12钢拱架机械辅助安装工艺

钢拱架机械辅助安装工艺（张超彦）1 前言随着我国交通业的快速发展，迫切需要提高我国隧道施工机械化水平。

在软弱围岩隧道施工中拱架支护是一个重要的施工工序，然而目前国内主要利用开挖平台或装碴设备由人工作业来完成，劳动强度大，工作效率低、安全风险高。

为此，国内一些单位试制、加工了拱架自动安装或辅助安装设备，其主要形式有：全自动链轨式拱架安装机械手、多功能作业平台配置辅助装置等。

石林隧道软弱围岩段共约五千多米，安装拱架数量很大，项目部利用原有开挖作业平台自行改造，增加了拱架提升、起升台架等设备，改装成了多功能作业平台，使拱架安装速度明显加快，起到省时省力，施工安全可控的目的。

1.1工艺概况改装后的多功能作业平台在其顶部加装了轨行式起升台架（图1），当一联3节钢拱架提升至升降支架上部时，启动液压工作装置，起升台架将钢拱架顶升至隧道拱顶安装位置，再由人工完成其它节段的安装和最后的固定作业。

图1 加装钢拱架安装起升台架后的开挖平台1.2工艺原理利用多功能作业平台的提升、平移、抬升等功能将已经拼装成型的拱架快速、安全地安装到目标作业面上。

2 工艺特点利用多功能作业平台辅助拱架安装，钢拱架的起吊、升降、定位等由机械作业辅助施工，缩短了工序时间，加快了施工进度，减少了作业人员数量，降低了施工风险。

3 适用范围适应于隧道及类似坑道工程软弱围岩的拱架支护施工。

4 主要引用标准《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》(TB10753)《高速铁路隧道工程施工技术指南》(铁建设[2010]241号)5 施工方法利用多功能作业平台上安装的起吊设备，或利用装载机等其它设备将已经拼装好的拱架起吊放置在起升台架上，再通过起升台架纵向平移到拱架要安装的里程部位，然后起升调整拱架高度、角度进行定位安装，定位完成后进行连接钢筋焊接，拱架固定牢固后，再进行下一榀拱架安装。

最后统一打设锁脚锚杆6 工艺流程及操作要点6.1施工工艺流程以多功能台架辅助拱架安装为条件，工艺流程见图2。

图2 拱架安装工艺流程图（1）施工准备：出渣完成后挖掘机将隧底整平，多功能台架就位，就位时注意台架中心线尽可能与隧道中心线重合；电工保证平台电力供应正常；测量人员标明拱顶中心、拱架安装高度及两侧拱架尺寸线，如发现有局部欠挖应安排人员及时处理；拱架安装人员将已经加工好的拱架从加工场地运往隧道内靠近拱架安装平台位置处。

（2）拱架拼装:拱架一般一节长度6m左右，而一榀拱架一般由多节拱架通过各种连接拼装成型。

为了便于提升，拱架拼装时注意将顶部拱架靠近拱架起吊设备一侧，方便提升。

拼装时要求脚板对接一致，连接牢固，不得扭曲。

（3）提升：先用提升吊钢丝绳捆住拱架拱顶部起吊位置，且尽可能靠近中心位置，防止偏沉，固定牢固后进行起吊，辅助作业人员在拱脚处辅助抬升，防止拱架被挂住。

必要时调整拱架捆扎位置和起吊平面方向。

图2 拱架起吊设备（4）平移：拱架提升起来后放置在起升架上，两个辅助人员及一个操作人员推移起升架平移拱架安装里程部位。

（5）升降定位：拱架在起升架上移动到位后，起升架开始起升拱架，调整拱架高度，拱脚部位进行人工调整拱架方向，保证拱架与隧道中线垂直。

提升到设计高度后进行拱脚支垫，焊工开始焊接连接钢筋，保证拱架牢固。

其它人员准备下一拼拱架拼装提升。

6.2操作要点多工程作业平台辅助拱架安装在施工过程中要注意一下几点，确保安装到位：（1）多功能台架就位时尽可能保证位于隧道中线处，便于施工；（2）拱架拼装时注意拱顶位置尽可能接近提升吊下部，方便提升；（3）提升拱架时要缓慢均匀，拱脚处要有人辅助抬升，并调整拱架方向；（4）确保拱架固定牢固后方可退出起升台座，确保安全；（5）施工完成后注意保护液压起升台架，防止液压部件损坏。

7 劳动力组成多功能台架辅助安装拱架主要依靠机械操作代替了大部分人力，人员要求相对较少，但需要一个会操作多功能平台的人员，具体施工人员见表1：机械辅助安装人员表。

表1 机械辅助安装人员表8 主要机具设备主要工程机械为多功能作业平台（图3），其主要技术参数见表2。

其它辅助设备有拱架运输设备（运输车）；平台移位设备:装载机或拱架起吊设备；拱架拼装机具：活动扳手2把，焊接设备（电焊机2台）；断面处理设备：风镐、铁铲、钢钎等。

图3 多功能作业平台示例表2 多功能台架设计参数表9 质量控制9.1易出现的质量问题（1）拱架加工存在弧度弯曲不到位及焊接不牢固等问题；（2）拱架定位时容易出现前后倾斜、左右拱架不在一个里程法线上的问题；（3）拱脚支垫容易出现不牢固现象，容易造成拱架下沉；（4）连接钢筋焊接容易出现数量不够，角度不满足要求现象；（5）多功能台架在使用过程中如不加强保养，容易损害精密部件或导致拱架安装施工不到位等问题。

