個孔洞。

進一步的，在所述的雙向肋梁鋼片凸面側預先焊接有注漿管，注漿管一端焊接在雙向肋梁鋼片中心位置處，另一端沿著跨度中心線方向伸出。

進一步的，沿雙向肋梁鋼片的圓周方向的兩個側面設有側板，在所述的側板上設有螺紋孔，用於相鄰雙向肋梁鋼片的連接。

所述的車載式防止隧道拱頂圍巖塌方系統的使用方法，包括以下步驟：

步驟A，將防止隧道拱頂圍巖塌方系統放置到需要治理的隧道拱頂圍巖段下方，打開控制系統，用雷射掃描系統掃描此圍巖段，通過雷射掃描系統的數據採集、成像處理及分析，得到此圍巖段的圍巖級別情況，並顯示在控制系統的顯示裝置中；

步驟B，根據步驟1中的掃描結果選擇單向或雙向肋梁鋼片，且將肋梁鋼片固定在拱頂內側；

步驟C，肋梁鋼片固定好之後，在其上的預留孔洞處施工錨杆，用錨杆將單向肋梁鋼片固定在拱頂圍巖上；並在肋梁鋼片的兩側與鋼拱架進行連接；

步驟D，打開噴混系統，在肋梁鋼片四周及鋼拱架位置處噴射混凝土，將單向或雙向肋梁鋼片四周密封；

步驟E，用注漿系統通過焊接在肋梁鋼片外側的注漿管對破碎圍巖與肋梁鋼片之間進行注漿充填，使肋梁鋼片與圍巖之間接觸密實；

步驟F，此段圍巖支護好之後，關閉主機系統。

進一步的，步驟2的具體過程如下：

若此圍巖段級別介於III級和IV級之間時，則選用單向肋梁鋼片；若此圍巖段級別介於IV級和V級之前時，則選用雙向肋梁鋼片；將選好的肋梁鋼片放置到支撐裝置上，打開支撐裝置開關，將支撐裝置上升到拱頂高度處，則肋梁鋼片被固定在拱頂內側。

進一步的，步驟F完成後，將防止隧道拱頂圍巖塌方系統開到其他破碎圍巖段，進行下一個循環的支護。

本發明的有益效果為：

1.該系統將圍巖等級識別、肋梁鋼片與錨杆共同支護、噴混和注漿等多種工序結合在一起，提高了施工效率，減少了支護費用；並使得各種支護結構構成有機的整體，提高了支護效果，能夠有效預防圍巖塌方。

2.鋼拱架與肋梁鋼片組合結構在隧道長度方向上為2米，尺寸較合理，可對隧道內III級～V級圍巖段進行有針對性的預防，可節省材料，減少費用。

附圖說明

圖1是車載式防止隧道拱頂圍巖塌方的系統圖；

圖2-1、2-2是鋼拱架與單向和雙向肋梁鋼片共同支護隧道拱頂圍巖正視圖；

圖3-1、3-2是鋼拱架與單向和雙向肋梁鋼片共同支護隧道拱頂圍巖側視圖；

圖4-1、4-2是鋼拱架與單向和雙向肋梁鋼片共同支護隧道拱頂圍巖俯視圖；

圖5-1、5-2是所設計單向和雙向肋梁鋼片三維立體圖。

其中1、單向和雙向肋梁鋼片，2、鋼拱架，3、孔洞，4、錨杆，5、螺栓孔，6、承載車，7、圍巖掃描系統，8、單向或雙向肋梁鋼片支撐系統，9、噴混和注漿系統，10、控制系統。

具體實施方式

下面結合附圖1，詳細說明隧道施工過程中一種車載式防止隧道拱頂圍巖塌方的系統及其施工方法。

具體的，防止隧道拱頂圍巖塌方的系統，包括：

圍巖掃描系統7，其根據預先設置好的圍巖等級以及巖土力學參數，對其掃描的圍巖段進行數據分析和圍巖等級識別；

單向或雙向肋梁鋼片支撐系統8，實現對圍巖的支撐；

噴混和注漿系統9，噴混系統其用於在鋼片四周及鋼拱架位置處噴射混凝土，將鋼片四周密封；

注漿系統，通過焊接在鋼片外側的注漿管對破碎圍巖與鋼片之間進行注漿充填，使肋梁鋼片與圍巖之間接觸密實；和

控制系統10，其與一個顯示裝置相連，控制圍巖掃描系統、鋼片支撐系統、噴混系統和注漿系統。

所述的系統安裝在一個承載車6上。

進一步的，所述的鋼片支撐系統為單向或雙向肋梁鋼片支撐系統，包括單向或雙向肋梁鋼片1。

實施例1

如圖2-1、3-1、4-1、5-1所示，單向肋梁鋼片支撐系統包括單向肋梁鋼片和用於支撐單向肋梁鋼片的支撐裝置，所述的單向肋梁鋼片，為弧度呈90°的圓弧狀鋼片，在所述的圓弧狀鋼片凹面側沿其圓周方向設有與其垂直的肋梁，且在圓弧狀鋼片上還設有多個孔洞。

