一种门架式拱架运输结构、隧道施工装置及施工方法

技术领域

本发明属于隧道施工设备技术领域，具体涉及一种门架式拱架运输结构、隧道施工装置及施工方法。

背景技术

在隧道施工中，通常会涉及到多道工序，如立架、凿岩、喷浆等，对于宽度较小(洞口宽度小于6m)的隧道来说，驶入一辆功能完备的工程台车来说相对困难，由于工程台车较大，驶入隧道后其他车辆无法进入，且工程台车的作业空间受限，不适用于在宽度较小的隧道内施工。

在隧道施工前，通常的施工步骤是，将待立架的拱架通过工程车辆运输至隧道内，然后工程车辆退出隧道后，隧道施工车辆再驶入进行立架施工，此种方式工程车辆需要频繁进出，会延长隧道施工的时间，不利于隧道施工的快速进行。

发明内容

本发明为了解决上述问题，本发明提供了一种门架式拱架运输结构、隧道施工装置及施工方法，该门架式隧道施工装置在门架上设置了拱架运输结构，可以将待立拱架直接置于运输结构上，通过运输带的运动传送至隧道内，再通过门架上的机械手、凿岩装置以及喷浆装置，完成隧道内的施工，该装置结构小巧，且无需工程车辆频繁进出，节省了施工时间。

本发明所采用的技术方案是：

一种门架式拱架运输结构，包括门架，所述门架上端设置有运输带，所述运输带相对门架转动，所述运输带上固定连接拱架支撑座。

优选的，所述运输带的长度与所述门架的长度相当，所述运输带由电机或马达带动转动，所述电机或马达设置在所述门架的上部，所述运输带在所述门架上对称设置为两个，两个所述运输带上的所述拱架支撑座一一对应。

一种门架式隧道施工装置，它包括上述的门架式拱架运输结构，所述门架的上部设置第一移动部，所述第一移动部相对所述门架移动，所述第一移动部上设置第一机械手，所述第一机械手通过第一机械臂铰接在所述第一移动部上，所述第一机械臂可俯仰、可伸缩；所述门架的两侧设置有第二机械手，所述第二机械手通过第二机械臂与第二移动部铰接，所述第二移动部相对所述门架移动，所述第二机械臂可俯仰、可伸缩，所述第二机械臂可相对所述第二移动部转动。

优选的，所述第一机械手可在竖直面内转动，所述第二机械手可在竖直面内转动；所述门架的上部、第一移动部的下方设置第一移动梁，所述第一移动梁相对所述门架移动，所述第一移动梁上设置凿岩装置，所述凿岩装置与第四机械臂连接，所述第四机械臂可在竖直面内上下转动，所述第四机械臂可在水平面内转动。

优选的，所述门架的上部、第一移动部的下方设置第二移动梁，所述第二移动梁相对所述门架移动，所述第二移动梁的端部上设置第三机械臂，所述第三机械臂可在竖直面内上下转动，所述第三机械臂可在水平面内转动；所述第三机械臂与喷浆臂连接，所述喷浆臂相对所述第三机械臂在水平面内转动，所述喷浆臂的另一端连接喷头总成。

优选的，所述门架内设置挖掘装置，所述挖掘装置与所述门架可拆卸连接，所述挖掘装置下方设置有运输装置；所述凿岩装置和所述喷浆臂设置的高度低于所述运输带所在的高度；所述挖掘装置为掘进机。

优选的，所述运输装置包括传送带，所述传送带的长度与所述门架的长度相当，所述传送带前端设置铲板；所述铲板包括铲斗和铲爪，所述铲爪设置在所述铲斗上，所述铲爪相对所述铲斗转动，所述铲爪为弧状，所述铲爪的转动方向为朝向所述铲爪的内弧方向转动。

优选的，所述铲爪为两个，对称设置在所述铲斗上，所述传送带设置在两个铲爪之间，所述传送带所在位置的高度低于所述铲爪所在位置的高度。

优选的，所述门架上远离拱架抓手组件的一端设置辅助装置，所述辅助装置包括第一伸缩杆和吊钩，所述第一伸缩杆与所述门架固定连接，所述吊钩通过第二伸缩杆与所述第一伸缩杆的端部连接，所述第一伸缩杆和第二伸缩杆相互垂直。

