CN117005899A - 一种隧道施工防岩爆柔性支护装置及其自动化施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道施工防岩爆柔性支护装置及其自动化施工方法，该隧道施工防岩爆柔性支护装置包括走行机构、拱架模块和顶推机构，拱架模块包括折叠式钢拱架、连杆组件、柔性防护网片和拱顶连接板，折叠式钢拱架包括两组钢拱架组，每组钢拱架组均包括多个并行且通过连杆组件依次连接的钢拱架单元，两组钢拱架组中的钢拱架单元一一对应，对应的两个钢拱架单元通过拱顶连接板连接形成M型折叠结构，每组钢拱架组中相邻的钢拱架单元之间设有柔性防护网片组件；顶推机构用于带动多个M型折叠结构同时展开成与隧道内壁适配的圆弧状或同时折叠成M型。本发明的支护装置整体结构稳定可靠，施工操作简单方便，在提高施工效率的同时可保障施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道施工防岩爆柔性支护装置及其自动化施工方法。
背景技术
钻爆法是隧道工程中通过钻眼、爆破、出渣而形成结构空间的一种开挖方法，是目前修建山岭隧道的最通行的方法。钻爆法适用于各种地质条件和地下水条件，具有适合各种断面形式和变化断面的高度灵活性。
隧道钻爆法施工典型安全风险事件有岩爆、塌方、突水涌泥、基地变形、高地温、瓦斯爆炸、围护结构变形等等。其中岩爆是隧道施工中经常遇到的地质问题，特别是长大、深埋、高原少水地区的隧道，其带来的危害也越来越受到人们的重视。岩爆，也称冲击地压，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。
现阶段的钻爆法施工过程中的岩爆防治，往往采用主动支护和被动防护相结合的隧道支护方式，如采用H型钢钢拱架作为支护结构，但需要通过将预制H型钢构件运输至掌子面处，在现场进行人工连接和顶升操作；在架立好钢拱架后，再通过人工作业进行相邻拱架之间的纵向连接施工并焊接钢筋网以达到防治围岩崩落侵入施工区域的目的。该施工方法需要耗费大量的人力和时间，在顶部钢筋网还未焊接成型之前难以保证拱架下方施工区域的安全，同时，由于岩爆的不可预测性和突发性，在施工过程中极易造成人员伤亡，尤其是在高寒高海拔地区地质条件恶劣的的长大隧道施工中，施工人员的安全状况更加难以得到保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种隧道施工防岩爆柔性支护装置及其自动化施工方法，该支护装置整体结构稳定可靠，施工操作简单方便，在提高施工效率的同时可保障施工安全。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种隧道施工防岩爆柔性支护装置，包括：走行机构，走行机构包括车头和车身；拱架模块，拱架模块包括折叠式钢拱架、连杆组件、柔性防护网片组件和拱顶连接板，折叠式钢拱架包括两组钢拱架组，每组钢拱架组均包括多个并行且通过连杆组件依次连接的钢拱架单元，两组钢拱架组中的钢拱架单元一一对应，对应的两个钢拱架单元通过拱顶连接板连接形成M型折叠结构，每组钢拱架组中相邻的钢拱架单元之间设有柔性防护网片组件；顶推机构，顶推机构设于车身上，顶推机构用于带动多个M型折叠结构同时展开成与隧道内壁适配的圆弧状或同时折叠成M型。
进一步地，顶推机构包括底座、水平顶推组件和竖直顶推组件，底座设于车身上，竖直顶推组件包括竖直顶推盒、液压杆、竖直折叠架和竖直顶推顶板，液压杆竖直设于底座顶部，竖直顶推盒设于液压杆的伸缩杆上，竖直折叠架设于竖直顶推盒内，竖直顶推顶板设于竖直折叠架顶部，对应的两个钢拱架单元的连接处支撑于竖直顶推顶板上，底座两侧均设有水平顶推组件，水平顶推组件包括水平顶推盒、水平折叠架和连接座，水平顶推盒设于底座侧壁上，水平折叠架设于水平顶推盒内，连接座设于水平折叠架上，M型折叠结构的两端分别与两个连接座抵接。
进一步地，钢拱架单元包括钢杆件A和钢杆件B，钢杆件A两端分别设有耳板A和支座底板，钢杆件B两端分别设有耳板B和耳板C，耳板A和耳板B转动连接，M型折叠结构中两个耳板C转动连接且两个耳板C的连接处支撑于竖直顶推顶板上，M型折叠结构中两个钢杆件A近支座底板的一端分别与两个连接座抵接。
