一种地下工程支护拱架纵向定位连接装置及施工方法与流程

本发明涉及一种地下工程支护拱架纵向定位连接装置及施工方法。

背景技术：

随着我国基础设施建设的不断发展，地下工程的建设越来越得到重视。随着建设规模和速度的迅猛发展，地下工程初期支护的施工速度及施工安全性得到了广泛的关注，为此拱架的机械化作业成为了亟需解决的关键性技术。传统的拱架纵向连接方式多采用三点放样法，通过全站仪对隧道断面拱顶、两侧拱脚进行测量放样，确定隧道拱架的高程及安装位置，然后通过人工焊接连接钢筋进行拱架固定。虽然在近年来的工程实践中，人们针对地下工程拱架纵向安装定位连接装置做了很多工作，但是由于条件限制，目前没有一种方法能够切实有效地解决拱架快速定位问题。

传统的地下工程支护拱架定位安装方法主要存在以下缺点：

(1)增加施工工序，量测精度低。每一循环的拱架安装均需进行一次隧道量测放样，增加了施工周期，且现场量测受限于上次量测结果及现场环境等因素，测量精度难以保证；

(2)施工速度慢，安全性差。拱架纵向连接时，需要大量工人进行现场焊接，施工速度慢，效率低，且在不完全支护空间进行施工时，存在一定不安全因素。

(3)适用范围有限。现有拱架定位连接方式难以配合拱架的机械化现场，拱架上部定位装置完成定位后，下部连接杆往往偏离预定安装位置，难以实现拱架定位。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种地下工程支护拱架纵向定位连接装置及施工方法，地下工程支护拱架施工过程中，在确定上一榀拱架位置后，利用本发明的纵向定位连接装置可以实现对第二榀拱架进行快速、准确定位，以解决拱架定位占用时间过长，精度不高和人员浪费等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地下工程支护拱架纵向定位连接装置，包括连接杆、第一固定装置和第二固定装置，其中，所述连接杆的一端为球形圆头，球形圆头上设置有第一螺纹孔；另一端为膨大结构；

第一固定装置提供用于卡合固定所述膨大结构的卡合结构，卡合结构的内径小于膨大结构的外径；

第二固定装置为由壳体围成的端部开口的中空结构，该结构整体对称分为两半，且其中一半壳体上设置有与球形圆头上的第一螺纹孔配合的第二螺纹孔，球形圆头的直径大于中空结构端部的内径，且小于中空结构主体部分的内径；

使用时，将多组纵向定位连接装置的第一固定装置和第二固定装置焊接在已安装拱架和待安装拱架上，并将连接杆的两端分别卡合在第一固定装置和第二固定装置上，调节好待安装拱架的位置，将螺栓旋入第一螺纹孔和第二螺纹孔，将连接杆和待安装拱架之间进行固定，实现待安装拱架的定位。

连接杆的一端为膨大结构，即为连接杆的端部直径大于其主体直径。当第一固定装置的卡合结构的内径小于膨大结构的外径时，膨大结构卡合在卡合结构中，可以实现活动连接，而且可以在外界的作用力下，保证连接的稳定性。

球形圆头，是指端部为球形结构、类球形结构或包括球形结构的一部分的结构。由于球形圆头的直径处处相等，且外表面较为光滑，球形圆头可以在容纳腔中旋转，而不会受到容纳腔形状的太大限制。

连接杆的球形圆头可以卡合在第二固定装置中，由于球形圆头可以在第二固定装置中旋转，所以可以调整连接杆与第二固定装置的相对位置，不但可以方便连接杆的安装，还方便待安装拱架的位置的调整，实现快速、准确定位。

由于连接杆的膨大结构与第一固定装置活动安装，所以连接杆可以相对于第一固定装置旋转；将球形圆头卡合在第二固定装置中，调整好拱架的位置后，旋转连接杆，调整球形圆头与第二固定装置的相对位置，使球形圆头的第一螺纹孔和第二固定装置的壳体上的第二螺纹孔相对，将螺栓插入螺纹孔以后，就可以实现球形圆头与第二固定装置的固定连接。

优选的，焊接在同一拱架上的第一固定装置和第二固定装置同轴安装。

当第一固定装置和第二固定装置同轴安装时，只要地面是平整的、拱架的规格相等，安装完毕后，同一位置处的连接杆应该在同一直线上，这样才能实现拱架的准确定位安装。

优选的，所述卡合结构为轴承夹。

由于轴承夹的夹持位置开口，可以发生一定的弹性形变，进而容许膨大结构的插入，膨大结构插入后，夹持部位弹性回复，将膨大部位卡住，防止膨大部位的脱离，轴承夹为实现膨大结构与第一固定装置的活动连接提供了可能。

进一步优选的，所述第一固定装置还包括喇叭状导向管，导向管的小径端与轴承夹的入口端固定连接。

由于喇叭状是缩径结构，包括小径端和大径端，其中的小径端是指半径较小的一端。由于连接杆是需要在拱架安装设备的夹持下安装到轴承夹中的，轴承夹的开口较小，受限于机械操作的精度，可能较难实现将连接杆准确地插入轴承夹中。喇叭状导向管可以扩大轴承夹的入口处的开口，使连接杆可以较为准确地插入导向管中，在连接杆的插入过程中，导向管的内壁提供支持力，使连接杆的膨大结构向轴承夹的开口运动，提高了安装的速度。

