CN110617092A - 双铰接连接机构、隧道钢拱架及其安装方法 - Google Patents

Abstract

一种双铰接连接机构、隧道钢拱架及其安装方法，涉及地下工程施工领域。双铰接连接机构包括两个连接件和铰链轴，每个连接件具有用于与隧道钢拱架连接的支撑面以及背离支撑面的对接面，对接面具有互相垂直的第一预设方向以及第二预设方向，对接面沿第一预设方向的两端分别设有与另一连接件配合的第一连接部以及第二连接部。两个连接件连接时，一个连接件的第一连接部与另一个连接件的第二连接部铰接。双铰接连接机构结构简单、加工简单，安装后稳定性高，可实现拱架节段间的旋转、拼合、固定。利用上述双铰接连接机构拼接而成的隧道钢拱架连接处稳定，可整榀直接安装，适于机械安装，降低施工难度及人力投入，有效提高安装效率。

Description

双铰接连接机构、隧道钢拱架及其安装方法

技术领域

本申请涉及地下工程施工领域，具体而言，涉及一种双铰接连接机构、隧道钢拱架及其安装方法。

背景技术

在不良围岩中掘进隧道，钢拱架是必不可少的支护构件之一，特别是型钢钢架如安装合理、及时，就能立即发挥其支护效果，这对于保障施工安全与控制地层变形都至关重要，这是其他支护构件不可比拟的。

常规方法下，每一轮隧道开挖完毕后，一般都需要工人在靠近开挖面的情况下完成钢拱的定位，随后安装拱架并固定拱脚。这种架设方法将钢拱架分为若干段，由人工分段架设安装，然后用螺栓连接，施工安全性差、速度慢、人工劳动强度大、不便于进行机械化拼装，且架设质量也较难保证。

发明内容

本申请提供一种双铰接连接机构、隧道钢拱架及其安装方法，以改善上述问题。

根据本申请第一方面实施例的双铰接连接机构，其包括两个连接件以及铰链轴。

每个连接件具有对接面，对接面具有互相垂直的第一预设方向以及第二预设方向，对接面沿第一预设方向具有第一端以及第二端，第一端设有与另一连接件配合的第一连接部，第二端设有与另一连接件配合的第二连接部；

两个连接件连接时，一个连接件的第一连接部与另一个连接件的第二连接部经铰链轴铰接，铰链轴的轴线平行于第二预设方向。

根据本申请实施例的双铰接连接机构，首先，由于两个连接件的结构相同，因此制作方便，有效降低制作成本，其次，通过其连接隧道钢拱架，可实现构成隧道钢拱架的拱架节段之间的旋转、拼合、固定，安装更为方便，降低人工成本，提高作业效率。再次，第一连接部以及第二连接部位于对接面相对的两端，因此安装后，可有效保证连接的稳定性，保证隧道钢拱架的质量。同时，采用本申请提供的方案进行安装，仅需要沿隧道的轴向插入铰接链即可，有效降低施工难度，同时施工效率高且施工安全性高。

另外，根据本申请实施例的双铰接连接机构还具有如下附加的技术特征：

结合第一方面，本申请示出的一些实施例中，第一连接部突出于对接面，第二端设有凹陷于对接面且与第一连接部匹配的第一配合面，以使两个连接件连接时，一个连接件的第一连接部可转动地设置于另一个连接件的第一配合面以形成互补结构且两个连接件的对接面互相贴合且两个连接件的对接面互相贴合。