进一步地，连杆组件包括连杆A、连杆B和连杆C，钢拱架单元中的耳板A和耳板B均与连杆A转动连接，钢拱架单元中的钢杆件A近支座底板的一端与连杆B固定连接，钢拱架单元中的耳板C与连杆C转动连接，与M型折叠结构中两个钢拱架单元分别连接的两个连杆C通过拱顶连接板固定连接。
进一步地，连杆A上与钢拱架单元的连接处设有两个用于与隧道内壁滑动接触的滑轮，钢拱架单元中的耳板A和耳板B均位于两个滑轮之间。
进一步地，耳板A上设有启口，耳板B上设有卡扣，卡扣可插入启口内，启口内部两端设有可与卡扣卡接的弹性卡块。
进一步地，钢杆件A两端和钢杆件B两端均设有加劲肋，连杆A、连杆B和连杆C上均设有绳孔，相邻的两个钢杆件A之间、相邻的钢杆件B之间均设有柔性防护网片组件，柔性防护网片组件包括柔性网片、支撑绳、缝合绳、保险绳和缓冲制动器，支撑绳呈环状穿过加劲肋和绳孔，柔性网片通过缝合绳固定于支撑绳上，保险绳绕过缓冲制动器设置，缓冲制动器两端和保险绳两端均设有鸡心环，缓冲制动器上的鸡心环与保险绳上的鸡心环一一对应，对应的两个鸡心环通过卸扣连接，卸扣与支撑绳连接。
进一步地，顶推机构两侧的车身上均设有限位器，M型折叠结构折叠时M型折叠结构两端的连杆B分别支撑于顶推装置两侧的限位器上。
进一步地，水平顶推盒的顶部和车身两侧的侧壁上均设有多个激光定位发射器，车身侧壁上的多个激光定位发射器沿着钢拱架组中多个钢拱架单元的并行方向设置。
根据上述隧道施工防岩爆柔性支护装置，本发明还提供了该支护装置的自动化施工方法，具体包括以下步骤：
S1、将走行机构通过水平顶推盒和车身上的激光定位发射器辅助到达隧道内的支护位置；
S2、走行机构到达支护位置后，水平顶推组件沿水平方向同时推动多个M型折叠结构，使滑轮与隧道内壁滑动接触；
S3、滑轮与隧道内壁接触后，液压杆先沿竖直方向伸长到最大长度，然后水平顶推组件和竖直顶推组件同时推动多个M型折叠结构，使多个M型折叠结构同时展开成与隧道内壁适配的圆弧状。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过顶推机构和拱架模块的设置，可对隧道内壁进行支护，其中顶推机构可带动拱架模块展开和折叠，实现拱架模块的自动化安装，提升施工效率。
2、本发明通过柔性防护网片组件的设置，可对发生岩爆等事故时产生的落石进行阻挡，防止落石对施工人员造成伤害，保护施工人员的人身安全，且柔性防护网片组件自身可对落石造成的冲击力进行缓冲，进而保证自身结构的稳定性，使防护性能得到有效保障。
3、本发明将柔性防护网片组件和折叠式钢拱架结合形成具有高防护性能的钢拱架模块，同时结合行走机构和顶推机构，构建了集模块化、自动化于一体的防岩爆支护体系，解决了岩爆现象长期以来对隧道工程施工建设安全的影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中走行机构和顶推机构的结构示意图；
图3为本发明中拱架模块的整体结构示意图；
图4为本发明中两个对应的钢拱架单元的连接示意图；
图5为本发明中钢杆件A和钢杆件B的连接示意图；
图6为本发明中保险绳与缓冲制动器的安装示意图；
图7为本发明中柔性防护网片组件与加劲肋的连接示意图；
图8为本发明中顶推机构的结构示意图；
图9为本发明中限位器的结构示意图；
图10为本发明中启口和卡扣的结构示意图；
图11为本发明中拱架模块在水平展开时的状态示意图；
图12为本发明中拱架模块完全展开时的状态示意图。
图中：1、车头；2、车身；3、连杆组件；31、连杆A；32、连杆B；33、连杆C；4、柔性防护网片组件；41、柔性网片；42、支撑绳；43、缝合绳；44、保险绳；45、缓冲制动器；5、拱顶连接板；6、钢拱架单元；61、钢杆件A；62、钢杆件B；7、底座；8、水平顶推组件；81、水平顶推盒；82、水平折叠架；83、连接座；9、竖直顶推组件；91、竖直顶推盒；92、液压杆；93、竖直折叠架；94、竖直顶推顶板；10、耳板A；11、支座底板；12、耳板B；13、耳板C；14、滑轮；15、卡扣；16、启口；17、弹性卡块；18、加劲肋；19、绳孔；20、鸡心环；21、卸扣；22、限位器；23、激光定位发射器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1-11所示，一种隧道施工防岩爆柔性支护装置，包括走行机构、拱架模块和顶推机构，其中走行机构包括车头1和车身2，顶推机构安装在车身2上。
