本發(fā)明涉及一種地下工程支護(hù)拱架縱向定位連接裝置及施工方法。

背景技術(shù)：

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，地下工程的建設(shè)越來越得到重視。隨著建設(shè)規(guī)模和速度的迅猛發(fā)展，地下工程初期支護(hù)的施工速度及施工安全性得到了廣泛的關(guān)注，為此拱架的機(jī)械化作業(yè)成為了亟需解決的關(guān)鍵性技術(shù)。傳統(tǒng)的拱架縱向連接方式多采用三點(diǎn)放樣法，通過全站儀對隧道斷面拱頂、兩側(cè)拱腳進(jìn)行測量放樣，確定隧道拱架的高程及安裝位置，然后通過人工焊接連接鋼筋進(jìn)行拱架固定。雖然在近年來的工程實(shí)踐中，人們針對地下工程拱架縱向安裝定位連接裝置做了很多工作，但是由于條件限制，目前沒有一種方法能夠切實(shí)有效地解決拱架快速定位問題。

傳統(tǒng)的地下工程支護(hù)拱架定位安裝方法主要存在以下缺點(diǎn)：

(1)增加施工工序，量測精度低。每一循環(huán)的拱架安裝均需進(jìn)行一次隧道量測放樣，增加了施工周期，且現(xiàn)場量測受限于上次量測結(jié)果及現(xiàn)場環(huán)境等因素，測量精度難以保證；

(2)施工速度慢，安全性差。拱架縱向連接時(shí)，需要大量工人進(jìn)行現(xiàn)場焊接，施工速度慢，效率低，且在不完全支護(hù)空間進(jìn)行施工時(shí)，存在一定不安全因素。

(3)適用范圍有限?，F(xiàn)有拱架定位連接方式難以配合拱架的機(jī)械化現(xiàn)場，拱架上部定位裝置完成定位后，下部連接桿往往偏離預(yù)定安裝位置，難以實(shí)現(xiàn)拱架定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種地下工程支護(hù)拱架縱向定位連接裝置及施工方法，地下工程支護(hù)拱架施工過程中，在確定上一榀拱架位置后，利用本發(fā)明的縱向定位連接裝置可以實(shí)現(xiàn)對第二榀拱架進(jìn)行快速、準(zhǔn)確定位，以解決拱架定位占用時(shí)間過長，精度不高和人員浪費(fèi)等問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種地下工程支護(hù)拱架縱向定位連接裝置，包括連接桿、第一固定裝置和第二固定裝置，其中，所述連接桿的一端為球形圓頭，球形圓頭上設(shè)置有第一螺紋孔；另一端為膨大結(jié)構(gòu)；

第一固定裝置提供用于卡合固定所述膨大結(jié)構(gòu)的卡合結(jié)構(gòu)，卡合結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑小于膨大結(jié)構(gòu)的外徑；

第二固定裝置為由殼體圍成的端部開口的中空結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)整體對稱分為兩半，且其中一半殼體上設(shè)置有與球形圓頭上的第一螺紋孔配合的第二螺紋孔，球形圓頭的直徑大于中空結(jié)構(gòu)端部的內(nèi)徑，且小于中空結(jié)構(gòu)主體部分的內(nèi)徑；

使用時(shí)，將多組縱向定位連接裝置的第一固定裝置和第二固定裝置焊接在已安裝拱架和待安裝拱架上，并將連接桿的兩端分別卡合在第一固定裝置和第二固定裝置上，調(diào)節(jié)好待安裝拱架的位置，將螺栓旋入第一螺紋孔和第二螺紋孔，將連接桿和待安裝拱架之間進(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)待安裝拱架的定位。

連接桿的一端為膨大結(jié)構(gòu)，即為連接桿的端部直徑大于其主體直徑。當(dāng)?shù)谝还潭ㄑb置的卡合結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑小于膨大結(jié)構(gòu)的外徑時(shí)，膨大結(jié)構(gòu)卡合在卡合結(jié)構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)連接，而且可以在外界的作用力下，保證連接的穩(wěn)定性。

