CN109404014B - 一种隧道支护层模喷机构及其模喷方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道支护层模喷机构及其模喷方法，所述模喷机构包括喷头组件、模板机构和喷射系统，所述喷射系统上连接有喷头组件，喷头组件设于模板机构上方，所述模板机构能与岩壁形成待浇筑的模腔；所述喷射系统将混凝土送至喷头组件，喷头组件在模板机构上方朝不垂直于岩壁的方向，将混凝土喷射入模腔内。通过创新设计的隧道支护层模喷机构及其模喷方法，基于模板机构与开挖岩壁之间模腔的实际情况，能对喷头组件在位移、角度、方向、高度等各方面进行适应性的调整，降低了控制的难度，提高了控制的精准性；同时，模喷料剂喷射系统能够使混凝土和速凝剂快速、充分、均匀的混合；然后能够将混合后的混凝土喷入模腔中，快速形成支护层，达到快速的对隧道岩壁进行加固的目的。

Description

一种隧道支护层模喷机构及其模喷方法

技术领域

本发明属于工程机械技术领域，特别涉及一种隧道支护层模喷机构及其模喷方法。

背景技术

在隧道初期支护施工中，采用向开挖面上直接喷射混凝土的施工方式，其中喷射混凝土方式又分为机械臂喷射和人工喷射两种。目前直接喷射混凝土的施工方式存在以下几个缺点：

回弹率高，现在施工过程中存在20％-40％的回弹，且回弹物料无法再回收利用，造成了极大的浪费，是导致施工成本偏高的主要原因。

速凝剂用量大，直接喷射混凝土的施工方式要求混凝土在接触开挖面的很短时间就需要和开挖面粘接在一起，且还要保证粘接后不掉落。普通的混凝土则无法满足施工要求，这时就需要在素混凝土添加速凝剂以达到混凝土短时间内凝固的要求，且速凝剂用量较大，同样增加了施工的成本。

成型面光洁度差，直接喷射混凝土的施工方式施工成型后的表面凹凸不平、光洁度很差，在下工序施工前还需要对其表面进行整形处理以达到施工要求，这样无疑增加了施工工序，延长了施工周期，增加了施工成本。

施工安全性差，在人工喷射时，操作人员会在未支护面下方进行施工，存在被落石和掉落混凝土砸中的风险。另外速凝剂为化学试剂，在人工喷射时，操作人员离喷头处较近，长时间操作会对操作人员的身体健康造成危害。

针对所述技术问题，申请人发明了模喷用的成套装备，通过将模板机构与开挖岩壁相配合，使得模板机构与开挖岩壁之间形成模腔，以有效的降低混凝土的回弹量。

但是模喷操作过程中，所用到的模板机构和传统的固定模板有很大的不同，需要不断进行动态调整，并且还要不断进行喷头组件相对于模板机构，以及相对于模腔之间的位置调整，对控制动作的要求十分复杂，并且必须要精准，这就对模喷机构的整体性能提出了很高的要求，而如何设计用于隧道支护层的模喷机构，并没有现成的装备、设备可供参考，现有技术中，均难以满足上述的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述技术问题，提供了一种隧道支护层模喷机构及其模喷方法，充分考虑了模板机构，喷头组件以及喷射系统的协调性问题，并对相关的控制机构进行合理化的设计，使得模喷操作得以实现，并且具有操作方便，施工效率高的特点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种隧道支护层模喷机构，包括喷头组件、模板机构和喷射系统，所述喷射系统上连接有喷头组件，喷头组件设于模板机构上方，所述模板机构能与岩壁形成待浇筑的模腔；所述喷射系统将混凝土送至喷头组件，喷头组件在模板机构上方朝不垂直于岩壁的方向，将混凝土喷射入模腔内。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述喷头组件连接有喷头微调机构，所述喷头微调机构可控制喷头组件相对于模板机构/模腔的角度，使得喷头组件喷入模腔的角度/方向可调。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述喷头微调机构包括俯仰微调机构和旋转微调机构，其中喷头组件连接于俯仰微调机构和/或旋转微调机构上；所述俯仰微调机构能调节喷头组件的俯仰角度/方向；所述旋转微调机构能调节喷头组件的转动角度/方向；所述俯仰微调机构与旋转微调机构相互连接并配合，调节喷头组件相对于模腔的角度/方向。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述喷射系统包括混凝土泵送机构、速凝剂泵送机构、压缩空气供给设备和料剂混合器，所述混凝土泵送机构，速凝剂泵送机构和压缩空气供给设备分别通过管路连接到料剂混合器，料剂混合器连接到喷头组件；料剂混合器将混凝土与速凝剂混合，压缩空气将混合有速凝剂的混凝土通过喷头组件向模腔喷射。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述速凝剂泵送机构连接混流器，将速凝剂送入混流器内；所述压缩空气供给设备连接混流器，将压缩空气送入混流器中与速凝剂混合并雾化；所述混流器连接料剂混合器，将混有压缩空气的雾化速凝剂送入料剂混合器内与混凝土混合。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述混凝土泵送机构包括泵送设备、送料管和软管，所述泵送设备上连接送料管，所述送料管通过软管连接至料剂混合器的进口端；所述送料管进口端到出口端的直径逐渐变小。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述送料管整体由若干根变径硬质管组成；所述变径硬质管沿送料管延伸方向依次对接，使送料管进口端的直径大于送料管出口端的直径；其中，沿送料管延伸方向，每根变径硬质管的直径从进口端至出口端逐渐变小。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述送料管包括若干根变径硬质管和非变径硬质管；所述变径硬质管和非变径硬质管沿送料管延伸方向依次对接，使送料管进口端的直径大于送料管出口端的直径；其中，沿送料管延伸方向，每根变径硬质管的直径从进口端至出口端逐渐变小。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，沿送料管延伸方向，每根硬质管进口端的直径等于上一根硬质管出口端的直径；每根硬质管出口端的直径等于下一根硬质管进口端的直径；每根硬质管的对接处通过管卡或螺纹连接的方式进行连接。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述喷头组件和模板机构设于共同的机架上，喷头组件和模板机构可随机架同时移动和/或同时旋转；所述机架和喷射系统安装在共同的载体机构上，并可随载体机构一起移动。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述模板机构包括模板本体和模板俯仰调节机构，所述模板本体通过模板支座与机架连接，所述模板俯仰调节机构能调节模板本体相对于岩壁之间的角度。

