本發(fā)明屬于智能制造，具體涉及一種基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置。

背景技術(shù)：

1、為了高效修筑能夠承受長(zhǎng)期載荷和地震沖擊等外部力量的隧道，隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)tbm正逐漸成為應(yīng)用最為廣泛的開(kāi)挖設(shè)備，其施工過(guò)程大體分為開(kāi)挖、出渣、支護(hù)、推進(jìn)四個(gè)部分。其中，襯砌是在地下施工中為了防止圍巖變形或坍塌，沿隧道洞身周邊用鋼筋混凝土等材料修建的永久性支撐結(jié)構(gòu)，在支護(hù)過(guò)程中會(huì)根據(jù)圍巖狀況決定不同的襯砌支護(hù)方式。襯砌分為初次襯砌和二次襯砌，tbm法施工中初次襯砌主要采用以安裝鋼拱架結(jié)合噴射混凝土的方式，二次襯砌則主要采用拼裝預(yù)制襯砌的方式。

2、在實(shí)際施工過(guò)程中，拼裝方式包括襯砌吊裝、初步定位、精確調(diào)整、螺栓連接和防水處理等步驟，整個(gè)過(guò)程要求高精度控制，確保襯砌之間連接緊密，防水性能良好。襯砌拼裝是隧道工程的重要工序之一，預(yù)制好的襯砌拼裝后形成隧道最內(nèi)層屏障，襯砌拼裝質(zhì)量直接影響隧道工程的力學(xué)穩(wěn)定性及耐久性。

3、在實(shí)際施工過(guò)程中，tbm具有多子系統(tǒng)、多任務(wù)和高協(xié)同性的典型特征，在二次襯砌施工等方面更是需要工作人員嚴(yán)格按照運(yùn)作順序進(jìn)行操作?，F(xiàn)有的二次襯砌施工工法雖然可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定支護(hù)，但在施工成本、施工復(fù)雜度、施工質(zhì)量等方面依然存在不足。在最終形成支護(hù)之前，二次襯砌需要經(jīng)歷生產(chǎn)、運(yùn)輸、拼裝等多個(gè)過(guò)程。其中，二次襯砌生產(chǎn)涉及鋼拱架拼裝、混凝土澆筑、修面、襯砌養(yǎng)護(hù)、強(qiáng)度檢驗(yàn)等過(guò)程，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)；二次襯砌運(yùn)輸除了對(duì)運(yùn)輸安全要求以外，還存在公路限重、襯砌運(yùn)輸損傷等問(wèn)題，運(yùn)輸成本較高；二次襯砌拼裝質(zhì)量受到操作工人對(duì)拼裝設(shè)備操作熟練程度影響，襯砌吊裝運(yùn)輸時(shí)存在吊裝不穩(wěn)、磕碰設(shè)備等問(wèn)題，存在安全隱患。同時(shí)，二次襯砌施工需要生產(chǎn)、運(yùn)輸、拼裝等多個(gè)系統(tǒng)協(xié)同合作，過(guò)于復(fù)雜的系統(tǒng)會(huì)增加前期研制成本及后期維護(hù)成本，各系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信協(xié)作問(wèn)題也不易解決。此外，tbm法修筑的二次襯砌構(gòu)件拼裝過(guò)程中可能存在襯砌拱頂空洞、襯砌開(kāi)裂、襯砌厚度不足、襯砌滲漏水、襯底隆起等問(wèn)題，現(xiàn)有的襯砌修復(fù)方法自動(dòng)化程度低，大多依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)修復(fù)，對(duì)工人勞動(dòng)強(qiáng)度要求高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，所述裝置包括主梁、安裝在主梁一端的三維運(yùn)動(dòng)模塊、安裝在主梁另一端的推進(jìn)模塊、以及安裝在三維運(yùn)動(dòng)模塊上的原位3d打印模塊；

4、所述三維運(yùn)動(dòng)模塊包括與隧道的軸線垂直的環(huán)形的支撐鋼板、用于驅(qū)動(dòng)支撐鋼板繞隧道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、以及安裝在支撐鋼板上的多個(gè)運(yùn)動(dòng)模組，所述運(yùn)動(dòng)模組沿支撐鋼板周向布置，每個(gè)運(yùn)動(dòng)模組上安裝一個(gè)所述原位3d打印模塊，所述運(yùn)動(dòng)模組用于控制對(duì)應(yīng)原位3d打印模塊沿隧道軸向和徑向的移動(dòng)；

5、所述原位3d打印模塊包括噴頭和結(jié)構(gòu)光相機(jī)，所述噴頭軸線與隧道軸線相交且垂直，所述結(jié)構(gòu)光相機(jī)用于掃描生成隧道壁形貌，為規(guī)劃打印工藝參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持；

6、所述推進(jìn)模塊用于推進(jìn)裝置整體沿隧道前進(jìn)。

7、進(jìn)一步的，所述三維運(yùn)動(dòng)模塊還包括行星輪和外齒圈，所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出軸通過(guò)鍵連接所述行星輪，行星輪和外齒圈相互嚙合，所述外齒圈與所述支撐鋼板固定連接。

