隧道衬砌智能养护台车及控制方法与流程

本发明属于隧道施工领域，涉及一种隧道衬砌智能养护台车及控制方法。

背景技术：

在隧道的施工过程中，需要在初期支护完成之后进而施作二次衬砌。二次衬砌结构是一种作为安全储备的结构措施，不仅需要保证其强度和刚度，而且还要保证其耐久性，对隧道整体结构的重要性不言而喻。而养护工作对隧道衬砌的强度和耐久性有着很大的影响，是一项至关重要的工作。

目前在隧道二衬混凝土施工中，浇筑一般采用12m长的模筑台车浇注，浇筑完成后在混凝土达到一定强度后脱模，台车向前推进，进入下一循环施工，接着对浇筑后的混凝土进行养护。多数隧道均由一线施工人员采用水管等非标准化工具养护，存在劳动强度大，隧道养护表面质量不一情况，造成施工的质量和进度难以保障。极小数隧道采用了一些养护台车进行养护，不过仍然存在养护范围较小，养护条件难以控制，适用性较小，维修不便，需要人工现场操作(智能化不够)等问题。尤其是面对隧道开挖断面存在一定变化，隧道内养护环境差异较大，或是养护台车需要进行一定的现场维修等情况时，目前已有的养护台车很难解决现场的实际需求。而目前已有的养护台车基本采用是都是机械的喷水养护方法，缺乏相应的控制方法及理论，因此，研制一种新型、能应对隧道各种复杂环境、更加智能化的养护台车及控制方法已为急需。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种适应性更强、更加智能化以及能够保证隧道衬砌养护质量的隧道衬砌智能养护台车及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道衬砌智能养护台车，所述隧道衬砌智能养护台车包括主门架、行走机构、喷雾系统、喷雾控制系统以及行走控制系统；所述行走机构置于主门架底部；所述喷雾系统、喷雾控制系统以及行走控制系统分别设置在主门架上；所述主门架整体呈梯形门架式结构；所述喷雾系统设置在主门架的顶部；所述喷雾控制系统与喷雾系统相连并驱动喷雾系统工作；所述行走控制系统与行走机构相连并驱动行走机构移动。

作为优选，本发明所采用的行走机构包括驱动电机以及与驱动电机皮带相连的行走车轮；所述驱动电机设置在主门架的底部；所述行走控制系统与驱动电机相连。

作为优选，本发明所采用的喷雾系统包括水泵以及与水泵相贯通的输水管线；所述输水管线设置在主门架的顶部；所述输水管线上设置有喷头；所述喷雾控制系统与喷头相连。

作为优选，本发明所采用的输水管线包括环形喷水管以及连接管线；所述水泵通过连接管线与环形喷水管相贯通；所述环形喷水管通过水管支撑部件设置在主门架的顶部；所述环形喷水管上设置有喷头。

作为优选，本发明所采用的喷雾控制系统包括喷雾控制箱以及激光测距仪；所述激光测距仪与喷头并行设置；所述喷雾控制箱分别与激光测距仪和喷头相连。

作为优选，本发明所采用的行走控制系统包括行走控制箱、距离记录仪以及环境参数传感器组；所述距离记录仪以及环境参数传感器组分别设置在主门架上；所述行走控制箱分别与行走机构、距离记录仪以及环境参数传感器组相连。

作为优选，本发明所采用的环境参数传感器组包括温度传感器、湿度传感器以及风力传感器。

作为优选，本发明所采用的行走控制系统还包括设置在主门架上且与行走控制箱相连的碰撞感应器。

作为优选，本发明所采用的隧道衬砌智能养护台车还包括喷雾系统维修通道，所述喷雾系统维修通道包括分别设置在主门架上的检修楼梯以及上平台护栏。

作为优选，本发明所采用的隧道衬砌智能养护台车还包括显示器；所述行走控制箱以及喷雾控制箱分别与显示器相连。

一种针对如上所述的隧道衬砌智能养护台车的控制方法，所述控制方法包括行走控制方法以及喷雾控制方法；

所述行走控制方法的具体实现方式是：

当距离记录仪检测到养护段长度达到要求时，通过行走控制箱控制驱动电机，使台车自动停止，并在一定时间t'后进行反向行走养护；通过环境参数传感器组测量隧道内的施工环境条件，由测得的环境条件，控制台车的养护间歇时间t’，所述t’的表达式是：

