一种隧道断面管棚钻进施工装置及施工方法

1.本发明属于隧道施工设备技术领域，特别是涉及一种隧道断面管棚钻进施工装置及施工方法。


背景技术：

2.随着我国公路工程的快速发展，公路车流不断增加，对公路隧道的建设提出了更高的要求。可以预见，在今后的数十年里，高速公路隧道将会进入快速发展时代。与此同时，为满足我国交通运输能力的快速发展，我国的公路建设的规模也在不断的扩大。在快速发展的过程中，也需要对隧道建设质量进行把控，例如对隧道建设过程中在确保隧道快速建设的同时保证隧道施工的稳定性。
3.在隧道掌子面施工过程中，为了避免施工过程中发生坍塌等事故，会先利用钻探和现代物探等，探测隧道的岩土体开挖面前方的地质情况，根据探测结果，还会预先沿隧道掌子面钻入用于支撑的管棚结构，即进行管棚超前支护，打入的管棚结构能够做顶板及侧壁支撑，为后续的隧道开挖奠定了坚实的基础。对于隧道掌子面来说，管棚调整的角度主要根据探测出的隧道岩层情况决定，若岩层较稳定，一般垂直于隧道掌子面钻进管棚，若岩层较复杂，可将管棚进行微调角度，以使管棚钻入后发挥最大的支护作用。
4.然而现有的管棚施工采用了将钻头和管棚直接传动连接，驱动装置驱动管棚和钻头转动钻进，通过钻头直接带动管棚钻入隧道内，不能够根据隧道内的土层结构提前定位管棚的钻入角度。若需要调整角度，只能根据人工目测来移动整体安装基础，但人工调整角度的准确性较差。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供隧道管棚钻进机构及施工方法，用于解决现有技术中不能够根据隧道内的土层结构提前定位管棚的钻入角度，人工调整角度的准确性较差的技术问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种隧道断面管棚钻进施工装置，包括包括主伸缩杆、移动平台、角度调节组件、管棚和角度定位组件，所述主伸缩杆的底端固定连接在所述移动平台上，主伸缩杆的顶端连接所述角度调节组件，所述角度调节组件顶部铰接有调节架，调节架上设有用于支撑管棚的支撑件和用于驱动所述管棚转动钻入隧道的第一驱动件；所述角度定位组件可拆卸安装在支撑件上以对管棚钻进角度进行定位。
7.如上所述，本发明至少具有以下有益效果：
8.本发明通过在管棚的一侧设置用于对管棚钻进角度进行提前定位的角度定位组件，配合在管棚的下方设置的角度调节组件以及主伸缩杆，能够在管棚钻入前先通过角度定位组件和角度调节组件以及主伸缩杆的配合使管棚提前达到预设的钻入角度，移动平台能够在管棚角度定位好后将管棚移动至钻入处，然后再将管棚根据定位的角度钻入隧道
内，相对于现有技术中人工定位管棚的钻进角度，本发明在支撑管棚的支撑件上设置角度定位组件的方案能够更精准地使管棚以设定角度钻入隧道内，以适应具有复杂岩层的隧道断面的施工，管棚施工质量较高，为后续施工提供了更牢固的基础；同时管棚钻进过程由于隧道岩层的阻力会产生一定的震动，为了降低震动对于角度定位组件的影响，角度定位组件可在管棚角度定位时安装上，在管棚钻进过程从支撑件拆卸下来，能够提高角度定位组件的寿命，操作也比较方便。
9.优选地，所述支撑件的侧面连接有沿水平面向外延伸的横架，横架的自由端设有连接孔，连接孔的轴向平行于所述管棚的轴线，所述角度定位组件固定穿过连接孔以固接在横架上。
10.优选地，所述角度定位组件包括定位杆、信号发射器、信号接收器，所述定位杆固定穿过连接孔，所述定位杆朝向隧道断面的一端设有安装孔，所述信号发射器安装在所述安装孔内，所述信号接收器安装在隧道断面上以与所述信号发射器信号连接，根据所述信号发射器与所述信号接收器信号传递的方向定位所述管棚的钻进角度。
11.优选地，所述连接孔内设有减震套筒，所述减震套筒套设所述定位杆外表面。
12.优选地，所述横架为伸缩杆，所述支撑件的侧面开设有连接槽，所述伸缩杆背离所述连接孔的一端可拆卸连接在所述连接槽内。
13.优选地，所述伸缩杆的端部设有连接圆柱，连接圆柱背离伸缩杆的一端同轴转动连接有操作圆柱，操作圆柱背离连接圆柱的一端同轴转动连接有连接筒，操作圆柱背离连接圆柱的一端固接有伸出所述连接筒的螺柱，所述连接槽内设有与所述螺柱螺纹连接的螺孔。
14.优选地，所述信号发射器外罩设有透明的防尘罩，所述防尘罩可拆卸连接在所述定位杆安装信号发射器的一端。
15.优选地，所述管棚包括钻头和多根可通过花键依次连接的管棚管，所述管棚管内设有钢筋笼，所述管棚管的外表面设有外螺纹。
