1.一种隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述隧道钢拱架防屈服伺服系统包括用于向隧道钢拱架提供竖向支撑工作压力并控制隧道钢拱架工作状态的支撑头(1)、用于实时监测隧道钢拱架的竖向支撑压力和拱脚位移及应变的监测传感器(2)、用于接收、传递监测数据并依据监测数据反馈为千斤顶提供对应油压的数控泵站(3)以及用于设置相应的参数指令并监测数控泵站(3)正常运行的总控设备(4);所述数控泵站(3)分别与监测传感器(2)以及支撑头(1)相连;所述总控设备(4)与数控泵站(3)无线连接;所述监测传感器(2)置于支撑头(1)上;所述支撑头(1)通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上;所述支撑头(1)包括液压千斤顶(11)、支承底座(12)、机械锁(13)、下部辅助构件(14)以及上部辅助构件(15);所述液压千斤顶(11)包括千斤顶底座(114)以及千斤顶顶头(113),所述千斤顶底座(114)设置在上部辅助构件(15)内部,液压油驱动千斤顶顶头(113)沿千斤顶底座(114)的轴向从上部辅助构件(15)底部伸出或缩回;所述支承底座(12)整体呈凸字状;所述下部辅助构件(14)套装在支承底座(12)外部;且所述下部辅助构件(14)包括螺杆垫板(142),所述机械锁(13)置于上部辅助构件(15)中的定位承压钢筒(152)和螺杆垫板(142)之间并分别与上部辅助构件(15)以及螺杆垫板(142)相连;所述定位承压钢筒(152)至少是两个,所述定位承压钢筒(152)均布在液压千斤顶(11)圆周方向;所述上部辅助构件(15)包括自下而上依次连接的中支撑板(151)、定位承压钢筒(152)以及上支撑板(153);所述液压千斤顶(11)固定在上支撑板(153)上并从中支撑板(151)底部伸出后止靠在支承底座(12)上表面;所述机械锁(13)包括高强螺杆(131)以及设置在高强螺杆(131)上的高强螺母(132);所述高强螺杆(131)的底部以及顶部分别伸入螺杆垫板(142)以及整体结构呈n型的定位承压钢筒(152)中;所述高强螺母(132)是两个,两个高强螺母(132)分列在高强螺杆(131)的两端部并置于螺杆垫板(142)的上表面以及定位承压钢筒(152)的下表面;所述数控泵站(3)与液压千斤顶(11)相连并驱动液压千斤顶(11)从上部辅助构件(15)底部伸出或缩回;所述监测传感器(2)包括分别与数控泵站(3)相连的轴力计(21)、激光位移计(22)以及应变计(23);所述轴力计(21)置于液压千斤顶(11)和支承底座(12)之间;所述激光位移计(22)置于上部辅助构件(15)和下部辅助构件(14)之间;所述应变计(23)置于隧道钢拱架上。
2.根据权利要求1所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述千斤顶底座(114)上设置有进油管(111)以及出油管(112);所述数控泵站(3)分别与进油管(111)以及出油管(112)相连通并通过进油管(111)以及出油管(112)向千斤顶底座(114)中输入或输出液压油;所述轴力计(21)置于千斤顶顶头(113)和支承底座(12)之间并与数控泵站(3)相连。
3.根据权利要求2所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述支承底座(12)包括底座支撑顶头(121)以及底座盘(122);所述底座支撑顶头(121)以及底座盘(122)的结构均呈圆筒形;所述底座支撑顶头(121)的外径小于底座盘(122)的内径;所述底座支撑顶头(121)以及底座盘(122)整体呈凸字状;所述下部辅助构件(14)套装在底座支撑顶头(121)外部并止靠在底座盘(122)的上表面上;所述轴力计(21)置于千斤顶顶头(113)和底座支撑顶头(121)之间。
