一种隧道支护拱架制作系统及制作方法与流程

本发明涉及隧道施工领域，特别涉及一种隧道支护拱架制作系统。本发明还涉及一种隧道支护拱架制作方法。

背景技术：

近年来随着隧道工程向长、大、深的方向发展，穿越高地应力区软岩、高岩爆等地层的隧道建设逐渐增多，尤其是在软岩与破碎围岩地层，软岩本身具有强度及弹性模量等力学参数较低、遇水软化效应明显的特点，此类隧道开挖后的围岩自稳时间较短，为保证隧道施工顺利及运营安全，隧道施工过程中通常离不开隧道支护拱架，因此改进隧道支护拱架的制作流程对提升隧道的施工效率及质量显得尤为必要。

然而，现有的隧道支护拱架多以人工的方式进行拼装，难以实现高效且连续的拼装，使得隧道支护拱架的拼装速度及质量均在很大程度受到人为因素的制约，尤其在高地应力及大变形的地层作业环境中，施工人员的安全性遭受到极大的威胁。

因此，如何连续且高效地拼装隧道支护拱架是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道支护拱架制作系统及方法，减少人工参与程度，能够实现高效、连续地拼装隧道拱架支护。

其具体方案如下：

本发明提供一种隧道支护拱架制作系统，包括：

主筋输送弯折机构，用于输送并弯折主筋；

中间件输送机构，用于将成型的中间连接件输送至受弯主筋的预设位置；

固定连接机构，用于将处于所述预设位置的中间连接件固定至受弯主筋；

旋转导向机构，用于引导固连有中间连接件的主筋贴紧于隧道内壁；

控制机构，分别与所述主筋输送弯折机构、所述中间件输送机构、所述固定连接机构和所述旋转导向机构相连，用于控制四者依次顺序动作以拼装出拱架主体。

优选地，所述控制机构包括控制器，所述控制机构还包括：

与所述控制器相连、用于检测所述主筋输送弯折机构输出的受弯主筋长度的主筋长度检测装置；当所述主筋长度检测装置检测到受弯主筋的输出长度达到预设长度时，所述控制器根据所述主筋长度检测装置反馈的信号启动所述中间件输送机构输送中间连接件并控制所述主筋输送弯折机构停止动作；

与所述控制器相连、用于检测中间连接件是否到达所述预设位置的中间件检测装置；当所述中间件检测装置检测到中间连接件抵达所述预设位置时，所述控制器根据所述中间件检测装置发送的信号启动所述固定连接机构连接中间连接件和主筋，并控制所述中间件输送机构停止动作；

与所述控制器相连、用于检测主筋与中间连接件连接状态的连接状态检测装置；当所述连接状态检测装置检测到中间连接件与主筋固连为一体时，所述控制器根据所述连接状态检测装置发送的信号控制所述旋转导向机构转动，同时启动所述主筋输送弯折机构。

优选地，所述控制机构还包括用于检测主机转速的主机转速检测装置和用于检测所述旋转导向机构转速的拱架转速检测装置，所述主机转速检测装置和所述拱架转速检测装置均与所述控制器相连，所述控制器根据所述主机转速检测装置和所述拱架转速检测装置同步反馈的信号调节所述旋转导向机构的转速使所述旋转导向机构的转速与主机的转速相匹配以使所述拱架主体呈螺旋状。

优选地，还包括用于将加强板固定至所述拱架主体的加强板固定机构。

优选地，所述加强板固定机构包括用于存储加强板的加强板存储装置和分别与控制器相连的加强板固定装置和加强板转移装置，所述控制机构还包括设于所述拱架主体且与所述控制器相连、用于检测所述拱架主体压力的压力检测装置，所述控制器根据所述压力检测装置发送的信号在所述拱架主体的压力小于预设压力时控制所述加强板转移装置将加强板转移至所述拱架主体，并控制所述加强板固定装置将加强板固定至所述拱架主体。