16.优选地，所述角度调节组件包括支撑架、第二驱动件和驱动杆，所述支撑架的底部和第二驱动件的底部均固定设置在所述主伸缩杆的顶端，所述驱动杆的一端与第二驱动件的输出端偏心铰接，所述驱动杆的另一端固定连接在所述调节架的底部，所述调节架的底部通过十字杆与所述支撑架铰接。
17.另外，本发明还提供了基于一种隧道断面管棚钻进施工装置的施工方法，包括：
18.步骤1：在隧道掌子面搭设管棚拱架，在管棚拱架上设置若干格栅，各格栅内预制与钻进角度同轴的导向管，导向管安装有信号接收器；
19.步骤2：将管棚连接在支撑件上并与第一驱动件传动连接；将一端安装有信号发射器的定位杆安装在横架自由端的连接孔内，开启信号发射器；
20.步骤3：将移动平台移动至所述定位杆到达所述信号接收器的纵向位置，调节主伸缩杆的伸缩长度，以使定位杆到达所述信号接收器所在的高度；通过角度调节组件和主伸缩杆的伸缩同步调节所述管棚和所述定位杆的角度，当所述信号发射器发出的信号被所述信号接收器所接收时停止角度调节组件，此时所述定位杆的角度即为所述管棚钻入的角度；
21.步骤4：将移动平台水平移动至所述管棚和所述导向管同轴；
22.步骤5：启动第一驱动件，第一驱动件驱动管棚沿设定角度通过导向管后钻入隧道掌子面内。
23.如上所述，本发明至少还具有以下有益效果：
24.通过在隧道掌子面搭设格栅，对于掌子面较软的情况下能够加强隧道断面的强度，提升管棚钻入时的支撑力，导向管的轴向与需要钻进的管棚的同轴，导向管上安装的信号接收器用于接收信号发射器发出的电信号，当信号接收器与信号发射器信号连接时，定位杆即与导向管同轴，即管棚的钻入角度定位成功，此时通过移动平台的水平移动，即可使管棚快速对准导向管轴向，提高了管棚钻进角度的精准性。通过角度调节组件、主伸缩杆和角度定位组件的配合，能够多角度、多方位的调节管棚的钻进角度，本发明操作简便，整体结构较简单实用。
附图说明
25.图1为本发明的整体结构示意图。
26.图2为本发明中角度定位组件的具体结构示意图。
27.图3为本发明中连接圆柱、操作圆柱和连接筒的结构示意图。
28.图4为本发明中操作圆柱的结构示意图。
29.图5为本发明中钢筋笼的结构示意图。
30.图6为本发明中十字形架的结构示意图。
31.图7为本发明中角度调节组件的局部结构示意图。
32.图8为本发明中第二驱动件和驱动杆的连接结构示意图。
33.图9为本发明中管棚、定位杆、导向管和信号接收器之间间距的示意图。
34.元件标号说明
35.1、管棚；2、第一驱动件；3、移动平台；4、角度调节组件；5、横板；6、主伸缩杆；7、钻头；9、调节架；10、第二驱动件；11、驱动杆；12、支撑架；13、连接板；14、方形架；15、驱动器；16、十字杆；17、直杆；18、立板；19、突出部；22、直轨道；23、输出轴；24、球铰支座；25、移动块；26、辅助支撑件；27、直线滑轨；29、十字形架；30、圆盘；31、十字形孔；32、螺纹钢筋；33、主支撑件；34、横架；35、连接孔；36、定位杆；37、信号发射器；38、防尘罩；40、连接槽；41、连接圆柱；42、操作圆柱；
36.43、连接筒；44、螺柱；45、光杆；46、环形滑动块。
具体实施方式
37.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
38.请参阅图1至图9。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调
整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
39.以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。