如图1所示，拱架模块包括折叠式钢拱架、连杆组件3、柔性防护网片和拱顶连接板5，其中折叠式钢拱架包括两组钢拱架组，每组钢拱架组均包括多个并行且通过连杆组件3依次连接的钢拱架单元6，两组钢拱架组中的钢拱架单元6一一对应，对应的两个钢拱架单元6通过拱顶连接板5连接形成M型折叠结构，每组钢拱架组中相邻的钢拱架单元6之间设有柔性防护网片组件4，顶推机构用于带动多个M型折叠结构同时展开成如图11所示与隧道内壁适配的圆弧状或同时折叠成如图1所示的M型。
如图1、2、8、10、11所示，顶推机构包括底座7、水平顶推组件8和竖直顶推组件9，底座7设于车身2上，竖直顶推组件9包括竖直顶推盒91、液压杆92、竖直折叠架93和竖直顶推顶板94，液压杆92竖直安装在底座7顶部，竖直顶推盒91固定在液压杆92的伸缩杆上，竖直折叠架93安装在竖直顶推盒91内，竖直顶推顶板94固定在竖直折叠架93顶部，对应的两个钢拱架单元6的连接处支撑于竖直顶推顶板94上，底座7两侧均设有水平顶推组件8，水平顶推组件8包括水平顶推盒81、水平折叠架82和连接座83，水平顶推盒81固定在底座7侧壁上，水平折叠架82安装在水平顶推盒81内，连接座83固定在水平折叠架82上，M型折叠结构的两端分别与两个连接座83抵接。水平折叠架82和竖直折叠架93均为现有的电动折叠架，通过安装在车身内部的电机进行驱动。
如图1、3所示，钢拱架单元6包括钢杆件A61和钢杆件B62，钢杆件A61两端分别固定有耳板A10和支座底板11，钢杆件B62两端分别固定有耳板B12和耳板C13，耳板A10和耳板B12转动连接，M型折叠结构中两个耳板C13转动连接且两个耳板C13的连接处支撑于竖直顶推顶板94上，M型折叠结构中两个钢杆件A61近支座底板11的一端分别与两个连接座83抵接。支座底板11用于在M型折叠结构展开后与地面接触，起到对M型折叠结构进行支撑的作用，进而稳定整个折叠式钢拱架。
如图3、4、5所示，连杆组件3包括连杆A31、连杆B32和连杆C33，钢拱架单元6中的耳板A10和耳板B12均通过套接的方式与连杆A31转动连接，钢拱架单元6中的钢杆件A61近支座底板11的一端与连杆B32固定连接，钢拱架单元6中的耳板C13与连杆C33通过套接的方式转动连接，与M型折叠结构中两个钢拱架单元6分别连接的两个连杆C33通过拱顶连接板5固定连接。连杆A31上与钢拱架单元6的连接处设有两个用于与隧道内壁滑动接触的滑轮14，钢拱架单元6中的耳板A10和耳板B12均位于两个滑轮14之间。
基于上述顶推机构、钢拱架单元6和连杆组件3，水平折叠架82向水平顶推盒81外伸展进而通过连接座83向车身2两侧推动钢杆件A61，液压杆92伸长后竖直折叠架93向竖直顶推盒91外伸展进而通过竖直顶推顶板94将两个耳板C13的连接处向上顶起，最终使得M型折叠结构逐渐展开，直至整个折叠式钢拱架由折叠状态展开成如图12所示的与隧道内壁适配的圆弧状。
如图10所示，耳板A10上固定有启口16，耳板B12上固定有卡扣15，卡扣15可插入启口16内，启口16内部两端安装有可与卡扣15卡接的弹性卡块17。M型折叠结构在折叠状态下卡扣15与启口16处于脱离状态，当M型折叠结构展开时，卡扣15逐渐插入启口16并向启口16端部挤压弹性卡块17，当卡扣5穿过弹性卡块17时，M型折叠结构完全打开，此时弹性卡块17复位并卡住卡扣5，进而对板10和耳板12进行锁定，防止耳板10和耳板12逆向转动，最终实现对整个折叠式钢拱架的锁定，进一步保证折叠式钢拱架展开时的结构稳定性。