优选地，所述主筋输送弯折机构包括：

用于沿隧道轴向输送主筋的主筋输送装置；所述主筋输送装置包括若干用于拼接主筋并沿隧道轴向错开分布的主筋输送架；

设于所述主筋输送装置的出口、用于将所述主筋输送装置输出的主筋弯折至沿隧道径向延伸的第一弯折装置；

设于所述第一弯折装置出口、用于将所述第一弯折装置输出的主筋弯折至沿隧道周向延伸的第二弯折装置。

优选地，所述中间件输送机构包括：

用于收集成型的中间连接件的中间件收集装置；

用于输送中间连接件至所述预设位置的中间件输送装置；所述中间件输送装置设有用于限定中间连接件位置的中间件限位装置；

设于所述中间件收集装置与所述中间件输送装置之间、用于将所述中间件收集装置所收集的中间连接件推送至所述中间件输送装置的中间件推送装置。

优选地，所述固定连接机构为用于设于主机的焊接机器人或设于所述旋转导向机构且沿所述旋转导向机构滑动的电阻焊接压枪。

优选地，还包括用于连接相邻两根主筋的主筋连接机构；所述主筋连接机构包括主筋供给装置和与所述控制器相连的转动连接件；所述控制机构还包括与所述控制器相连以检测所述主筋输送架所剩主筋长度的剩余长度检测装置；所述控制器根据所述剩余长度检测装置发送的信号在主筋的剩余长度达到预设剩余长度时，所述控制器启动所述主筋供给装置供给主筋，并控制所述转动连接件转动连接所述主筋输送架所输送的主筋与所述主筋供给装置所供应的主筋。

本发明还提供一种隧道支护拱架制作方法，包括步骤：

s1、控制机构控制主筋输送弯折机构输送并弯折主筋；

s2、控制机构控制中间件输送机构将成型的中间连接件输送至受弯主筋的预设位置；

s3、控制机构控制固定连接机构将处于所述预设位置的中间连接件固定至受弯主筋；

s4、控制机构控制旋转导向机构引导固连有中间连接件的主筋贴紧于隧道内壁；

s5、循环步骤s1至s4以拼装出拱架主体。

相对于背景技术，本发明所提供的隧道支护拱架制作系统包括主筋输送弯折机构、中间件输送机构、固定连接机构、旋转导向机构和控制机构。首先，控制机构控制主筋输送弯折机构输送并弯折主筋，使主筋能够沿隧道的周向弯折；接着，控制机构控制中间件输送机构将成型的中间连接件输送至受弯主筋的预设位置；再接着，控制机构控制固定连接机构将处于预设位置的中间连接件固定至受弯主筋，主筋与中间连接件固连为一体，使主筋与中间连接件完成阶段性拼装；最后，控制机构控制旋转导向机构引导固连有中间连接件的主筋贴紧于隧道内壁，使主筋与中间连接件拼装形成拱架主体，从而实现连续地拼装隧道支护拱架。

由上述可知，隧道支护拱架的拼装过程能够通过控制机构实现自动拼装，无需人工参与，自动化程度高，拼装效率自然较高。因此，本发明所提供的隧道支护拱架制作系统能够实现高效、连续地拼装。

本发明所提供的隧道支护拱架制作方法，具有相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施例所提供的隧道支护拱架制作系统的结构简图；

图2为图1中a局部放大图；

图3为加强板的安装结构图；

图4为主筋连接机构的分解图；

图5为导向牵引块的安装结构图；

图6为固定连接机构的一种安装结构图；

图7为本发明一种具体实施方式所提供的隧道支护拱架制作方法的流程图。

附图标记如下：

主机01、主筋02、中间连接件03和加强板04；

主筋输送弯折机构1、中间件输送机构2、固定连接机构3、旋转导向机构4、拱架主体5和主筋连接机构6；

主筋输送装置11、第一弯折装置12和第二弯折装置13；

电阻焊接压枪31和电焊牵引架32；

旋转导向架41；

导向牵引块411。

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做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。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本发明一种具体实施例所提供的隧道支护拱架制作系统的结构简图；图2为图1中a局部放大图；图3为加强板的安装结构图；图4为主筋连接机构的分解图；图5为导向牵引块的安装结构图；图6为固定连接机构的一种安装结构图。

首先需要说明的是，按照受力形成的不同，隧道支护拱架可分为刚性拱架和柔性拱架，刚性拱架又包括h型钢拱架、工字钢拱架和格栅拱架等。在该具体实施例中，隧道支护拱架以螺旋式格栅拱架为例，当然，本发明所提供的隧道支护拱架制作系统还可用于制造其他类型的拱架，例如，钢筋笼拱架、三角梁加强型桁架等。