球形圓頭，是指端部為球形結(jié)構(gòu)、類球形結(jié)構(gòu)或包括球形結(jié)構(gòu)的一部分的結(jié)構(gòu)。由于球形圓頭的直徑處處相等，且外表面較為光滑，球形圓頭可以在容納腔中旋轉(zhuǎn)，而不會(huì)受到容納腔形狀的太大限制。

連接桿的球形圓頭可以卡合在第二固定裝置中，由于球形圓頭可以在第二固定裝置中旋轉(zhuǎn)，所以可以調(diào)整連接桿與第二固定裝置的相對位置，不但可以方便連接桿的安裝，還方便待安裝拱架的位置的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確定位。

由于連接桿的膨大結(jié)構(gòu)與第一固定裝置活動(dòng)安裝，所以連接桿可以相對于第一固定裝置旋轉(zhuǎn)；將球形圓頭卡合在第二固定裝置中，調(diào)整好拱架的位置后，旋轉(zhuǎn)連接桿，調(diào)整球形圓頭與第二固定裝置的相對位置，使球形圓頭的第一螺紋孔和第二固定裝置的殼體上的第二螺紋孔相對，將螺栓插入螺紋孔以后，就可以實(shí)現(xiàn)球形圓頭與第二固定裝置的固定連接。

優(yōu)選的，焊接在同一拱架上的第一固定裝置和第二固定裝置同軸安裝。

當(dāng)?shù)谝还潭ㄑb置和第二固定裝置同軸安裝時(shí)，只要地面是平整的、拱架的規(guī)格相等，安裝完畢后，同一位置處的連接桿應(yīng)該在同一直線上，這樣才能實(shí)現(xiàn)拱架的準(zhǔn)確定位安裝。

優(yōu)選的，所述卡合結(jié)構(gòu)為軸承夾。

由于軸承夾的夾持位置開口，可以發(fā)生一定的彈性形變，進(jìn)而容許膨大結(jié)構(gòu)的插入，膨大結(jié)構(gòu)插入后，夾持部位彈性回復(fù)，將膨大部位卡住，防止膨大部位的脫離，軸承夾為實(shí)現(xiàn)膨大結(jié)構(gòu)與第一固定裝置的活動(dòng)連接提供了可能。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一固定裝置還包括喇叭狀導(dǎo)向管，導(dǎo)向管的小徑端與軸承夾的入口端固定連接。

由于喇叭狀是縮徑結(jié)構(gòu)，包括小徑端和大徑端，其中的小徑端是指半徑較小的一端。由于連接桿是需要在拱架安裝設(shè)備的夾持下安裝到軸承夾中的，軸承夾的開口較小，受限于機(jī)械操作的精度，可能較難實(shí)現(xiàn)將連接桿準(zhǔn)確地插入軸承夾中。喇叭狀導(dǎo)向管可以擴(kuò)大軸承夾的入口處的開口，使連接桿可以較為準(zhǔn)確地插入導(dǎo)向管中，在連接桿的插入過程中，導(dǎo)向管的內(nèi)壁提供支持力，使連接桿的膨大結(jié)構(gòu)向軸承夾的開口運(yùn)動(dòng)，提高了安裝的速度。

優(yōu)選的，所述第一固定裝置中的喇叭狀導(dǎo)向管后部的圓柱部分為中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與帶有外螺紋的螺紋固定管配合，螺紋固定管焊接在拱架上，實(shí)現(xiàn)第一固定裝置的固定。

螺紋固定管的體積較小，方便焊接，螺紋固定管焊接完成后，再將第一固定裝置通過螺紋安裝在螺紋固定管上，可以更快捷地實(shí)現(xiàn)第一固定裝置的安裝。

優(yōu)選的，所述連接桿的膨大部分是環(huán)狀凸起，環(huán)狀凸起的外徑大于卡合結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述環(huán)狀凸起與連接桿的主體部分之間還設(shè)置有環(huán)形凹槽。