如图1、3、6、7、9所示，钢杆件A61两端和钢杆件B62两端均设有加劲肋18，连杆A31、连杆B32和连杆C33上均设有绳孔19，相邻的两个钢杆件A61之间、相邻的钢杆件B62之间均设有柔性防护网片组件4，柔性防护网片组件4包括柔性网片41、支撑绳42、缝合绳43、保险绳44和缓冲制动器45，支撑绳42呈环状穿过加劲肋18和绳孔19，柔性网片41通过缝合绳43固定于支撑绳42上，保险绳44绕过缓冲制动器45设置，缓冲制动器45两端和保险绳44两端均固定有鸡心环20，缓冲制动器45上的鸡心环20与保险绳44上的鸡心环20一一对应，对应的两个鸡心环20通过卸扣21连接，卸扣21与支撑绳42连接。缓冲制动器45可选用现有的屈服摩擦型制动器，在折叠式钢拱架展开进行隧道支护的过程中，当发生岩爆时，柔性网片41对落石进行阻挡以防止落石对施工人员造成伤害，起到防护作用，而落石对柔性网片41造成的冲击力传递到支撑绳42上，通过缓冲制动器45则可对支撑绳42受到的冲击力进行缓冲，避免支撑绳42受力过大发生断裂，保险绳44则用于对缓冲制动器45起到保护作用，防止缓冲制动器45达到最大行程时因受到拉力激增而破坏，进而防止缓冲制动器45失效。
如图2所示，顶推机构两侧的车身2上均设有限位器22，M型折叠结构折叠时M型折叠结构两端的连杆B32分别支撑于顶推装置两侧的限位器22上。水平顶推盒81的顶部和车身2两侧的侧壁上均设有多个激光定位发射器23，其中车身2侧壁上的多个激光定位发射器23沿着钢拱架组中多个钢拱架单元6的并行方向设置，施工人员可通过水平顶推盒81上的激光定位发射器23发射在隧道内壁顶部的激光判断拱架模块的安装位置界限，可通过车身2两侧的激光定位发射器23发射在隧道侧壁上的激光判断拱架模块的位置。
在使用上述隧道施工防岩爆柔性支护装置进行自动化施工作业时，其包括以下步骤：
S1、将走行机构通过水平顶推盒81和车身2上的激光定位发射器23辅助到达隧道内的支护位置；
S2、走行机构到达支护位置后，水平顶推组件8如图11所示沿水平方向同时推动多个M型折叠结构，使滑轮14与隧道内壁滑动接触；
S3、滑轮14与隧道内壁接触后，液压杆92先沿竖直方向伸长到最大长度，然后水平顶推组件8和竖直顶推组件9同时推动多个M型折叠结构，使多个M型折叠结构同时展开成如图12所示与隧道内壁适配的圆弧状。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于，包括：
走行机构，走行机构包括车头(1)和车身(2)；
拱架模块，拱架模块包括折叠式钢拱架、连杆组件(3)、柔性防护网片和拱顶连接板(5)，折叠式钢拱架包括两组钢拱架组，每组钢拱架组均包括多个并行且通过连杆组件(3)依次连接的钢拱架单元(6)，两组钢拱架组中的钢拱架单元(6)一一对应，对应的两个钢拱架单元(6)通过拱顶连接板(5)连接形成M型折叠结构，每组钢拱架组中相邻的钢拱架单元(6)之间设有柔性防护网片组件(4)；
顶推机构，顶推机构设于车身(2)上，顶推机构用于带动多个M型折叠结构同时展开成与隧道内壁适配的圆弧状或同时折叠成M型。
2.根据权利要求1所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：顶推机构包括底座(7)、水平顶推组件(8)和竖直顶推组件(9)，底座(7)设于车身(2)上，竖直顶推组件(9)包括竖直顶推盒(91)、液压杆(92)、竖直折叠架(93)和竖直顶推顶板(94)，液压杆(92)竖直设于底座(7)顶部，竖直顶推盒(91)设于液压杆(92)的伸缩杆上，竖直折叠架(93)设于竖直顶推盒(91)内，竖直顶推顶板(94)设于竖直折叠架(93)顶部，对应的两个钢拱架单元(6)的连接处支撑于竖直顶推顶板(94)上，底座(7)两侧均设有水平顶推组件(8)，水平顶推组件(8)包括水平顶推盒(81)、水平折叠架(82)和连接座(83)，水平顶推盒(81)设于底座(7)两侧，水平折叠架(82)设于水平顶推盒(81)内，连接座(83)设于水平折叠架(82)上，M型折叠结构的两端分别与两个连接座(83)抵接。
3.根据权利要求2所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：钢拱架单元(6)包括钢杆件A(61)和钢杆件B(62)，钢杆件A(61)两端分别设有耳板A(10)和支座底板(11)，钢杆件B(62)两端分别设有耳板B(12)和耳板C(13)，耳板A(10)和耳板B(12)转动连接，M型折叠结构中两个耳板C(13)转动连接且两个耳板C(13)的连接处支撑于竖直顶推顶板(94)上，M型折叠结构中两个钢杆件A(61)近支座底板(11)的一端分别与两个连接座(83)抵接。