本发明实施例公开了一种隧道支护拱架制作系统，包括主筋输送弯折机构1、中间件输送机构2、固定连接机构3、旋转导向机构4和控制机构。主筋输送弯折机构1固定于主机01，主机01具体为盾构机，隧道支护拱架制作系统安装于主机01的护盾内，以便在护盾的防护下形成隧道支护拱架。

制作隧道支护拱架时，首先，控制机构控制主筋输送弯折机构1同时输送若干根主筋02，然后再利用主筋输送弯折机构1同时弯折若干根主筋02，使主筋02能够沿隧道的周向弯折，以便主筋02紧贴隧道内壁；在此需要说明的是，对于一般的地质结构，主筋02通常为钢筋；对于围岩收敛地层，主筋02通常为空心钢管，以便依靠钢管的变形来适应因围岩变形引起的收敛，便于释放围岩应力；

接着，控制机构控制中间件输送机构2将成型的中间连接件03输送至受弯主筋02内，直至中间连接件03抵达预设位置，以便中间连接件03按需支撑主筋02；在此需要说明的是，成型的中间连接件03可提前在隧道外完成制作，缩短隧道支护拱架在隧道内的施工时间，提升隧道支护拱架制造过程的连续性；另外，也可使主筋输送弯折机构1与中间件输送机构2同步工作，协调二者的工作速度，保证主筋02在完成弯折后中间连接件03恰好能够准确抵达预设位置；中间连接件03可以是蝴蝶筋、z字筋或三角筋等，在此不作限定。

再接着，控制机构控制固定连接机构3将处于预设位置的中间连接件03固定至受弯主筋02，主筋02与中间连接件03固连为一体，使主筋02与中间连接件03完成阶段性拼装；固定连接机构3可随主筋02移动，有利于进一步提升连续性；此外，主筋02通常固连有多个用于提升主筋02连接强度的中间连接件03，预设位置是指能够使主筋02连接强度达到最优的多个中间连接件03的最优设计位置；

最后，控制机构控制旋转导向机构4转动，旋转导向机构4引导固连有中间连接件03的主筋02贴紧于隧道内壁，如此循环往复，直至主筋02与中间连接件03拼装形成拱架主体5，从而实现连续地拼装隧道支护拱架；需指明的是，此处的固连方式优先焊接。

综上所述，隧道支护拱架的拼装过程能够通过控制机构实现自动拼装，无需人工参与，自动化程度高，拼装效率较高。因此，本发明所提供的隧道支护拱架制作系统能够实现高效、连续地拼装。

优选地，控制机构包括用于接收信号、处理信号及发送信号的控制器。为实现自动拼装，控制机构还包括分别与控制器相连的主筋长度检测装置、中间件检测装置和连接状态检测装置。

主筋长度检测装置用于检测主筋输送弯折机构1输出的受弯主筋02长度，主筋长度检测装置可以是长度检测传感器或激光测距传感器等，优选设于主筋输送弯折机构1的出口。当主筋长度检测装置检测到受弯主筋02的输出长度达到预设长度时，控制器根据主筋长度检测装置反馈的信号启动中间件输送机构2输送中间连接件03，并控制主筋输送弯折机构1停止动作，从而实现主筋02的自动输送、自动弯折，并为连续输送中间连接件03做准备。

受弯主筋02的输出长度达到预设长度意味着需在预设长度处放置中间连接件03，通过主筋长度检测装置准确地判断出预设位置。

中间件检测装置用于检测中间连接件03是否到达预设位置，中间件检测装置可以是行程开关或障碍物检测传感器等。当中间件检测装置检测到中间连接件03抵达至预设位置时，控制器根据中间件检测装置发送的信号启动固定连接机构3连接中间连接件03和主筋02，并控制中间件输送机构2停止动作，使主筋02与中间连接件03在预设位置处实现自动连接。

连接状态检测装置用于检测主筋02与中间连接件03连接状态，连接状态检测装置可以是摄像头或相机等图像处理装置，或其他类型检测装置，在此不作具体限定。当连接状态检测装置检测到中间连接件03与主筋02固连为一体时，控制器根据连接状态检测装置发送的信号控制旋转导向机构4转动，使旋转导向机构4实现自动旋转，同时启动主筋输送弯折机构1，以便自动输送并弯折下一段主筋02。如此循环往复，连续运转，自动形成拱架主体5，制作过程自动化程度高；同时能够实现边开挖边形成拱架主体5，安全性较高，降低施工过程中塌方的风险，安全性随之有所提升。