9.2保证措施（1）拱架加工时要保证长度、弧度、焊接牢固及连接设备保质保量完成。

首先，拱架加工好以后技术人员要在加工场地拼装，拼装好后检查长度、弧度及连接设备等是否达到设计要求，如达不到要求必须重新调整加工设备及加工工艺，直到满足设计要求为准。

其次，对拱架焊接的检查除监理要求必须做的检查外，采用拱架焊接加长后再进行弯曲，检查弯曲弧度是否均匀，在焊接处有无明显变化，是否和原母材相同强度。

（2）拱架起升起来后进行人工调整方向，保证拱架竖向垂直，横向平行于隧道法线，要求测量人员必须在拱脚部位放样出拱架法线，便于施工人员对位。

局部因开挖不到位影响安装必须进行处理，确保拱架安装到位。

（3）软弱围岩拱脚支垫必须牢固，必要时可以采用加大拱脚，提高支撑力。

拱架支垫一般使用楔形混凝土块，且基础必须落实在基岩上，不能有虚渣，并采用喷砼密封。

（4）拱架连接钢筋焊接必须采用合格焊条，保证一定的焊缝长度，确保焊接牢固。

（5）多功能平台保养是保证平台能持续作业重要的一步，由于多功能平台不但要辅助拱架安装，而且还是开挖作业平台，同时还要肩负喷砼施工作业平台，且平台上安设有油压千斤顶、电动机、机械滑道等精密设备，由于施工工序多，由于平台存在污染、碰撞、移位等因数，这些设备需要特殊保养。

具体保养措施:①多功能作业平台不安装拱架时要保证起升台千斤顶收缩至最低位，同时推移到后方不影响其它工序作业位置。

②多功能作业平台上的线路管路宜采用钢管或橡胶管保护起来。

③拱架起吊设备在停止作业后，应伸缩至最小状态、收起钢丝绳，电动机用彩条布加以包裹，防止粉尘进入电动机。

④液压起升平台的轨道在喷射混凝土时，用彩条布进行覆盖，防止喷砼沾染，影响平台推移。

10 安全措施10.1主要安全风险分析（1）多功能平台上施工人员多，电动机具、照明等电源有发生触电事故的可能。

（2）拱架提升过程中容易发生拱架挂拌现象，导致拱架碰撞、脱落而伤人。

（3）人员高空坠落事故。

（4）拱架拼装过程出现滑落、倾倒。

（5）未完成初期支护段出现落石、塌方等安全隐患。

10.2保证措施（1）多功能作业平台上电器较多，接线、改移线路要专业电工来操作，电工必须持证上岗，除设备用电外照明用电必须是36V安全电压。

设备用电必须符合安全用电标准，满足三相五线制要求，平台与设备必须有专用接地线，保证操作人员安全。

（2）拱架起吊设备在提升拱架时要缓慢，同时每个拱脚处要有人配合，防止拱架被挂住，同时调整拱架方向，防止撞在平台上，拱架下方不得站人。

（3）平台上作业人员要求戴好安全帽，并佩戴安全绳，符合高空作业要求。

（4）拱架在没有固定牢固时起升台不能离位，起升架在确保拱架支垫、焊接牢固后方可降低移位。

同时焊接作业时电焊工必须佩戴防护用品，防止灼伤眼睛。

（5）拱架安装时初期支护没有成型，易发生落石或塌方事故，作业人员要先清理拱部浮石、悬石，防坠落。

同时要密切注意围岩变动情况，如有异常尽快撤离。

11 应用实例由中铁一局集团第五工程有限公司承建的云桂铁路石林隧道全长18208m，地质以灰岩为主，穿越6个断层4个破碎带，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩占31.3%。

其中Ⅳ围岩长4125m，Ⅴ级围岩长1473m，开挖方式为Ⅳ围岩采用台阶法开挖，Ⅴ级围岩采用大拱脚台阶法开挖。

支护方式为Ⅳ围岩采用拱墙格栅拱架（部分软弱围岩段为I18钢拱架）和超前小导管加强支护，Ⅴ级围岩采用全环I20b型钢钢架及拱部超前大管棚、中管棚或小导管加强支护。

拱架安装数量为Ⅳ级围岩3567榀，Ⅴ级围岩2105榀，拱架安装数量大，适合采用机械辅助安装拱架工法施工。

石林隧道采用台阶法开挖，适合平台辅助作业，洞口段设计为Ⅴ级围岩，支护为全环I20b型钢钢架及拱部超前小导管，拱架间距0.6m，C25钢纤维喷砼厚28cm，每循环开挖进尺1.2m，架设2榀钢拱架，其中上台阶拱架长度22.62m，设计分5节，仅两侧拱脚接头处各打设两根长4.5mφ42锁脚锚管。

现场从安全角度及方便施工考虑，将拱部拱架改为3节，每节长7.5m，减少两个接头，其余不变。

先前采用人力安装拱架，具体过程为：由装载机抬升拱顶一节拱架到开挖平台上，再由人力抬移拱架，移位到需要安装的部位，两端各3人手扶两侧拱架与拱顶拱架对接，对接后采用脚板螺栓固定接头，待连接钢筋焊接牢固后再进行下一榀施工。

表3 拱架人工安装与机械辅助安装对比表12 工程结果评价石林隧道采用多功能作业平台辅助拱架安装后，拱架施工人员明显减少，安全隐患减少，同时由于施工速度明显加快，围岩暴露时间短，落石、塌方等安全隐患减少。

由于施工机械化程度增加，工序施工速度明显加快，安全风险减低，且经济效益明显，业主曾组织设计单位、监理单位及相邻施工单位来我单位观摩学习，并在全线推广，宣扬了企业文化，彰显企业创新精神，赢得了社会效益。