軸承夾卡合在環(huán)形凹槽中，阻止了連接桿的軸向移動(dòng)，更精確實(shí)現(xiàn)拱架的定位安裝。

優(yōu)選的，所述連接桿主體與球形圓頭之間設(shè)置有縮徑段，球形圓頭端的連接桿的直徑小于連接桿主體的直徑。

優(yōu)選的，第二固定裝置的中空結(jié)構(gòu)為圓柱形中空結(jié)構(gòu)。

一種拱架定位連接系統(tǒng)，包括若干個(gè)并列連接的拱架，相鄰拱架之間連接有若干組縱向定位連接裝置，若干組縱向定位裝置分布在相鄰拱架的拱頂和拱腰處，且連接在拱架相同位置處的縱向定位連接裝置在同一直線上。

優(yōu)選的，所述拱架包括常規(guī)方鋼、圓鋼、工字鋼和U型鋼拱架以及相對應(yīng)的約束混凝土拱架。

優(yōu)選的，相鄰拱架的拱頂上對稱連接有兩組縱向定位連接裝置，兩側(cè)拱腰上各連接有一組縱向定位連接裝置。

利用上述縱向定位連接裝置進(jìn)行拱架施工的方法，包括如下步驟：

1)在已安裝拱架的設(shè)定位置處焊接第一固定裝置的螺紋固定管，然后將帶有軸承夾的喇叭狀導(dǎo)向管安裝在固定管上，至少在拱頂和兩側(cè)拱腰處各焊接一組第一固定裝置；

2)將第二固定裝置的兩部分對稱中空結(jié)構(gòu)包裹住連接桿的球形圓頭，然后將包含球形圓頭的固定裝置焊接在待安裝拱架的設(shè)定位置處，第二固定裝置與第一固定裝置的焊接位置相對應(yīng)；

3)在待安裝拱架的拱頂處的第二固定裝置和球形圓頭的螺紋孔中插入螺栓，對連接桿與待安裝拱架之間進(jìn)行固定，其他位置處的第二固定裝置內(nèi)可不插入緊固螺栓，以方便現(xiàn)場拼接；

4)開動(dòng)拱架安裝機(jī)械設(shè)備抓舉并移動(dòng)待安裝拱架，使拱頂處連接桿的膨大結(jié)構(gòu)插入已安裝拱架的拱頂處第一固定裝置中，實(shí)現(xiàn)拱頂處拱架的縱向連接；

5)利用球形圓頭的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整連接桿的角度，配合拱架安裝機(jī)械進(jìn)行其余連接桿的連接，實(shí)現(xiàn)待安裝拱架的精確快速定位連接；

重復(fù)上述步驟完成其余拱架的定位連接；只要不影響安裝，以上步驟可互換。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)定位方便靈活，縮短施工周期。應(yīng)用該裝置，僅需移動(dòng)拱架對準(zhǔn)并插入第一固定裝置中即可實(shí)現(xiàn)拱架縱向連接及精確定位，大大節(jié)省施工時(shí)間，提高施工安全性。

(2)安裝精度高，球頭圓頭的設(shè)計(jì)使得連接桿可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，方便連接桿的連接，提高了施工精度；

(3)適用范圍廣，該裝置適用于任何截面、類型的鋼拱架，尤其適用于機(jī)械化安裝拱架的現(xiàn)場施工。

附圖說明

圖1是第二固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是第一固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)是軸承夾的主視圖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(b)是軸承夾的側(cè)視圖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是連接桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是連接桿與第一固定裝置裝配完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是第一固定裝置和第二固定裝置在拱架中安裝位置示意圖；

