本发明涉及隧道及地下工程，尤其是涉及一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统及其工作方法。
背景技术：
1、隧道仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效的传递到地下，而且还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。而当隧道通过软弱、易变形地层或存在富水地层时，极易产生底鼓现象，以红层泥岩为例，在隧道开挖、地下水变动及施工扰动等因素的影响下，易导致红层泥岩吸水膨胀，膨胀力作用于隧道仰拱，导致隧道底鼓病害的发生。
2、由于底鼓现象是对隧道仰拱结构的反复作用，加速仰拱的疲劳损伤，严重影响了隧道的运营效率，增加了运营期间的围护成本，从长时间来看，持续增加了隧道的运营风险，缩短了隧道的使用寿命。为解决隧道仰拱底鼓的问题，本领域技术人员对隧道的设计方法与施工工艺展开了诸多研究与改进。
3、中国专利cn117569835a提供了一种适用于大断面隧道的装配式仰拱实施方法，针对大断面隧道采用预制施工吊运拼装方法，缩短施工工期。同时采用纤维混凝土，由于其具有良好的变形协调特性，能有效吸收岩体变形，达到控制仰拱变形的目的。其仰拱构件的连接方式是通过弯螺栓错缝拼接，提高施工效率使隧道快速成环。但此类构件的连接接头在制作时需要较高的精细度，同时工人在操作上也需要尝试大量角度去对准构件设定区域，对于操作仰拱底部的构件连接更是极大增加了施工操作难度。如若隧道仰拱构件发生损坏需进行维护的话，替换新的仰拱构件将挤压施工操作空间，导致施工困难。
4、现如今许多隧道随着运营时间的增加，其地层压力、地表荷载的变化及地下水的变动易导致隧道仰拱发生底鼓。仰拱发生底鼓会导致隧道底部结构产生应力集中，长时间会引起隧道底部结构开裂、破损，降低隧道结构的整体稳定性，影响行车安全。利用预制装配式的仰拱施工方法能快速完成对受损仰拱的修复，加快装配式仰拱施工效率是未来隧道运营维护研究的关键。
5、目前，隧道仰拱实施方法存在以下问题：首先，装配式仰拱的安装方式不利于工人对仰拱底部的构件连接进行精准的操作，易导致底部螺栓安装不牢；其次，隧道仰拱结构在各种因素影响作用下发生开裂，其在维护成本高的同时，维修更换新的装配式构件时没有预留足够的施工位置，容易导致二次损害。因此，为维护、改进破坏位置的仰拱结构，需设计一种可以对狭小空间的仰拱底鼓灾害进行修补和有效替换处理的接头系统。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统及其工作方法，在第二仰拱块的两侧设置蜗轮传动机构和接头连接机构，蜗轮传动机构顶部位于第二仰拱块表面，通过蜗轮传动机构顶部驱动蜗轮传动机构工作，蜗轮传动机构驱动接头连接机构将第一仰拱块和第二仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块紧固连接，提高了施工效率，解决了在狭小空间内无法快速精确进行仰拱块拼接的问题。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，包括预制仰拱块、公接头环、母接头环、接头连接机构和蜗轮传动机构，所述预制仰拱块包括第一仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块，所述第一仰拱块和第三仰拱块分别位于第二仰拱块的两侧，所述公接头环和母接头环的数量相同且均为多个，所述第二仰拱块的两侧分别安装有多个公接头环，所述第一仰拱块和第三仰拱块靠近第二仰拱块的一侧均安装有多个母接头环，所述公接头环与母接头环一一对应，每个所述公接头环内均设有接头连接机构，所述涡轮传动机构设于公接头环远离母接头环的端部，所述蜗轮传动机构与接头连接机构连接，所述涡轮传动机构驱动接头连接机构卡接入公接头环和母接头环内使公接头环与母接头环紧固连接，所述接头连接机构包括平顶圆锥、接头连接轴和弹性限位块，所述接头连接轴为中空结构，所述接头连接轴沿长度方向的端部与平顶圆锥的底部固定连接便于接头连接轴成功进入母接头环内，沿所述接头连接轴的长度方向间隔设有两组弹性限位块，每组所述弹性限位块的数量均为多个，多个所述弹性限位块沿接头连接轴的圆周方向间隔设置。
