一种低碳增材支护结构施作装置、掘进机及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道支护技术领域，特别是指一种低碳增材支护结构施作装置、掘进机及施工方法。

背景技术

传统隧道支护结构施工常采用喷锚工艺，其中的打锚杆、立拱架和喷射混凝土均采用专用设备，各设备协同工作效率低下，此外，喷射混凝土还存在回弹率高、粉尘漂浮、作业环境差等问题。如何实现支护结构低碳、环保、快速施工，日益成为工程界关注的焦点。

增材建造技术发展至今，在众多领域均有应用，3D打印建筑也逐渐被人所熟知和接受，但是该技术在隧洞建造领域应用较少，其主要原因在于：（1）钢筋和混凝土难以同步打印；（2）结构抗拉、抗剪强度由基材自身提供，材料性能要求高；（3）单次打印厚度薄，太厚则基材凝固和强度上升时间长；（4）采用特殊快硬早强材料配合先进设备，综合成本高。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种低碳增材支护结构施作装置、掘进机及施工方法，解决了现有技术中3D打印用于隧道不能实现同步支护的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

低碳增材支护结构施作装置，低碳增材支护结构施作装置设置在掘进机驱动装置上的外周，可绕驱动装置外周旋转，所述支护结构施作装置上依次布设有织物输出机构、筋材输出机构和胶材输出机构用于分别向岩壁施作织物、筋材和胶材，织物、筋材和胶材形成复合支护结构。

进一步地，所述织物输出机构包括织物输出壳体，织物输出壳体上设有用于输出织物的织物输出口和用于滚压织物的织物滚压件，织物滚压件与织物输出口配合用于织物的施作。

进一步地，所述织物输出壳体上设有喷口用于喷出粘结剂，喷口与织物输出口配合以使织物粘结在岩壁上。

进一步地，所述筋材输出机构包括筋材输出壳体，筋材输出壳体上设有用于输出筋材的筋材输出口和用于滚压筋材的筋材滚压件，筋材滚压件与筋材输出口配合用于筋材的施作。

进一步地，所述筋材为网格状或条带状的筋材。

进一步地，所述胶材输出机构包括胶材输出壳体，胶材输出壳体上设有胶材输出口，胶材输出壳体的胶材输出口上设有移动模板，移动模板与岩壁配合用于将胶材挤压成形。

进一步地，所述支护结构施作装置包括同轴设置在掘进机驱动装置上的施作环，织物输出机构、筋材输出机构和胶材输出机构间隔布置在施作环的外周上。

一种可施作低碳增材支护结构的掘进机，包括上述任一项所述的低碳增材支护结构。

低碳增材支护结构的施工方法，包括如下步骤：

S1.通过喷口喷出粘结剂，且织物输出口输出织物，施作环绕轴旋转，带动织物滚压件同步工作将织物压向岩壁，使得织物通过粘结剂粘接在岩壁上；

S2. 通过筋材输出口输出筋材，施作环绕轴旋转，带动筋材滚压件同步工作将筋材压向岩壁，使得筋材与步骤S1中施作在岩壁上的织物贴合；

S3. 通过胶材输出口挤出胶材，施作环绕轴旋转，带动移动模板顺着岩壁移动将胶材向岩壁上挤压平整，使得胶材与步骤S1和步骤S2中施作在岩壁上的筋材和织物固结。

S4. 通过掘进机沿轴向掘进，间隔布置的多个施作环绕轴旋转，形成多层交叠的螺旋式复合支护结构。

本发明的有益效果：

1.通过将支护结构施作装置设置在掘进机上，开挖与支护结构同步进行，施工速度快；

2.支护结构施作装置可便捷搭载到刀盘后端的驱动装置上，刚性支护作用施作及时，避免施工风险；

3.采用分层编织、逐层粘合的方式形成复合的支护结构，充分利用筋材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，支护结构强度高；

4.采用传统的材料配合先进的施工工艺，综合成本低；

5.采用快硬早强的混凝土，零回弹，施工无粉尘，低碳且环保；

6.通过支护结构施作装置螺旋式转动，实现螺旋式筋材编织和胶材喷涂，在保证结构质量的同时，能实现不间断施工，提高施工效率，节约综合成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的支护结构施作装置的结构示意图；

图2为本发明的支护结构的结构示意图；

图3为本发明的织物输出装置的结构示意图；

图4为本发明的筋材输出装置的结构示意图；

图5为本发明的胶材输出装置的结构示意图；

图6为本发明的支护结构施作装置和掘进机的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~图6所示，实施例1所述的一种低碳增材支护结构施作装置，支护结构施作装置设置在掘进机的驱动装置7的外周，可绕驱动装置外周旋转。支护结构施作装置上依次布设有织物输出机构1、筋材输出机构2和胶材输出机构3。所述支护结构施作装置包括若干个施作环4，施作环4同轴设置在掘进机的驱动装置7上，织物输出机构1、筋材输出机构2和胶材输出机构3沿着施作环4的周向间隔布置在施作环4的外周上。通过织物输出机构1、筋材输出机构2和胶材输出机构3随着驱动装置7的转动，依次向岩壁10输出并施作织物11、筋材21和胶材31，使得输出织物11、筋材21和胶材31层层叠合形成复合的支护结构。由于支护结构施作装置随着驱动装置7的螺旋式转动进行施作，所述支护结构为螺旋式支护结构。上述掘进机后部设有后配套9，本实施例中，织物11、筋材21和胶材31的物料源存储设置在后配套9内。