优选的，所述第一固定装置中的喇叭状导向管后部的圆柱部分为中空结构，中空结构内部设置内螺纹，内螺纹与带有外螺纹的螺纹固定管配合，螺纹固定管焊接在拱架上，实现第一固定装置的固定。

螺纹固定管的体积较小，方便焊接，螺纹固定管焊接完成后，再将第一固定装置通过螺纹安装在螺纹固定管上，可以更快捷地实现第一固定装置的安装。

优选的，所述连接杆的膨大部分是环状凸起，环状凸起的外径大于卡合结构的内径。

进一步优选的，所述环状凸起与连接杆的主体部分之间还设置有环形凹槽。

轴承夹卡合在环形凹槽中，阻止了连接杆的轴向移动，更精确实现拱架的定位安装。

优选的，所述连接杆主体与球形圆头之间设置有缩径段，球形圆头端的连接杆的直径小于连接杆主体的直径。

优选的，第二固定装置的中空结构为圆柱形中空结构。

一种拱架定位连接系统，包括若干个并列连接的拱架，相邻拱架之间连接有若干组纵向定位连接装置，若干组纵向定位装置分布在相邻拱架的拱顶和拱腰处，且连接在拱架相同位置处的纵向定位连接装置在同一直线上。

优选的，所述拱架包括常规方钢、圆钢、工字钢和U型钢拱架以及相对应的约束混凝土拱架。

优选的，相邻拱架的拱顶上对称连接有两组纵向定位连接装置，两侧拱腰上各连接有一组纵向定位连接装置。

利用上述纵向定位连接装置进行拱架施工的方法，包括如下步骤：

1)在已安装拱架的设定位置处焊接第一固定装置的螺纹固定管，然后将带有轴承夹的喇叭状导向管安装在固定管上，至少在拱顶和两侧拱腰处各焊接一组第一固定装置；

2)将第二固定装置的两部分对称中空结构包裹住连接杆的球形圆头，然后将包含球形圆头的固定装置焊接在待安装拱架的设定位置处，第二固定装置与第一固定装置的焊接位置相对应；

3)在待安装拱架的拱顶处的第二固定装置和球形圆头的螺纹孔中插入螺栓，对连接杆与待安装拱架之间进行固定，其他位置处的第二固定装置内可不插入紧固螺栓，以方便现场拼接；

4)开动拱架安装机械设备抓举并移动待安装拱架，使拱顶处连接杆的膨大结构插入已安装拱架的拱顶处第一固定装置中，实现拱顶处拱架的纵向连接；

5)利用球形圆头的转动调整连接杆的角度，配合拱架安装机械进行其余连接杆的连接，实现待安装拱架的精确快速定位连接；

重复上述步骤完成其余拱架的定位连接；只要不影响安装，以上步骤可互换。

本发明的有益效果为：

(1)定位方便灵活，缩短施工周期。应用该装置，仅需移动拱架对准并插入第一固定装置中即可实现拱架纵向连接及精确定位，大大节省施工时间，提高施工安全性。

(2)安装精度高，球头圆头的设计使得连接杆可以在一定范围内转动，方便连接杆的连接，提高了施工精度；

(3)适用范围广，该装置适用于任何截面、类型的钢拱架，尤其适用于机械化安装拱架的现场施工。

附图说明

图1是第二固定装置结构示意图；

图2是第一固定装置结构示意图；

图3(a)是轴承夹的主视图结构示意图；

图3(b)是轴承夹的侧视图结构示意图；

图4是连接杆的结构示意图；

图5是连接杆与第一固定装置装配完成后的结构示意图；

图6是第一固定装置和第二固定装置在拱架中安装位置示意图；

图7是该纵向定位连接装置在约束混凝土拱架中的位置示意图。

图中，1、第二固定装置；2、第一固定装置；3、轴承夹；4、螺纹固定管；5、球形圆头；6、连接杆；7、凹槽；8、膨大端头；9、拱架；10、拱顶处第一纵向定位连接装置；11、拱顶处第二纵向定位连接装置；12、拱腰处第一纵向定位连接装置；13、拱腰处第二纵向定位连接装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图5和图6所示，一种地下工程支护拱架定位连接装置，包括第二固定装置1、连接杆6、第一固定装置2、螺纹固定管4和轴承夹3。第二固定装置1与第一固定装置2分别焊接在拱架9侧面的两侧，且共轴设置。连接杆6尾部连接已完成拼装的拱架9的第一定位固定装置2，头部连接正在拼装拱架9的第二固定装置1，完成正在拼装拱架9与已拼装完成拱架9之间的定位、固定，从而实现拱架9的快速定位拼装。