其中：

t'0是标准养护条件下的养护间歇时间，所述标准养护条件下的间歇时间是2小时；

t是隧道内实测温度，℃；

t0是混凝土标准养护温度，所述混凝土标准养护温度是20℃；

是隧道内实测湿度，％；

是混凝土标准养护湿度，所述混凝土标准养护湿度是95％；

v是隧道内实测风速；

所述喷雾控制方法的具体实现方式是：

从风管旁边的喷头往两侧进行计算，通过调节各个喷头喷雾范围的大小，实现衬砌环向全断面的喷雾养护，再通过台车的行走实现整个隧道衬砌段的养护；喷头喷雾范围l应不小于衬砌环向距离s；所述喷雾范围l的表达式是：

其中：

d1、d2分别是相邻两喷头到衬砌表面的距离；

α1、α1分别是相邻两喷头的喷雾角；

s是相邻两喷头喷雾角平分线与衬砌交点的距离，其取值为：

其中：

s0是相邻两喷头之间的间距；

d1、d2分别是相邻两喷头到衬砌表面的距离；

θ是相邻两喷头到管线圆心的夹角；

所述喷头的喷雾角α，满足以下关系：

其中：

p是喷头的水压力。

本发明的有益效果是：

本发明装置设计完善，新颖，通过合理的设置及智能化的控制方法实现了对隧道衬砌混凝土的全自动智能化养护，避免了现有的隧道混凝土养护方式受外界环境以及人为因素影响较大，养护效果不佳，难以保证衬砌的质量和使用寿命的问题。与现有的隧道养护台车相比，本发明装置充分考虑了隧道衬砌断面类型及隧道环境的影响，通过智能的行走控制系统和方法与喷雾控制系统和方法，对影响混凝土养护质量的相关因素实现了精确定量的控制分析，解决了养护台车仅能用于单一隧道断面、在隧道内不便或无法维修、对影响因素的控制不够精确(基本是定性控制)、需要人为操控等问题或缺陷，并且台车整体车架采用的是由轻质型钢材料制成的梯形门架式结构，轻质而稳定性高，制造、运输方便，更在台车上设置了应对突发情况的碰撞感应装置，保证整个养护过程的安全，适用性更广，更加智能化，可实现台车24小时全自动无人往返行走洒水养护作业。在不影响隧道前方施工的条件下，极大的减少了人工作业量，保证隧道衬砌的养护条件，提高了隧道衬砌的养护质量，具有很好的应用价值。

附图说明

图1是本发明所提供的隧道衬砌全自动智能养护台车的结构示意图；

图2是本发明所提供的隧道衬砌全自动智能养护台车的侧视结构示意图；

图3是本发明所提供的隧道衬砌全自动智能养护台车的行走机构示意图；

图4是本发明所提供的隧道衬砌全自动智能养护台车养护距离与时间的关系图；

图5是本发明所提供的隧道衬砌全自动智能养护台车喷雾范围控制计算示意图；

图6是本发明所提供的隧道衬砌全自动智能养护台车的控制方法示意图；

其中：

1-电缆线卷盘；2-主门架；3-通风管；4-滑轮；5-水管支撑部件；6-上平台护栏；7-喷头；8-激光测距仪；9-环形喷水管；12-检修楼梯；13-水泵；14-进水管卷盘；15-行走控制箱；16-喷雾控制箱；17-距离记录仪；18-行车空间；19-环境参数传感器组；20-行走机构；21-碰撞感应器；22-显示器；23-驱动电机；24-行走车轮；25-钢轨。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和优选的实例对本发明的技术方案进行详细的说明。但本发明的实施方式并不限于此。

