本发明属于隧道初期支护钢架安装技术领域，尤其涉及一种隧道初期支护钢架安装辅助设备及其施工方法。
背景技术：
目前国内隧道施工过程中，隧道初期支护钢架安装主要采用人工借助开挖台架的方式，以双向四车道公路隧道台阶法为例，上台阶常见有3个钢架单元，钢架单元借助装载机运送到开挖台架上，左右侧钢架单元工人通过滑动旋转就位较为快速，钢架拱顶单元临时放置在开挖台架上也较容易，但钢架拱顶单元和钢架两侧单元连接较为费劲，存在做业人数多，需要4-5人才能完成，工人劳动强度较大，施工效率低、安全风险大的问题。为了减少工人劳累，加快施工进度，钢架安装辅助设备开发日益受到重视。目前常见的支护钢架安装辅助设备有立拱台车和拱架安装车，但是，立拱台车是在现有开挖台架上增加升降、平移、顶升系统；拱架安装车是利用机械臂抓举钢架，利用机械臂工作台投送工人到拱顶完成钢架连接，此都存在成本高、进度慢的问题，且仍处于试验推广阶段，未能普遍使用。
技术实现要素：
为了克服现有工人劳动强度较大，施工效率低、安全风险大、成本高且进度慢的问题，本发明提供一种隧道初期支护钢架安装辅助设备及其施工方法，其结构简单、设计合理且成本低，便于钢架拱顶单元的安装，减少人工劳动强度，提高施工效率，降低安全风险，实用性强。
本发明的目的之一在于：本发明中所采用的千斤顶升降推动升降杆升降，从而将钢架单元顶升，便于工作人员将钢架单元连接，相比传统人工安装减少2-3人，省力省时。
本发明的目的之二在于：本发明中所采用的机械爪由液压缸控制开合，使得机械爪能快速稳定的抓在开挖台架上，从而便于工作人员省时省力安装钢架单元。
本发明的目的之三在于：本发明中所采用的激光测距模块能检测钢架单元上升的高度，便于工作人员实时掌握，以使钢架单元升至预定安装高度。
本发明的目的之四在于：本发明中所采用的手持式控制终端进行远程操作支撑杆的升降而实现钢架单元的升降，一方面工作人员不用值守在设备上，减少人力投入，另一方面有利于工作人员远距离微调，快速对准钢架连接钢板上的螺丝孔，以快速安装钢架单元。
本发明采用的技术方案为：
一种隧道初期支护钢架安装辅助设备，包括控制模块、底座、抓紧机构、升降机构和手持式控制终端，所述的升降机构设置在底座上，升降机构上设置有激光测距模块，升降机构上部设置有支撑杆；所述的抓紧机构设置在底座下端，所述的控制模块的主控器与升降机构的千斤顶、抓紧机构的液压缸和手持式控制终端的从控制器连接。
所述升降机构包括千斤顶和升降杆，所述的千斤顶安装在底座上，升降杆安装在千斤顶顶端，所述升降杆外套设有防护套，所述升降杆上部设置有供搭载钢架的支撑杆，所述支撑杆横向伸出防护套并向外延伸，所述的支撑杆的伸出端上设有挡板；激光测距模块位于支撑杆的下方。
所述抓紧机构包括设置在底座的十字形支架和四个设置在十字形支架端部的机械爪，所述机械爪包括连接板、设置在连接板两端的第一机械爪与第二机械爪和驱动所述第一机械爪与所述第二机械爪开合的液压缸，所述连接板的顶部通过连接杆与十字形支架的端部固定连接。
所述控制模块至少包括主控器以及与主控器相接的第一无线通信模块和第一液晶触摸屏，所述控制模块通过第一无线通信模块与手持式控制终端进行数据通信，所述主控器的输入端与激光测距模块的输出端相接。
所述手持式控制终端包括从控制器以及与从控制器相接的第二无线通信模块和第二液晶触摸屏。
所述主控器的输出端与液压缸之间设置有第一电磁阀；主控器的输出端与千斤顶之间设置有第二电磁阀。
所述防护套的顶部设置有顶板。
所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均为蓝牙、WIFI或者Zigbee无线通信模块。
所述从控制器和主控器均为MSP430F149单片机。
一种隧道初期支护钢架安装辅助设备的施工方法，具体步骤为：