所述的第二固定装置1和第一固定装置2焊接在拱架9两侧的中心位置，且两者共轴安装，成对出现。

如图1所示，第二固定装置1为焊接在拱架9上的中空的圆柱体，且中空圆柱体的端头内径小于主体部分，该处的端头是指第二固定装置1远离拱架9的一端，连接杆6通过该端头与第二固定装置1进行连接。第二固定装置1沿轴向对称分为两半，其中一半柱体上设有螺纹孔，该螺纹孔与球形圆头上的螺纹孔配合，将螺栓旋入两者的螺纹孔，便可以将连接杆与第二固定装置1的相对位置进行固定。

由于第二固定装置1的作用是实现与球形圆头5的连接，所以，中空部分的形状并没有严格的限定，可以为圆柱形、球形、椭球形，以及其他的形状，只要球形圆头5在该中空腔室中可以实现自由转动即可。

由于球形圆头5的直径大于第二固定装置1的端头处的内径，且拱架9的材质属于刚性材质，很难发生形变，即球形圆头5单单从端头处塞入第二固定装置绞为困难。所以，将第二固定装置1设置成对分结构，将球形圆头5放置于第二固定装置1的两部分之间以后，将这两部分焊接，即可实现球形圆头5与第一固定装置1的连接。

如图2所示，所述第一固定装置2包括内部的螺纹固定管4和外部的喇叭状导向固定装置2，喇叭状导向固定装置2的小径端为中空的柱状结构，中空柱状结构的内部设置有内螺纹，螺纹固定管4设置有外螺纹，外螺纹与内螺纹配合，将喇叭状导向固定装置2与螺纹固定管4连接。将螺纹固定管4的一端焊接在拱架9上，再将喇叭状导向固定装置2拧在螺纹固定管4上，实现了第一固定装置2的安装。

喇叭状导向固定装置2与螺纹固定管4之间安装轴承夹3。轴承夹3的结构如图3(a)和图3(b)所示，轴承夹3包括环形支撑部和周向分布的六段夹持部，相邻夹持部之间留有一定间隙，六段夹持部向环形支撑部的同一侧凸出，构成类似喇叭状的结构，其中内径较大的一端为轴承夹3的入口，连接杆6的膨大结构从入口端插入，并被夹持部卡合安装。

如图4为连接杆6的结构示意图，从左到右依次为球形圆头5、连接杆主体、凹槽7和膨大端头8，凹槽7的外径小于连接杆6主体的外径，膨大端头8的外径大于凹槽7的外径。球形圆头5用于与第二固定装置1的连接，膨大端头8插入第一固定装置2的轴承夹3中，轴承夹3的夹持部抵住凹槽7的内壁，防止连接杆6从第一固定装置2中脱落，实现牢固连接。

凹槽7为环形凹槽，实现凹槽内壁的受力均匀。

球形圆头5上设置有螺纹孔，螺纹孔的设置方向大体垂直于连接杆6的轴线，第二固定装置上的螺纹孔也大体垂直于其轴线，将两者的螺纹孔对齐，便可以将两者的相对位置进行固定。

膨大端头8的作用是卡合在轴承夹3中，实现活动连接，所以对膨大端头8的形状没有特殊限制，如膨大端头8可以为环状的凸起，也可以是圆台状凸起，甚至可以为其他不规则形状的膨大，为了便于加工和实际工程操作，优选为圆台形端头。

连接杆主体与球形圆头5连接的是缩径段，图4中，从右到左缩径段的外径逐渐减小。

该缩径段的设置可以使球形圆头3的直径不至于太大，便于实际的施工操作，同时还可以保证连接杆6具有足够的直径，进而保证足够的连接强度。

利用该纵向定位连接装置进行拱架施工的方法，包括如下步骤：

第一步，提前在拱架9的设定位置焊接第一固定装置2的螺纹固定管4，然后将带有轴承夹3的第一固定装置2安装在螺纹固定管4上，完成第一固定装置2的安装。

第二步，拱架9架设前，连接杆6的球形圆头5放在第二固定装置1的对分的两部分之间，使连接杆6从第二固定装置1的端部穿出，将这两部分合并后焊接成一个整体，实现连接杆6与第二固定装置1的连接。

第三步，将带有连接杆6的第二固定装置1的尾部(与端部相对的一端)焊接在拱架9的既定位置(拱顶、拱腰或拱脚)上，在拱顶两侧对称安装拱顶处第一纵向定位连接装置10和拱顶处第二纵向定位连接装置11，这两个位置处的球形圆头5与第二固定装置1的螺纹孔内拧入螺栓进行固定，其他位置处的球形圆头5不进行螺栓固定(如图7中，拱腰处第一纵向定位连接装置12和拱腰处第二纵向定位连接装置13的球形圆头5不进行螺栓固定)；

第四步，利用拱架安装机械设备抓举并移动拱架9，控制拱顶处连接杆前端的端头插入前一榀拱架第一固定装置2内部的轴承夹3，实现拱架拱顶处纵向连接。

第五步，利用球形圆头5控制拱架连接杆的转动，配合拱架安装机械进行其余连接杆的定位连接，进而实现拱架的纵向定位连接；

第六步，拱架定位完成后，旋转连接杆6，使球形圆头5的螺纹孔与第二固定装置1的螺纹孔对齐，拧紧螺栓进行固定，然后将拱架固定在隧道壁上。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。