本发明所述的隧道支护层模喷机构，所述模板俯仰调节机构设为模板俯仰油缸，所述模板俯仰油缸的缸体铰接在模板支座上，其活塞杆铰接在模板上；其中活塞杆与模板的铰接点位于模板支座与模板的铰接点下方，使模板俯仰油缸的伸缩控制模板相对于模板支座的俯仰角度。

一种隧道支护层模喷方法，所述方法包括以下步骤：

S1：由机架控制模板机构和喷头组件共同接近隧道待浇筑的开挖岩壁处，通过模板俯仰油缸调节模板本体相对于岩壁的角度，使得模板本体、岩壁和其它附属机构/附属结构配合形成可供浇筑的模腔；

S2：通过俯仰微调机构调节喷头组件相对于模腔的纵向角度，同时通过旋转微调机构调节喷头组件相对于模腔的横向角度，使得喷头组件不垂直于岩壁，并能以最佳的角度朝向模腔顶部的浇筑口；

S3：开启喷射系统混凝土泵送机构、速凝剂泵送机构和压缩空气供给设备，将混凝土、速凝剂和压缩空气输送到料剂混合器，并控制混凝土和速凝剂的掺混比例，通过在料剂混合器混合后，由压缩空气将混有速凝剂的混凝土高速喷射入模腔中，并完成模喷浇筑。

本发明的有益效果是：通过创新设计的隧道支护层模喷机构及其模喷方法，基于模板机构与开挖岩壁之间模腔的实际情况，能对喷头组件在位移、角度、方向、高度等各方面进行适应性的调整和控制，以达到现场施工中对喷头组件的控制要求。

同时还能对喷头组件和模板机构整体进行同步移动，以及同步旋转等，使得模喷过程中，大幅增加了模板机构与喷头组件之间的协调性，降低了控制的难度，提高了控制的精准性；保证了模喷操作得以实现，并提高了如隧道初期支护模喷浇筑的施工效率和施工质量。

模板机构能够进行独立的俯仰角度调整，可根据不同位置的目标岩壁进行相应的调整，以适应性的形成可浇筑的模腔。

同时，模喷料剂喷射系统能够使混凝土和速凝剂快速、充分、均匀的混合；然后能够将混合后的混凝土喷入模腔中，快速形成支护层，达到快速的对隧道岩壁进行加固的目的。

附图说明

图1为喷头微调机构的连接示意图；

图2为喷头固定座驱动结构示意图；

图3为喷头移动总成机构示意图；

图4为喷头横移臂及前臂机构连接示意图；

图5为前臂机构示意图；

图6为前臂机构剖视示意图；

图7为前臂机构俯视图；

图8为前臂机构的旋转机构示意图；

图9为大臂机构的大臂转台示意图；

图10为大臂转台的水平旋转组件示意图；

图11为大臂转台的后视图；

图12为大臂转台的转台竖板示意图；

图13为回转大臂与移动总成机构的连接示意图；

图14为回转大臂示意图；

图15为回转大臂局部放大图；

图16为模板机构的示意图一；

图17为模板机构的示意图二；

图18为模板的示意图一；

图19为模板的示意图二；

图20为载体为台车时的整车示意图；

图21是喷头组件在模腔入口处的位置示意图；

图22是实施例21中料剂喷射系统的结构图；

图23是实施例21中料剂喷射系统的结构图；

图24是送料管由变径硬质管和非变径硬质管构成的结构图；

图25-28是速凝剂加注口在料剂混合器上的布置位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术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发明，并不用于限定本发明。

实施例1

隧道支护层模喷机构，包括喷头组件9、模板机构8和喷射系统Ⅱ，所述喷射系统Ⅱ上连接有喷头组件9，喷头组件9设于模板机构8上方，所述模板机构8能与岩壁形成待浇筑的模腔；所述喷射系统Ⅱ将混凝土送至喷头组件9，喷头组件9在模板机构8上方朝不垂直于岩壁的方向，将混凝土喷射入模腔内。所述喷头组件9连接有喷头微调机构，所述喷头微调机构可控制喷头9组件相对于模板机构/模腔的角度，使得喷头组件喷入模腔的角度/方向可调。

所述喷头微调机构包括俯仰微调机构和旋转微调机构，其中喷头组件9连接于俯仰微调机构和/或旋转微调机构上；所述俯仰微调机构能调节喷头组件9的俯仰角度/方向；所述旋转微调机构能调节喷头组件9的转动角度/方向；所述俯仰微调机构与旋转微调机构相互连接并配合，调节喷头组件9相对于模腔的角度/方向。

所述喷头组件9和模板机构8设于共同的机架上，喷头组件9和模板机构8可随机架同时移动和/或同时旋转；所述机架和喷射系统Ⅱ安装在共同的载体机构上，并可随载体机构一起移动。

