本發(fā)明涉及一種施工方法與裝置，更詳細(xì)地說是一種基于監(jiān)測(cè)反饋技術(shù)的單層襯砌智能噴射施工方法與裝置，屬于水利水電工程中的水工隧洞襯砌施工方法及設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

為了保證水工隧洞安全有效運(yùn)行，通常需要對(duì)隧洞進(jìn)行襯砌。水工隧洞襯砌一般為復(fù)合式襯砌，即由初襯和復(fù)襯組合形成襯砌結(jié)構(gòu)。初襯主要用于封閉圍巖和提供初期支護(hù)，一般采用掛網(wǎng)噴錨混凝土；復(fù)襯用于形成最終支護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)化過水通道，滿足過水的要求，一般采用模筑混凝土，需要立模、澆筑混凝土、拆模以及回填灌漿等工序。初襯與復(fù)襯之間一般要設(shè)置一層防水板，層間不傳遞剪力，其承載機(jī)理類似于“疊合梁”。復(fù)合式襯砌工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)、施工難度較大。

單層襯砌是由單層或多層混凝土構(gòu)成的，各層間能夠充分傳遞剪力的支護(hù)體系，與組合式襯砌的最大區(qū)別是層間不設(shè)防水板，通過層間徑向和環(huán)向上的抗滑移性，使得各混凝土層形成共同承載體系。其承載機(jī)理類似于“組合梁”，比等厚度的復(fù)合式襯砌產(chǎn)生的應(yīng)力小，可適當(dāng)減薄厚度，減少開挖量，節(jié)約投資。

單層襯砌的第一層一般采用噴射混凝土，后續(xù)層采用模筑混凝土。與復(fù)合式襯砌相比，單層襯砌雖然減去了防水板的施工，但由于模筑混凝土仍然需要立模、澆筑混凝土、拆模等工序，施工周期長(zhǎng)、施工難度大。噴射混凝土雖然施工快，機(jī)械化程度高，但由于噴射施工精度無法滿足水工隧洞襯砌斷面標(biāo)準(zhǔn)化和襯砌表面平整度、糙率的要求，一般不用于后續(xù)層的施工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種隧洞襯砌的智能噴射施工方法，解決了噴射混凝土襯砌斷面標(biāo)準(zhǔn)化和襯砌表面平整度、糙率的技術(shù)問題，可用于一次性施工隧洞單層襯砌，也可用于施作復(fù)合式襯砌的復(fù)襯。施工效果滿足水工隧洞襯砌斷面標(biāo)準(zhǔn)化和襯砌表面平整度、糙率的要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下具體技術(shù)方案：

一種基于監(jiān)測(cè)反饋技術(shù)的單層襯砌智能噴射施工方法，基于噴射施工裝置，分三層完成襯砌的噴射施工;

步驟s1、設(shè)置好慣性坐標(biāo)裝置，在控制系統(tǒng)中輸入襯砌完成后的隧洞內(nèi)表面參數(shù)和噴射材料參數(shù)；

步驟s2、監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)，獲得以下兩個(gè)實(shí)時(shí)參數(shù)：

第一、整個(gè)噴射施工裝置的實(shí)時(shí)位置，經(jīng)慣性坐標(biāo)裝置偏移修正，得到噴射系統(tǒng)的相對(duì)位置參數(shù)；

第二、圍巖或襯砌表面距噴射系統(tǒng)噴頭的距離及其在慣性坐標(biāo)裝置中的相對(duì)位置參數(shù)；

步驟s3、監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)將獲得的上述兩個(gè)參數(shù)反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過將預(yù)設(shè)襯砌表面目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)和監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)反饋獲得的兩個(gè)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行比較，得出噴射實(shí)施參數(shù)；

步驟s4、控制系統(tǒng)將得到的噴射實(shí)施參數(shù)傳輸至噴射系統(tǒng)，噴射系統(tǒng)按照次序?qū)嵤﹪娚浠炷磷鳂I(yè)；

步驟s5、監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到噴射施作表面坐標(biāo)，并將其與預(yù)設(shè)襯砌表面坐標(biāo)進(jìn)行比較，若二者距離差在100mm~200mm范圍內(nèi)，則控制系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)指令；