通过上述方式，一方面便于定位，另一方面进一步保证连接后的稳定性。

结合第一方面，本申请示出的一些实施例中，第二连接部的数量为两个，两个第二连接部分别位于第一配合面在第二延伸方向的两端，每个第二连接部突出于对接面。

第二端设有与两个第二连接部匹配的两个第二配合面，两个第二配合面分别位于第一连接部在第二延伸方向的两端，每个第二配合面凹陷于对接面。

换言之，两个连接件连接后，连接处呈互补结构，能够保证铰链轴受力对称、合理，进一步保证连接后的稳定性，同时便于定位，进行安装。

可选地，第一连接部、第二连接部分别设有铰链孔，铰链孔的轴线平行于第二预设方向，两个连接件连接时，铰链轴经铰链孔穿设于第一连接部以及第二连接部并伸出连接件。

上述设置条件下，进一步增加连接的接触面积，增强连接的稳定性。

结合第一方面，本申请示出的一些实施例中，第二配合面沿第一连接部对称布置，第二连接部沿第一配合面对称布置。

上述设置条件下，能够保证铰链轴受力对称、合理，使用寿命长，进而提高连接后的稳定性。

结合第一方面，本申请示出的一些实施例中，第一连接部的表面为向外突出的弧面，第二连接部为向内凹陷的弧面。

上述设置条件下，保证连接过程中拱架节段之间的旋转、拼合、固定，更便于安装，同时降低第一连接部和第二连接部的损耗，延长其使用寿命，保证连接处的稳定性。

结合第一方面，本申请示出的一些实施例中，铰链轴的两端可拆卸连接有紧固件，用于限定铰链轴从连接件滑脱。以保证连接的稳定性。

根据本申请第二方面实施例的隧道钢拱架，其包括钢拱架单元，钢拱架单元包括拱架节段以及本申请第一方面实施例提供的双铰接连接机构，每个拱架节段的两端分别与连接件背离对接面的一侧固定连接，相邻的两个拱架节段通过双铰接连接机构连接，铰链轴的轴线与钢拱架单元的轴线平行。

根据本申请实施例的隧道钢拱架，利用如上的双铰接连接机构连接，具有安装工序少、安全可靠稳定的特点，保证隧道钢拱架的质量。同时采用本申请提供的方案进行安装，仅需要沿隧道的轴向插入铰接链即可，方便简单，有效降低施工难度，同时施工效率高且施工安全性高。

结合第二方面，本申请示出的一些实施例中，拱架节段包括格栅钢架节段和工字钢架节段中的至少一种。

根据本申请第三方面实施例的隧道钢拱架的安装方法，其包括：

在每个拱架节段的两端分别固定连接件，每个连接件对应的铰链轴分别位于隧道钢拱架的内侧以及外侧。

将对应隧道顶部的拱架节段的两端分别与对应隧道侧壁的拱架节段对接后，安装位于外侧的铰链轴，或安装位于内侧以及外侧的铰链轴。

将相邻的两个对应隧道侧壁的拱架节段对接后安装内侧的铰链轴，以形成串联的拱架本体。

托举拱架本体的对应隧道顶部的拱架节段至隧道拱顶进行定位，对应隧道侧壁的拱架节段呈自然下垂状态。

将呈自然下垂状态的拱架节段撑开，安装相邻的两个对应隧道侧壁的拱架节段位于外侧的铰链轴，以拼合形成拱形的钢拱架单元。

根据本申请第三方面实施例的隧道钢拱架的安装方法，利用本申请第一方面实施例提供的双铰接连接机构进行连接，隧道钢拱架可整体折叠，至目的地后安装边缘段中的相邻的两个拱架节段位于外侧的铰链轴即可，便于运输。同时安装时采用机械安装为主，人工辅助定位连接，最后在托举后将呈自然下垂状态的拱架节段撑开，撑开的步骤中可以采用撑杆、伸缩杆等机械装置，节省人力投入。安装相邻的两个对应隧道侧壁的拱架节段位于外侧的铰链轴时，仅需要沿平行于拱架单元的轴线方向插入铰链轴，更为方便，拆卸时也如此，有效降低施工难度。并且隧道钢拱架可一次安装，适于机械安装，降低施工难度及人力投入，有效提高安装效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为隧道钢拱架的结构示意图；