钢架包括依次连接的第一钢架单元、第二钢架单元和第三钢架单元，首先将第一钢架单元和所述第三钢架单元临时固定，第二钢架单元临时放置于第一钢架单元和第三钢架单元之间，将该辅助装置放置在开挖台架的钢筋网工作平台上；通过第二无线通信模块作用于主控器控制第一电磁阀打开，液压缸进油，液压缸收缩带动机械爪闭合，完成该辅助设备的安装，且使第二钢架单元的长度中心安装在支撑杆上；通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏操作升命令，从控制器通过第二无线通信模块和第一无线通信模块发送升命令至主控器，主控器控制第二电磁阀打开，千斤顶伸长带动升降杆上升，从而使安装在支撑杆上的第三钢架单元上升，在第三钢架单元上升的过程中，激光测距模块对第三钢架单元的上升距离进行检测，并将检测到的上升距离发送至主控器，主控器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块发送至从控制器，当从控制器接收到的上升距离满足安装距离设定值时，通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏操作停止命令，从控制器通过第二无线通信模块和第一无线通信模块发送停止命令至主控器，主控器控制第二电磁阀断开，千斤顶和升降杆停止上升；工作人员将第二钢架单元的一端滑移和转动，使所述第二钢架单元的一端与所述第一钢架单元靠近拱顶的一端连接孔重合并安装，之后，通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏操作继续升命令，从控制器通过第二无线通信模块和第一无线通信模块发送继续升命令至主控器，主控器控制第二电磁阀打开，千斤顶伸长带动升降杆继续上升直至达到下一个上升距离设定值时，工作人员将第二钢架单元的另一端滑移和转动，使所述第二钢架单元的另一端与所述第三钢架单元靠近拱顶的一端连接孔重合并连接，完成隧道的钢架安装。
本发明的有益效果为：
1、所采用的千斤顶升降推动升降杆升降，从而将钢架单元顶升，便于工作人员将钢架单元连接，相比传统人工安装减少2-3人，省力省时。
2、所采用的机械爪由液压缸控制开合，使得机械爪能快速稳定的抓在开挖台架上，从而便于工作人员省时省力安装钢架单元。
3、所采用的激光测距模块能检测钢架单元上升的高度，便于工作人员实时掌握，以使钢架单元升至预定安装高度。
4、所采用的手持式控制终端进行远程操作支撑杆的升降而实现钢架单元的升降，一方面工作人员不用值守在设备上，减少人力投入，另一方面有利于工作人员远距离微调，快速对准钢架连接钢板上的螺丝孔，以快速安装钢架单元。
附图说明
图1为本发明的机构示意图。
图2为本发明(除去防护套和顶板)的结构示意图。
图3为本发明的电路原理框图。
图4为本发明隧道支护的结构示意图。
图中，附图标记为：1、底座；1-1、把手；2、从控制器；3、机械爪；4、连接板；5、连接杆；6、十字形支架；7、千斤顶；8、升降杆；9、支撑杆；10、激光测距模块；11、挡板；12、防护套；13、液压缸；14、主控器；15、顶板；16、第一电磁阀；17、第二电磁阀；18、第一无线通信模块；19、第二无线通信模块；20、第一液晶触摸屏；22、第二液晶触摸屏；22-1、第一钢架单元；22-2、第三钢架单元；22-3、第二钢架单元；22、隧道。
具体实施方式
为了克服现有工人劳动强度较大，施工效率低、安全风险大、成本高且进度慢的问题，本发明提供如图1-4所示的一种隧道初期支护钢架安装辅助设备及其施工方法，其结构简单、设计合理且成本低，便于钢架拱顶单元的安装，减少人工劳动强度，提高施工效率，降低安全风险，实用性强。
本发明的目的之一在于：本发明中所采用的千斤顶升降推动升降杆升降，从而将钢架单元顶升，便于工作人员将钢架单元连接，相比传统人工安装减少2-3人，省力省时。
