一种隧道自动化施工设备及施工方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道自动化施工设备及施工方法，该设备主要由机架、回转平台、动力臂、机械手、无线压力传感器、遥控器以及提供动力和控制的液压系统组成，可实现约束混凝土拱架的自动化快速施工、精准定位以及连接杆安装、钢筋网铺设等多种支护工序；并且可视现场情况增设超前地质预报钻机，进行围岩快速分级和不良地质体探测，实现一机多用。本发明专利技术采用多功能自动化施工装备及快速施工方法进行自动化机械施工，施工效率大幅提高，工人劳动强度及安全风险显著降低，具有极大的推广应用价值。

Tunnel automatic construction equipment and construction method

The invention discloses an automatic tunnel construction equipment and construction method, the equipment is mainly composed of a machine frame, a rotating platform, a power arm, a manipulator, a pressure sensor, wireless remote control and provide power and control of the hydraulic system, automatic rapid construction, precise positioning and connecting rod installation, steel mesh laying and other support support process can realize the confined concrete arch; and the visual scene added geological prediction of surrounding rock drill, rapid classification and bad geological exploration, to achieve a multi-purpose machine. The invention adopts the automatic construction equipment and rapid construction method of multifunctional automatic mechanical construction, the construction efficiency is greatly improved, significantly reduce the labor intensity of workers and security risk, which has great popularization and application value.

【技术实现步骤摘要】
一种隧道自动化施工设备及施工方法
本专利技术属于地下工程支护领域，尤其涉及一种隧道自动化施工设备及施工方法。
技术介绍
近年来，我国交通隧道建设飞速发展，初期支护作为隧道施工的主要工序，影响着工程进度，同时也是维持隧道围岩稳定性的关键。国内隧道施工机械化水平还偏低，大都是靠大量的劳动力完成。在软岩的施工中，进行钢拱架的安装通常都是由人工架设，主要存在以下问题：(1)拱架现场的托举、拼装完全由人工进行，大断面隧道对于工人的数量及质量都有一定要求，工人劳动强度太大；(2)人工进行隧道支护施工效率低，施工环境差，安全性难以保障；(3)传统常规拱架逐渐难以满足隧道支护日益增长的强度需求，必须加大拱架尺寸及强度，从而导致工人施工更加困难。虽然西方发达国家在软围岩的施工中，钢拱架安装设备被普遍使用，并不断把远程控制技术应用到台车上，使其在隧道施工过程中的机械化和自动化程度都得到极大的提高。其中具有代表性的为UTILIFT四臂钢拱架安装台车和日本古河公司的MCH1220Z，这些大型专业设备的应用，使得隧道施工效率大幅度提高。但是根据实际的经验获知，在软弱围岩隧道施工时，由于地质条件以及施工环境的不同，国外设备技术参数不能很好地满足国内的施工要求，受限于技术、资金等多方面的因素，国外设备无法在国内得到推广应用。