3、优选的，所述蜗轮传动机构包括传动杆和多个蜗轮传动箱，多个所述蜗轮传动箱沿第二仰拱块的高度方向间隔设置，所述传动杆竖直向下穿过多个蜗轮传动箱并带动多个蜗轮传动箱同步工作，所述蜗轮传动箱包括箱体、内六角蜗杆、蜗轮、螺纹杆和第一限位块，所述内六角蜗杆与蜗轮相啮合且均位于箱体内，所述传动杆向下穿过内六角蜗杆并带动内六角蜗杆转动，所述螺纹杆沿长度方向的端部水平穿过箱体和蜗轮后与接头连接轴固定连接，所述第一限位块位于箱体的外侧，所述第一限位块与螺纹杆固定连接限制螺纹杆远离接头连接轴的端部滑入箱体。
4、优选的，所述传动杆包括六角杆、第二定位法兰和第二限位块，所述六角杆沿第二仰拱块的高度方向垂直向下穿过多个箱体和多个内六角蜗杆，所述第二定位法兰位于第二仰拱块的表面，所述第二定位法兰与六角杆的顶部固定连接，所述第二定位法兰上设有多个螺纹孔便于将第二定位法兰与第二仰拱块固定连接，所述第二限位块设于六角杆远离第二定位法兰的端部。
5、优选的，所述弹性限位块包括伸缩块、伸缩杆、弹簧和第三限位块，所述接头连接轴的中部为空心圆管，所述接头连接轴沿长度方向的中部两侧均设有多个凹槽，所述凹槽与伸缩块一一对应，每个所述凹槽的大小均与伸缩块的大小相匹配便于将伸缩块压入凹槽内，所述伸缩杆的顶部与伸缩块固定连接，所述弹簧套设于伸缩杆上，所述弹簧的顶部与伸缩块固定连接，所述弹簧的底部与凹槽固定连接，所述伸缩杆远离伸缩块的端部穿过凹槽的底部后与第三限位块连接。
6、优选的，所述公接头环与母接头环的内侧壁沿其圆周方向均设有卡环，所述卡环的宽度与伸缩块的长度相同便于伸缩块卡接入卡环内。
7、优选的，所述第一仰拱块与第二仰拱块相接触的一侧沿宽度方向间隔设有多个榫槽，所述第一仰拱块的榫槽处沿高度方向安装有多个母接头环，每个所述母接头环的端部均设有第一定位法兰便于母接头环与榫槽固定连接，所述第三仰拱块与第一仰拱块结构相同，所述第二仰拱块的两侧沿宽度方向均设有多个榫块，每个所述榫块均与榫槽相匹配，每个所述榫块沿高度方向均安装有多个公接头环，每个所述公接头环的端部均设有第一定位法兰便于公接头环与榫块固定连接。
8、优选的，所述第一仰拱块和第三仰拱块的横断面为直角三角形，所述三角形的斜边为与隧道贴合的弧形，所述第二仰拱块的横断面为矩形，所述第二仰拱块的底面为与隧道贴合的弧形，所述第一仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块均为中空结构且空腔部分形状与相应仰拱块的形状相似。
9、本发明还提供了一种采用上述用于装配式仰拱的快速安装接头系统实现接头安装的方法，包括如下步骤：
10、步骤s1：将所述第二仰拱块吊运至隧道内，调整所述第二仰拱块的位置是第二仰拱块的竖向中心线与隧道的竖向中心线重合；
11、步骤s2：将所述第一仰拱块和第三仰拱块贴合隧道的侧壁分别吊运至第二仰拱块的左右两侧，使第一仰拱块和第二仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块均相顶紧；
12、步骤s3：驱动所述第二仰拱块上的蜗轮传动机构，通过蜗轮传动机构推动接头连接机构沿公接头环的长度方向向母接头环水平移动，使所述接头连接机构的弹性限位块分别与母接头环和公接头环相卡接；
13、步骤s4：将所述第一仰拱块和第三仰拱块两端的预埋连接钢筋分别与上方的二衬进行注浆加固连接，所述第一仰拱块和第二仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块之间的拼接施工缝通过混凝土浆液填充，使所述第一仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块连接共同组成箱型预制仰拱。