本发明的目的之二在于：本发明中所采用的机械爪由液压缸控制开合，使得机械爪能快速稳定的抓在开挖台架上，从而便于工作人员省力省时安装钢架单元。
本发明的目的之三在于：本发明中所采用的激光测距模块能检测钢架单元上升的高度，便于工作人员实时掌握，以使钢架单元升至预定安装高度。
本发明的目的之四在于：本发明中所采用的手持式控制终端进行远程操作支撑杆的升降而实现钢架单元的升降，一方面工作人员不用值守在设备上，减少人力投入，另一方面有利于工作人员远距离微调，快速对准钢架连接钢板上的螺丝孔，以快速安装钢架单元。
实施例1：
一种隧道初期支护钢架安装辅助设备，包括控制模块、底座1、抓紧机构、升降机构和手持式控制终端，所述的升降机构设置在底座1上，升降机构上设置有激光测距模块10，升降机构上部设置有支撑杆9；所述的抓紧机构设置在底座1下端，所述的控制模块的主控器14与升降机构的千斤顶7、抓紧机构的液压缸13和手持式控制终端的从控制器2连接。
本实施例中，激光测距模块10为RWRFA1-HS5激光测距传感器，该款适合在室内或室外阳光下测量5米范围内的物体(直径＞1厘米物体均可测量)，且精度可达到1mm。本发明所采用的激光测距模块10能检测钢架单元上升的高度，便于工作人员实时掌握，以使钢架单元升至预定安装高度。
本实施例中，如图4所示隧道22初期支护钢架包括依次连接的第一钢架单元22-1、第二钢架单元22-3和第三钢架单元22-2，所述第一钢架单元22-1、所述第二钢架单元22-3和所述第三钢架单元22-2组成与隧道22内壁相贴合的钢架整体，其中所述第二钢架单元22-3靠近隧道22的拱顶位置。
本发明使用时，工作人员首先将第一钢架单元22-1和所述第三钢架单元22-2临时固定，将第二钢架单元(22-3)临时放置于第一钢架单元(22-1)和第三钢架单元(22-2)之间，将该辅助装置放置在开挖台架的钢筋网工作平台上，通过手持式控制终端进行远程操作支撑杆的升降而实现钢架单元的升降，这样远程的操控一方面工作人员不用值守在设备上，减少人力投入，另一方面有利于工作人员远距离微调，快速对准钢架连接钢板上的螺丝孔，以快速安装钢架单元。主控器14控制液压缸13进油，液压缸13收缩带动抓紧机构闭合，完成该辅助设备的安装，且使第二钢架单元22-3的长度中心安装在支撑杆9上，以使第二钢架单元22-3的上升平稳，通过手持式控制终端操作升命令，发送升命令至主控器14，主控器14控制千斤顶7伸长带动升降机构的升降杆8上升，从而使安装在支撑杆9上的第三钢架单元22-2上升，在第三钢架单元22-2上升的过程中，激光测距模块10对第三钢架单元22-2的上升距离进行检测，并将检测到的上升距离发送至主控器14，主控器14发送至手持式控制终端的从控制器2，当从控制器2接收到的上升距离满足安装距离设定值时，通过手持式遥控器操作停止命令，手持式控制终端的从控制器2发送停止命令至主控器14，主控器14控制千斤顶7和升降杆8停止上升，工作人员将第二钢架单元22-3的一端滑移和转动，使所述第二钢架单元22-3的一端与所述第一钢架单元22-1靠近拱顶的一端连接孔重合并安装，之后，通过手持式控制终端操作继续升命令，发送继续升命令至主控器14，主控器14控制千斤顶7伸长带动升降杆8继续上升直至达到下一个上升距离设定值时，工作人员将第二钢架单元22-3的另一端滑移和转动，使所述第二钢架单元22-3的另一端与所述第三钢架单元22-2靠近拱顶的一端连接孔重合并连接，完成隧道22的钢架安装。
实施例2：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述升降机构包括千斤顶7和升降杆8，所述的千斤顶7安装在底座1上，升降杆8安装在千斤顶7顶端，所述升降杆8外套设有防护套12，所述升降杆8上部设置有供搭载钢架的支撑杆9，所述支撑杆9横向伸出防护套12并向外延伸，所述的支撑杆9的伸出端上设有挡板11；激光测距模块10位于支撑杆9的下方。