一种门架式隧道施工装置的施工方法，利用上述的门架式隧道施工装置，包括以下步骤：

S1：挖掘装置驶入隧道内，对隧道内待挖掘壁面，根据现场的施工要求进行挖掘，挖掘后的石渣通过挖掘装置下方的运输装置不断向隧道外部运输；

S2：将待施工拱架通过门架上端的运输带从隧道外部运送至隧道内待施工壁面处；施工人员在隧道壁面上拱架待安装位置，根据设计要求打拱架安装基准点；

S3：门架上的数个机械抓手分别抓取运输带运送至门架端部的拱架，并将抓取的拱架举至空中进行拼接，施工人员移至拱架拼接处将数个拱架固定连接；连接完成后，其中一个机械手抓取已拼接好的拱架整体，举升到隧道待安装拱架的壁面处待施工人员将该拱架整体，与已安装的上一个拱架整体连接；其余机械手回复至原位抓取门架上运送进隧道内的拱架，并进行下一个拱架整体的拼接，如此循环；

S4：待隧道施工壁面上已安装好的拱架整体数量达到2-5个后，数个机械手均回复到原位，凿岩装置向隧道施工壁面处移动并伸出，根据设计需求在隧道壁面上打锚杆孔，全部锚杆孔打完后凿岩装置回复至原位；待全部锚杆孔打完后，施工人员安装锚杆加固已安装好的拱架整体；

S5：喷浆装置向隧道施工壁面处移动并伸出，对待施工的隧道壁面进行喷浆，并养护达到养护标准；

S6：重复上述S1步骤至S5步骤，最终完成这个隧道的施工。

本发明的有益之处在于：通过门架上的运输结构，可以在隧道施工前，在其上放置多个拱架，通过运输结构的运动，将拱架运输至前端，便于前端机械手的抓取；门架宽度与隧道洞宽相当，在门架内可以驶入小型的工程车辆，便于其他施工作业的进行；在门架的前端集成了抓手装置、喷浆装置和凿岩装置，可以在不驶入其他工程车辆时，完成隧道内的施工作业，节省了施工时间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为第一机械手局部放大图；

图3为凿岩装置和喷浆臂的局部放大图；

图4为门架式隧道施工装置的一种实施方式；

图5为辅助装置的局部放大图；

图6为挖掘装置的局部放大图。

图中：1-门架；2-拱架支撑座；3-运输带；4-第一移动梁；5-第一机械手；6-第二移动部；7-第二机械手；8-凿岩装置；9-第四机械臂；10-喷浆臂；11-第三机械臂；12-喷头总成；13-第一机械臂；14-第二机械臂；15-第一移动部；16-辅助装置；17-挖掘装置；18-传送带；19-铲板；20-第一伸缩杆；21-吊钩；22-第二伸缩杆；31-铲斗；32-铲爪。

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，以下结合实施例，对本发明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。

实施例一

如图1-3所示，一种门架式拱架运输结构，包括门架1，门架1的宽度与隧道的宽度相当，放置于隧道内，所述门架1上端设置有运输带3，运输带3由电机带动，运输带3也可以由液压马达带动转动，相对门架1转动，运输带3的转动方向为由隧道外侧向隧道内转动，从而将拱架逐渐向前输送，所述运输带3上固定连接若干拱架支撑座2，每一个拱架支撑座2上可放置一个拱架，所述运输带3在门架1的两侧对称设置为两个，从而保证拱架运输的稳定，两个所述运输带3上的拱架支撑座2一一对应。可以理解的是，拱架直接放置在门架1两侧的支撑座2上，门架1两侧的运输带3同步转动，保证前后拱架在运输时，相互平行不干扰。

所述运输带3的长度与门架1的长度相当，从而使得拱架从隧道外侧运送到隧道内侧，所述电机设置在门架1的上部。

实施例二

一种门架式隧道施工装置，该装置可以在隧道施工时直接放置在隧道内使用，随着隧道的不断的向前施工，该装置也可以在其下设置行走机构，行走机构可以为履带，使得该装置可以随着隧道的施工不断向前移动，从而保证施工的进行。

具体包括上述的门架式拱架运输结构，在门架1的上部设置第一移动部15，第一移动部15可设置在门架1的轴线上，所述第一移动部15相对门架1移动，所述第一移动部15上设置第一机械手5，第一机械手5可以抓取拱架，所述第一机械手5通过第一机械臂13铰接在第一移动部15上，所述第一机械臂13可俯仰、可伸缩，从而增加了第一机械手5的灵活性以及工作范围；所述门架1的两侧设置有第二机械手7，所述第二机械手7通过第二机械臂14与第二移动部6铰接，所述第二移动部6相对门架1移动，所述第二机械臂14可俯仰、可伸缩，所述第二机械臂14可相对第二移动部6转动。当拱架运输至门架1的前端时，第一机械手5以及门架1两侧的第二机械手7，一起抓取拱架，并将拱架放置隧道的内壁面侧，进行安装施工。

为了增加第一机械手5和第二机械手7的灵活性，所述第一机械手5和第二机械手7皆可在竖直面内上下、左右转动，通过调整第一机械手5和第二机械手7的抓取角度，保证拱架的抓取。