图2为格栅钢架节段构成的钢拱架单元的结构示意图；

图3为工字钢架节段构成的钢拱架单元的结构示意图；

图4为双铰接连接机构的结构示意图；

图5是钢拱架单元的第一种安装示意图；

图6是钢拱架单元的第二种安装示意图。

图标：10-隧道钢拱架；100-钢拱架单元；110-拱架节段；120-双铰接连接机构；121-连接件；123-支撑面；124-对接面；127-第一连接部；129-第二连接部；131-第一配合面；133-第二配合面；138-铰链孔；140-铰链轴；141-紧固件；200-固定件。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，在不矛盾或冲突的情况下，本申请的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本申请中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本申请公开的内容自制。在本申请中，为了突出本申请的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例

请参阅图1，本申请提供一种隧道钢拱架10，其包括钢拱架单元100，其中，每个钢拱架单元100为拱形的整榀钢拱架。

其中，钢拱架单元100的数量为一个或至少两个，当其为至少两个时，例如两个、三个等，至少两个钢拱架单元100中的每个钢拱架单元100沿隧道的轴向方向并排设置且经固定件200连接。固定件200例如为钢筋，其两端焊接于相邻的两个钢拱架单元100之间，有效提高隧道钢拱架10的稳定性。

每个钢拱架单元100包括多个拱架节段110以及双铰接连接机构120，相邻的两个拱架节段110通过双铰接连接机构120连接，铰链轴140的轴线平行于隧道钢拱架10的轴线。

其中，如图2所示，拱架节段110呈弧形，其中，需要说明的是，拱架节段110可以为如图2所示的格栅钢架节段，也可以为如图3所示的工字钢架节段，本申请中以格栅钢架节段为例。其中，多个拱架节段110的数量例如为三个及以上。

双铰接连接机构120的数量为多个，每个双铰接连接机构120用于连接相邻的两个拱架节段110。

其中，请参阅图4，每个双铰接连接机构120包括两个连接件121以及铰链轴140。

其中，每个连接件121具有用于与拱架节段110连接的支撑面123以及背离支撑面123的对接面124，实际安装过程中，每个拱架节段110的两端分别与支撑面123固定连接，例如焊接。

对接面124具有互相垂直的第一预设方向以及第二预设方向，本申请提供的附图中，以X表示第一预设方向，以Y表示第二预设方向。对接面124沿第一预设方向具有第一端和第二端，第一端设有与另一连接件121配合的第一连接部127，第二端设有与另一连接件121配合的以及第二连接部129；两个连接件121连接时，一个连接件121的第一连接部127与另一个连接件121的第二连接部129经铰链轴140铰接，铰链轴140的轴线平行于第二预设方向。需注意的是，铰链轴140的轴线与其对应的钢拱架单元100的轴线平行。

其中，本实施例中，铰链轴140的数量为两个，便于安装拆卸，降低施工难度。

为了便于描述，将双铰接连接机构120中的两个连接件121分别作为第一连接件121以及第二连接件121，连接时，第一连接件121的第一连接部127与第二连接件121的第二连接部129经一铰链轴140铰接，第一连接件121的第二连接部129与第二连接件121的第一连接部127经另一铰链轴140铰接，两个铰链轴140的轴线平行。

根据本申请实施例的双铰接连接机构120，首先，由于两个连接件121的结构相同，因此制作方便，有效降低制作成本，其次，通过其连接隧道钢拱架10，可实现构成隧道钢拱架10的拱架节段110之间的旋转、拼合、固定，安装更为方便，降低人工成本，提高作业效率。再次，第一连接部127以及第二连接部129位于对接面124相对的两端，因此安装后，可有效保证连接的稳定性，保证隧道钢拱架10的质量。最重要的是由于隧道钢拱架10用于支撑隧道，因此采用本申请提供的方案进行安装，仅需要沿隧道的轴向插入铰接链即可，尤其是相比于外侧使用垂直于对接面124的固定件200安装的方式，方便简单，有效降低施工难度，便于机械安装的同时施工效率高、施工安全性高，降低人力投入。