圖7是該縱向定位連接裝置在約束混凝土拱架中的位置示意圖。

圖中，1、第二固定裝置；2、第一固定裝置；3、軸承夾；4、螺紋固定管；5、球形圓頭；6、連接桿；7、凹槽；8、膨大端頭；9、拱架；10、拱頂處第一縱向定位連接裝置；11、拱頂處第二縱向定位連接裝置；12、拱腰處第一縱向定位連接裝置；13、拱腰處第二縱向定位連接裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖5和圖6所示，一種地下工程支護(hù)拱架定位連接裝置，包括第二固定裝置1、連接桿6、第一固定裝置2、螺紋固定管4和軸承夾3。第二固定裝置1與第一固定裝置2分別焊接在拱架9側(cè)面的兩側(cè)，且共軸設(shè)置。連接桿6尾部連接已完成拼裝的拱架9的第一定位固定裝置2，頭部連接正在拼裝拱架9的第二固定裝置1，完成正在拼裝拱架9與已拼裝完成拱架9之間的定位、固定，從而實(shí)現(xiàn)拱架9的快速定位拼裝。

所述的第二固定裝置1和第一固定裝置2焊接在拱架9兩側(cè)的中心位置，且兩者共軸安裝，成對出現(xiàn)。

如圖1所示，第二固定裝置1為焊接在拱架9上的中空的圓柱體，且中空圓柱體的端頭內(nèi)徑小于主體部分，該處的端頭是指第二固定裝置1遠(yuǎn)離拱架9的一端，連接桿6通過該端頭與第二固定裝置1進(jìn)行連接。第二固定裝置1沿軸向?qū)ΨQ分為兩半，其中一半柱體上設(shè)有螺紋孔，該螺紋孔與球形圓頭上的螺紋孔配合，將螺栓旋入兩者的螺紋孔，便可以將連接桿與第二固定裝置1的相對位置進(jìn)行固定。

由于第二固定裝置1的作用是實(shí)現(xiàn)與球形圓頭5的連接，所以，中空部分的形狀并沒有嚴(yán)格的限定，可以為圓柱形、球形、橢球形，以及其他的形狀，只要球形圓頭5在該中空腔室中可以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

由于球形圓頭5的直徑大于第二固定裝置1的端頭處的內(nèi)徑，且拱架9的材質(zhì)屬于剛性材質(zhì)，很難發(fā)生形變，即球形圓頭5單單從端頭處塞入第二固定裝置絞為困難。所以，將第二固定裝置1設(shè)置成對分結(jié)構(gòu)，將球形圓頭5放置于第二固定裝置1的兩部分之間以后，將這兩部分焊接，即可實(shí)現(xiàn)球形圓頭5與第一固定裝置1的連接。

如圖2所示，所述第一固定裝置2包括內(nèi)部的螺紋固定管4和外部的喇叭狀導(dǎo)向固定裝置2，喇叭狀導(dǎo)向固定裝置2的小徑端為中空的柱狀結(jié)構(gòu)，中空柱狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)螺紋，螺紋固定管4設(shè)置有外螺紋，外螺紋與內(nèi)螺紋配合，將喇叭狀導(dǎo)向固定裝置2與螺紋固定管4連接。將螺紋固定管4的一端焊接在拱架9上，再將喇叭狀導(dǎo)向固定裝置2擰在螺紋固定管4上，實(shí)現(xiàn)了第一固定裝置2的安裝。

喇叭狀導(dǎo)向固定裝置2與螺紋固定管4之間安裝軸承夾3。軸承夾3的結(jié)構(gòu)如圖3(a)和圖3(b)所示，軸承夾3包括環(huán)形支撐部和周向分布的六段夾持部，相鄰?qiáng)A持部之間留有一定間隙，六段夾持部向環(huán)形支撐部的同一側(cè)凸出，構(gòu)成類似喇叭狀的結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)徑較大的一端為軸承夾3的入口，連接桿6的膨大結(jié)構(gòu)從入口端插入，并被夾持部卡合安裝。