此外，型钢拱架在许多地质条件下已不能满足支护要求，应运而生的约束混凝土拱架具有较高的支护强度和后期承载能力，能够满足隧道支护日益增长的强度需求。但由于约束混凝土拱架是钢管内填充混凝土制备得到，所以约束混凝土拱架相比型钢拱架更沉、更重，能否进行约束混凝土拱架的快速拼装成为顺利施工的关键问题。另外，施工环境的复杂性，要求机械设备具有更大的灵活性，但是现有的机械设备普遍存在笨重、操作不灵活的弊端。近年来，国内已生产出解决隧道拱架机械化拼装的设备，但是由于不能完全满足现场施工的要求，没有真正应用到现场中去。因此亟需一种能够满足现场需求的机械化快速施工装置及方法，来达到隧道快速施工、减轻工人劳动强度、提高施工效率的目的。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的以上问题，本专利技术的一个目的是提供一种隧道自动化施工设备，该设备是在充分考察国内现场拱架拼装工艺，对约束混凝土支护现场施工机器及配套施工方法进行了可行性研究的基础上，设计而来。本专利技术的另一个目的是提供一种隧道施工方法。该施工方法是利用上述隧道自动化施工设备结合折叠式约束拱架进行的，实现了快速、机械化施工。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种隧道自动化施工设备，包括行走平台、回转平台、动力臂、机械手，其中，所述行走平台在驱动装置的驱动下行走，所述回转平台大体水平地安装在行走平台上，回转平台通过旋转调节机械手的方向，所述回转平台的边缘处安装有基座，基座的上端沿回转平台的径向向外延伸；所述动力臂包括支撑段和连接段，所述支撑段的始端与所述基座的上端铰接，支撑段跨越回转平台的正上方设置，支撑段的末端与所述连接段的始端固定连接，连接段自始端到末端向下倾斜设置，支撑段的长度大于连接段的长度，回转平台与所述支撑段之间连接有驱动油缸；所述机械手包括机械臂与夹具，机械臂与所述连接段之间铰接，且连接段与机械臂的末端连接有竖直调节油缸；所述夹具活动安装在机械臂上，所述支撑段的长度大于机械臂的长度，支撑段的直径大于机械臂的直径。动力臂的支撑段未伸缩时，机械手置于车体前方，不影响车体行动；动力臂的连接段向下倾斜设置，可方便从地面直接抓取拱架，机械臂的长度设计成较短的结构，是为了更灵活的进行拱架微调，动力臂安装在基座中间位置，两侧安装驾驶室和钻机，三者随基座同步旋转，既不相互影响，也可保持装置整体稳定性。优选的，所述机械臂与夹具之间连接有水平调节油缸，为夹具与机械臂之间的相对移动提供驱动力。优选的，所述支撑段的直径为连接段的直径的1-1.5倍，支撑段的长度为连接段的长度的2-8倍。进一步优选的，所述连接段的直径为机械臂的直径的1.2-2倍。优选的，所述支撑臂为伸缩臂，优选为三级伸缩臂。优选的，所述机械臂的下端可拆卸地吊装有人工作业平台。进一步优选的，所述夹具与机械臂之间安装有回转盘，回转盘的转动带动夹具作竖直旋转运动。机械臂的下端吊装有人工工作平台，可以使工作人员靠近吊具，在设备吊装拱架的过程中，也可以实现操作人员的提升，传统的方法都是通过搭架子，工作人员站在架子上进行工作，相比于传统的方法，大大节省了人力物力，而且工作人员可以跟随机械臂的运动而运动，具有更大运动灵活性，提高了工作效率。在夹具与机械臂之间安装回转盘，一方面可以随意调节夹具的旋转角度，另一方面机械手夹取拱架时力臂相对较短，稳定性好，对回转盘的损坏较小，更能适应现场的复杂施工环境。优选的，所述夹具的两侧搭载红外线激光仪，内侧搭载无线压力传感器探头。在夹具内设置无线压力传感器，可通过天线接收安装在机械手内侧，探头反应机械手与拱架之间压力值。该装置是考虑现场施工过程中可能遇到的机械故障(夹具松动)，存在一定的安全风险，危及现场工人及设备的安全，当夹具夹取重物过程中如果压力值突然减小或者有明显变化，说明机械手夹具夹取不牢固或者机械出现故障，可立刻停止施工进行机械手的检查，确保工人施工时作业安全。优选的，所述夹具包括相互铰接的活动夹和固定夹，夹具的内部安装有夹紧油缸，夹紧油缸的一端固定，另一端与所述活动夹连接。仅有一处铰接，工作路程短，操作灵活，夹取稳定。进一步优选的，所述夹具上还设置有张口调节装置，调节夹具的张口大小。所述的张口调节装置为调节螺栓，起到限定的作用。优选的，所述回转平台上还安装有驾驶室。驾驶室随回转平台一起运动，可以保证驾驶人员随时正对夹具，可以随时观察施工情况，并根据具体的施工情况随时作出调整。