所述门架1的上部、第一移动部15的下方设置第一移动梁4，所述第一移动梁4相对门架1移动，移动方向为沿着门架1的长度方向前后移动，所述第一移动梁4上设置凿岩装置8，所述凿岩装置8与第四机械臂9连接，所述第四机械臂9可在竖直面内上下转动，所述第四机械臂9可在水平面内转动，第四机械臂9可以带动凿岩装置8转动，从而保证凿岩装置8可以在各个角度上，进行凿岩施工，凿岩施工即在隧道的壁面上钻孔，从而为后续打入锚杆做准备，凿岩装置为现有技术，此处不再赘述。

所述门架1的上部、第一移动部15的下方设置第二移动梁，所述第二移动梁相对门架1移动，所述第二移动梁的端部上设置第三机械臂11，所述第三机械臂11可在竖直面内上下转动，所述第三机械臂11可在水平面内转动；所述第三机械臂11与喷浆臂10连接，所述喷浆臂10相对第三机械臂11在水平面内转动，所述喷浆臂10的另一端连接喷头总成12。喷浆臂10可用于在立架完成后对隧道壁面进行喷浆。

喷浆臂10和凿岩装置8上下布置，喷浆臂10可以设置在凿岩装置8的上方，本实施例中，优选第一移动梁4设置在第二移动梁的上方，也即凿岩装置8设置在喷浆臂10的上方。

具体工作方式：使用时，将门架式隧道施工装置放置在隧道内，通过外部的吊车，以及门架1上的辅助装置16，辅助装置16上设置可伸缩的吊钩，帮助拱架放置在拱架支撑座2上时，调整拱架的位置；将拱架逐一放置在拱架支撑座2上，通过电机转动带动运输带3向隧道内侧移动，从而带动拱架向隧道内移动；待拱架移动至门架1的端部后，此时拱架正好置于第一机械手5的上方，通过施工人员操控第一机械手5和第二机械手7动作，以及第一机械臂13和第二机械臂14的伸缩，使得拱架被放置于隧道的内壁面处，再通过凿岩装置8钻孔后打入锚杆，此时凿岩装置8以及第一机械手5和第二机械手7缩回至原位，喷浆臂10移动至待喷浆位置，对隧道的内壁面进行喷浆。

在施工的过程中，门架1内可以驶入小型的工程车辆，保证隧道内其他施工步骤的进行，小型工程车辆驶入时，门架1无需移动即可保证车辆的通行。

实施例三

与上述实施例不同之处在于，如图4-6所示，本实施例中，在门架1内设置挖掘装置17，挖掘装置17用于对隧道壁面进行挖掘，所述挖掘装置17与门架1可拆卸连接，可拆卸连接的方式可采用现有方式，如铆接、螺纹连接等等，当不需要使用挖掘装置17时，可以将挖掘装置17拆除；所述挖掘装置17下方设置有运输装置，运输装置用于运输隧道内已挖掘完的碎石、碎渣等，通过运输装置将碎石、碎渣运输到隧道洞外。

所述凿岩装置8和喷浆臂10设置的高度低于运输带3所在的高度；所述挖掘装置17为掘进机。

所述运输装置包括传送带18，所述传送带18的长度与门架1的长度相当，将挖掘后的碎渣运出隧道洞外；所述传送带18前端设置铲板19，铲板19可将碎渣铲起放置在传送带18上，再通过传送带18传输；所述铲板19包括铲斗31和铲爪32，所述铲爪32设置在铲斗31上，所述铲爪32相对铲斗31转动，所述铲爪32为弧状，所述铲爪32的转动方向为朝向铲爪32的内弧方向转动。可以理解的是，在挖掘装置17挖掘后，随着挖掘装置17的不断向前推进，碎石和碎渣被铲入到铲斗31上，随着铲爪32的不断转动，将碎石和碎渣带至传送带18上，从而完成运送碎石和碎渣的操作。

本实施例中，所述铲爪32为两个，对称设置在铲斗31上，所述传送带18设置在两个铲爪32之间，所述传送带18所在位置的高度低于铲爪32所在位置的高度。由于传送带18的高度低于铲爪32所在位置的高度，当铲爪带着碎石转动至传送带18处后，碎石由于高度差向传送带18上掉落，保证传送带18的运输。

所述门架1上远离拱架抓手组件的一端设置辅助装置16，所述辅助装置16包括第一伸缩杆20和吊钩21，所述第一伸缩杆20与门架1固定连接，所述吊钩21通过第二伸缩杆22与第一伸缩杆20的端部连接，所述第一伸缩杆20和第二伸缩杆22相互垂直，帮助拱架放置在拱架支撑座2上时，调整拱架的位置。辅助装置16可分别在横向和竖向两个方向上伸缩，保证能够及时调整拱架位置。