所述模板机构8包括模板本体81和模板俯仰调节机构，所述模板本体81通过模板支座与机架连接，所述模板俯仰调节机构能调节模板本体81相对于岩壁之间的角度。所述模板俯仰调节机构设为模板俯仰油缸，所述模板俯仰油缸的缸体铰接在模板支座上，其活塞杆铰接在模板上；其中活塞杆与模板的铰接点位于模板支座与模板的铰接点下方，使模板俯仰油缸的伸缩控制模板相对于模板支座的俯仰角度。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上提供了喷头微调机构的具体结构，所述喷头微调机构包括俯仰微调机构和旋转微调机构，其中喷头组件9连接于俯仰微调机构和/或旋转微调机构上；所述俯仰微调机构能调节喷头组件9的俯仰角度/方向；所述旋转微调机构能调节喷头组件9的转动角度/方向；所述俯仰微调机构与旋转微调机构相互连接并配合，调节喷头组件9相对于模腔的角度/方向，以保证喷射浇铸的效果和质量。

微调机构还包括喷头固定座7，所述旋转微调机构固定在喷头固定座7上；所述俯仰微调机构和喷头组件9均设于旋转微调机构上，俯仰微调机构和喷头组件9整体在旋转微调机构的作用下旋转。所述俯仰微调机构设为油缸、气缸、齿轮机构或链传动机构，以调节喷头组件9的相对于模腔的前后角度/方向；所述旋转微调机构为油缸、气缸、齿轮机构或链传动机构，以调节喷头组件相对于模腔的左右角度/方向。

进一步的，所述旋转微调机构设为旋转油缸73，旋转油缸73的转轴上固定有喷头支板74；所述俯仰微调机构为俯仰油缸75，俯仰油缸75铰接于喷头支板74上，俯仰油缸75的活塞杆752铰接有喷头组件9，且喷头组件9铰接在喷头支板74上(具体铰接在下端的铰支座741处)，使得所述俯仰油缸75控制喷头组件9的俯仰角度/方向。

进一步的，所述俯仰油缸75平行的设置有两套,所述俯仰油缸75的活塞杆752铰接于喷头组件9上，所述俯仰油缸75的缸体751铰接于喷头支板74上。这样通过引入喷头支板74，使得喷头组件9和俯仰油缸75共同随着旋转油缸73转轴的转动而旋转，以实现控制喷头组件9进行旋转角度的目的。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，通过将喷头微调机构与喷头位移机构连接，实现对喷头组件9的相对于模腔(模板组件8)的位移控制。使得喷头微调机构与喷头位移机构以及喷头组件9、模板机构8共同组成喷头移动总成机构，以达到控制喷头组件9相对于模腔之间的纵向和横向距离关系，以及相对于模腔的角度/方向关系。

所述喷头位移机构包括纵移机构和横移机构；所述纵移机构和/或横移机构上设置喷头微调机构，所述纵移机构能调节喷头微调机构及喷头组件9在纵向方向的位移，所述横移机构能调节喷头微调机构及喷头组件9在横向方向的位移；所述纵移机构和横移机构相互连接并配合，控制喷头组件9移动到同一平面上的任意位移点。

所述纵移机构通过控制喷头微调机构调节喷头组件9在纵向方向上的位移；所述横移机构通过控制喷头微调机构，调节喷头组件9在横向方向上的位移；所述纵移机构和横移机构相互连接，并相互配合以控制喷头组件9移动到同一平面上的任意位移点。通过喷头位移机构及喷头微调机构的综合控制，使得喷头组件9相对于模腔喷入位置和喷入角度/方向最佳，达到最好的模喷效果，并能有效的提高模喷的效率。

所述横移机构包括横移臂6和喷头固定座7，所述横移臂6上布设有横向导件和横移驱件，其中所述横向导件为横向槽轨、横向滑槽或横向滑块，其中横移驱件为横移齿条、链条、气缸、油缸或钢绳；所述喷头固定座7上设有与横向导件匹配的导向轮/块/槽、以及与横移驱件配合的驱动件，使喷头组件能相对于横移臂6在横向方向上运动。

所述喷头微调机构设于喷头固定座7上，喷头固定座7设于横移臂6上并可带动喷头微调机构机及喷头组件9在横移臂6上进行横向方向的移动。主要解决了喷头组件9横向较长距离的移动问题，传统的湿喷机械手的喷头是没有横移功能的，之所以在本专利技术中会有很高的横移需求，主要是因为，模板机构8与开挖岩壁形成待浇筑的模腔后，就需要使得喷头组件9在横向进行大范围的移动，以进行大宽度的能覆盖整个模腔的同时浇筑，进而提高喷射浇筑效率。

所述纵移机构设于前臂机构5上，所述前臂机构5上设有纵向移动座56，所述横移臂6安装在纵向移动座56上，前臂机构5可控制纵向移动座56以及其上的横移机构、喷头微调机构及喷头组件9同时在前臂机构5的纵向方向移动。这样前臂机构5和纵向移动座56即构成纵移机构的一种实现方式，但并不局限于此。

所述横移臂6还包括横向槽轨61，喷头固定座7包括滚轮连接座71，滚轮连接座71上安装有滚轮711，喷头固定座7通过滚轮连接座71整体连接在横移臂6上。进一步的，横移臂6设置有两根相互平行的横向槽轨61，包括位于横移臂6顶端的横向上槽轨611，和位于横移臂6底端的横向下槽轨612，且横向上槽轨611和横向下槽轨612的长度与横移臂6的长度相等。滚轮连接座71还包括滚轮连接板712，以及固定在滚轮连接板712上的上下两排滚轮711，且上下两排滚轮711分别在横向上槽轨611和横向下槽轨612中滚动。

所述横移臂6上设置有横移齿条63，并与安装在滚轮连接座71上的横移驱动齿轮713啮合。所述横移臂6还包括有可拆卸的横移前盖板621，所述横移前盖板621设置有沿横向中心线的盖板条形孔621a，所述横移齿条63固定在横移前盖板624内侧。所述横移齿条63可通过螺栓固定在横移前盖板621的内侧，并位于盖板条形孔621a之上或之下。