优选地，控制机构还包括与控制器相连的围岩扫描装置和与控制器相连的显示面板，在制作隧道支护拱架之前，先利用围岩扫面装置扫描待挖隧道，以获取待挖隧道的地质结构及内径参数等关键参数，围岩扫面装置将所获取的关键参数反馈至控制器，显示面板显示关键参数，从而方便施工人员准确选用旋转导向机构4，并调节旋转导向机构4的移动轨迹，以保证拱架主体5能够与隧道内壁相贴合，同时通过关键参数确定拱架主体5的类型、中间连接件03的预设位置等，以便形成具有适当节距的螺旋状拱架，从而保证拱架主体5具有足够的强度支撑待挖隧道。

优选地，控制机构还包括用于检测主机01转速的主机转速检测装置和用于检测旋转导向机构4转速的拱架转速检测装置，主机转速检测装置和拱架转速检测装置均可优选为旋转编码器，但不限于此。主机转速检测装置和拱架转速检测装置均与控制器相连，控制器根据主机转速检测装置和拱架转速检测装置同步反馈的信号调节旋转导向机构4的转速，使旋转导向机构4的转速与主机01的转速相匹配，以使拱架主体5呈螺旋状，从而形成螺旋式格栅拱架。当然，通过改变旋转导向机构4的转速与主机01的转速比值，能够获取不同类型的拱架。

为提升拱架主体5的支撑强度，本发明还包括用于将加强板04固定至拱架主体5的加强板固定机构。由于隧道支护拱架常用于不同的地质结构中，不同地质结构的隧道通常需不同强度的隧道支护拱架。例如，对于涌水及泥沙地层，拱架主体5需增设加强板04，其中加强板04优选为设于拱架主体5顶部外周的防护钢板；对于软岩地层，加强板04优选为安装于拱架主体5顶部外周的支护钢管，以沿轴向连接拱架主体5，支护钢管的设置可承受拱架主体5因围岩收敛引起的形变，提供柔性变量，有效降低拱架主体5发生变形。

优选地，在该具体实施例中，加强板固定机构包括用于存储加强板04的加强板存储装置和分别与控制器相连的加强板固定装置和加强板转移装置，相应地，控制机构还包括设于拱架主体5且与控制器相连的压力检测装置，以便压力检测装置检测拱架主体5所承受的压力；在拱架主体5的压力小于预设压力时，控制器根据压力检测装置发送的信号控制加强板转移装置将加强板04转移至拱架主体5，并接着控制加强板固定装置将加强板04固定至拱架主体5，从而实现自动安装加强板04，进而自动改善拱架主体5的强度，制造过程连续性强，且施工效率也能得到进一步的提升。

优选地，主筋输送弯折机构1包括主筋输送装置11、第一弯折装置12和第二弯折装置13。主筋输送装置11固定于主机01上，能够沿隧道的轴向输送主筋02。为使若干根主筋02实现同步弯折，主筋输送装置11包括若干用于拼接主筋02并沿隧道轴向错开分布的主筋输送架，具体地，每个主筋输送架设有若干组用于引导若干主筋02沿一定形状输送的导向轮，例如，在实施例中，四根主筋02呈正方形状布置，并以正方形状被主筋输送装置11输送。每组导向轮沿隧道的径向错开分布。第一弯折装置12设于主筋输送装置11的出口，用于弯折主筋输送装置11输出的主筋02，使经初次弯折的若干主筋02能够同时沿隧道的径向延伸。第二弯折装置13设于第一弯折装置12出口，用于弯折第一弯折装置12输出的主筋02，使经二次弯折后的若干主筋02能够同时沿隧道周向延伸，方便弯折后的主筋02进入旋转导向机构4，从而实现主筋02的弯折。