4.根据权利要求3所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述下部辅助构件(14)包括下支撑板(141),所述螺杆垫板(142)与下支撑板(141)自上而下依次设置;所述螺杆垫板(142)以及下支撑板(141)上均开设有圆形通孔;所述底座支撑顶头(121)穿过螺杆垫板(142)以及下支撑板(141)的圆形通孔;所述激光位移计(22)包括激光发射头(221)以及与激光发射头(221)位置相对的反射棱镜(222);所述激光发射头(221)设置在螺杆垫板(142)上表面;所述反射棱镜(222)设置在上部辅助构件(15)下表面;所述激光发射头(221)与数控泵站(3)相连。
5.根据权利要求4所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述定位承压钢筒(152)至少是两个,所述定位承压钢筒(152)均布在液压千斤顶(11)圆周方向;所述激光发射头(221)设置在螺杆垫板(142)上表面;所述反射棱镜(222)设置在中支撑板(151)的下表面;所述上支撑板(153)通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上。
6.根据权利要求5所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述机械锁(13)的数量与定位承压钢筒(152)的数量相同;所述机械锁(13)包括高强螺杆(131)以及设置在高强螺杆(131)上的高强螺母(132);所述高强螺杆(131)的底部以及顶部分别伸入螺杆垫板(142)以及整体结构呈n型的定位承压钢筒(152)中;所述高强螺母(132)是两个,两个高强螺母(132)分列在高强螺杆(131)的两端部并置于螺杆垫板(142)的上表面以及定位承压钢筒(152)的下表面。
7.根据权利要求1-6任一所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述支撑头(1)还包括支撑头挡板(16);所述上部辅助构件(15)以及支承底座(12)自上而下整体置于支撑头挡板(16)中;所述支撑头挡板(16)包括支撑头侧挡板(161)、支撑头底板(162)以及支撑头前后插入式挡板(163);所述支撑头侧挡板(161)上设置有挡板插槽(164);所述支撑头前后插入式挡板(163)插入支撑头侧挡板(161)上的挡板插槽(164)中;所述支撑头侧挡板(161)以及支撑头底板(162)由同一幅钢板弯折而成;所述支撑头侧挡板(161)、支撑头底板(162)以及支撑头前后插入式挡板(163)共同形成框状结构;所述支承底座(12)固定在支撑头底板(162)上表面。
8.根据权利要求7所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统,其特征在于:所述数控泵站(3)包括液压油泵(31)、变频控制器(32)、PLC控制器(33)以及数据传送器(34);所述液压油泵(31)与液压千斤顶(11)相连并驱动液压千斤顶(11)从上部辅助构件(15)底部伸出或缩回;所述PLC控制器(33)分别与轴力计(21)、激光位移计(22)以及应变计(23)相连;所述数据传送控制器(34)与总控设备(4)无线连接;所述数据传送控制器(34)依次通过PLC控制器(33)以及变频控制器(32)与液压油泵(31)相连;所述应变计(23)粘贴于钢拱架(5)拱脚的腹板及翼缘处。
9.一种基于如权利要求8所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统的隧道钢拱架防屈服变形控制方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:1)组装支撑头:隧道开挖前,将支承底座(12)置于支撑头底板(162)上,并将下部辅助构件(14)安装于支承底座(12)上,使螺杆垫板(142)和下支撑板(141)嵌套于底座支承头(121)并平铺于底座盘(122)上;随后在螺杆垫板(142)上插入高强螺杆(131),并在螺杆垫板(142)的上表面旋入高强螺母(132),使高