具体地，第一连接部127突出于对接面124，第二端设有凹陷于对接面124且与第一连接部127匹配的第一配合面131，以使两个连接件121连接时，一个连接件121的第一连接部127可转动地设置于另一个连接件121的第一配合面131以形成互补结构，并且两个连接件121的对接面124互相贴合。通过上述方式，一方面便于定位，便于安装铰接轴，另一方面，由于两个连接件121连接时，两个连接件121的对接面124互相贴合，增大二者之间的接触面积，防止变形，保证连接后的稳定性，并且由于第一配合面131是凹陷于对接面124，因此两个连接件121连接时，一个连接件121的第一配合面131对于另一个连接件121的第一连接部127具有承载力，进一步提高二者之间的稳定性。

本实施例中，第一连接部127的表面为向外突出的弧面，第一配合面131为向内凹陷的弧面，也即是朝向承载面凹陷的弧面，也即是，弧面自靠近第二连接部129的一侧至远离第二连接部129的一侧，与对接面124所在的平面之间的距离逐渐扩大。降低连接后的摩擦力，保证连接过程中拱架节段110之间的旋转、拼合、固定，更便于安装，同时降低第一连接部127和第二连接部129的损耗，延长其使用寿命，保证连接处的稳定性。

可选地，第一连接部127的表面例如为3/4圆周面，第一配合面131为1/4圆周面。

其中，第一连接部127沿第二预设方向延伸，第一连接部127的端面可以与连接件121沿第二预设方向的两侧面齐平，也可以伸出连接件121沿第二预设方向的两侧面或与介于连接件121沿第二预设方向的两侧面之间，当其沿第二预设方向延伸且介于连接件121的两侧之间时，其数量可以为一个或多个，例如两个、三个等。

为了便于加工，第一连接部127的两端面介于连接件121位于第二预设方向的两侧面之间，同理，第一配合面131的两端壁介于连接件121位于第二预设方向的两侧面之间。

其中，第二连接部129的数量为两个，两个第二连接部129分别位于第一配合面131在第二延伸方向的两端，每个第二连接部129突出于对接面124；第二端设有与两个第二连接部129匹配的两个第二配合面133，两个第二配合面133分别位于第一连接部127在第二延伸方向的两端，每个第二配合面133凹陷于对接面124。换言之，两个连接件121连接后，第二配合面133与第二连接部129的连接处呈互补结构且使两个连接件121的对接面124贴合，能够保证铰链轴140受力对称、合理，进一步保证连接后的稳定性，同时便于定位，进行安装。同时，两个连接件121连接时，一个连接件121的第二配合面133对于另一个连接件121的第二连接部129具有承载力，进一步提高二者之间的稳定性。

其中，第二连接部129的表面为向外突出的弧面，第二配合面133为向内凹陷的弧面，也即是朝向承载面凹陷的弧面。可选地，两个第二连接部129沿第二预设方向的长度可以相同，也可以不同，本实施例中，两个第二连接部129沿第二预设方向的长度相同。

也即是，两个第二配合面133沿第一连接部127对称布置，两个第二连接部129沿第一配合面131对称布置。能够保证铰链轴140受力对称、合理，使用寿命长，进而提高连接后的稳定性。

可选地，第一连接部127、第二连接部129分别设有铰链孔138，铰链孔138的轴线平行于第二预设方向，两个连接件121连接时，铰链轴140经铰链孔138穿设于第一连接部127以及第二连接部129并伸出连接件121。进一步增加连接的接触面积，增强连接的稳定性，同时便于安装以及拆卸，将铰链轴140插设于铰链孔138。

可选地，铰链轴140插设于铰链孔138滑动连接，便于将铰链轴140插设于铰链孔138，同时需要注意的是，铰链轴140的应该与铰链孔138匹配，防止铰链轴140的外壁与铰链孔138的内壁之间产生间隙，影响安装的稳定性。

进一步可选地，铰链轴140的两端可拆卸连接有紧固件141，用于限定铰链轴140从连接件121滑脱。

紧固件141例如为螺母，铰链轴140的两端具有与螺母的内螺纹配合的外螺纹，也即是，铰链轴140的两端与螺母螺纹连接。铰链轴140依次穿设于其中任一第二连接部129、第一连接部127以及另一第二连接部129，且其两端分别伸出两个第二连接部129，经螺母固定。由于实际的安装过程中，铰链轴140的两端伸出连接件121，此时进行紧固件141的安装更为容易，降低施工难度。