14、本发明与现有技术相比具有以下优点：
15、1、本发明在第二仰拱块的两侧设置蜗轮传动机构和接头连接机构，蜗轮传动机构顶部位于第二仰拱块表面，通过蜗轮传动机构顶部驱动蜗轮传动机构工作，蜗轮传动机构驱动接头连接机构将第一仰拱块和第二仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块紧固连接，提高了施工效率，解决了在狭小空间内无法快速精确进行仰拱块拼接的问题。
16、2、本发明的接头连接轴沿其长度方向间隔设置两组弹性限位块，每组弹性限位块均沿接头连接轴的圆周方向间隔设置，实现接头连接轴与公接头环、母接头环的多点位卡接，提高了接头连接轴对公接头环和母接头环连接的稳固性。
17、3、本发明的蜗轮传动机构通过传动杆和蜗轮传动箱的相互配合，使得只需转动传动杆顶部的第二定位法兰，即可驱动沿第二仰拱块高度方向的多个蜗轮传动箱同步动作，驱动沿第二仰拱块高度方向的多个接头连接机构同步移动，并同时完成卡接，实现对仰拱块底部构建连接的精准操作，解决了仰拱底部螺栓安装不稳固的问题，节约了施工时间，降低了施工成本。
18、4、本发明的第一仰拱块和第三仰拱块上均设置有榫槽，第二仰拱块的左右两侧均设置有榫块，第一仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块的榫槽和榫块组成榫卯结构，使第一仰拱块和第二仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块连接时即有连接强度，同时榫卯结构还提高了第一仰拱块和第二仰拱块、第二仰拱块和第三仰拱块的连接精度。
19、下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
1.一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，其特征在于：包括预制仰拱块、公接头环(5)、母接头环(6)、接头连接机构和蜗轮传动机构，所述预制仰拱块包括第一仰拱块(1)、第二仰拱块(2)和第三仰拱块(3)，所述第一仰拱块(1)和第三仰拱块(3)分别位于第二仰拱块(2)的两侧，所述公接头环(5)和母接头环(6)的数量相同且均为多个，所述第二仰拱块(2)的两侧分别安装有多个公接头环(5)，所述第一仰拱块(1)和第三仰拱块(3)靠近第二仰拱块(2)的一侧均安装有多个母接头环(6)，所述公接头环(5)与母接头环(6)一一对应，每个所述公接头环(5)内均设有接头连接机构，所述涡轮传动机构设于公接头环(5)远离母接头环(6)的端部，所述蜗轮传动机构与接头连接机构连接，所述涡轮传动机构驱动接头连接机构卡接入公接头环(5)和母接头环(6)内使公接头环(5)与母接头环(6)紧固连接，所述接头连接机构包括平顶圆锥(10)、接头连接轴(15)和弹性限位块(11)，所述接头连接轴(15)为中空结构，所述接头连接轴(15)沿长度方向的端部与平顶圆锥(10)的底部固定连接便于接头连接轴(15)成功进入母接头环(6)内，沿所述接头连接轴(15)的长度方向间隔设有两组弹性限位块(11)，每组所述弹性限位块(11)的数量均为多个，多个所述弹性限位块(11)沿接头连接轴(15)的圆周方向间隔设置。