实施例2，其与实施例1的区别在于，如图3所示，所述织物输出机构1包括织物输出壳体15，织物输出壳体15朝向岩壁10的一端设有用于输出织物11的织物输出口12和用于滚压织物11的织物滚压件13，织物输出壳体15的另一端与织物输出壳体15固定，织物滚压件13将织物输出口12输出的织物11滚压贴合在岩壁10上。

实施例3，其与实施例2的区别在于，如图3所示，所述织物输出壳体15靠近织物输出口12朝向岩壁10的一端设有喷口14用于喷出粘结剂，且喷口14、织物输出口12和织物滚压件13沿着驱动装置7的转动方向依次设置，使得喷口14向岩壁10喷出粘结剂后，织物11通过织物滚压件13滚压在岩壁10上。其中，织物11为柔性织物。本实施中，粘结剂存储在后配套9内，掘进机上设有管路和泵用于将存储在后配套9内的粘结剂输送至喷口14。

实施例4，其与实施例1的区别在于，如图4所示，所述筋材输出机构2包括筋材输出壳体24，筋材输出壳体24朝向岩壁10的一端设有用于输出筋材21的筋材输出口22和用于滚压筋材21的筋材滚压件23，筋材输出壳体24的另一端与织物输出壳体15固定，筋材滚压件23将筋材输出口22输出的筋材21滚压贴合在织物输出机构1施作的织物11上。其中，筋材21为网格状或条带状的筋材卷网。筋材卷网的孔隙允许胶材31内大颗粒组分通过，保证胶材31不离析，均匀覆盖在筋材21和织物11上。

实施例5，其与实施例1的区别在于，如图5所示，所述胶材输出机构3包括胶材输出壳体33，胶材输出壳体33朝向岩壁10的一端设有胶材输出口用于输出胶材31，胶材输出壳体33的另一端与织物输出壳体15固定，胶材输出壳体33的胶材输出口上设有移动模板32，移动模板32与岩壁10配合用于将胶材31挤压成形。其中，移动模板32包括弧形板，弧形板的形状与岩壁10契合且与岩壁10之间有一定的间隙，胶材31输出后位于该间隙内；并且弧形板朝向隧道掘进方向的一侧和朝向驱动装置7转动前进方向的前侧均设有限位板，通过弧形板和两侧的限位板对胶材定型将胶材31挤压成形。本实施中，胶材31为快硬早强的混凝土，且混凝土存储在后配套9内，掘进机上设有管路和泵用于将存储在后配套9内的混凝土输送至胶材输出口。

实施例6，其与实施例1的区别在于，如图6所示，一种可施作低碳增材支护结构的掘进机，包括上述任一项所述的低碳增材支护结构。

实施例7，其与实施例1的区别在于，低碳增材支护结构的施工方法，在施工前，将织物11存储在掘进机的后配套9内，并将织物11端部穿过织物输出壳体15拉出织物输出口12；将筋材21存储在掘进机的后配套9内，并将筋材21端部穿过筋材输出壳体24拉出筋材输出口22；并在后配套9内存储胶材31和粘结剂，并分别通过泵和管路连通至各自相应的输出口上，然后进行如下步骤：

S1.启动泵，随着驱动装置7的转动工作，支护结构施作装置转动工作，施作环4绕轴旋转，带动织物输出机构1通过喷口14喷出粘结剂，同时织物输出口12输出织物11，织物滚压件13同步工作将织物11压向岩壁10，使得织物11通过粘结剂粘接在岩壁10上；

S2. 上述步骤进行的同时，位于织物输出机构1后方的筋材输出机构2通过筋材输出口22输出筋材21，施作环4绕轴旋转，带动筋材滚压件23同步工作将筋材21压向岩壁10，使得筋材21贴在岩壁10上，且筋材21与步骤S1中施作在岩壁10上的织物11贴合；

S3. 上述步骤进行的同时，位于筋材输出机构2后方的胶材输出机构3通过胶材输出口向已施作在岩壁10上的筋材21上挤出混凝土，施作环4绕轴旋转，带动移动模板32顺着岩壁10移动将混凝土向岩壁10上挤压，由于移动模板32的挤压和限位作用，使得混凝土成形，并且由于混凝土采用快硬早强的混凝土，上述胶材31即混凝土与步骤S1和步骤S2中施作在岩壁10上的筋材21和织物11快速固结，形成复合的支护结构；

S4. 通过掘进机沿轴向掘进，间隔布置的多个施作环4绕轴旋转，形成多层交叠的螺旋式复合支护结构。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。