利用双铰接连接机构120连接隧道钢拱架10单元，具有安装工序少、安全可靠稳定，保证隧道钢拱架10的质量，同时，进行安装，仅需要沿隧道的轴向插入铰接链即可，尤其是相比于外侧使用垂直于对接面124的固定件200安装的方式，便于机械安装拆卸，降低施工难度，降低人力投入，施工效率高且施工安全性高。

在本申请提供的其他一些实施例中，铰链轴140的数量不止两个，例如3个或4个，当其为4个时，此时两个连接件121对接后，第一端的2个铰链轴140分别经铰链孔138穿设于第二连接部129后插入第二连接部129，以此类推第二端的连接方式，但上述连接方式的稳定性较差。

本申请还提供了隧道钢拱架10的安装方法，其包括：

安装钢拱架单元100。

具体地，首先在每个拱架节段110的两端分别固定，例如焊接连接件121，每个连接件121对应的铰链轴140分别位于隧道钢拱架10的内侧以及外侧，其中，拱架节段110焊接于支撑面123。

然后将对应隧道顶部的拱架节段110的拱架节段110的两端分别与对应隧道侧壁的拱架节段110对接后，采用如图5所示的第一种安装方式为：安装位于外侧的铰链轴140，或采用如图6所示的第二种安装方式：安装位于内侧以及外侧的铰链轴140。具体铰链轴140的安装方式可根据实际的需求进行选择。

接着，将相邻的两个对应隧道侧壁的拱架节段110对接后安装内侧的铰链轴140，以形成串联的拱架本体。此时由于相邻的两个拱架节段110铰接，因此可实现折叠，便于运输。

然后，例如通过伸缩臂作业车等装置托举拱架本体的对应隧道顶部的拱架节段110至隧道拱顶进行定位，此时对应隧道侧壁的拱架节段110呈自然下垂状态。

将呈自然下垂状态的拱架节段110采用伸缩臂、支杆等撑开，有效节省人力成本的同时便于安装，提高安装效率。

安装相邻的两个对应隧道侧壁的拱架节段110位于外侧的铰链轴140，以拼合形成拱形的钢拱架单元100。具体地，采用平行于隧道单元的轴向方向，将铰链轴140插入铰链孔138，同时由于第二连接部129与第二配合的之间的配合关系，以及第一连接部127与第一配合面131之间的配合关系，使对接后，二者之间形成一定的限位关系，更有利于铰链孔138的定位与配合，更利于将铰链轴140顺利插入铰链孔138，降低施工难度。

利用双铰接连接机构120进行连接，隧道钢拱架10可整体折叠，至目的地后安装边缘段中的相邻的两个拱架节段110位于外侧的铰链轴140即可，便于运输。同时安装时采用机械安装为主，人工辅助定位连接。并且隧道钢拱架10可一次安装，施工效率高、成本低。

需注意的是，安装形成钢拱架单元100后，还包括将其两端的拱脚固定于地面，例如通过螺钉等方式固定于地面，此处可参考相关技术，保证钢拱架单元100的稳定性。

当隧道钢拱架10仅仅包括一个钢拱架单元100时，通过上述安装方式，即可实现隧道钢拱架10的安装。

当隧道钢拱架10包括多个钢拱架单元100时，通过上述安装方式，实现单个的钢拱架单元100的安装，并且依次在新架设的钢拱架单元100与已安装的相邻钢拱架单元100之间焊接纵向的固定件200，例如连接钢筋，此处的纵向是指隧道钢拱架10的轴线方向。