如圖4為連接桿6的結(jié)構(gòu)示意圖，從左到右依次為球形圓頭5、連接桿主體、凹槽7和膨大端頭8，凹槽7的外徑小于連接桿6主體的外徑，膨大端頭8的外徑大于凹槽7的外徑。球形圓頭5用于與第二固定裝置1的連接，膨大端頭8插入第一固定裝置2的軸承夾3中，軸承夾3的夾持部抵住凹槽7的內(nèi)壁，防止連接桿6從第一固定裝置2中脫落，實(shí)現(xiàn)牢固連接。

凹槽7為環(huán)形凹槽，實(shí)現(xiàn)凹槽內(nèi)壁的受力均勻。

球形圓頭5上設(shè)置有螺紋孔，螺紋孔的設(shè)置方向大體垂直于連接桿6的軸線，第二固定裝置上的螺紋孔也大體垂直于其軸線，將兩者的螺紋孔對齊，便可以將兩者的相對位置進(jìn)行固定。

膨大端頭8的作用是卡合在軸承夾3中，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)連接，所以對膨大端頭8的形狀沒有特殊限制，如膨大端頭8可以為環(huán)狀的凸起，也可以是圓臺(tái)狀凸起，甚至可以為其他不規(guī)則形狀的膨大，為了便于加工和實(shí)際工程操作，優(yōu)選為圓臺(tái)形端頭。

連接桿主體與球形圓頭5連接的是縮徑段，圖4中，從右到左縮徑段的外徑逐漸減小。

該縮徑段的設(shè)置可以使球形圓頭3的直徑不至于太大，便于實(shí)際的施工操作，同時(shí)還可以保證連接桿6具有足夠的直徑，進(jìn)而保證足夠的連接強(qiáng)度。

利用該縱向定位連接裝置進(jìn)行拱架施工的方法，包括如下步驟：

第一步，提前在拱架9的設(shè)定位置焊接第一固定裝置2的螺紋固定管4，然后將帶有軸承夾3的第一固定裝置2安裝在螺紋固定管4上，完成第一固定裝置2的安裝。

第二步，拱架9架設(shè)前，連接桿6的球形圓頭5放在第二固定裝置1的對分的兩部分之間，使連接桿6從第二固定裝置1的端部穿出，將這兩部分合并后焊接成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)連接桿6與第二固定裝置1的連接。

第三步，將帶有連接桿6的第二固定裝置1的尾部(與端部相對的一端)焊接在拱架9的既定位置(拱頂、拱腰或拱腳)上，在拱頂兩側(cè)對稱安裝拱頂處第一縱向定位連接裝置10和拱頂處第二縱向定位連接裝置11，這兩個(gè)位置處的球形圓頭5與第二固定裝置1的螺紋孔內(nèi)擰入螺栓進(jìn)行固定，其他位置處的球形圓頭5不進(jìn)行螺栓固定(如圖7中，拱腰處第一縱向定位連接裝置12和拱腰處第二縱向定位連接裝置13的球形圓頭5不進(jìn)行螺栓固定)；

第四步，利用拱架安裝機(jī)械設(shè)備抓舉并移動(dòng)拱架9，控制拱頂處連接桿前端的端頭插入前一榀拱架第一固定裝置2內(nèi)部的軸承夾3，實(shí)現(xiàn)拱架拱頂處縱向連接。

第五步，利用球形圓頭5控制拱架連接桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，配合拱架安裝機(jī)械進(jìn)行其余連接桿的定位連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拱架的縱向定位連接；

第六步，拱架定位完成后，旋轉(zhuǎn)連接桿6，使球形圓頭5的螺紋孔與第二固定裝置1的螺紋孔對齊，擰緊螺栓進(jìn)行固定，然后將拱架固定在隧道壁上。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。