本发明所采用的千斤顶7升降推动升降杆8升降，从而将钢架单元顶升，便于工作人员将钢架单元连接，相比传统人工安装减少2-3人，省力省时。
所述抓紧机构包括设置在底座1的十字形支架6和四个设置在十字形支架6端部的机械爪3，所述机械爪3包括连接板4、设置在连接板4两端的第一机械爪与第二机械爪和驱动所述第一机械爪与所述第二机械爪开合的液压缸13，所述连接板4的顶部通过连接杆5与十字形支架6的端部固定连接。
本发明中，十字形支架6端部设置四个机械爪3，是因为因工作人员和装置所在开挖台架上的工作平台为钢筋网，钢筋上附着喷射混凝土，钢筋因变形间距不均匀，采用四个机械爪3成十字形支腿，支腿方向和钢筋网一致，利于快速稳固连接。本发明中所采用的机械爪3由液压缸13控制开合，使得机械爪3能快速稳定的抓在开挖台架上，从而便于工作人员在开挖台架上安装钢架单元。
所述控制模块至少包括主控器14以及与主控器14相接的第一无线通信模块18和第一液晶触摸屏20，所述控制模块通过第一无线通信模块18与手持式控制终端进行数据通信，所述主控器14的输入端与激光测距模块10的输出端相接。
所述手持式控制终端包括从控制器2以及与从控制器2相接的第二无线通信模块19和第二液晶触摸屏21。
所述主控器14的输出端与液压缸13之间设置有第一电磁阀16；主控器14的输出端与千斤顶7之间设置有第二电磁阀17。
所述防护套12的顶部设置有顶板15。
所述第一无线通信模块18和第二无线通信模块19均为蓝牙、WIFI或者Zigbee无线通信模块。
所述从控制器2和主控器14均为MSP430F149单片机。
本实施例中所述从控制器2和主控器14均为MSP430F149单片机，MSP430F149单片机是一种超低功耗微控制器系列，由针对各种不同应用模块组合特性的多种型号组成。微控制器设计成可使用电池长时间工作.由于其16位的体系结构，16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使MSP430F149单片机实现了最大化的代码效率。数字控制振荡器使所有低功率模式唤醒到运行模式小于6μs的唤醒时间。
所述的底座1上设置有把手1-1。
如图1所示，本实施例中，所述底座1上设置有把手1-1，方便工作人员移动。
本实施例中，隧道22初期支护钢架包括依次连接的第一钢架单元22-1、第二钢架单元22-3和第三钢架单元22-2，所述第一钢架单元22-1、所述第二钢架单元22-3和所述第三钢架单元22-2组成与隧道22内壁相贴合的钢架整体，其中所述第二钢架单元22-3靠近隧道22的拱顶位置。
本发明使用时，工作人员首先将第一钢架单元22-1和所述第三钢架单元22-2临时固定之后，将该辅助装置放置在开挖台架的钢筋网工作平台上，通过按键第二无线通信模块19操作锁紧按键，主控器14控制第一电磁阀16打开，液压缸13进油，液压缸13收缩带动机械爪3闭合，完成该辅助设备的安装，且使第二钢架单元22-3的长度中心安装在支撑杆9上，以使第二钢架单元22-3的上升平稳，通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏21操作升命令，从控制器2通过第二无线通信模块19和第一无线通信模块18发送升命令至主控器14，主控器14控制第二电磁阀17打开，千斤顶7伸长带动升降杆8上升，从而使安装在支撑杆9上的第三钢架单元22-2上升，在第三钢架单元22-2上升的过程中，激光测距模块10对第三钢架单元22-2的上升距离进行检测，并将检测到的上升距离发送至主控器1，主控器1通过第一无线通信模块18和第二无线通信模块19发送至从控制器2，当从控制器2接收到的上升距离满足