考虑到顺利输送中间连接件03，优选地，中间件输送机构2包括中间件收集装置、中间件输送装置和中间件推送装置，但中间件输送机构2的结构不限于此。

中间件收集装置能够用于收集已制作成型的中间连接件03，中间件收集装置包括输送带和若干设于输送带并利用若干挡板隔成以盛放中间连接件03的中间件存储槽。

中间件输送装置能够用于沿隧道径向输送中间连接件03，直至将中间连接件03输送至预设位置。中间件输送装置优选带式输送机，但不限于此。为防止中间连接件03在输送过程中坠落，中间件输送装置设有用于限定中间连接件03位置的中间件限位装置，具体地，中间件限位装置包括对称地设于中间件输送装置两侧的卡爪，卡爪包括能够实现张开和闭合的卡齿，在输送中间连接件03的过程中，卡齿始终夹紧中间连接件03，以防中间连接件03坠落，有利于提升安全性。当然，采用其他类型的中间件限位装置并影响实现本发明的目的。

中间件推送装置设于中间件收集装置与中间件输送装置之间，便于将中间件收集装置所收集的中间连接件03推送至中间件输送装置，从而实现中间连接件03的输送。具体地，中间件推送装置具体为活塞杆固设有推动臂的气缸或液压缸，在此不作具体限定。

优选地，固定连接机构3具体为固设于主机01上的六自由度焊接机器人，以便采用熔焊的形式将中间连接件03焊接至主筋02上。固定连接机构3还可具体为设于旋转导向机构4且沿旋转导向机构4滑动的电阻焊接压枪31，以便采用压焊的方式固连中间连接件03和主筋02。为支撑电阻焊接压枪31移动，固定连接机构3还包括卡接于旋转导向机构4以驱动电阻焊接压枪31沿旋转导向机构4移动的电焊牵引架32，电阻焊接压枪31对称布置于电焊牵引架32的两侧，以便从旋转导向机构4两侧同时焊接中间连接件03，有效缩短焊接时间，并同时减小占用空间。

优选地，旋转导向机构4包括用于引导主筋02沿隧道周向延伸的旋转导向架41和旋转驱动装置，旋转导向架41设有套于主筋02外周的导向牵引块411，以便固定主筋02，同时用于防止冷弯后的主筋02发生回弹或变形，对主筋02的分布进一步起到导向作用。

旋转驱动装置分别与旋转导向架41、主筋长度检测装置和控制器相连，用于驱动旋转导向架41转动。当主筋长度检测装置检测到受弯主筋02的输出长度达到预设长度时，控制器控制主筋输送弯折机构1停止动作同时控制旋转驱动装置停止运转，意味着旋转导向架41与主筋输送弯折机构1同步动作，防止主筋02被过渡挤压或拉伸。

优选地，本发明还包括用于连接相邻两根主筋02的主筋连接机构6，使主筋02实现连续输送，并克服因主筋02长度不一致而导致主筋02连接不充分的问题。为实现自动连接主筋02，在该具体实施例中，主筋连接机构6包括主筋供给装置和与控制器相连的转动连接件，转动连接件包括用于连接相邻两根主筋02的螺纹连接套，相应地，控制机构还包括与控制器相连以检测主筋输送架所剩主筋02长度的剩余长度检测装置。当主筋02的剩余长度达到预设剩余长度时，控制器根据剩余长度检测装置发送的信号启动主筋供给装置供给主筋02，并接着控制转动连接件转动连接主筋输送架所输送的主筋02与主筋供给装置所供应的主筋02，从而实现主筋02的自动连接，制作过程连续性更佳，施工效率更高。

请参考图7，图7为本发明一种具体实施方式所提供的隧道支护拱架制作方法的流程图。

本发明还提供一种隧道支护拱架制作方法，包括如下步骤：

s1、控制机构控制主筋输送弯折机构输送并弯折主筋；

s2、控制机构控制中间件输送机构将成型的中间连接件输送至受弯主筋的预设位置；

s3、控制机构控制固定连接机构将处于预设位置的中间连接件固定至受弯主筋；

s4、控制机构控制旋转导向机构引导固连有中间连接件的主筋贴紧于隧道内壁；

s5、即循环步骤s1至s4直至拼装出拱架主体。

本发明还包括在拱架主体与隧道内壁之间喷射混凝土，将拱架主体固定至隧道内壁，当然，隧道恶施工方法可具体参照现有技术，不再赘述。

以上对本发明所提供的隧道支护拱架制作系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。