基于监测反馈技术的单层衬砌智能喷射施工方法及装置与流程

本发明涉及一种施工方法与装置，更详细地说是一种基于监测反馈技术的单层衬砌智能喷射施工方法与装置，属于水利水电工程中的水工隧洞衬砌施工方法及设备领域。

背景技术：

为了保证水工隧洞安全有效运行，通常需要对隧洞进行衬砌。水工隧洞衬砌一般为复合式衬砌，即由初衬和复衬组合形成衬砌结构。初衬主要用于封闭围岩和提供初期支护，一般采用挂网喷锚混凝土；复衬用于形成最终支护和标准化过水通道，满足过水的要求，一般采用模筑混凝土，需要立模、浇筑混凝土、拆模以及回填灌浆等工序。初衬与复衬之间一般要设置一层防水板，层间不传递剪力，其承载机理类似于“叠合梁”。复合式衬砌工序复杂、工期长、施工难度较大。

单层衬砌是由单层或多层混凝土构成的，各层间能够充分传递剪力的支护体系，与组合式衬砌的最大区别是层间不设防水板，通过层间径向和环向上的抗滑移性，使得各混凝土层形成共同承载体系。其承载机理类似于“组合梁”，比等厚度的复合式衬砌产生的应力小，可适当减薄厚度，减少开挖量，节约投资。

单层衬砌的第一层一般采用喷射混凝土，后续层采用模筑混凝土。与复合式衬砌相比，单层衬砌虽然减去了防水板的施工，但由于模筑混凝土仍然需要立模、浇筑混凝土、拆模等工序，施工周期长、施工难度大。喷射混凝土虽然施工快，机械化程度高，但由于喷射施工精度无法满足水工隧洞衬砌断面标准化和衬砌表面平整度、糙率的要求，一般不用于后续层的施工。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出一种隧洞衬砌的智能喷射施工方法，解决了喷射混凝土衬砌断面标准化和衬砌表面平整度、糙率的技术问题，可用于一次性施工隧洞单层衬砌，也可用于施作复合式衬砌的复衬。施工效果满足水工隧洞衬砌断面标准化和衬砌表面平整度、糙率的要求。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下具体技术方案：

一种基于监测反馈技术的单层衬砌智能喷射施工方法，基于喷射施工装置，分三层完成衬砌的喷射施工;

步骤s1、设置好惯性坐标装置，在控制系统中输入衬砌完成后的隧洞内表面参数和喷射材料参数；

步骤s2、监测反馈系统启动，获得以下两个实时参数：

第一、整个喷射施工装置的实时位置，经惯性坐标装置偏移修正，得到喷射系统的相对位置参数；

第二、围岩或衬砌表面距喷射系统喷头的距离及其在惯性坐标装置中的相对位置参数；

步骤s3、监测反馈系统将获得的上述两个参数反馈至控制系统，控制系统通过将预设衬砌表面目标点位置坐标和监测反馈系统反馈获得的两个实时参数进行比较，得出喷射实施参数；

步骤s4、控制系统将得到的喷射实施参数传输至喷射系统，喷射系统按照次序实施喷射混凝土作业；

步骤s5、监测反馈系统实时采集到喷射施作表面坐标，并将其与预设衬砌表面坐标进行比较，若二者距离差在100mm~200mm范围内，则控制系统向驱动装置发出前进的驱动指令；

步骤s6、整个喷射施工装置进入新位置后，循环执行步骤s1～步骤s5，直至喷射混凝土作业完成10m～100m；

步骤s7、等待2小时～48小时后，实施砂浆喷射作业，步骤同步骤s1～步骤s5，将喷射材料换为砂浆；

步骤s8、等待2小时～48小时后，实施聚合物喷射作业，步骤同步骤s1～步骤s5，将喷射材料换为聚合物。

所述隧洞内表面参数为隧道内表面的位置参数，例如圆形隧道可以为隧洞半径。

所述喷射材料参数包括：喷射材料的最大粒径，一次喷层的厚度，凝结时间和最大允许喷射速度。

所述监测反馈系统的反馈频率为1/10s。

所述喷射实施参数包括：喷射时间、喷射角度、喷射速度以及喷头位置。

所述分三层完成衬砌的喷射施工，第一层为喷射混凝土，喷射实施后衬砌表面平整度达到3m靠尺偏差100mm～200mm；

第二层为喷射砂浆，喷射实施后衬砌表面平整度达到3m靠尺偏差3mm～5mm；

第三层为喷射高分子聚合物，喷射实施后衬砌表面平整度达到3m靠尺偏差<3mm。

一种基于监测反馈技术的单层衬砌智能喷射施工装置，包括：

控制系统、监测反馈系统、喷射系统、供料系统、驱动系统，其中，所述的控制系统包括输入装置、采集装置、计算装置和输出装置；

所述输入装置用于输入预先设定的衬砌内径参数和喷射材料参数；

所述采集装置用于记录监测反馈系统实时拾取的围岩或衬砌表面三维坐标、喷射系统位置以及整个喷射施工装置位置；

所述的计算装置用于计算采集装置记录的围岩或衬砌表面三维坐标与预先设定的衬砌内断面对应点之间的差异，并计算出喷射系统下一步移动的位置坐标、喷射速度、喷射时间以及驱动系统下一步移动的位置坐标；

所述的输出装置用于将计算装置计算所得的参数转化成电信号并输入给喷射系统、供料系统和驱动系统；

所述监测反馈系统包括定位装置、惯性坐标装置和激光测距装置，其中，所述定位装置用于实时监控测量整个喷射施工装置的位置，确定其与工作线的误差，当误差超过允许值时，将误差反馈至控制系统，由控制系统经计算装置-输出装置将调整指令输出至驱动系统，以调整整个喷射施工装置的位置，使其位于工作线上，并满足误差控制的要求；