所述喷头固定座7包括方形段7a和中空柱状段7b，并通过焊接固定连接，中空柱状段7b的内腔设置有横移驱动马达714，横移驱动马达714的转轴穿过滚轮连接板712，并从横移前盖板621的盖板条形孔621a伸入到横移臂6内，所述横移驱动齿轮713固定在横移驱动马达714的转轴的自由端，并与所述横移驱动齿条63啮合。

所述横移驱动齿轮713的外径小于所述盖板条形孔621a的宽度。这样可以进一步的增强喷头固定座7的侧向稳定性。所述横移臂6上还设置有盖板622，用以保护横向上槽轨611，避免杂质进入横向上槽轨611中。

实施例4

本实施例进一步的提供了前臂机构5的具体结构，使得模喷机构的整体结构更加清晰。

所述前臂机构5上连接喷头位移机构，所述喷头位移机构包括纵移机构和横移机构，所述纵移机构设于前臂机构5上，横移机构设于纵移机构上，微调机构设于横移机构上，微调机构包括俯仰角度控制机构和旋转角度控制机构。

所述前臂机构5包括前臂梁52和旋转机构51，所述前臂梁52的底部安装有旋转支座58，旋转支座58底部设置有连接板581，连接板581可固定到旋转机构51上(本实施例的旋转机构51设为回转式减速机)，所述旋转机构可置于机架/台车，以及其他一些类似的载体上。

所述前臂机构5包括前臂梁52以及固定在前臂梁52上的纵向移动座56和传动件57，纵向移动座56在传动件57的带动下可沿着前臂机构5的纵向滑动，以满足喷头组件9前后位置调整的需要。喷头移动总成机构的横移机构整体固定在纵向移动座56上，能随之一起移动。

前臂梁52的前端部设置有前臂连接板53，用于固定模板机构8的模板支座85。前臂梁52为中空结构，其顶端覆盖有梁顶板54，沿梁顶板54纵向两侧相互平行的设置有两条纵向滑轨55，纵向移动座56与两条纵向滑轨55配合，并可沿纵向滑轨55滑动。进一步的，所述纵向滑轨55可由两条纵向滑板替代，纵向滑板的外侧面需要超出梁顶板54对应外侧边，以便于将纵向滑板卡入到纵向移动座56的滑槽之中。

所述传动件57安装在前臂梁52的内部，梁顶板54沿其中心线开设有顶板条形孔541，以便于传动件57对纵向移动座56实现牵引运动。

所述传动件57为链条传动机构；若其它传动机构能达到相同的传动功能，也可以应用到本前臂机构5中，如直接采用油缸传动、气缸传动、齿轮传动、齿条传动、带传动或绳传动等。

进一步的，所述链条传动机构包括两根链条571、导向轮组、传动架574、驱动油缸576。两根链条571分别从纵向移动座56的前后两端与之连接，并且连接头可以位于顶板条形孔541之上，链条571对纵向移动座56形成前后的斜拉传动，对纵向移动座56同时具有纵向的拉动力，还具有朝下的牵制力，使得纵向移动座56在前臂机构5上的固定更加稳固，而且链条传动对喷头组件9在喷射时的不规律震动具有极高的缓冲作用，对动力机构具有更好的保护作用。

所述导向轮组包括两个固定导向轮和两个移动导向轮，即包括固定导向前轮573a和固定导向后轮573b，分别安装在前臂梁52内部的前端和后端，所述链条驱动轮位于固定导向前轮573a和固定导向后轮573b之间。

移动导向轮分别是移动导向前轮572a和移动导向后轮572b；链条包括前拉链条571a和后拉链条571b；移动导向前轮572a和移动导向后轮572b可同步的在固定导向前轮573a和固定导向后轮573b之间滑动。

前拉链条571a的一端与纵向移动座56的前端部连接，另一端经过固定导向前轮573a变向，再绕过移动导向前轮572a后，张紧固定于前臂梁52的内壁前端；同样的后拉链条571b的一端与纵向移动座56的后端部连接，另一端经过固定导向后轮573b变向，再绕过移动导向后轮572b后，张紧固定于前臂梁52的内壁后端。

所述移动导向前轮572a和移动导向后轮572b同时固定在传动架574上，所述传动架574包括两侧的两根传动架梁574a，移动导向前轮572a和移动导向后轮572b位于两根传动架梁574a之间，在前臂梁52的两侧内壁分别设置有供驱动架滑动的驱动架滑槽575。

进一步的，所述每侧的驱动架滑槽均由固定在前臂梁52内壁的间隔且相互平行的上槽板575a和下槽板575b组成。

所述链条驱动前轮572a和链条驱动后轮572b的轮轴均穿出了两侧的传动架梁574a，使得轮轴的两端同时置于所述两侧的驱动架滑槽575内，使得轮轴起到了导向轴的作用。

进一步的，移动导向前轮572a和移动导向后轮572b的轮轴自由端安装有滚轮578，使得传动架574的移动更加顺畅。

本链条传动机构的动力源由驱动油缸576提供，所述传动架574的任意一端与驱动油缸576的活塞杆576b连接，以提供传动架574的滑动动力。本实施例中，链条驱动油缸576的缸体576a安装在前臂梁52内的后端，因为后端有更长的安装空间，以便于安装和传动。

所述链条驱动油缸576通过连接轴577与传动架574的两根传动架梁574a连接。

上述即为链条传动机构的完整解决方案，本方案的特殊设计，可使得纵向移动座56在前臂机构5上滑动过程中，前拉链条571a和后拉链条571b均能够保持张紧状态，对纵向移动座56形成均衡的前后牵制力，避免了其滑动过程出现卡死的现象，使得滑动更稳定，有效降低了故障率。