进一步优选的，所述驾驶室的一侧安装有超前地质预报钻机，超前地质预报钻机搭载超前探测系统，所述超前探测系统包括地质雷达及具有岩层参数数据库的钻机钻进参数实时分析系统，钻杆前端的探头配备有传感器。开挖前对掌子面进行长距离钻探，所述钻机钻进参数实时分析系统将钻机钻进过程中传感器接收的钻机扭矩、轴压力、转速、钻进速率和钻进比功等随钻参数与岩层参数数据库进行对比，实现对地下工程不良地质体更加准确地识别以及围岩快速分级，根据现场围岩情况改进支护方案，在隧道支护前后进行侧壁围岩钻进，对比围岩支护情况，进行围岩支护效果评价。所述岩层参数数据库为基于大量、全面的钻机钻进试验所记录的钻进参数，建立钻进参数与相对应的各类围岩物理力学性质的关系，所述物理力学性质包括岩体强度、弹性模量、粘聚力以及内摩擦角。钻杆前端的传感器可进行岩石物理力学性质参数的收集。地质雷达包括发射器和接收器，所述发射器可发射超高频电磁波进行地质探测，所述接收器安装在钻机探头上可进行探测数据处理。优选的，所述行走平台的行走装置为四驱式实心轮胎，轮胎表面安装有防滑链。进一步优选的，所述行走平台的四个角上均设置有伸缩支撑装置，该伸缩支撑装置优选为液压支腿。防滑链可以防止轮胎打滑使行进更平稳、安全，液压支腿可以在机器工作时对行走平台进行支撑，提高机器的工作稳定性，防止侧翻。优选的，所述隧道自动化施工设备还包括液压管路无线遥控装置。采用无线遥控器可实现动力臂的提升、下降以及机械手调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道自动化施工设备，其特征在于：包括行走平台、回转平台、动力臂、机械手，其中，所述行走平台在驱动装置的驱动下行走，所述回转平台大体水平地安装在行走平台上，回转平台通过旋转调节机械手的方向，所述回转平台的边缘处安装有基座，基座的上端沿回转平台的径向向外延伸；所述动力臂包括支撑段和连接段，所述支撑段的始端与所述基座的上端铰接，支撑段跨越回转平台的正上方，支撑段的末端与所述连接段的始端固定连接，连接段自始端到末端向下倾斜设置，支撑段的长度大于连接段的长度，回转平台与所述支撑段之间连接有驱动油缸；所述机械手包括机械臂与夹具，机械臂与所述连接段之间铰接，且连接段与机械臂的末端连接有竖直调节油缸；所述夹具活动安装在机械臂上，所述支撑段的长度大于机械臂的长度，支撑段的直径大于机械臂的直径。

【技术特征摘要】
1.一种隧道自动化施工设备，其特征在于：包括行走平台、回转平台、动力臂、机械手，其中，所述行走平台在驱动装置的驱动下行走，所述回转平台大体水平地安装在行走平台上，回转平台通过旋转调节机械手的方向，所述回转平台的边缘处安装有基座，基座的上端沿回转平台的径向向外延伸；所述动力臂包括支撑段和连接段，所述支撑段的始端与所述基座的上端铰接，支撑段跨越回转平台的正上方，支撑段的末端与所述连接段的始端固定连接，连接段自始端到末端向下倾斜设置，支撑段的长度大于连接段的长度，回转平台与所述支撑段之间连接有驱动油缸；所述机械手包括机械臂与夹具，机械臂与所述连接段之间铰接，且连接段与机械臂的末端连接有竖直调节油缸；所述夹具活动安装在机械臂上，所述支撑段的长度大于机械臂的长度，支撑段的直径大于机械臂的直径。2.根据权利要求1所述的隧道自动化施工设备，其特征在于：所述机械臂与夹具之间连接有水平调节油缸，为夹具与机械臂之间的相对移动提供驱动力。3.根据权利要求1所述的隧道自动化施工设备，其特征在于：所述支撑段的直径为连接段的直径的1-1.5倍，支撑段的长度为连接段的长度的2-8倍；优选的，所述连接段的直径为机械臂的直径的1.2-2倍。4.根据权利要求1所述的隧道自动化施工设备，其特征在于：所述机械臂的下端可拆卸地吊装有人工作业平台；优选的，所述夹具与机械臂之间安装有回转盘，回转盘的转动带动夹具作竖直旋转运动。5.根据权利要求1所述的隧道自动化施工设备，其特征在于：所述夹具的两侧搭载红外线激光仪，内侧搭载无线压力传感器探头。6.根据权利要求1所述的隧道自动化施工设备，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，王琦，曾昭楠，孙会彬，江贝，曾艳君，于恒昌，李亮，秦乾，潘锐，孙广涛，王雷，范祥福，
申请(专利权)人：山东大学，山东天勤矿山机械设备有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37