所述惯性坐标装置用于实时反馈喷射系统、当前喷射的目标围岩点或衬砌表面点与隧洞轴线的相对位置；

所述激光测距装置固定于喷射系统上，用于实时监控测量喷射目标点与隧道轴线、预先设定的衬砌断面内表面对应点之间的相对位置关系。

所述的喷射系统包括混凝土喷射机、砂浆喷射机和聚合物喷射机三部分。

有益效果：

本发明与已有技术项目，具有以下优点：

1、实现智能化喷射施工。本发明喷射施工装置的移动、喷射系统的喷射速度调整、喷头位置的移动等均根据监测反馈系统实时测得的围岩上的目标喷射点与设计断面衬砌表面对应点的坐标之间的差异自动调整。

2、施工精度高。本发明通过先喷混凝土、再喷砂浆、最后喷聚合物的方式，实现粗喷、细喷、精喷的优化组合，提高了喷射衬砌表面平整度的控制精度。

3、效率高。本发明采用监测反馈技术，实现喷射施工的智能化控制，减少喷射施工操作人员数量，提高了喷射施工效率。

附图说明

图1为本发明水工隧洞衬砌施工方法功能框图。

图2为本发明所述激光定位装置示意图。

其中，1为激光测距装置；2为喷射系统的喷头；3为预设衬砌表面；4为实时衬砌表面。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

将本发明所述一种水工隧洞衬砌施工装置驱动进入待施工隧道轴线位置，设置好惯性坐标装置。

如图1所示，第一步，在控制系统中输入衬砌完成后的内表面参数和喷射材料参数，例如圆形隧洞半径8m，喷射材料为混凝土，最大粒径15mm，一次喷层厚度200mm，凝结时间2min，最大允许喷射速度4m³/h；

第二步，监测反馈系统启动，定位装置获得整个设备的实时位置，经惯性坐标装置偏移修正，得到喷射系统的相对位置；激光测距系统获得围岩或衬砌表面距喷射系统喷头的距离及其在惯性坐标装置中的相对位置；监测反馈系统的反馈频率为1/10s。

第三步，监测反馈系统将获得的上述参数反馈至控制系统的采集装置，与输入装置中输入的参数一起，进入计算装置，计算装置通过比较预设衬砌表面目标点位置坐标和输入装置、采集装置获得的实时参数，得出喷射时间、喷射角度、喷射速度、喷头位置等喷射实施参数；

第四步，计算装置得到的喷射实施参数传输至喷射系统，喷射系统按照一定的次序实施喷射混凝土作业；

第五步，监测反馈系统的激光测距装置采集到喷射施作后的衬砌表面，经计算装置计算距预设衬砌表面在100mm～200mm范围内，则控制系统通过输出装置向驱动装置发出前进的驱动指令；

第六步，整个装置进入新位置后，循环执行第一步～第五步，直至喷射混凝土作业完成一定距离；

第七步，等待一定时间后，实施砂浆喷射作业，步骤同第一步～第五步，将喷射材料换为砂浆，控制精度调整为3mm～5mm；

第八步，等待一定时间后，实施聚合物喷射作业，步骤同第一步～第五步，将喷射材料换为聚合物，控制精度调整为<3mm；

所述基于监测反馈技术的单层衬砌喷射施工装置，包括控制系统、监测反馈系统、喷射系统、供料系统、驱动系统。将预先设定的衬砌断面参数、喷射材料参数输入控制系统，该系统即可自动运行，通过喷射施工形成完整衬砌。

所述控制系统包括输入装置、采集装置、计算装置、输出装置。输入装置用于输入预先设定的衬砌断面参数和喷射材料参数；采集装置用于记录监测反馈系统实时拾取的围岩或衬砌表面上目标点的三维坐标、喷射系统位置以及整个喷射施工装置位置；计算装置用于计算采集装置记录的围岩或衬砌表面上的目标点的三维坐标与预先设定的衬砌断面对应点坐标之间的差异，并计算出喷射系统下一步移动的三维坐标、喷射速度、喷射时间以及驱动系统下一步移动的三维坐标；输出装置用于将计算装置计算所得的参数转化成电信号并输入给喷射系统、供料系统和驱动系统。

所述监测反馈系统包括定位装置、惯性坐标装置、激光测距装置。其特征在于，所述定位装置可以实时监控测量整个喷射施工装置的位置，确定其与工作线（工作线是喷射系统的工作位置线，其与隧洞轴线的位置关系可预先设定。）的误差，当误差超过允许值时，将误差反馈至控制系统，由控制系统经计算装置-输出装置将调整指令输出至驱动系统，以调整整个喷射施工装置的位置，使其位于工作线上，并满足误差控制的要求；所述惯性坐标装置，实时反馈喷射系统、围岩或衬砌表面与隧洞轴线的相对位置；所述激光测距装置固定于喷射系统上，实时监控测量喷射点与隧道轴线、预先设定的衬砌表面之间的相对位置关系。

所述喷射系统分为混凝土喷射机、砂浆喷射机、聚合物喷射机三部分，各部分的喷射速度、喷头位置、行进速度、开关等均由控制系统输出装置发出的指令自动控制。

所述供料系统根据喷射实施的需求，分别供应混凝土、砂浆、聚合物至混凝土喷射机、砂浆喷射机、聚合物喷射机。

所述驱动系统可根据控制系统发出的指令，牵引整个喷射施工装置实现位置变化,驱动系统可在设置的轨道上运行。