实施例四

基于实施例三的门架式隧道施工装置，本实施例提供了一种门架式隧道施工装置施工方法，包括以下步骤：

S1：将挖掘装置17与门架1连接好后，将挖掘装置17带动门架1驶入进隧道内，门架1下方可设置滚轮，便于门架1的移动；待挖掘装置17驶入到隧道内的待挖掘壁面时，根据现场的施工要求进行挖掘，随着挖掘装置17的不断前移，碎石和碎渣被铲入到铲板19中，并经由铲爪32的转动，将碎石和碎渣带至传送带18上，挖掘后的石渣通过挖掘装置17下方的运输装置不断向隧道外部运输；在挖掘完成后，也可以通过施工人员，将没有被铲至铲板19上的碎石和碎渣，运送至传送带18上后，通过传送带18运送到隧道外部。

S2：将待施工拱架通过门架1上端的运输带3从隧道外部运送至隧道内待施工壁面处；施工人员在隧道壁面上拱架待安装位置，根据设计要求打拱架安装基准点；随着运输带3的不断转动，可以带动拱架从隧道外侧运送到隧道内侧，并在运送至门架1的端部时停止，等待机械手的抓取。

S3：门架1上的数个机械抓手分别抓取运输带3运送至门架1端部的拱架，并将抓取的拱架举至空中进行拼接，施工人员移至拱架拼接处将数个拱架固定连接；连接完成后，其中一个机械手抓取已拼接好的拱架整体，举升到隧道待安装拱架的壁面处待施工人员将该拱架整体，与已安装的上一个拱架整体连接；其余机械手回复至原位抓取门架1上运送进隧道内的拱架，并进行下一个拱架整体的拼接，如此循环。

本实施例中以三个机械手为例，第一机械手5和两个第二机械手7分别抓取拱架，并将三个拱架举升至空中施工人员便于操作的位置，施工人员将三个拱架进行焊接或螺栓连接，拼接成一个拱架整体；拼接完成后，左右两个第二机械手7回复至原位，中间的第一机械手5继续抓取拱架整体移动至隧道壁面处，施工人员可以将该拱架整体与上一个已经安装好的拱架整体进行连接操作，从而保证该拱架整体的稳定；在该拱架整体与上一个拱架整体连接的同时，已回复至原位的两个第二机械手7继续抓取门架1上的拱架，并举升到施工人员处进行拼接，在施工人员拼接的过程中，第一机械手5完成托举工作，回复至原位再抓取拱架，与两个第二机械手7抓取的拱架一起进行拼接；每次拱架整体拼接完成后，皆由抓取中间段拱架的机械手将该拱架整体举升至隧道壁面处，与上一个拱架整体进行连接，从而保证拱架整体的稳定性。

S4：待隧道施工壁面上已安装好的拱架整体数量达到2-5个后，数个机械手均回复到原位，凿岩装置8向隧道施工壁面处移动并伸出，根据设计需求在隧道壁面上打锚杆孔，全部锚杆孔打完后凿岩装置8回复至原位；待全部锚杆孔打完后，施工人员安装锚杆加固已安装好的拱架整体，使得拱架整体更加稳定；

S5：喷浆装置向隧道施工壁面处移动并伸出，对待施工的隧道壁面进行喷浆，并养护达到养护标准；

S6：重复上述S1步骤至S5步骤，最终完成这个隧道的施工。通过使用本发明的门架式隧道施工装置，可以在不驶入其他车辆，以及门架式隧道施工装置无需驶出的情况下，通过不断推进的方式，完成整个隧道的施工，大大提高了隧道的施工效率。

进一步的技术方案是，在步骤S2中，门架1上运输带3运输的待施工拱架为多榀预制拱架，多榀预制拱架的具体操作为：

S21：在隧道外部，施工人员将单榀拱架按施工要求，加工成弧形，并在单榀拱架的两端焊接连接板或端板，多个单榀拱架之间可以通过连接板或端板组装连接在一起，从而形成适合隧道壁面支护的形状；

S22：将多个单榀拱架并排摆放，也即多个单榀拱架之间平行放置，并在单榀拱架之间焊接连接筋，连接筋可以采用钢筋，通过连接筋进行多个单榀拱架的初步定位和固定；

S23：在焊接好连接筋的多榀拱架上铺设钢筋网片，钢筋网片铺设的面积为覆盖整个多榀拱架的长度及宽度方向，钢筋网片铺设的位置为多榀拱架的外弧侧。

通过门架1上的运输带3，直接将多榀预制拱架运送至隧道内部，机械手直接抓取多榀预制拱架，可以加快隧道内避免处拱架支护的速度，提高施工效率。

上述实施方式是优选的实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。