本实用新型属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种无工作室洞内超前管棚定位装置。
背景技术：
隧道穿越断层破碎带或下穿建(构)筑物，通常采用管棚为超前支护措施。在隧道内施做管棚，常规做法为洞内扩挖，然后施做钢筋混凝土管棚护拱，在护拱内埋设导向管，最后利用导向管钻孔，插入管棚钢管，完成管棚施工。采用上述常规做法施工时，隧道断面需扩挖80cm左右，扩挖段长度一般不小于10m，增加了施工风险，施工周期长，并且造价上不经济。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种无工作室洞内超前管棚定位装置，可以解决现有技术中采用常规施工方法施做管棚所存在的施工风险大，周期长以及造价不经济的问题。
本实用新型是这样实现的，一种无工作室洞内超前管棚的定位装置，包括第一榀定位钢架、第二榀定位钢架、第三榀定位钢架、导向钢管、环向连接筋以及混凝土包裹层；所述第一榀定位钢架、第二榀定位钢架、第三榀定位钢架依次相间隔设置，并且，三者通过所述环向连接筋连接，形成一整体；所述第一榀定位钢架的底部设置有若干间隔分布的定位钢筋，定位钢筋具有供导向钢管穿过的通孔；所述第二榀定位钢架以及第三榀定位钢架的腹板上开设有若干定位孔，所述导向钢管穿入所述定位钢筋的通孔、第二榀定位钢架的定位孔以及第三榀定位钢架的定位孔内；所述混凝土包裹层包裹所述导向钢管。
进一步的，所述第一榀定位钢架呈弧形，所述若干定位钢筋焊接在所述所述第一榀定位钢架下翼缘的中部位置，所述若干定位钢筋沿所述第一榀定位钢架的环向间隔分布。
进一步的，所述第二榀定位钢架以及第三榀定位钢架均呈弧形，所述第二榀定位钢架腹板上的若干定位孔沿其环向间隔分布，所述第三榀定位钢架腹板上的若干定位孔沿其环向间隔分布。
进一步的，所述若干定位钢筋由一条钢筋弯折形成，或者，每个定位钢筋由一段钢筋弯折形成。
进一步的，所述定位装置包括至少两层纵向间隔设置的环向连接筋，所述第一榀定位钢架的上翼缘与第二榀定位钢架的上翼缘之间焊接有所述环向连接筋，所述第一榀定位钢架的下翼缘与第二榀定位钢架的下翼缘之间焊接有所述环向连接筋；所述第二榀定位钢架的上翼缘与第三榀定位钢架的上翼缘之间焊接有所述环向连接筋，所述第二榀定位钢架的下翼缘与第三榀定位钢架的下翼缘之间焊接有所述环向连接筋。
进一步的，所述环向连接筋的两端弯折，形成焊接部。
进一步的，所述第一榀定位钢架与第二榀定位钢架之间的纵向间隔，以及第二榀定位钢架与第三榀定位钢架之间的纵向间隔均为0.5m～1m。
进一步的，所述第一榀定位钢架的大小及形状可与原初支钢架的大小及形状相同，所述第二榀定位钢架、第三榀定位钢架的型号根据管棚钢管直径确定，所述第一榀定位钢架、第二榀定位钢架、第三榀定位钢架处的初支喷射混凝土厚度相同。
本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：
本实用新型提出的无工作室洞内超前管棚定位装置，可在隧道断面基本不扩挖的情况下，利用初支钢架为管棚施工进行定位，不另设管棚护拱，消除了因扩挖而导致施工风险，可在无工作室的情况下进行洞内管棚施工，精简了施工工艺，减小了扩挖、回填及护拱工程量，缩短了工期，具有较大的直接和间接经济效益。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种无工作室洞内超前管棚定位装置的纵断面示意图；
图2是图1所示第一榀定位钢架的立面示意图；
图3是图1所示第二榀定位钢架的立面示意图；
图4是图1所示第三榀定位钢架的立面示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参见图1，为本实用新型提供的一较佳实施例，提供了一种无工作室洞内超前管棚的定位装置，其包括第一榀定位钢架1、第二榀定位钢架2、第三榀定位钢架3、导向钢管4、环向连接筋5以及混凝土包裹层6。其中，第一榀定位钢架1、第二榀定位钢架2、第三榀定位钢架3依次相间隔设置，并且，三者通过环向连接筋5连接，形成一整体。
请参见图2，第一榀定位钢架1的下翼缘底部设置有若干间隔分布的定位钢筋7，定位钢筋7上具有供导向钢管4穿过的通孔71。