实施例5

在实施例4的基础上，往往还需要提供一种对前臂机构5，以及前臂机构5所承载的机构和组件形成直接支撑和控制的载体机构，如机架、台车等。以达到对喷头组件9和模板机构8以及相关的喷头位移机构和喷头微调机构等连接机构进行整体偏转和整体移动的目的，并实现更为精细化的控制目的。

如在本实施例中，将前臂机构5设于台车上，并且所述喷射系统Ⅱ也整体安装在台车车架Ⅰ上，具体的连接方式为，在台车的台车车架Ⅰ上设有大臂机构，所述大臂机构包括能在水平面上相对转动的大臂转台3，所述大臂转台3上设有能在竖直面上相对转动的回转大臂4，所述前臂机构5设于回转大臂4的前端，基于回转大臂4、大臂转台3与大臂机构的基体之间的相对转动，使模板机构8随回转大臂4的前端移动，且控制模板机构4与岩壁之间的距离和/或角度，使得模板机构8在目标岩壁处与目标岩壁形成模腔。

所述大臂转台3包括转台架31、水平旋转组件和竖直旋转组件，所述转台架31通过水平旋转组件固定台车上，并可在台车上水平旋转，回转大臂4通过竖直旋转组件安装在转台架31上，并能以竖直旋转组件为中心在竖直平面内旋转。

所述转台架31整体为L形结构，包括转台底板311和转台竖板312；所述水平旋转组件包括水平大齿轮32和与水平大齿轮32啮合的水平旋转驱动齿轮323。水平大齿轮32包括第二大齿轮环321和第二环状齿轮轴322，水平大齿轮32通过螺栓直接固定在顶板28的螺栓孔281上；转台底板311通过螺栓固定在水平大齿轮32的第二环状齿轮轴322上。所述第二大齿轮环321上环向均匀间隔的设置有螺栓连接孔321a，第一环状齿轮轴322同样环向均匀间隔的设置有螺栓连接孔322a。

所述水平旋转驱动齿轮323安装在水平旋转驱动马达324的转轴上，水平旋转驱动马达324朝下固定在转台底板311上。所述转台底板311包括超出水平大齿轮32外侧的马达安装部311a，所述水平旋转驱动马达324固定在马达安装部311a上，所述马达安装部311a与转台底板311主体之间以平滑过渡连接。

所述竖直旋转组件包括竖直大齿轮33和与竖直大齿轮33啮合的竖直旋转驱动齿轮333。所述竖直大齿轮33还包括第一大齿轮环331和第一环状齿轮轴332，所述第一环状齿轮轴332固定在转台竖板312上，回转大臂4直接固定在第一大齿轮环331上。第一大齿轮环331和第一环状齿轮轴331上分别在周向均匀间隔的设置有若干固定用的螺栓通孔331a和螺栓通孔332a，也即所述第一大齿轮环331和回转大臂4之间通过螺栓连接固定，所述第一环状齿轮轴332与转台竖板312之间也通过螺栓连接固定。

所述竖直旋转驱动齿轮333通过竖直旋转驱动马达334安装在转台竖板312上。所述竖直旋转驱动齿轮333具有一个或者多余一个，分布于第一大齿轮环331的周围，并同时与之啮合。更进一步的，共有四个竖直旋转驱动齿轮333，分别对称的布置于第一大齿轮环331的左右两侧。

所述转台竖板312上正对第一大齿轮环331上螺栓通孔331a的旋转圆周上设置有一个固定操作通孔312a，以便于从转台竖板312的背部通过固定操作通孔312a送入螺栓，并完成回转大臂4与第一大齿轮环331之间的固定。

所述转台底板311和转台竖板312之间还连接有若干加强竖板313。所述转台竖板312的背部安装有朝向两侧的管路支架314，用于支撑固定泵管。

所述回转大臂4为可伸缩式结构，前臂机构5安装在回转大臂4的前端，回转大臂4的后端固定在大臂转台3的第一大齿轮环331上，回转大臂4在竖直平面内的最大旋转角度大于240度。

所述回转大臂4为多段式结构，并通过液压件控制伸缩。在本实施例中共包含有三段，包括回转后臂41、回转中臂42和回转前臂43。所述回转大臂4的回转后臂41尾端设置有箱式接头412，箱式接头412上固定有大臂连接盘411，所述大臂连接盘411设置有与第二大齿轮环331上的螺栓通孔331a对应的连接盘螺栓通孔411a。

所述回转后臂41沿纵向设置有管夹413，用于固定混凝土输送管、液压管以及高压空气管等。所述管夹413包括两个，分别固定在回转后臂41侧面的前端和后端，每个管夹413均通过一根管夹支杆413a固定在回转后臂上。

所述回转中臂42前端与管夹413的同侧设置有软管导架44，以支撑回转大臂4上的相关软管，同理，软管导架44也可设置在回转前臂43上，但是回转前臂43和回转中臂42最好不要同时设置，因为在回转大臂4整体回收后，可能会存在相关软管夹44夹在两个软管导架之间，影响到回转前臂4的彻底回收。所述软管导架44包括导架横梁441，以及固定在导架横梁441的上的托架442。所述托架442可设置有两个以上，以间隔不同作用或走向的软管。每个托架442均包括固定在导架横梁441上的两根朝下的托架竖管443以及在底部连接两根托架竖管443的托架横管444。所述托架竖管443和托架横管444上均套设有托架辊筒445，以减轻对相关软管的摩擦损伤，也使得对相关的软管的导引更加顺畅。

所述回转前臂43的前端设有朝上的回转前臂弯头431，回转前臂弯头431的顶面设置有朝上的回转前臂连接座432，回转前臂连接座432上环向均匀间隔的设置有若干连接孔432a，以便于模板机构8和喷头组件9的安装。