4.根据权利要求3所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：连杆组件(3)包括连杆A(31)、连杆B(32)和连杆C(33)，钢拱架单元(6)中的耳板A(10)和耳板B(12)均与连杆A(31)转动连接，钢拱架单元(6)中的钢杆件A(61)近支座底板(11)的一端与连杆B(32)固定连接，钢拱架单元(6)中的耳板C(13)与连杆C(33)转动连接，与M型折叠结构中两个钢拱架单元(6)分别连接的两个连杆C(33)通过拱顶连接板(5)固定连接。
5.根据权利要求4所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：连杆A(31)上与钢拱架单元(6)的连接处设有两个用于与隧道内壁滑动接触的滑轮(14)，钢拱架单元(6)中的耳板A(10)和耳板B(12)均位于两个滑轮(14)之间。
6.根据权利要求4所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：耳板A(10)上设有启口(16)，耳板B(12)上设有卡扣(15)，卡扣(15)可插入启口(16)内，启口(16)内部两端设有可与卡扣(15)卡接的弹性卡块(17)。
7.根据权利要求4所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：钢杆件A(61)两端和钢杆件B(62)两端均设有加劲肋(18)，连杆A(31)、连杆B(32)和连杆C(33)上均设有绳孔(19)，相邻的两个钢杆件A(61)之间、相邻的钢杆件B(62)之间均设有柔性防护网片组件(4)，柔性防护网片组件(4)包括柔性网片(41)、支撑绳(42)、缝合绳(43)、保险绳(44)和缓冲制动器(45)，支撑绳(42)呈环状穿过加劲肋(18)和绳孔(19)，柔性网片(41)通过缝合绳(43)固定于支撑绳(42)上，保险绳(44)绕过缓冲制动器(45)设置，缓冲制动器(45)两端和保险绳(44)两端均设有鸡心环(20)，缓冲制动器(45)上的鸡心环(20)与保险绳(44)上的鸡心环(20)一一对应，对应的两个鸡心环(20)通过卸扣(21)连接，卸扣(21)与支撑绳(42)连接。
8.根据权利要求4所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：顶推机构两侧的车身(2)上均设有限位器(22)，M型折叠结构折叠时M型折叠结构两端的连杆B(32)分别支撑于顶推装置两侧的限位器(22)上。
9.根据权利要求5所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置，其特征在于：水平顶推盒(81)的顶部和车身(2)两侧的侧壁上均设有多个激光定位发射器(23)，车身(2)侧壁上的多个激光定位发射器(23)沿着钢拱架组中多个钢拱架单元(6)的并行方向设置。
10.一种如权利要求9所述的隧道施工防岩爆柔性支护装置的自动化施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将走行机构通过水平顶推盒(81)和车身(2)上的激光定位发射器(23)辅助到达隧道内的支护位置；
S2、走行机构到达支护位置后，水平顶推组件(8)沿水平方向同时推动多个M型折叠结构，使滑轮(14)与隧道内壁滑动接触；
S3、滑轮(14)与隧道内壁接触后，液压杆(92)先沿竖直方向伸长到最大长度，然后水平顶推组件(8)和竖直顶推组件(9)同时推动多个M型折叠结构，使多个M型折叠结构同时展开成与隧道内壁适配的圆弧状。
Priority Applications (1)
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| CN202310940880.XA CN117005899A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种隧道施工防岩爆柔性支护装置及其自动化施工方法 |
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