安装距离设定值时，通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏21操作停止命令，从控制器2通过第二无线通信模块19和第一无线通信模块18发送停止命令至主控器14，主控器14控制第二电磁阀17断开，千斤顶7和升降杆8停止上升，工作人员将第二钢架单元22-3的一端滑移和转动，使所述第二钢架单元22-3的一端与所述第一钢架单元22-1靠近拱顶的一端连接孔重合并安装，之后，通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏21操作继续升命令，从控制器2通过第二无线通信模块19和第一无线通信模块18发送继续升命令至主控器14，主控器14控制第二电磁阀17打开，千斤顶7伸长带动升降杆8继续上升直至达到下一个上升距离设定值时，工作人员将第二钢架单元22-3的另一端滑移和转动，使所述第二钢架单元22-3的另一端与所述第三钢架单元22-2靠近拱顶的一端连接孔重合并连接，完成隧道22的钢架安装。
实施例3：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，提供一种隧道初期支护钢架安装辅助设备的施工方法，具体步骤为：
钢架包括依次连接的第一钢架单元22-1、第二钢架单元22-3和第三钢架单元22-2，首先将第一钢架单元22-1和所述第三钢架单元22-2临时固定，第二钢架单元22-3临时放置于第一钢架单元22-1和所述第三钢架单元22-2之间，将该辅助装置放置在开挖台架的钢筋网工作平台上；通过第二无线通信模块19作用于主控器14控制第一电磁阀16打开，液压缸13进油，液压缸13收缩带动机械爪3闭合，完成该辅助设备的安装，且使第二钢架单元22-3的长度中心安装在支撑杆9的上；通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏21操作升命令，从控制器2通过第二无线通信模块19和第一无线通信模块18发送升命令至主控器14，主控器14控制第二电磁阀17打开，千斤顶7伸长带动升降杆8上升，从而使安装在支撑杆9上的第三钢架单元22-2上升，在第三钢架单元22-2上升的过程中，激光测距模块10对第三钢架单元22-2的上升距离进行检测，并将检测到的上升距离发送至主控器14，主控器14通过第一无线通信模块18和第二无线通信模块19发送至从控制器2，当从控制器2接收到的上升距离满足安装距离设定值时，通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏21操作停止命令，从控制器2通过第二无线通信模块19和第一无线通信模块18发送停止命令至主控器14，主控器14控制第二电磁阀17断开，千斤顶7和升降杆8停止上升；工作人员将第二钢架单元22-3的一端滑移和转动，使所述第二钢架单元22-3的一端与所述第一钢架单元22-1靠近拱顶的一端连接孔重合并安装，之后，通过所述手持式遥控器中第二液晶触摸屏21操作继续升命令，从控制器2通过第二无线通信模块19和第一无线通信模块18发送继续升命令至主控器14，主控器14控制第二电磁阀17打开，千斤顶7伸长带动升降杆8继续上升直至达到下一个上升距离设定值时，工作人员将第二钢架单元22-3的另一端滑移和转动，使所述第二钢架单元22-3的另一端与所述第三钢架单元22-2靠近拱顶的一端连接孔重合并连接，完成隧道22的钢架安装。
本发明中的结构简单、设计合理且成本低，便于钢架拱顶单元的安装，减少人工劳动强度，提高施工效率，降低安全风险，实用性强。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本发明中未详细说明的部件及其结构均为现有技术，本发明中将不再进行一一说明。