参见图1以及图2，本发明提供了一种隧道衬砌智能养护台车，隧道衬砌智能养护台车包括主门架2、行走机构20、喷雾系统、喷雾控制系统以及行走控制系统；行走机构20置于主门架2底部；喷雾系统、喷雾控制系统以及行走控制系统分别设置在主门架2上；主门架2整体呈梯形门架式结构；喷雾系统设置在主门架2的顶部；喷雾控制系统与喷雾系统相连并驱动喷雾系统工作；行走控制系统与行走机构20相连并驱动行走机构20移动。

参见图3，行走机构20包括驱动电机23以及与行走车轮；驱动电机23通过皮带与行走车轮24相连；驱动电机23设置在主门架的底部；行走控制系统与驱动电机23相连

喷雾系统包括水泵13以及与水泵13相贯通的输水管线；输水管线设置在主门架2的顶部；输水管线上设置有喷头7；喷雾控制系统与喷头相连。

输水管线包括环形喷水管9以及连接管线；水泵13通过连接管线与环形喷水管9相贯通；环形喷水管9通过水管支撑部件5设置在主门架2的顶部；环形喷水管9上设置有喷头7。

喷雾控制系统包括喷雾控制箱16以及激光测距仪8；激光测距仪8与喷头7并行设置；喷雾控制箱16分别与激光测距仪8和喷头7相连。

行走控制系统包括行走控制箱15、距离记录仪17以及环境参数传感器组19；距离记录仪17以及环境参数传感器组19分别设置在主门架2上；参见图6，行走控制箱15分别与行走机构20、距离记录仪17以及环境参数传感器组19相连。

环境参数传感器组19包括温度传感器、湿度传感器以及风力传感器。

行走控制系统还包括设置在主门架2上且与行走控制箱15相连的碰撞感应器21。

隧道衬砌智能养护台车还包括喷雾系统维修通道，喷雾系统维修通道包括分别设置在主门架2上的检修楼梯12以及上平台护栏6。

隧道衬砌智能养护台车还包括显示器22；行走控制箱15以及喷雾控制箱16分别与显示器22相连。

一种针对前述的隧道衬砌智能养护台车的控制方法，控制方法包括行走控制方法以及喷雾控制方法；

行走控制方法的具体实现方式是：

参见图4，当距离记录仪17检测到养护段长度达到要求时，通过行走控制箱15控制驱动电机23，使台车自动停止，并在一定时间t'后进行反向行走养护；通过环境参数传感器组19测量隧道内的施工环境条件，由测得的环境条件，控制台车的养护间歇时间t’，t’的表达式是：

其中：

t'0是标准养护条件下的养护间歇时间，标准养护条件下的间歇时间是2小时；

t是隧道内实测温度，℃；

t0是混凝土标准养护温度，混凝土标准养护温度是20℃；

是隧道内实测湿度，％；

是混凝土标准养护湿度，混凝土标准养护湿度是95％；

v是隧道内实测风速；

喷雾控制方法的具体实现方式是：

参见图5，从风管旁边的喷头7往两侧进行计算，通过调节各个喷头7喷雾范围的大小，实现衬砌环向全断面的喷雾养护，再通过台车的行走实现整个隧道衬砌段的养护；喷头7喷雾范围l应不小于衬砌环向距离s；喷雾范围l的表达式是：