强螺杆(131)紧固于螺杆垫板(142)上;旋拧高强螺杆(131)使高强螺杆(131)穿透螺杆垫板(142)并与下支撑板(141)形成挤压;在高强螺杆(131)上拧入第二颗高强螺母(132)至保证隧道限界的设计位移控制点,再将上部辅助构件(15)安装于高强螺杆(131)之上,使得高强螺杆(131)顶部穿透中支撑板(151)并插入定位承压钢筒(152)的中空预留槽中,并调整各高强螺母(132)的位置使中支撑板(151)保持水平,完成支撑头(1)的初始组装;2)机械锁初始支撑:隧道开挖后,将步骤1)组装成型的支撑头(1)放置于需提供竖向支撑的指定位置;将轴力计(21)安装至底座支承顶头(121)上端、将激光位移计(22)通过磁力紧贴于中支撑板(151)下表面和螺杆垫板(142)上表面,随后将收缩的液压千斤顶(11)呈倒立状态推送至上部辅助构件(15)中部,并使突出的千斤顶顶头(113)从中支撑板(151)中伸出,将液压千斤顶(11)定位;在监测传感器(2)、数控泵站(3)、总控设备(4)数据传输检查无误后,将钢拱架(5)拼接安装至支撑头(1)上,并采用螺栓将钢拱架(5)拱脚的连接垫板(52)与上支撑板(153)紧固锁定,使钢拱架(5)的竖向荷载依次从上到下依次传递至上支撑板(153)、定位承压钢筒(152)、中支撑板(151)、高强螺母(132)、高强螺杆(131)、螺杆垫板(142)、下支撑板(141)、底座盘(122)以及支撑头底板(162),再传导值基底,即通过机械锁(13)抵抗钢拱架的竖向荷载;将应变计(23)粘贴于钢拱架(5)拱架工字钢(51)的翼缘和腹板处,再检查应变信号的数据传输效果;整个系统数据传输检查无误后,完成钢拱架(5)的机械锁初始支撑;3)千斤顶支撑:在总控设备(4)上输入略小于钢支撑自重的设计初始工作压力,并通过无线传输方式传送控制信号至数控泵站(3),控制信号经数据传送器(34)接收后,传递至PLC控制器(33),再进一步调整变频控制器(32)以改变液压油泵(31)内的油量,最后通过进油管(111)及出油管(112)的油压传递,给液压千斤顶(11)输入初始工作压力,此时液压千斤顶(11)的顶头(113)开始伸张,千斤顶顶头(113)与轴力计(21)紧贴,并推动千斤顶底座(114)与上支撑板(153)接触;随着液压千斤顶(11)伸开,液压千斤顶(11)开始产生工作压力,分担机械锁(13)承受的荷载,直至到达初始工作压力;初始工作压力稳定后,在总控设备(4)处调节油压参数,使液压千斤顶(11)的工作压力不断增加,液压千斤顶(11)开始成为主要的承压设备,直至激光位移计(22)监测的距离增加,且机械锁(13)上部的高强螺母(132)与中支撑板出现一定的孔隙,失去了对钢拱架(5)的竖向支撑,工作压力全部转移至液压千斤顶(11)上;维持液压千斤顶(11)的工作压力,使钢拱架(5)与岩面初喷(61)紧贴,对围岩的变形产生支护作用力;4)工作压力调控:在总控设备(4)中输入设计的工作压力控制值、竖向位移控制值、竖向位移速率控制值、钢拱架(5)拱脚各点的应变控制值,并传送值数控泵站(3),数据经数据传送器(34)接收后进一步传输给PLC控制器(33);在围岩变形过程中,改变PLC控制器(33)内部的控制目标,以钢拱架的竖向位移值和位移速度尽量小为控制目的,使得液压千斤顶(11)随着竖向位移的增加工作压力不断增大,以实现围岩变形控制;5)工作压力锁定:在围岩压力充分释放后,围岩变形趋于稳定时,将机械锁(13)的上部高强螺母(132)拧紧并紧贴于中支撑板(151),随后逐步释放液压油泵(31)的油量,将工作压力再逐渐转移至机械锁(13),将支撑头(1)的工作压力锁定;工作压力锁定后,将液压千斤顶(11)收缩并取出,并收回监测传感器(2);在支撑头侧挡板(161)的挡板插槽(164)中插入支撑头前后挡板(163),使挡板四周封闭,随之通过支撑头挡板(16)和上支撑板(153)之间的缝隙中向封闭的支撑头(1)内灌注混凝土,使支撑头(1)内部形成一个整体的承载结构,进一步对整个岩面进行复喷混凝土以及进行下一阶段的施工,完成围岩变形的控制。