進一步的，在所述的單向肋梁鋼片凸面側預先焊接有注漿管，注漿管一端焊接在單向肋梁鋼片中心位置處，另一端沿著跨度中心線方向伸出。

具體的結構如下：

單向肋梁鋼片1呈90°圓弧狀，半徑R＝5.6m，鋼片厚度t＝2mm，寬度L＝2m，單向肋梁鋼片上預留10個孔洞3，孔洞沿著圓弧長度方向呈2排布置，間距為1m，在圓弧寬度方向上呈5排布置，排間距為1.8m，且孔洞直徑為50mm。

沿單向肋梁鋼片的圓周方向的兩個側面設有側板，在所述的側板上設有螺紋孔5，用於相鄰單向肋梁鋼片的連接。

肋梁採用10工字鋼，呈90°圓弧狀，圓弧半徑R＝5.6m，肋梁在鋼片長度方向上呈3排均布布置，且可與兩側的3排鋼拱架對應連接。

實施例2

如圖2-2、3-2、4-2、5-2所示，雙向肋梁鋼片支撐系統，包括雙向肋梁鋼片和用於支撐雙向肋梁鋼片的支撐裝置，雙向肋梁鋼片，為弧度呈90°的圓弧狀鋼片，在所述的圓弧狀鋼片凹面側沿其圓周方向和半徑方向設有與其垂直的肋梁，且在圓弧狀鋼片上還設有多個孔洞。

進一步的，在雙向肋梁鋼片凸面側預先焊接有注漿管，注漿管一端焊接在雙向肋梁鋼片中心位置處，另一端沿著跨度中心線方向伸出；

具體的結構如下：

肋梁鋼片1呈90°圓弧狀，半徑R＝5.6m，鋼片厚度t＝2mm，寬度L＝2m，雙向肋梁鋼片上預留12個孔洞，孔洞在長度方向上呈2排布置，間距為1m，在寬度方向上呈6排布置，間距為1.5m，孔洞直徑為50mm。

肋梁採用10工字鋼，呈90°圓弧狀，圓弧半徑R＝5.6m，肋梁在鋼片長度方向上呈3排均布布置，且可與兩側的3排鋼拱架對應連接。

沿雙向肋梁鋼片的圓周方向的兩個側面設有側板，在所述的側板上設有螺紋孔5，用於相鄰雙向肋梁鋼片的連接。

肋梁與鋼片的連接可採用兩種方式，工廠預製式和現場焊接式。

單向肋梁呈90°圓弧狀，採用10工字鋼，半徑R＝5.6m，在鋼片長度方向上呈3排均布布置，並與兩側的3排鋼拱架可對應連接。

雙向肋梁呈90°圓弧狀，半徑R＝5.6m，在鋼片長度方向上採用14工字鋼，呈3排均布布置，並與兩側的3排鋼拱架可對應連接；在鋼片寬度方向上採用10工字鋼，且呈7排均布布置。

此外，在肋梁鋼片外側預先焊接上注漿管，注漿管一端焊接在單向肋梁鋼片中心位置處，另一端沿著跨度中心線方向伸出，以便進行後續的注漿工作。

鋼拱架2呈45°圓弧狀，半徑為5.6m，鋼拱架類型為18工字鋼鋼架，在隧道長度方向間距為1m，並列3排。

肋梁鋼片1和鋼拱架2均在在鋼筋棚預製，檢查合格後，運至隧道施工現場。

圍巖掃描系統包括雷射掃描儀和內置系統，內置系統中預先設置好各圍巖等級的相關巖石力學參數等信息，可對掃描圍巖段進行數據分析和圍巖等級識別；

單向或雙向肋梁鋼片支撐系統包括支撐裝置和內置系統，通過內置系統可控制支撐裝置的升降高度；

噴混和注漿系統包括噴混、注漿裝置和內置系統，通過內置系統可有效控制噴混和注漿的速度及流量。

施工步驟：

步驟A，將承載車6移動到需要治理的隧道拱頂圍巖段下方，打開主機系統10，用雷射掃描儀掃描此圍巖段，通過掃描系統7的數據採集、成像處理及分析，得到此圍巖段的圍巖級別情況，並顯示在屏幕中。

步驟B，若此圍巖段級別介於III級和IV級之間時，則選用單向肋梁鋼片；若此圍巖段級別介於IV級和V級之前時，則選用雙向肋梁鋼片。將選好的肋梁鋼片1放置到支撐裝置上，打開支撐系統8開關，將支撐裝置上升到拱頂高度處，則肋梁鋼片1被固定在拱頂內側。

步驟C，肋梁鋼片1固定好之後，在其上的預留孔洞處施工錨杆4，用錨杆4將單向肋梁鋼片1固定在拱頂圍巖上；並在肋梁鋼片1的兩側與鋼拱架2進行螺栓連接。

步驟D，打開噴混和注漿系統9，在肋梁鋼片1四周及鋼拱架2位置處噴射混凝土，將肋梁鋼片1四周密封，並用注漿設備通過焊接在肋梁鋼片外側的注漿管對破碎圍巖與肋梁鋼片1之間進行注漿充填，使肋梁鋼片1與圍巖之間接觸密實。

步驟E，此段圍巖支護好之後，關閉主機系統10，再將此承載車6移到其他破碎圍巖段，進行下一個循環的支護。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。