40.请参阅图1-8，一种隧道断面管棚钻进施工装置，包括主伸缩杆6、移动平台3、角度调节组件4、管棚1和角度定位组件，所述主伸缩杆6的底端固定连接在所述移动平台3上，主伸缩杆6的顶端连接所述角度调节组件4，所述角度调节组件4顶部铰接有调节架9，调节架9上设有用于支撑管棚1的支撑件和用于驱动所述管棚1转动钻入隧道的第一驱动件2；所述角度定位组件可拆卸安装在支撑件上。所述支撑件包括辅助支撑件26和主支撑件33，所述调节架9上可单独安装辅助支撑件26和主支撑件33的其中一个，也可以将辅助支撑件26和主支撑件33沿管棚1钻进方向依次安装在调节架9上，此时所述管棚1分别穿过所述辅助支撑件26和主支撑件33被支撑在调节架9上；优选地，上述主伸缩杆6可以采用伸缩气缸或电动伸缩杆，伸缩气缸在使用过程中不会产生容易导致火灾的泄漏，而电动伸缩杆不会产生泄漏，因此在隧道内使用该两种伸缩机构中的一种能有效避免产生安全隐患。优选地，上述第一驱动件2采用电机驱动，电机的输出端传动连接管棚1，使管棚1钻进隧道内部，所述隧道管棚钻进装置还包括操作平台，操作平台(图中未示出)可以设置在移动平台3上，操作平台内部可放置用于控制各电子元件工作的控制器和显示器，控制器和各电子元件均电连接，例如可控制所述角度定位组件的开关。上述控制器可采用现有技术中常用的控制设备，且其与各电子元件的连接也采用本领域的常规连接方式，本发明未对控制器控制各电子元件的控制系统进行改进，因此控制器的具体工作原理和结构此处不再赘述。当面对不同岩层的隧道断面情况(例如软硬岩层交界处或多岩层混杂的情况)，需要将管棚1以最优的钻入角度钻进隧道内，此时需要通过角度定位组件与角度调节组件4配合，在未钻入隧道前提前调节定位管棚1的钻进角度，调节完成后，即可通过移动平台将管棚1移动至隧道断面的钻进处进行钻进施工。同时隧道内的施工环境复杂，管棚1钻入隧道的过程会产生大量的烟尘气体杂质，管棚1在钻入过程中由于第一驱动件的驱动以及钻入隧道时隧道对管棚1产生的阻力等外力也会使管棚1产生很大的震动，因此为了提高角度定位组件的使用寿命，将角度定位组件拆卸连接在主支撑件33上，可根据需要安装或拆卸。
41.如图1-2所示，所述辅助支撑件26和主支撑件33的侧面分别连接有沿水平面向外延伸的横架34，两横架34的自由端分别设有连接孔35，两连接孔35中心的连线(或轴线)平行于所述管棚1的轴线，所述角度定位组件穿过两连接孔35并与两连接孔35固接以固定连接在横架34上。两连接孔35用于确保所述角度定位组件与所述管棚1保持同轴，横架用于使所述角度定位组件可拆卸固定在所述管棚1的水平方向的侧面。
42.如图1-2所示，所述角度定位组件包括定位杆36、信号发射器37、信号接收器和透明的防尘罩38，所述定位杆36的两端分别穿过两连接孔35，所述定位杆36朝向隧道断面的一端设有安装孔，所述信号发射器37安装在所述安装孔内，所述信号接收器安装在隧道断面上以与所述信号发射器37信号连接，根据所述信号发射器37与所述信号接收器信号传递的方向定位所述管棚的钻进角度。所述定位杆36与所述管棚1轴向平行，所以定位杆36定好了朝向之后，管棚1的钻进方向即定位完成，后续只需要通过移动管棚1至钻进处即可钻进。信号发射器37用于与信号接收器配合，根据两点定位一条直线的原理，先确定信号接收器的位置(即为隧道断面上管棚钻进点，且信号接收器接收信号的方向为此处管棚钻进的方
向)，再通过角度调节组件调节安装有信号发射器37的定位杆的转动，当信号发射器37发出的信号被信号接收器接收时，定位杆即指向设定的管棚1钻进的方向。
43.由于管棚1钻进时的震动较大，为了减少将角度定位组件从两支撑件上拆卸下来的次数，可在所述连接孔35内壁面固设有与连接孔35同轴的减震套筒(图中未示出)，所述减震套筒套设在所述定位杆36的外表面。减震套筒能够减少震动对于定位杆端部的信号发射器37的影响，避免定位杆和信号发射器37产生径向的移动，进而提高信号发射器37的使用寿命和角度定位的精确度。
44.优选地，两所述横架34均为伸缩杆，例如电动伸缩杆或现有技术中能实现伸缩的杆状结构，所述辅助支撑件26和主支撑件33的侧面分别开设有连接槽40，两所述电动伸缩杆背离所述连接孔35的一端分别可拆卸连接在所述连接槽40内。对于不同的隧道掌子面情况，需要设置不同间距的钻进孔，因此需要角度定位组件和管棚1之间能够调节间距，以适应更广泛的应用，此时通过将横架采用电动伸缩杆结构，可通过电动控制伸缩，实现角度定位组件和管棚1之间间距的调节。具体地，如图3-图4所示，电动伸缩杆朝向连接槽40的一端一体设有连接圆柱41，连接圆柱41的自由端转动设有同轴的操作圆柱42，操作圆柱42背离连接圆柱41的一端转动连接有同轴的连接筒43的端部，操作圆柱42背离连接圆柱41的一端还一体设有光杆45，光杆45位于连接筒43内并与其转动连接，光杆45背离操作圆柱42的一端伸出连接筒43并一体设有螺柱44，所述连接槽40内设有与所述螺柱配合的螺孔。