步驟s6、整個(gè)噴射施工裝置進(jìn)入新位置后，循環(huán)執(zhí)行步驟s1～步驟s5，直至噴射混凝土作業(yè)完成10m～100m；

步驟s7、等待2小時(shí)～48小時(shí)后，實(shí)施砂漿噴射作業(yè)，步驟同步驟s1～步驟s5，將噴射材料換為砂漿；

步驟s8、等待2小時(shí)～48小時(shí)后，實(shí)施聚合物噴射作業(yè)，步驟同步驟s1～步驟s5，將噴射材料換為聚合物。

所述隧洞內(nèi)表面參數(shù)為隧道內(nèi)表面的位置參數(shù)，例如圓形隧道可以為隧洞半徑。

所述噴射材料參數(shù)包括：噴射材料的最大粒徑，一次噴層的厚度，凝結(jié)時(shí)間和最大允許噴射速度。

所述監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)的反饋頻率為1/10s。

所述噴射實(shí)施參數(shù)包括：噴射時(shí)間、噴射角度、噴射速度以及噴頭位置。

所述分三層完成襯砌的噴射施工，第一層為噴射混凝土，噴射實(shí)施后襯砌表面平整度達(dá)到3m靠尺偏差100mm～200mm；

第二層為噴射砂漿，噴射實(shí)施后襯砌表面平整度達(dá)到3m靠尺偏差3mm～5mm；

第三層為噴射高分子聚合物，噴射實(shí)施后襯砌表面平整度達(dá)到3m靠尺偏差<3mm。

一種基于監(jiān)測(cè)反饋技術(shù)的單層襯砌智能噴射施工裝置，包括：

控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述的控制系統(tǒng)包括輸入裝置、采集裝置、計(jì)算裝置和輸出裝置；

所述輸入裝置用于輸入預(yù)先設(shè)定的襯砌內(nèi)徑參數(shù)和噴射材料參數(shù)；

所述采集裝置用于記錄監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)拾取的圍巖或襯砌表面三維坐標(biāo)、噴射系統(tǒng)位置以及整個(gè)噴射施工裝置位置；

所述的計(jì)算裝置用于計(jì)算采集裝置記錄的圍巖或襯砌表面三維坐標(biāo)與預(yù)先設(shè)定的襯砌內(nèi)斷面對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的差異，并計(jì)算出噴射系統(tǒng)下一步移動(dòng)的位置坐標(biāo)、噴射速度、噴射時(shí)間以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下一步移動(dòng)的位置坐標(biāo)；

所述的輸出裝置用于將計(jì)算裝置計(jì)算所得的參數(shù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并輸入給噴射系統(tǒng)、供料系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

所述監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)包括定位裝置、慣性坐標(biāo)裝置和激光測(cè)距裝置，其中，所述定位裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量整個(gè)噴射施工裝置的位置，確定其與工作線的誤差，當(dāng)誤差超過允許值時(shí)，將誤差反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算裝置-輸出裝置將調(diào)整指令輸出至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以調(diào)整整個(gè)噴射施工裝置的位置，使其位于工作線上，并滿足誤差控制的要求；

所述慣性坐標(biāo)裝置用于實(shí)時(shí)反饋噴射系統(tǒng)、當(dāng)前噴射的目標(biāo)圍巖點(diǎn)或襯砌表面點(diǎn)與隧洞軸線的相對(duì)位置；

所述激光測(cè)距裝置固定于噴射系統(tǒng)上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量噴射目標(biāo)點(diǎn)與隧道軸線、預(yù)先設(shè)定的襯砌斷面內(nèi)表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系。

所述的噴射系統(tǒng)包括混凝土噴射機(jī)、砂漿噴射機(jī)和聚合物噴射機(jī)三部分。

有益效果：

本發(fā)明與已有技術(shù)項(xiàng)目，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、實(shí)現(xiàn)智能化噴射施工。本發(fā)明噴射施工裝置的移動(dòng)、噴射系統(tǒng)的噴射速度調(diào)整、噴頭位置的移動(dòng)等均根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得的圍巖上的目標(biāo)噴射點(diǎn)與設(shè)計(jì)斷面襯砌表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)之間的差異自動(dòng)調(diào)整。

2、施工精度高。本發(fā)明通過先噴混凝土、再噴砂漿、最后噴聚合物的方式，實(shí)現(xiàn)粗噴、細(xì)噴、精噴的優(yōu)化組合，提高了噴射襯砌表面平整度的控制精度。

3、效率高。本發(fā)明采用監(jiān)測(cè)反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)噴射施工的智能化控制，減少噴射施工操作人員數(shù)量，提高了噴射施工效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明水工隧洞襯砌施工方法功能框圖。

圖2為本發(fā)明所述激光定位裝置示意圖。

其中，1為激光測(cè)距裝置；2為噴射系統(tǒng)的噴頭；3為預(yù)設(shè)襯砌表面；4為實(shí)時(shí)襯砌表面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖給出實(shí)施例并對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

將本發(fā)明所述一種水工隧洞襯砌施工裝置驅(qū)動(dòng)進(jìn)入待施工隧道軸線位置，設(shè)置好慣性坐標(biāo)裝置。

如圖1所示，第一步，在控制系統(tǒng)中輸入襯砌完成后的內(nèi)表面參數(shù)和噴射材料參數(shù)，例如圓形隧洞半徑8m，噴射材料為混凝土，最大粒徑15mm，一次噴層厚度200mm，凝結(jié)時(shí)間2min，最大允許噴射速度4m³/h；