其中：

d1、d2分别是相邻两喷头7到衬砌表面的距离；

α1、α1分别是相邻两喷头7的喷雾角；

s是相邻两喷头7喷雾角平分线与衬砌交点的距离，其取值为：

其中：

s0是相邻两喷头7之间的间距；

d1、d2分别是相邻两喷头7到衬砌表面的距离；

θ是相邻两喷头7到管线圆心的夹角；

喷头7的喷雾角α，满足以下关系：

其中：

p是喷头7的水压力。

如图1和图2所示，本发明提供了一种隧道衬砌全自动智能养护台车，包括衬砌养护台车车体、设置于车架底部的行走机构20、设置于车架上的喷雾系统和控制系统，衬砌养护台车车体为梯形门架结构，车体上设有维修通道及护栏；行走机构20包括设置于台车底部的驱动电机23和与驱动电机23皮带相连接的行走车轮24；喷雾系统包含环绕养护台车的输水管线和输送水的水泵13，保证输送水量和输送水压的大小，输水管线包括弧形管线、连接管线，弧形管线上布设一定数量的雾化喷头7，可调节喷雾范围大小，连接管线连接着水泵13和外部的进水管道，并固定在主体车架上；控制方法包括行走控制系统、喷雾控制系统。行走控制系统包括设置于台车两侧的湿、温度及风力感应器，台车下部的距离记录仪17和行走控制箱15，行走控制箱15用于连接距离记录仪17、环境参数传感器组19和驱动电机23，并控制行走机构20的行走；喷雾控制方法包括激光测距仪8和喷雾控制箱16，喷雾控制箱16用于连接测量喷头7与衬砌之间距离的激光测距仪8，并控制喷头7喷雾角度及范围。实现养护台车的全自动智能化行走养护及控制，极大的减少了人工作业量，提高养护效率。

养护台车车体采用整体稳定性较好的梯形门架式结构；由若干轻质的c型钢焊接而成。工作平台设置在台车四周，控制平台设置在下部，保证养护工作的安全、方便。整个养护台车结构的设置科学、合理，满足隧道施工的要求。台车一侧设置维修水管及喷头7的维修通道，通道及门架拱部设置安全护栏，大大提高了现场维修的方便性。

台车底部设置有便于台车智能行走、养护的电缆线卷盘1和进水管卷盘14。保证电力、水力的正常供应。行走控制系统包括距离记录仪17、驱动电机23和行走控制箱15，距离记录仪17和电机与行走控制箱15相连，距离记录仪17设于台车底部，用于检测隧道台车行进距离，当检测到养护段长度达到要求时，通过行走控制箱15控制驱动电机23，使台车自动停止，并在一定时间t′后进行反向行走养护。

湿度、温度、风力感应器，设于台车四周，用于测量隧道内的施工环境条件，由测得的环境条件，控制台车的养护间歇时间t’。

其中t'0为标准养护条件下的养护间歇时间(2小时)，t为隧道内实测温度，t0为混凝土标准养护温度(20度)、为隧道内实测湿度，为混凝土标准养护湿度(95)，v为隧道内实测风速。

喷雾控制系统包括激光测距仪8以及喷雾控制箱16，激光测距仪8与喷头7和喷雾控制箱16连接。激光测距仪8与喷头7设为一体，用于测量喷头7和衬砌养护面的距离，通过喷雾控制箱16控制喷头7喷雾范围覆盖整个断面。具体实施时从风管旁边的喷头7往两侧进行计算，通过调节各个喷头7喷雾范围的大小，实现衬砌环向全断面的喷雾养护，再通过台车的行走实现整个隧道衬砌段的养护。喷头7喷雾范围l应不小于衬砌环向距离s。

其中d1、d2分别为相邻两喷头7到衬砌表面的距离，α1、α1为相邻两喷头7的喷雾角。s为相邻两喷头7喷雾角平分线与衬砌交点的距离，其取值为：

其中s0为相邻两喷头7间的间距，d1、d2分别为相邻两喷头7到衬砌表面的距离，θ为相邻两喷头7到管线圆心的夹角。

喷头7采用单相机械式雾化喷头7，雾化喷头7流量大，雾化角大，并且其喷雾距离一般大于2m，适用于大范围的混凝土施工养护，其喷头7的喷雾角α，由经验及相关的文献资料得知，满足以下关系：

其中p为喷头7的水压力。

台车通过轨道反复自动行走，配合台车车轮行走的钢轨为衬砌台车前进的轨道，减少不必要的工作量。台车靠近风管处设置保护通风管3的安全滑轮4，如图1标号3所示，防止养护台车在行走过程中对正常运营的风管造成损伤。台车主门架2下应留有足够的行车空间18，保证隧道施工、车辆运输的正常进行。台车底部设置有保证行车安全的碰撞感应器21，与行走控制箱15连接，以应对隧道施工环境出现的突发情况，保证隧道的正常施工。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构及控制方法的前提下，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。