上述光杆45和螺柱44的径向尺寸相同且小于操作圆柱42的径向尺寸，操作圆柱42的两个端面均设有截面为楔形的环形滑动块46，连接圆柱41和连接筒43相对的端面上分别设有与环形滑动块46滑动连接的楔形槽，操作圆柱42通过环形滑动块46在楔形槽中自转实现与连接圆柱41和连接筒43的转动连接。通过旋转操作圆柱42，可将与操作圆柱42固接的螺柱44旋拧进连接槽40内的螺孔内，而操作圆柱42两端面的环形滑动块46能使操作圆柱42与连接圆柱41和连接筒43能够转动但不会轴向脱开，因此实现了电动伸缩杆分别与两支撑件的可拆卸连接。作为上述电动伸缩杆和连接槽40可拆卸连接结构的替代方案，可将电动伸缩杆朝向连接槽40的一端周向设置若干弹性凸块，电动伸缩杆插入连接槽40内时，各弹性凸块被连接槽40内壁压迫以使电动伸缩杆的该端与所述连接槽40摩擦接触，进而将电动伸缩杆限位在所述连接槽40内，弹性凸块还能避免电动伸缩杆相对连接槽40周向或径向移动，确保安装的有效性。
45.优选地，所述防尘罩38罩设在所述信号发射器37外表面并可拆卸连接在所述定位杆36端部。管棚1在钻进过程中会产生大量的灰尘，而信号发射器37属于精密仪器，因此通过在信号发射器37外罩设透明的防尘罩38避免灰尘损害信号发射器37的使用的同时也不影响信号发射器37向外发出信号。具体地，所述定位杆36的端部沿定位杆36的径向向外延伸设有若干橡胶凸起(图中未示出)，各橡胶凸起绕定位杆的轴向呈环形分布，所述防尘罩38呈圆锥状，防尘罩38的大径端设有向防尘罩38内弯折的环形的卡接部。使用时，防尘罩38的卡接部穿过各橡胶凸起后其内避免与各橡胶凸起卡接，防尘罩38的卡接部穿过橡胶凸起时使橡胶凸起产生压缩，当卡接部通过橡胶凸起后橡胶凸起即复位并抵接到防尘罩38的内壁面上进行固定，通过橡胶凸起与卡接部的卡接，防尘罩38的大径端只需要穿过橡胶凸起即能被卡接在定位杆36的端部，操作便捷，需要更换信号发射器时主需要从定位杆36端部拔出即可。
46.优选地，定位杆36采用空心管，信号发射器37具有接线的一端可直接穿过安装孔通过定位杆36内部并从定位杆36尾部穿出与上述控制器电连接，空心管的设置主要用于保护信号发射器37的接线端。当信号发射器37和位于导向管侧面的信号接收器信号连通即完成管棚1的角度调节，但此时管棚1未和导向管中心对其，需要管棚1水平向导向管中心移动距离m，如图9所示，设导向管轴心到信号接收器中心的距离为d，管棚1的轴心到定位杆36的轴心距离为l，此时管棚1需要移动的距离即为m＝l-d，因此移动平台3需要带动管棚1水平向导向管中心移动的距离为m。
47.如图1、图5-6所示，所述管棚1包括钻头7和多根管棚管，管棚管为两端分别设有内花键和外花键的中空的管件，管棚管内设有钢筋笼，所述管棚管的外表面设有外螺纹。具体地，钻头7与管棚管设有内花键的一端连接，多个管棚管依次通过内外花键固定连接，远离所述钻头7的管棚管通过外花键与所述第一驱动件2传动连接，管棚管外表面的外螺纹用于钻入隧道内能够更省力，优选地，所述支撑件上设有与管棚管螺纹连接的内螺纹，支撑件上开设内螺纹是为了避免支撑件对管棚管的外螺纹产生损坏，通过螺纹连接，所述支撑件和管棚管形成了螺母丝杠机构，因此支撑件在支撑管棚管的同时不会损伤管棚管表面的螺纹。所述管棚管上开设多个注浆孔。钻头7采用现有技术中常用于隧道管棚钻进的一次性高强度带孔钻头7，钻头7与管棚管连接的一端固设连接轴(图中未示出)，连接轴上设有外花键，连接轴通过外花键与第一根管棚管一端的内花键连接，以达到传动的目的，最后一根管棚管远离钻头7的一端即可与第一驱动件2传动连接，通过第一驱动件2带动管棚管和钻头7转动钻进隧道内。相邻的管棚管之间通过花键连接可以有效地提升连接效率，管棚管上设有多个注浆孔，在管棚管钻入隧道内后，可通过向管棚管内灌入浆液，以使管棚管钻入隧道内后与隧道的连接更加稳固。上述钢筋笼由放置在管棚管内的且与管棚管同轴的若干根螺纹钢筋32组成，用于提高管棚的刚度和强度，钢筋笼的长度等于所述管棚管上的内花键和外花键相对端之间的距离；具体地，如图5-6所示，本实施例中钢筋笼由四根钢筋螺纹32组成，且四根钢筋螺纹32两端通过两个十字形架29安装在管棚管内，两相对的十字形架29分别沿管棚管的径向可拆卸连接在管棚管的内壁面上，两个十字形架29相背离的一侧表面均固设有径向尺寸小于管棚管内径的圆盘30，十字形架29和圆盘30的中部设有沿管棚管轴向贯通的十字形孔31，以使十字形架29和圆盘30的中部能够通过浆液。