请参见图3及图4，第二榀定位钢架2以及第三榀定位钢架3的腹板上分别开设有若干定位孔21、定位孔31，导向钢管4穿入定位钢筋7的通孔71、第二榀定位钢架2的定位孔21以及第三榀定位钢架3的定位孔31内；导向钢管4在第一榀定位钢架1、第三榀定位钢架3外侧外露长度不小于20cm。混凝土包裹层6包裹导向钢管4、第二榀定位钢架2以及第三榀定位钢3的底部，其中，三榀定位钢架的初支(初次支护)处喷射的混凝土包裹层6厚度相同，为最大尺寸的定位钢架的高度加8cm。
具体的，本实施例中的第一榀定位钢架1、第二榀定位钢架2以及第三榀定位钢架3均呈弧形。若干定位钢筋7焊接在第一榀定位钢架1下翼缘的中部位置，焊接形式采用双面焊，焊缝长度不小于80mm。若干定位钢筋7沿第一榀定位钢架1的环向间隔分布。第二榀定位钢架2腹板上的若干定位孔21沿其环向间隔分布，第三榀定位钢架3腹板上的若干定位孔31也沿其环向间隔分布。
若干定位钢筋7由一条钢筋弯折形成，或者，每个定位钢筋7由一段钢筋弯折形成。优选的，可以将定位钢筋7做成“ω”型，本实施例中的定位钢筋7直径为φ16mm。
第一榀定位钢架1型号可与原初支钢架相同、第二榀定位钢架2以及第三榀定位钢架3型号根据管棚钢管直径确定，采用φ76mm管棚钢管时不小于工22b，采用φ89mm管棚钢管时不小于工25b，φ108mm管棚钢管时不小于工28b。
导向钢管4的内径比管棚钢管的直径大15～20mm，第二榀钢架2腹板处的定位孔21直径、第三榀钢架3腹板处的定位孔31直径比导向钢管4外径大10mm，定位钢筋7通孔71的孔径比导向钢管4外径大20mm，通孔71的圆心与第二榀钢架2腹板处定位孔21、第三榀钢架腹板3处定位孔31的圆心保持在一条直线上。
第二榀钢架2腹板处定位孔21以及第三榀钢架腹板3处定位孔31在钢架弯曲加工前以型钢中心线为基准，根据管棚钢管的环向布置间距、外插角进行放样定位，在钢架弯曲加工成型后钻孔。
于本实施例中，定位装置包括两层纵向间隔设置的环向连接筋5，当然，在实际应用中，也可以设置一层或多层环向连接筋5。第一榀定位钢架1的上翼缘与第二榀定位钢架2的上翼缘之间焊接有环向连接筋5，第一榀定位钢架1的下翼缘与第二榀定位钢架2的下翼缘之间焊接有环向连接筋5。第二榀定位钢架2的上翼缘与第三榀定位钢架3的上翼缘之间焊接有环向连接筋5，第二榀定位钢架2的下翼缘与第三榀定位钢架3的下翼缘之间焊接有环向连接筋5。于本实施例中，环向连接筋5直径为φ22mm，环向布置间距0.5m，与定位钢架翼缘的焊接形式采用单面焊，焊缝长度不小于220mm。
环向连接筋5的两端弯折，形成焊接部51，优选的，本实施例的环向连接筋5整体呈“[”型，从而，可增加环向连接筋5与三榀定位钢架的焊接面积，提高焊接牢固程度。
第一榀定位钢架1与第二榀定位钢架2之间的纵向间隔，以及第二榀定位钢架2与第三榀定位钢架3之间的纵向间隔均为0.5m～1m。
为了更好的配合原初支钢架8的结构，第一榀定位钢架1的大小及形状与原初支钢架8的大小及形状相同。即是第一榀定位钢架1与原初支钢架8的型号一致，且不小于工18。
请继续参图1，图中a处表示围岩，b处表示隧洞已开挖区域。本实施例还提供了一种应用上述无工作室洞内超前管棚的定位装置进行管棚施工的方法，包括以下步骤：
s10、根据隧道断面、管棚钢管外径、环向布置间距、外插角要求，确定导向钢管4直径、定位钢筋7的通孔71直径、定位孔21直径、定位孔31直径、
第二榀定位钢架2定位孔21圆心与其上翼缘顶面的距离、第三榀定位钢架3定位孔31圆心与其上翼缘顶面的距离；
s20、进行定位钢筋7加工，第一榀定位钢架1弯曲加工，然后，将定位钢筋7焊接在第一榀定位钢架1的底部；
s30、第二榀定位钢架2的定位孔21以及第三榀定位钢架3的定位孔31放样，然后将第二榀定位钢架2以及第三榀定位钢架3进行弯曲加工，钻定位孔21、定位孔31；
在定位孔21、定位孔31放样步骤中，定位孔21的圆心与第二榀定位钢架2上翼缘顶面的距离按下式计算：
δ2＝δ1-tanα×l1
式中δ2为第二榀定位钢架2定位孔21的圆心至其上翼缘顶面的距离，δ1为第一榀定位钢架1的定位钢筋7通孔圆心至其上翼缘顶面的距离，α为管棚外插角，l1为第一榀定位钢架1与第二榀定位钢架2的纵向间距；定位孔31的圆心与与第三榀定位钢架3上翼缘顶面的距离按下式计算：
δ3＝δ1-tanα×(l1 l2)＝δ2-tanα×l2
式中δ3为第三榀定位钢架3定位孔31的圆心至其上翼缘顶面的距离，δ2为第二榀定位钢架2定位孔21的圆心至其上翼缘顶面的距离，δ1为第一榀定位钢架的定位钢筋7通孔圆心至其上翼缘顶面的距离，α为管棚外插角，l1为第一榀定位钢架1与第二榀定位钢架2的纵向间距，l2为第二榀定位钢架2与第三榀定位钢架3的纵向间距。