进一步的，所述回转大臂4的前端连接有前臂机构5，所述模板机构8和喷头组件9均设于前臂机构5上，且所述前臂机构5通过旋转机构51与回转大臂4的前端连接，具体的可连接在回转前臂连接座432上，可在旋转机构51的作用下模板机构8和喷头组件9围绕旋转机构51旋转。

实施例6

在实施例5的基础上，增加了滑移机构，所述滑移机构包括轨道机构1和移动座机构2。所述大臂机构的大臂转台3设于移动座机构2上，移动座机构2设于轨道机构1上，并可带着大臂转台3在轨道机构1的纵向方向上移动。使得大臂机构以及大臂机构上的承载模板机构9、喷头组件8以及其它相关的机构和组件能随大臂机构一起在开挖岩壁的纵向进行移动，使得模板机构8与岩壁之间形成的模腔能沿着岩壁的纵向进行调整。例如在隧道初期支护模喷中，通过单次挪动载体机构(如台车)的情况下，可进行连续多段次的岩壁。行模喷，避免了单次挪动只能进行单段次岩壁模喷的弊端，大大提高了模喷的施工效率。

实施例7

本实施例公开了一种模板机构的具体结构，所述模板机构可连接于前述的前臂机构上，是一种适用于隧道支护模喷的模板机构。

所述模板机构8包括模板81、模板旋转调节机构和/或模板俯仰调节机构，所述模板81的表面设为弧形面，所述模板81设于模板旋转调节机构和/或模板俯仰调节机构上；其中旋转调节机构能调节模板81的转动角度，模板俯仰调节机构能调节模板81的俯仰角度。

所述模板81铰接在模板支座85上，所述模板支座85上连接有模板俯仰调节机构，所述模板俯仰调节机构连接于模板81上，使模板俯仰调节机构能调节模板81相对于模板支座85的俯仰角度。

所述模板支座85与模板81的铰接点、以及模板俯仰角度调节机构与模板81的连接点，均位于模板81的同一竖直方向的不同高度上；所述模板俯仰角度调节机构设为油缸、气缸、齿轮机构或链传动机构。

实施例8

在实施例7的基础上，所述模板俯仰角度调节机构设为模板俯仰油缸86，所述模板俯仰油缸86的缸体861铰接在模板支座85上，其活塞杆862铰接在模板81上；其中活塞杆862与模板81的铰接点位于模板支座85与模板81的铰接点下方，使模板俯仰油缸86的伸缩控制模板81相对于模板支座85的俯仰角度。

所述模板支座85通过模板旋转调节机构(图中未示出)连接于前臂机构5上，使所述模板旋转调节机构能调节模板81的转动角度。所述模板旋转调节机构为相互啮合的齿轮机构，所述齿轮机构使模板支座85与前臂机构5之间能够相对转动一定角度，使模板的转动角度得以调节。模板旋转调节机构在图中并没有具体的展示，但是现有的旋转机构均可以应用到此处，以实现模板支座85以前臂机构的轴线为中心线的旋转控制，使得模板机构8的控制更加精准，对工况的适应能力更强。模板旋转调节机构的具体实现方式可以参照喷头微调机构的旋转油缸73，并作为一种具体的实现方式。

所述模板81表面的弧形面具有与隧道内布设的钢拱架相同的弧度，当模板贴于相邻的两根以上的钢拱架时，所述模板81与包括岩壁及钢拱架之间形成一个以上模腔。所述模板81的表面设有隔层811，当混凝土喷射入模腔内时，隔层811置于混凝土与模板81表面之间，使混凝土非直接接触模板81的表面。

实施例9

一种模喷料剂喷射系统，包括混凝土泵送机构、速凝剂泵送机构、压缩空气供给设备及料剂混合器；所述混凝土泵送机构连接料剂混合器，将混凝土送入料剂混合器；所述速凝剂泵送机构连接料剂混合器，将速凝剂送入料剂混合器中与混凝土混合；所述压缩空气供给设备连接料剂混合器，将压缩空气送入料剂混合器中；使混凝土和速凝剂在料剂混合器中快速、充分、均匀的混合，然后为混凝土的喷出提供动力；所述料剂混合器连接喷头组件9。所述喷头组件9将混有速凝剂的混凝土喷射入模腔内。如图21所示，喷头组件9设置在模腔上方的进口处。

所述料剂混合器Ⅱ-4为中空结构，所述料剂混合器Ⅱ-4的出口端连接喷头组件9，所述料剂混合器Ⅱ-4的进口端连接混凝土泵送机构；所述料剂混合器4的侧壁上设有若干速凝剂加注口Ⅱ-41，所述速凝剂加注口Ⅱ-41连接速凝剂泵送机构，使速凝剂与混凝土在料剂混合器Ⅱ-4内混合。所述料剂混合器的进口端或侧壁上还开设在有气体加注口，所述气体加注口连接压缩空气供给设备。

在料剂混合器Ⅱ-4外壁上布置的若干速凝剂加注口Ⅱ-41，至少两个速凝剂加注口Ⅱ-41等间隔地布置于料剂混合器Ⅱ-4上。

如图25所示，各速凝剂加注口Ⅱ-41在圆周方向上等间隔设置。

如图26所示，各速凝剂加注口Ⅱ-41在倾斜方向上间隔设置，从料剂混合器Ⅱ-4的前端之后段，各速凝剂加注口Ⅱ-41的间隔为b；在圆周方向上，各速凝剂加注口Ⅱ-41的间隔为a；使各个速凝剂加注口Ⅱ-41的连线在料剂混合器Ⅱ-4侧壁上呈螺旋线。