十字形架29主要用于放置四根螺纹钢筋32的端部，圆盘30主要用于将四根螺纹钢筋32的端部限位在管棚管的内外花键之间，当四根螺纹钢筋32插入管棚管内且两端分别位于各十字形架29与管棚管所形成的四个区域内时，各螺纹钢筋32分别位于十字形孔31上相邻两孔之间的位置，因此相连接的两节管棚管内部是连通的，在保证了管棚强度的同时，不影响后续注浆施工。现有的管棚是在管棚钻入之后再通入钢筋笼，然而当钻入隧道内的管棚长度过长时，通入钢筋笼的操作就比较麻烦，需要另外设置动力机构输入钢筋笼，且过长的钢筋笼不方便运输，较短的钢筋笼还需要另设连接结构，较为复杂且四根螺纹钢筋32在放入管棚内时由于其表面的外螺纹会相互之间产生阻力，操作不便，因此本发明通过提前在管棚管内增设钢筋笼，可以避免管棚钻入后再向其内增设螺纹钢筋32时不方便操作的问题。
48.如图1、图7-8所示，所述角度调节组件4包括支撑架12、第二驱动件10和驱动杆11，所述支撑架12的底部和第二驱动件10的底部均固定设置在所述主伸缩杆6的顶端，所述驱动杆11的一端与第二驱动件10的输出端偏心铰接，所述驱动杆11的另一端固定连接在调节
架9的底部，调节架9的底部通过十字杆16与所述支撑架12铰接。优选地，所述第二驱动件10采用电机，当需要调节管棚1的钻进角度时，启动第二驱动件10，驱动杆11在第二驱动件的驱动下绕第二驱动件10轴向进行偏心转动，此时与驱动杆11固接的调节架9随着进行偏心转动，由于调节架9底部通过十字杆16与支撑架12铰接，因此调节架9转动是绕着十字杆16进行转动，此时安装在调节架9上的支撑件内的管棚1即产生于调节架9同步的转动，从而实现调节角度的目的，调节架9和支撑架12的铰接结构以及驱动杆11与第二驱动件10的连接结构较为简单，操作便捷，在隧道中施工时也较为安全。当管棚1在随调节架9的转动过程中具有纵向位移时，可通过主伸缩杆6的伸缩实现纵向调节。
49.如图1、图7-8所示，所述第二驱动件10的输出轴23竖向向上设置，所述输出轴23的侧面固设有倾斜向外延伸的连接板13，所述驱动杆11铰接在所述连接板13上。具体的，所述支撑架12和第二驱动件10的底部均固定在一块圆形的横板5上，横板5底部固定连接在主伸缩杆6的顶面，由于一般电机的输出轴径向尺寸较小，因此为了更好地使驱动杆11底端偏心铰接在输出轴23的侧面，本发明在所述输出轴23的侧面设置倾斜向外延伸的连接板13，驱动杆11的底端与连接板13的顶面球铰连接。
50.如图8所示，所述连接板13为沿所述输出轴23径向向斜上方伸出，此时驱动杆11与连接板13更方便连接，所述连接板13上设有直轨道22，直轨道22的走向是沿连接板13的延伸方向设置，所述驱动杆11为伸缩杆；所述伸缩杆的一端滑动连接在所述直轨道22内，所述直轨道22内还设有用于驱动所述伸缩杆的端部在直轨道22内滑动的伸缩驱动件。所述直轨道22优选为纵截面呈楔形的滑槽，所述直轨道22内滑动连接有与其形状配合的楔形移动块25，所述驱动杆11的底端铰接在移动块25的顶面。当所述移动块25位于直轨道22内靠近所述第二驱动件10的一端时，所述调节架9保持水平状态，当需要调节管棚1的钻入角度时，启动伸缩驱动件，驱动所述移动块25在直轨道22内向远离所述第二驱动件10的方向移动至设定的距离，此时由于驱动杆11的顶部是固定在调节架9的底部的，因此驱动杆11发生偏转后，调节架9即产生偏转，之后通过启动第二驱动件10转动带动连接板13转动，即可带动调节架9转动，当角度定位组件中的信号发射器37和隧道断面上的信号接收器信号连通时，管棚1的钻入角度即调整完成，关闭第二驱动件10，再进行管棚1的钻进工序。直轨道22的设置还用于调节驱动杆11转动的幅度，进而扩大调节架9和管棚1的钻进角度，使调节范围更广泛。
51.如图1、图7所示，所述调节架9底部设有一体连接的两方形架14和一根直杆17，两方形架14相互平行地固接在所述调节架9的底部，所述直杆17固接在两方形架14之间的中部，所述直杆17上设有两相对的立板18，所述十字杆16整体呈十字形且四个伸出的端部分别为球体，所述十字杆16的两相对的一端的球体分别铰接在两立板18上开设的通孔内，各通孔的边缘分别圆滑过渡；所述支撑架12为倒置的u形架，所述u形架的底部固定在所述主伸缩杆6的顶端固设的横板5上，所述u形架的顶部内侧设有两相对应的突出部19，所述十字杆16的另外两相对的一端的球体分别铰接在两突出部19上开设的通孔内，该通孔的边缘也圆滑过渡。通过十字杆16的各端部与立板18和突出部19的铰接，以使所述调节架9能够相对所述支撑架12进行圆周运动，进而实现调节架9和管棚1角度的调节。由于调节架9需要支撑管棚1和第一驱动件2，而第一驱动件2还需要驱动管棚1的钻进，因此调节架9的整体尺寸较大，此时当十字杆16整体尺寸较大时，十字杆16与调节架9和支撑架12接触的面积更大，因