第二步，監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)，定位裝置獲得整個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)位置，經(jīng)慣性坐標(biāo)裝置偏移修正，得到噴射系統(tǒng)的相對(duì)位置；激光測(cè)距系統(tǒng)獲得圍巖或襯砌表面距噴射系統(tǒng)噴頭的距離及其在慣性坐標(biāo)裝置中的相對(duì)位置；監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)的反饋頻率為1/10s。

第三步，監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)將獲得的上述參數(shù)反饋至控制系統(tǒng)的采集裝置，與輸入裝置中輸入的參數(shù)一起，進(jìn)入計(jì)算裝置，計(jì)算裝置通過比較預(yù)設(shè)襯砌表面目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)和輸入裝置、采集裝置獲得的實(shí)時(shí)參數(shù)，得出噴射時(shí)間、噴射角度、噴射速度、噴頭位置等噴射實(shí)施參數(shù)；

第四步，計(jì)算裝置得到的噴射實(shí)施參數(shù)傳輸至噴射系統(tǒng)，噴射系統(tǒng)按照一定的次序?qū)嵤﹪娚浠炷磷鳂I(yè)；

第五步，監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)的激光測(cè)距裝置采集到噴射施作后的襯砌表面，經(jīng)計(jì)算裝置計(jì)算距預(yù)設(shè)襯砌表面在100mm～200mm范圍內(nèi)，則控制系統(tǒng)通過輸出裝置向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)指令；

第六步，整個(gè)裝置進(jìn)入新位置后，循環(huán)執(zhí)行第一步～第五步，直至噴射混凝土作業(yè)完成一定距離；

第七步，等待一定時(shí)間后，實(shí)施砂漿噴射作業(yè)，步驟同第一步～第五步，將噴射材料換為砂漿，控制精度調(diào)整為3mm～5mm；

第八步，等待一定時(shí)間后，實(shí)施聚合物噴射作業(yè)，步驟同第一步～第五步，將噴射材料換為聚合物，控制精度調(diào)整為<3mm；

所述基于監(jiān)測(cè)反饋技術(shù)的單層襯砌噴射施工裝置，包括控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。將預(yù)先設(shè)定的襯砌斷面參數(shù)、噴射材料參數(shù)輸入控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)即可自動(dòng)運(yùn)行，通過噴射施工形成完整襯砌。

所述控制系統(tǒng)包括輸入裝置、采集裝置、計(jì)算裝置、輸出裝置。輸入裝置用于輸入預(yù)先設(shè)定的襯砌斷面參數(shù)和噴射材料參數(shù)；采集裝置用于記錄監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)拾取的圍巖或襯砌表面上目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、噴射系統(tǒng)位置以及整個(gè)噴射施工裝置位置；計(jì)算裝置用于計(jì)算采集裝置記錄的圍巖或襯砌表面上的目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)與預(yù)先設(shè)定的襯砌斷面對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)之間的差異，并計(jì)算出噴射系統(tǒng)下一步移動(dòng)的三維坐標(biāo)、噴射速度、噴射時(shí)間以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下一步移動(dòng)的三維坐標(biāo)；輸出裝置用于將計(jì)算裝置計(jì)算所得的參數(shù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并輸入給噴射系統(tǒng)、供料系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

所述監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)包括定位裝置、慣性坐標(biāo)裝置、激光測(cè)距裝置。其特征在于，所述定位裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量整個(gè)噴射施工裝置的位置，確定其與工作線（工作線是噴射系統(tǒng)的工作位置線，其與隧洞軸線的位置關(guān)系可預(yù)先設(shè)定。）的誤差，當(dāng)誤差超過允許值時(shí)，將誤差反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算裝置-輸出裝置將調(diào)整指令輸出至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以調(diào)整整個(gè)噴射施工裝置的位置，使其位于工作線上，并滿足誤差控制的要求；所述慣性坐標(biāo)裝置，實(shí)時(shí)反饋噴射系統(tǒng)、圍巖或襯砌表面與隧洞軸線的相對(duì)位置；所述激光測(cè)距裝置固定于噴射系統(tǒng)上，實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量噴射點(diǎn)與隧道軸線、預(yù)先設(shè)定的襯砌表面之間的相對(duì)位置關(guān)系。

所述噴射系統(tǒng)分為混凝土噴射機(jī)、砂漿噴射機(jī)、聚合物噴射機(jī)三部分，各部分的噴射速度、噴頭位置、行進(jìn)速度、開關(guān)等均由控制系統(tǒng)輸出裝置發(fā)出的指令自動(dòng)控制。

所述供料系統(tǒng)根據(jù)噴射實(shí)施的需求，分別供應(yīng)混凝土、砂漿、聚合物至混凝土噴射機(jī)、砂漿噴射機(jī)、聚合物噴射機(jī)。

所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，牽引整個(gè)噴射施工裝置實(shí)現(xiàn)位置變化,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在設(shè)置的軌道上運(yùn)行。