s40、加工环向连接筋5以及导向钢管4；
s50、待掌子面c开挖至第一榀定位钢架1处，初喷4cm厚混凝土，架设第一榀定位钢架1，采用环向连接筋5将其与前一榀原初支钢架8焊接，复喷混凝土至第一榀定位钢架1下表面；
s60、待掌子面c开挖至第二榀定位钢架2处，初喷4cm厚混凝土，架设第二榀定位钢架2，采用环向连接筋5将其与第一榀定位钢架1焊接；
s70、待掌子面c开挖至第三榀定位钢架3处，初喷4cm厚混凝土，架设第三榀定位钢架3，采用环向连接筋5将其与第二榀定位钢架2焊接；
s80、安装导向钢管4，导向钢管4与定位钢筋7、第二榀定位钢架2腹板、第三榀定位钢架3腹板焊接形成整体；
s90、复喷混凝土至设计基准面，形成混凝土包裹层6，完成无工作室洞内超前管棚定位装置的施工；
s100、将管棚钢管插入导向钢管4内，完成管棚施工；
s110、割除侵入二衬部分的导向钢管4及定位钢筋7，喷射混凝土，修整原初支钢架8内表面。
容易理解的是，上述的步骤编号仅用于便于说明步骤的实施过程，但并不用于限定时间顺序，对一些可以不分先后顺序的步骤，即使对其编号进行调整，也属于本实用新型的保护范围之内。
本实施例提出的无工作室洞内超前管棚定位装置，可在隧道断面基本不扩挖的情况下，利用初支钢架为管棚施工进行定位，不另设管棚护拱，消除了因扩挖而导致施工风险，可在无工作室的情况下进行洞内管棚施工，精简了施工工艺，减小了扩挖、回填及护拱工程量，缩短了工期，具有较大的直接和间接经济效益。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，包括第一榀定位钢架、第二榀定位钢架、第三榀定位钢架、导向钢管、环向连接筋以及初支混凝土包裹层；所述第一榀定位钢架、第二榀定位钢架、第三榀定位钢架依次相间隔设置，并且，三者通过所述环向连接筋连接，形成一整体；所述第一榀定位钢架的底部设置有若干间隔分布的定位钢筋，定位钢筋具有供导向钢管穿过的通孔；所述第二榀定位钢架以及第三榀定位钢架的腹板上开设有若干定位孔，所述导向钢管穿入所述定位钢筋的通孔、第二榀定位钢架的定位孔以及第三榀定位钢架的定位孔内；所述初支混凝土包裹层包裹所述导向钢管。
2.如权利要求1所述的无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，所述第一榀定位钢架呈弧形，所述若干定位钢筋焊接在所述第一榀定位钢架下翼缘的中部位置，所述若干定位钢筋沿所述第一榀定位钢架的环向间隔分布。
3.如权利要求1所述的无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，所述第二榀定位钢架以及第三榀定位钢架均呈弧形，所述第二榀定位钢架腹板上的若干定位孔沿其环向间隔分布，所述第三榀定位钢架腹板上的若干定位孔沿其环向间隔分布。
4.如权利要求1所述的无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，所述若干定位钢筋由一条钢筋弯折形成，或者，每个定位钢筋由一段钢筋弯折形成。
5.如权利要求1所述的无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，所述定位装置包括至少两层纵向间隔设置的环向连接筋，所述第一榀定位钢架的上翼缘与第二榀定位钢架的上翼缘之间焊接有所述环向连接筋，所述第一榀定位钢架的下翼缘与第二榀定位钢架的下翼缘之间焊接有所述环向连接筋；所述第二榀定位钢架的上翼缘与第三榀定位钢架的上翼缘之间焊接有所述环向连接筋，所述第二榀定位钢架的下翼缘与第三榀定位钢架的下翼缘之间焊接有所述环向连接筋。
6.如权利要求5所述的无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，所述环向连接筋的两端弯折，形成焊接部。
7.如权利要求1所述的无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，所述第一榀定位钢架与第二榀定位钢架之间的纵向间隔，以及第二榀定位钢架与第三榀定位钢架之间的纵向间隔均为0.5m～1m。
8.如权利要求1所述的无工作室洞内超前管棚定位装置，其特征在于，所述第一榀定位钢架的大小及形状可与原初支钢架的大小及形状相同，所述第二榀定位钢架、第三榀定位钢架的型号根据管棚钢管直径确定，所述第一榀定位钢架、第二榀定位钢架、第三榀定位钢架处的初支喷射混凝土厚度相同。
技术总结