所述混凝土泵送机构包括泵送设备Ⅱ-1、送料管Ⅱ-2和软管Ⅱ-3，所述泵送设备Ⅱ-1上连接送料管Ⅱ-2，所述送料管Ⅱ-2通过软管Ⅱ-3连接至料剂混合器Ⅱ-4的进口端；所述送料管Ⅱ-2进口端的直径与泵送设备Ⅱ-1出口端的直径相等，送料管Ⅱ-2出口端的直径与软管Ⅱ-3进口端的直径相等，且所述送料管Ⅱ-2进口端的直径大于送料管Ⅱ-2出口端的直径。

所述送料管Ⅱ-2包括若干根变径硬质管；所述变径硬质管沿送料管Ⅱ-2延伸方向依次对接，使送料管Ⅱ-2进口端的直径大于送料管Ⅱ-2出口端的直径；其中，沿送料管Ⅱ-2延伸方向，每根变径硬质管的直径从进口端至出口端逐渐变小。

沿送料管延伸方向，每根硬质管进口端的直径等于上一根硬质管出口端的直径；每根硬质管出口端的直径等于下一根硬质管进口端的直径；每根硬质管的对接处通过管卡或螺纹连接的方式进行连接。

所述速凝剂泵送机构包括速凝剂储罐Ⅱ-7、速凝剂泵和速凝剂加注管Ⅱ-6，所述速凝剂储罐Ⅱ-7内储存速凝剂，所述速凝剂储罐Ⅱ-7上配置有速凝剂泵，所述速凝剂泵上连接速凝剂加注管Ⅱ-6，所述速凝剂加注管Ⅱ-6连接至速凝剂加注口Ⅱ-41。

所述压缩空气供给设备包括气体压缩机Ⅱ-9和气体加注管Ⅱ-8，所述气体压缩机Ⅱ-9通过气体加注管Ⅱ-8与料剂混合器上的气体加注口相连。

实施例10

本实施例与实施例9大体相同，其不同之处在于：速凝剂先和压缩空气均匀混合再注入料剂混合器中，这样能够使速凝剂带一定的压力，能够更加充分的与混凝土混合，且也为混凝土的喷出提供动力。如图23所示，所述速凝剂泵送机构连接混流器Ⅱ-10，将速凝剂送入混流器Ⅱ-10内；所述压缩空气供给设备连接混流器Ⅱ-10，将压缩空气送入混流器Ⅱ-10中与速凝剂混合；所述混流器Ⅱ-10连接料剂混合器，将混有压缩空气的速凝剂送入料剂混合器内与混凝土混合。

所述料剂混合器Ⅱ-4为中空结构，所述料剂混合器Ⅱ-4的出口端连接喷头Ⅱ-5，所述料剂混合器Ⅱ-4的进口端连接混凝土泵送机构；所述料剂混合器Ⅱ-4的侧壁上设有若干速凝剂加注口Ⅱ-41，所述速凝剂加注口Ⅱ-41连接混流器Ⅱ-10，所述混流器Ⅱ-10分别连接速凝剂泵送机构和压缩空气供给设备。

所述速凝剂泵送机构包括速凝剂储罐Ⅱ-7、速凝剂泵和速凝剂加注管Ⅱ-6，所述速凝剂储罐Ⅱ-7内储存速凝剂，所述速凝剂储罐Ⅱ-7上配置有速凝剂泵，所述速凝剂泵上连接速凝剂加注管Ⅱ-6，所述速凝剂加注管Ⅱ-6连接至混流器Ⅱ-10；所述混流器Ⅱ-10通过加注管Ⅱ-11连接至料剂混合器上的速凝剂加注口Ⅱ-41。

所述压缩空气供给设备包括气体压缩机Ⅱ-9和气体加注管Ⅱ-8，所述气体压缩机Ⅱ-9通过气体加注管Ⅱ-8连接至混流器Ⅱ-10，所述混流器Ⅱ-10通过加注管Ⅱ-11连接至料剂混合器上的速凝剂加注口Ⅱ-41。

实施例11

本实施例1和2大体相同，其不同之处在于：在料剂混合器Ⅱ-4外壁上布置有一组或多组速凝剂加注口Ⅱ-41，其中同一组的速凝剂加注口Ⅱ-41位于同一圆周上。

当为一组速凝剂加注口Ⅱ-41时，所述速凝剂加注口Ⅱ-41位于同一圆周上等间隔地布置；如图24所示。

当为多组速凝剂加注口Ⅱ-41时，从料剂混合器Ⅱ-4进口端至出口端，至少两组速凝剂加注口Ⅱ-41等间隔布置，且同组速凝剂加注口Ⅱ-41位于同一圆周上等间隔地布置；如图27和28所示。

在本实施例中，所述速凝剂加注口Ⅱ-41为多组，且任意相邻的两组速凝剂加注口Ⅱ-41在圆周上相互对齐或错位地设置。如图27所示，各速凝剂加注口Ⅱ-41对齐设置。

如图28所示，各速凝剂加注口Ⅱ-41错位设置。

实施例12

本实施例与实施例9、10、11大体相同，其不同之处在于：所述送料管Ⅱ-2包括若干根变径硬质管和非变径硬质管；所述变径硬质管和非变径硬质管沿送料管Ⅱ-2延伸方向依次对接，使送料管Ⅱ-2进口端的直径大于送料管Ⅱ-2出口端的直径；其中，沿送料管Ⅱ-2延伸方向，每根变径硬质管的直径从进口端至出口端逐渐变小。

如图24所示，本实施例中，送料管Ⅱ-2包括依次连接的硬质管一Ⅱ-21、硬质管二Ⅱ-22、硬质管三Ⅱ-23、硬质管四Ⅱ-24和硬质管五Ⅱ-25共五段硬质管，且均为钢管，其中硬质管一Ⅱ-21和硬质管三Ⅱ-23为弯管，硬质管一Ⅱ-21为非变径管，其入口端与泵送机构1相连，其出口端与变径管二相连，所述硬质管三Ⅱ-23为变径管或非变径管，硬质管四Ⅱ-24和硬质管五Ⅱ-25均为变径管。整个送料管Ⅱ-2的直径从进口端至出口端依次减小。且每根硬质管的对接处通过管卡进行连接。所述送料管Ⅱ-2的进口端连接至泵送机构，出口端通过软管Ⅱ-3连接至喷头组件9。所述软管Ⅱ-3为非变径管。