2.按照权利要求1所述的一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，其特征在于：所述蜗轮传动机构包括传动杆(17)和多个蜗轮传动箱(21)，多个所述蜗轮传动箱(21)沿第二仰拱块(2)的高度方向间隔设置，所述传动杆(17)竖直向下穿过多个蜗轮传动箱(21)并带动多个蜗轮传动箱(21)同步工作，所述蜗轮传动箱(21)包括箱体(24)、内六角蜗杆(16)、蜗轮(18)、螺纹杆(19)和第一限位块(20)，所述内六角蜗杆(16)与蜗轮(18)相啮合且均位于箱体(24)内，所述传动杆(17)向下穿过内六角蜗杆(16)并带动内六角蜗杆(16)转动，所述螺纹杆(19)沿长度方向的端部水平穿过箱体(24)和蜗轮(18)后与接头连接轴(15)固定连接，所述第一限位块(20)位于箱体(24)的外侧，所述第一限位块(20)与螺纹杆(19)固定连接限制螺纹杆(19)远离接头连接轴(15)的端部滑入箱体(24)。
3.按照权利要求2所述的一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，其特征在于：所述传动杆(17)包括六角杆(25)、第二定位法兰(22)和第二限位块(23)，所述六角杆(25)沿第二仰拱块(2)的高度方向垂直向下穿过多个箱体(24)和多个内六角蜗杆(16)，所述第二定位法兰(22)位于第二仰拱块(2)的表面，所述第二定位法兰(22)与六角杆(25)的顶部固定连接，所述第二定位法兰(22)上设有多个螺纹孔便于将第二定位法兰(22)与第二仰拱块(2)固定连接，所述第二限位块(23)设于六角杆(25)远离第二定位法兰(22)的端部。
4.按照权利要求1所述的一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，其特征在于：所述弹性限位块(11)包括伸缩块(12)、伸缩杆(26)、弹簧(13)和第三限位块(14)，所述接头连接轴(15)沿长度方向的中部两侧均设有多个凹槽(27)，所述凹槽(27)与伸缩块(12)一一对应，每个所述凹槽(27)的大小均与伸缩块(12)的大小相匹配便于将伸缩块(12)压入凹槽(27)内，所述伸缩杆(26)的顶部与伸缩块(12)固定连接，所述弹簧(13)套设于伸缩杆(26)上，所述弹簧(13)的顶部与伸缩块(12)固定连接，所述弹簧(13)的底部与凹槽(27)固定连接，所述伸缩杆(26)远离伸缩块(12)的端部穿过凹槽(27)的底部后与第三限位块(14)连接。
5.按照权利要求4所述的一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，其特征在于：所述公接头环(5)与母接头环(6)的内侧壁沿其圆周方向均设有卡环(28)，所述卡环(28)的宽度与伸缩块(12)的长度相同便于伸缩块(12)卡接入卡环(28)内。
6.按照权利要求1所述的一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，其特征在于：所述第一仰拱块(1)与第二仰拱块(2)相接触的一侧沿宽度方向间隔设有多个榫槽(8)，所述第一仰拱块(1)的榫槽(8)处沿高度方向安装有多个母接头环(6)，每个所述母接头环(6)的端部均设有第一定位法兰(7)便于母接头环(6)与榫槽(8)固定连接，所述第三仰拱块(3)与第一仰拱块(1)结构相同，所述第二仰拱块(2)的两侧沿宽度方向均设有多个榫块(4)，每个所述榫块(4)均与榫槽(8)相匹配，每个所述榫块(4)沿高度方向均安装有多个公接头环(5)，每个所述公接头环(5)的端部均设有第一定位法兰(7)便于公接头环(5)与榫块(4)固定连接。
7.按照权利要求1所述的一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统，其特征在于：所述第一仰拱块(1)和第三仰拱块(3)的横断面为直角三角形，所述三角形的斜边为与隧道贴合的弧形，所述第二仰拱块(2)的横断面为矩形，所述第二仰拱块(2)的底面为与隧道贴合的弧形，所述第一仰拱块(1)、第二仰拱块(2)和第三仰拱块(3)均为中空结构且空腔部分形状与相应仰拱块的形状相似。
8.一种采用如权利要求6所述的一种用于装配式仰拱的快速安装接头系统实现接头安装的方法，其特征在于，包括如下步骤：