此连接更稳固，且能够承重的范围较大。
52.如图1所示，所述调节架9的顶部设有沿所述管棚1轴向延伸的直线滑轨27，所述第一驱动件2连接有驱动器15，所述驱动器15驱动所述第一驱动件2沿所述直线滑轨27滑动，所述第一驱动件2的输出端与所述管棚1通过花键传动连接。具体的，所述第一驱动件2的底部也固设有移动块，该移动块通过所述驱动器15驱动在直线滑轨27上滑动，所述驱动器15可采用现有的伺服电机，伺服电机驱动移动块沿直线滑轨27滑动属于本领域的常规结构，因此其具体结构和连接关系此处不再赘述。管棚1在钻入隧道掌子面时，由于钻入的深度不确定，需要将多节管棚管依次连接来达到所需的长度，使用时，先连接一定数量的管棚管，然后将远离钻头7的最后一根管棚管和第一驱动件2连接，此时第一驱动件2位于直线滑轨27远离辅助伸缩杆的一端，再开启驱动器15驱动第一驱动件2沿直线滑轨27向钻头7的方向前进，配合开启第一驱动件2驱动钻头7和若干管棚管转动，实现管棚1的钻进，当第一驱动件2移动至直线滑轨27末端时，若管棚1的钻入深度未达到要求，可通过驱动器15带动第一驱动件2返回初始位置，然后在钻入的最后一根管棚管端部依次花键连接所需数量的管棚管，并将此时靠近所述第一驱动件2的一根管棚管与第一驱动件2通过花键传动连接，再重复第一驱动件2带动管棚1的钻进工序，可通过重复上述步骤延长管棚1的长度。
53.所述移动平台3底部设有行走轮(图中未示出)，移动平台3通过行走轮可移动至所需位置，或可将移动平台3连接运输车辆，通过运输车辆将移动平台3运送至相应位置。运输车可通过挂锁等结构与移动平台3连接，具体连接结构属于现有技术，此处不再赘述。通过移动平台3的移动，可快速将管棚1输送至需要隧道掌子面处，方便移动。
54.在本发明的另一实施例中，若单根管棚管较长时，可在移动平台3上另设与所述主伸缩杆6平行的辅助伸缩杆，辅助支撑件26底部通过球铰连接在辅助伸缩杆的顶端，主支撑件33底部固设在所述调节架9上，主支撑件33和辅助支撑件26用于支撑管棚1的钻进此时所述调节架9不用设置较长。辅助支撑件26与所述辅助伸缩杆顶端球铰连接，可以使管棚1在调节架9转动的同时绕球铰多方向的转动，当需要调节管棚1的角度时，可将辅助伸缩杆或主伸缩杆6其中一个调整为可随意伸缩，另一个伸缩至需要位置时将其固定，然后通过第二驱动件10的转动带动驱动杆11与调节架9同时转动，由于调节架9转动的点位于其下方的十字杆16处，调节架9在驱动杆11的带动下产生了自转与具有角度的翻转，因此调节架9上放置的管棚1产生了一定的圆周运动，因此管棚1可被带动调整角度。而辅助伸缩杆或主伸缩杆6其中一个可随意伸缩另一个处于固定状态，可确保调节架9转动时管棚1不会产生干涉的问题。
55.本发明还提供了基于上述超大断面隧道管棚钻进装置的施工方法，具体包括以下步骤：
56.步骤1：在隧道掌子面搭设管棚拱架，在管棚拱架的上下架体之间交错焊接若干钢板以形成若干格栅，各格栅内焊接有与钻进角度同轴的导向管；对管棚拱架的掌子面进行初步喷浆处理，将信号接收器安装在导向管上。信号接收器具体的安装方式可以采取：信号接收器可安装焊接在导向管侧面的固定架内，此时信号接收器与导向管轴心的距离d可设为等于管棚轴心与定位杆轴心的距离l，此时定位杆上的信号发射器与信号接收器信号接通时，管棚即与导向管轴线重合；或信号接收器外围设置与导向管内壁尺寸相同的环形橡胶圈，使用时将信号接收器与橡胶圈塞入导向管内，以使信号接收器位于导向管的轴心处，