综上，本申请提供的双铰接连接机构结构简单、加工简单，安装后稳定性高，可实现拱架节段间的旋转、拼合、固定。利用上述双铰接连接机构拼接而成的隧道钢拱架连接处稳定，同时安装时采用机械安装为主，人工辅助定位连接，适于机械安装的同时降低人力投入，有效降低施工难度，有效提高施工效率的同时施工安全性高。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双铰接连接机构，其特征在于，包括两个连接件以及铰链轴；

每个所述连接件具有对接面，所述对接面具有互相垂直的第一预设方向以及第二预设方向，所述对接面沿第一预设方向具有第一端以及第二端，所述第一端设有与另一连接件配合的第一连接部，所述第二端设有与另一连接件配合的第二连接部；

两个所述连接件连接时，一个所述连接件的所述第一连接部与另一个所述连接件的所述第二连接部经所述铰链轴铰接，所述铰链轴的轴线平行于所述第二预设方向。

2.根据权利要求1所述的双铰接连接机构，其特征在于，所述第一连接部突出于所述对接面，所述第二端设有凹陷于所述对接面且与所述第一连接部匹配的第一配合面，以使两个所述连接件连接时，一个连接件的第一连接部可转动地设置于另一个连接件的第一配合面以形成互补结构且两个所述连接件的对接面互相贴合。

3.根据权利要求2所述的双铰接连接机构，其特征在于，所述第二连接部的数量为两个，两个所述第二连接部分别位于所述第一配合面在第二延伸方向的两端，每个所述第二连接部突出于所述对接面；

所述第二端设有与两个所述第二连接部匹配的两个第二配合面，两个所述第二配合面分别位于所述第一连接部在第二延伸方向的两端，每个所述第二配合面凹陷于所述对接面。

4.根据权利要求3所述的双铰接连接机构，其特征在于，所述第一连接部、所述第二连接部分别设有铰链孔，所述铰链孔的轴线平行于所述第二预设方向，两个所述连接件连接时，所述铰链轴经所述铰链孔穿设于所述第一连接部以及所述第二连接部并伸出所述连接件。

5.根据权利要求4所述的双铰接连接机构，其特征在于，两个所述第二配合面沿所述第一连接部对称布置，两个所述第二连接部沿所述第一配合面对称布置。

6.根据权利要求2所述的双铰接连接机构，其特征在于，所述第一连接部的表面为向外突出的弧面，所述第一配合面为向内凹陷的弧面。

7.根据权利要求1所述的双铰接连接机构，其特征在于，所述铰链轴的两端可拆卸连接有紧固件，用于限定所述铰链轴从所述连接件滑脱。

8.一种隧道钢拱架，其特征在于，包括钢拱架单元，所述钢拱架单元包括多个拱架节段以及如权利要求1-7任意一项所述的双铰接连接机构，每个所述拱架节段的两端分别与所述连接件背离对接面的一侧固定连接，相邻的两个所述拱架节段通过所述双铰接连接机构连接，所述拱架节段与所述连接件背离对接面的一侧连接，所述铰链轴的轴线与所述钢拱架单元的轴线平行。

9.根据权利要求8所述的隧道钢拱架，其特征在于，所述拱架节段包括格栅钢架节段和工字钢架节段中的至少一种。

10.一种如权利要求8所述的隧道钢拱架的安装方法，其特征在于，包括：在每个拱架节段的两端分别固定所述连接件，每个所述连接件对应的所述铰链轴分别位于所述隧道钢拱架的内侧以及外侧；

将对应隧道顶部的所述拱架节段的拱架节段的两端分别与对应隧道侧壁的所述拱架节段对接后，安装位于外侧的铰链轴，或安装位于内侧以及外侧的铰链轴；

将相邻的两个对应隧道侧壁的所述拱架节段对接后安装内侧的铰链轴，以形成串联的拱架本体；

托举拱架本体的对应隧道顶部的所述拱架节段至隧道拱顶进行定位，对应隧道侧壁的所述拱架节段呈自然下垂状态；

将呈自然下垂状态的所述拱架节段撑开，安装相邻的两个对应隧道侧壁的所述拱架节段位于外侧的所述铰链轴，以拼合形成拱形的钢拱架单元。