实施例13

一种隧道支护层模喷方法，所述方法包括以下步骤：

S1：由机架控制模板机构和喷头组件共同接近隧道待浇筑的开挖岩壁处，通过模板俯仰油缸调节模板本体相对于岩壁的角度，使得模板本体、岩壁和其它附属机构/附属结构配合形成可供浇筑的模腔；

S2：通过俯仰微调机构调节喷头组件相对于模腔的纵向角度，同时通过旋转微调机构调节喷头组件相对于模腔的横向角度，使得喷头组件不垂直于岩壁，并能以最佳的角度朝向模腔顶部的浇筑口；

S3：开启喷射系统混凝土泵送机构、速凝剂泵送机构和压缩空气供给设备，将混凝土、速凝剂和压缩空气输送到料剂混合器，并控制混凝土和速凝剂的掺混比例，通过在料剂混合器混合后，由压缩空气将混有速凝剂的混凝土高速喷射入模腔中，并完成模喷浇筑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道支护层模喷机构，其特征在于：包括喷头组件、模板机构和喷射系统，所述喷射系统上连接有喷头组件，喷头组件设于模板机构上方，所述模板机构能与岩壁形成待浇筑的模腔；所述喷射系统将混凝土送至喷头组件，喷头组件在模板机构上方朝不垂直于岩壁的方向，将混凝土喷射入模腔内；所述喷头组件连接有喷头微调机构；喷头微调机构与喷头位移机构连接；所述喷头位移机构包括纵移机构和横移机构；所述纵移机构和/或横移机构上设置喷头微调机构；所述纵移机构和横移机构相互连接并配合；所述纵移机构设于前臂机构上；

所述横移机构包括横移臂，所述横移臂相对于前臂机构横向布置，所述横移臂上布置有横向槽轨及横移齿条；所述微调机构设有与所述横向槽轨配合的滚轮、与横移齿条啮合的齿轮，使微调机构和喷头组件能相对于横移臂在横向方向上运动。

2.根据权利要求1所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述喷头微调机构可控制喷头组件相对于模板机构/模腔的角度，使得喷头组件喷入模腔的角度/方向可调。

3.根据权利要求2所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述喷头微调机构包括俯仰微调机构和旋转微调机构，其中喷头组件连接于俯仰微调机构和/或旋转微调机构上；所述俯仰微调机构能调节喷头组件的俯仰角度/方向；所述旋转微调机构能调节喷头组件的转动角度/方向；所述俯仰微调机构与旋转微调机构相互连接并配合，调节喷头组件相对于模腔的角度/方向。

4.根据权利要求1所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述喷射系统包括混凝土泵送机构、速凝剂泵送机构、压缩空气供给设备和料剂混合器，所述混凝土泵送机构，速凝剂泵送机构和压缩空气供给设备分别通过管路连接到料剂混合器，料剂混合器连接到喷头组件；料剂混合器将混凝土与速凝剂混合，压缩空气将混合有速凝剂的混凝土通过喷头组件向模腔喷射。

5.根据权利要求4所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述速凝剂泵送机构连接混流器，将速凝剂送入混流器内；所述压缩空气供给设备连接混流器，将压缩空气送入混流器中与速凝剂混合并雾化；所述混流器连接料剂混合器，将混有压缩空气的雾化速凝剂送入料剂混合器内与混凝土混合。

6.根据权利要求4所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述混凝土泵送机构包括泵送设备、送料管和软管，所述泵送设备上连接送料管，所述送料管通过软管连接至料剂混合器的进口端；所述送料管进口端到出口端的直径逐渐变小。

7.根据权利要求1-6之一所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述喷头组件和模板机构设于共同的机架上，喷头组件和模板机构可随机架同时移动和/或同时旋转；所述机架和喷射系统安装在共同的载体机构上，并可随载体机构一起移动。

8.根据权利要求1所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述模板机构包括模板本体和模板俯仰调节机构，所述模板本体通过模板支座与机架连接，所述模板俯仰调节机构能调节模板本体相对于岩壁之间的角度。

9.根据权利要求8所述的隧道支护层模喷机构，其特征在于：所述模板俯仰调节机构设为模板俯仰油缸，所述模板俯仰油缸的缸体铰接在模板支座上，其活塞杆铰接在模板上；其中活塞杆与模板的铰接点位于模板支座与模板的铰接点下方，使模板俯仰油缸的伸缩控制模板相对于模板支座的俯仰角度。

10.一种基于权利要求1～9任一所述隧道支护层模喷机构的隧道支护层模喷方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：由机架控制模板机构和喷头组件共同接近隧道的待浇筑的开挖岩壁处，通过模板俯仰油缸调节模板本体相对于岩壁的角度，使得模板本体、岩壁和其它附属机构/附属结构配合形成可供浇筑的模腔；

S2：通过俯仰微调机构调节喷头组件相对于模腔的纵向角度，同时通过旋转微调机构调节喷头组件相对于模腔的横向角度，使得喷头组件不垂直于岩壁，并能以最佳的角度朝向模腔顶部的浇筑口；

S3：开启喷射系统混凝土泵送机构、速凝剂泵送机构和压缩空气供给设备，将混凝土、速凝剂和压缩空气输送到料剂混合器，并控制混凝土和速凝剂的掺混比例，通过在料剂混合器混合后，由压缩空气将混有速凝剂的混凝土高速喷射入模腔中，并完成模喷浇筑。