此方案中定位杆上的信号发射器与信号接收器信号接通后，管棚还需要移动管棚轴心到定位杆轴心的距离；或将信号接收器外固定套设连接环，连接环一端端面轴向固接同轴的安装环，安装环的内圈用于套设在导向管外壁上，使用时将安装环套设在导向管外壁上，连接环位于导向管口外，连接环内的信号接收器与导向管同轴，不使用时可将安装环从导向管上拆卸下来，以便重复利用，此方案信号发射器与信号接收器信号接通后，管棚也需要移动管棚轴心到定位杆轴心的距离；具体地，管棚拱架为沿隧道掌子面的弧度设置的拱形架体，管棚拱架上预先焊接若干交错的钢板以形成若干格栅，然后再格栅内焊接与钻进角度同轴的导向管，导向管的轴向预先设计为与钻进方向相同，以使管棚拱架安装好后，导向管能为后面的管棚1的钻进提供钻进位置和角度；在钻入管棚管之前，在隧道掌子面搭设刚度较大的管棚拱架，是为了形成具有一定压力承载能力的环形保护层，从而为隧道施工创设安全支护的环境；而在管棚拱架上焊接形成若干格栅是为了进一步提高管棚拱架的强度，同时还是为了给若干导向管和信号接收器提供支撑和安装位。在导向管和固定架安装完成后即可通过喷浆处理，使管棚拱架贴合在隧道掌子面上，稳定掌子面以及附近的围岩，喷浆处理完成后，可将各信号接收器安装在各固定架上。
57.步骤2：在管棚管内沿其轴向增设四根螺纹钢筋32组成的钢筋笼，以提高管棚管的强度；具体地，先将管棚管内一端放入一个所述十字形架29，然后将四根螺纹钢筋32的一端插入管棚管内并使其各端依次位于十字形架29与管棚管内壁形成的四个区域内并抵到圆盘30上，，再将另一个十字形架29卡接在管棚管的另一端内并使各螺纹钢筋的另一端分别穿过十字形架29与管棚管所形成的四个区域并抵到另一个圆盘30上，此时完成了管棚管内钢筋笼的安装。
58.步骤3：将管棚1的一端连接在辅助支撑件26内，将管棚1的另一端穿过主支撑件33并与第一驱动件2传动连接；将一端安装有信号发射器37的定位杆36安装在两横架34一端的连接孔35内，并将两横架34的另一端连接在两支撑件的连接槽40内，开启信号发射器37。
59.步骤4：将移动平台3移动至所述定位杆36上的信号发射器37到达所述信号接收器的纵向位置，调节主伸缩杆6的伸缩长度，以使定位杆36到达所述信号接收器所在的高度；通过角度调节组件4调节所述管棚1和所述定位杆36的角度，当所述信号发射器37发出的信号被所述信号接收器所接收时停止角度调节组件4的调节，此时所述定位杆36的角度即为所述管棚1钻入的角度。
60.步骤5：将移动平台3水平移动至所述管棚1和所述导向管同轴，所移动的距离m通过上述公式m＝l-d计算得到。
61.步骤6：开启驱动器15和第一驱动件2，第一驱动件2沿直线滑轨27滑动以驱动管棚1沿设定角度通过导向管钻入隧道掌子面内，当第一次钻入的管棚管的尾部距离辅助支撑件剩余0.5m左右时停止，此时第一驱动件2正好移动至直线滑轨27靠近辅助支撑件的末端，通过驱动器15的反向驱动，带动第一驱动件2返回至直线滑轨27的初始位置，然后在第一次钻入的末端的管棚管和第一驱动件2之间通过花键连接所需数量的管棚管，再通过驱动器15带动第一驱动件2驱动连接后形成的管棚1继续向隧道内钻进。重复上述步骤直至钻入最后一根管棚管，钻进完成后通过驱动器15带动第一驱动件2远离最后一根管棚管。
62.步骤7：重复步骤4-步骤6直至将所有管棚1钻入隧道内。
63.步骤8：在管棚1钻入完成后，利用混凝土封闭暴露在隧道掌子面上的管棚管的尾
部，各管棚管上还开设有多个注浆孔，注浆孔与管棚管内部连通，通过输送泵连接至暴露在隧道掌子面上的管棚管尾端的其中一个注浆孔，向其内注浆，浆液通过注浆孔分散渗入周围松散围岩体内将其凝固形成稳定圈，加速浆液凝固，起到止水的功效；待注入的浆液达到设计强度的85％，对掌子面进行短进尺开挖及支护。优选地，注入的浆液优选采用水泥-水玻璃双液浆，其能够改善岩体物理性能；浆液固结后使管棚1和隧道之间能够形成承载能力很强的棚式超前支护，能够有效控制岩体下沉以及止水的功能，保证下方掘进的顺利施工。
64.通过上述施工方法，本发明有效解决了隧道内管棚钻进施工时不能根据隧道内的土层结构对管棚的钻进角度进行多方位的调节的难题，有效提高了管棚的施工质量，为后续施工提供了较好的安全保证；本方法施工时，可针对隧道内不同的岩体层，通过角度调节组件调整钻进角度，整体结构较为简单，施工所需成本较低，实施较为方便。
65.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：包括主伸缩杆、移动平台、角度调节组件、管棚和角度定位组件，所述主伸缩杆的底端固定连接在所述移动平台上，主伸缩杆的顶端连接所述角度调节组件，所述角度调节组件顶部铰接有调节架，调节架上设有用于支撑管棚的支撑件和用于驱动所述管棚转动钻入隧道的第一驱动件；所述角度定位组件可拆卸安装在支撑件上以对管棚钻进角度进行定位。2.根据权利要求1所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述支撑件的侧面连接有沿水平面向外延伸的横架，横架的自由端设有连接孔，连接孔的轴向平行于所述管棚的轴线，所述角度定位组件固定穿过连接孔以固接在横架上。3.根据权利要求2所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述角度定位组件包括定位杆、信号发射器和信号接收器，所述定位杆固定穿过连接孔，所述定位杆朝向隧道断面的一端设有安装孔，所述信号发射器安装在所述安装孔内，所述信号接收器安装在隧道断面上以与所述信号发射器信号连接，根据所述信号发射器与所述信号接收器信号传递的方向定位所述管棚的钻进角度。4.根据权利要求3所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述连接孔内设有减震套筒，所述减震套筒套设所述定位杆外表面。5.根据权利要求3所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述横架为伸缩杆，所述支撑件的侧面开设有连接槽，所述伸缩杆背离所述连接孔的一端可拆卸连接在所述连接槽内。6.根据权利要求5所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述伸缩杆的端部设有连接圆柱，连接圆柱背离伸缩杆的一端同轴转动连接有操作圆柱，操作圆柱背离连接圆柱的一端同轴转动连接有连接筒，操作圆柱背离连接圆柱的一端固接有伸出所述连接筒的螺柱，所述连接槽内设有与所述螺柱螺纹连接的螺孔。7.根据权利要求3所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述信号发射器外罩设有透明的防尘罩，所述防尘罩可拆卸连接在所述定位杆安装信号发射器的一端。8.根据权利要求1所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述管棚包括钻头和多根可通过花键依次连接的管棚管，所述管棚管内设有钢筋笼，所述管棚管的外表面设有外螺纹。9.根据权利要求1所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置，其特征在于：所述角度调节组件包括支撑架、第二驱动件和驱动杆，所述支撑架的底部和第二驱动件的底部均固定设置在所述主伸缩杆的顶端，所述驱动杆的一端与第二驱动件的输出端偏心铰接，所述驱动杆的另一端固定连接在所述调节架的底部，所述调节架的底部通过十字杆与所述支撑架铰接。10.基于权利要求6所述的一种隧道断面管棚钻进施工装置的施工方法，其特征在于：包括：步骤1：在隧道掌子面搭设管棚拱架，在管棚拱架上设置若干格栅，各格栅内预制与钻进角度同轴的导向管，导向管安装有信号接收器；步骤2：将管棚连接在支撑件上并与第一驱动件传动连接；将一端安装有信号发射器的定位杆安装在横架自由端的连接孔内，开启信号发射器；
步骤3：将移动平台移动至所述定位杆到达所述信号接收器的纵向位置，调节主伸缩杆的伸缩长度，以使定位杆到达所述信号接收器所在的高度；通过角度调节组件和主伸缩杆的伸缩同步调节所述管棚和所述定位杆的角度，当所述信号发射器发出的信号被所述信号接收器所接收时停止角度调节组件，此时所述定位杆的角度即为所述管棚钻入的角度；步骤4：将移动平台水平移动至所述管棚和所述导向管同轴；步骤5：启动第一驱动件，第一驱动件驱动管棚沿设定角度通过导向管后钻入隧道掌子面内。

技术总结
本发明提供了一种隧道断面管棚钻进施工装置及施工方法，包括辅助伸缩杆、主伸缩杆、移动平台、角度调节组件、管棚和角度定位组件，所述辅助伸缩杆和主伸缩杆的底端均连接在所述移动平台上，所述辅助伸缩杆的顶端通过球铰连接有用于支撑管棚的辅助支撑件，主伸缩杆的顶端连接所述角度调节组件，所述角度调节组件上设有用于支撑管棚的主支撑件和用于驱动所述管棚转动钻入隧道的第一驱动件；所述管棚分别穿过所述辅助支撑件和主支撑件；所述角度定位组件的两端分别安装在辅助支撑件和主支撑件上。本发明通过角度调节组件配合角度定位组件，调节钻进角度和高度，结构简单，操作便捷。操作便捷。操作便捷。


技术研发人员：荣耀 徐长节 孙洋 喻义天 俞俊平 丁海滨 张承客 徐松
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/12