8、進(jìn)一步的，所述運(yùn)動(dòng)模組包括滑柱油缸、提升架、平移油缸和打印支座，所述提升架通過(guò)滑柱油缸連接支撐鋼板，所述滑柱油缸用于帶動(dòng)提升架沿隧道徑向移動(dòng)；提升架上固定有沿隧道軸向的滑軌，滑軌上滑動(dòng)連接有滑座，所述打印支座固定在滑座上，所述打印支座用于固定原位3d打印模塊；所述平移油缸安裝在提升架和滑座之間，用于帶動(dòng)滑座沿滑軌滑動(dòng)。

9、基于上述裝置，本發(fā)明還提出了一種原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)方法，包括：

10、1）三維運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)原位3d打印模塊移動(dòng)，結(jié)構(gòu)光相機(jī)沿隧道內(nèi)表面周向掃描生成隧道斷面形貌，基于隧道斷面形貌規(guī)劃打印工藝參數(shù)；

11、2）根據(jù)規(guī)劃的打印工藝參數(shù)，三維運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)原位3d打印模塊移動(dòng)，新拌混凝土物料從噴頭擠出，隨著原位3d打印模塊的移動(dòng)在已掃描的隧道內(nèi)表面上打印二次襯砌；

12、3）撐靴油缸活塞桿伸出，使撐靴支撐在已打印好的二次襯砌上，后支撐油缸活塞桿縮回，推進(jìn)油缸活塞桿伸出，帶動(dòng)整臺(tái)裝置向前推進(jìn)；后支撐油缸活塞桿伸出，使后支撐靴板支撐在隧道拱底上，推進(jìn)油缸活塞桿和撐靴油缸活塞桿縮回；推進(jìn)過(guò)程中，反扭矩油缸的活塞桿伸縮以調(diào)整整臺(tái)裝置的姿態(tài)；

13、4）重復(fù)執(zhí)行1）-3），直至完成整條隧道內(nèi)二次襯砌的打印。

14、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：

15、（1）本發(fā)明將原位3d打印模塊集成在tbm上，實(shí)現(xiàn)了tbm二次襯砌的原位制造，解決了傳統(tǒng)二次襯砌施工因需要經(jīng)歷生產(chǎn)、運(yùn)輸、拼裝等多個(gè)環(huán)節(jié)而可能帶來(lái)的施工成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題；

16、（2）本發(fā)明將多個(gè)原位3d打印噴頭布置在tbm周向方向上，解決了3d打印混凝土逐層單條細(xì)絲打印可能帶來(lái)的施工效率低下的問(wèn)題；

17、（3）該原位3d打印二次襯砌裝置搭載了滿足原位3d打印模塊沿隧道周向、徑向及軸向運(yùn)動(dòng)的三維運(yùn)動(dòng)模塊，能夠滿足原位制造各種尺寸二次襯砌的需求；

18、（4）本發(fā)明將結(jié)構(gòu)光相機(jī)集成在原位3d打印噴頭上，通過(guò)掃描生成隧道斷面形貌，基于斷面幾何數(shù)據(jù)自適應(yīng)規(guī)劃打印工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道原位二次襯砌制造的自動(dòng)化。

19、（5）本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光相機(jī)可以掃描檢測(cè)出原位3d打印二次襯砌過(guò)程中出現(xiàn)的襯砌表面缺陷，進(jìn)而通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)模塊將原位3d打印噴頭移動(dòng)至表面缺陷處進(jìn)行補(bǔ)打印工作，實(shí)現(xiàn)了二次襯砌修復(fù)智能化。

20、（6）本發(fā)明具有良好的拓展性，可實(shí)現(xiàn)打印元器件的快拆快換，便于搭載新研制的復(fù)合噴頭進(jìn)行原位3d打印襯砌，在隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)性能調(diào)控方面具有良好的應(yīng)用前景。

21、綜上所述，本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)二次襯砌施工參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控與施工智能化方面具有極大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.一種基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，所述裝置包括主梁、安裝在主梁一端的三維運(yùn)動(dòng)模塊、安裝在主梁另一端的推進(jìn)模塊、以及安裝在三維運(yùn)動(dòng)模塊上的原位3d打印模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，所述裝置還包括盾殼，所述盾殼呈圓筒狀，包圍于支撐鋼板外沿，盾殼內(nèi)側(cè)周向固定有多個(gè)支撐力筋，多個(gè)支撐力筋之間固定有h型鋼，h型鋼位于盾殼內(nèi)部中心，h型鋼上固定有托梁，托梁與主梁螺紋連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，所述三維運(yùn)動(dòng)模塊還包括行星輪和外齒圈，所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出軸通過(guò)鍵連接所述行星輪，行星輪和外齒圈相互嚙合，所述外齒圈與所述支撐鋼板固定連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)模組包括滑柱油缸、提升架、平移油缸和打印支座，所述提升架通過(guò)滑柱油缸連接支撐鋼板，所述滑柱油缸用于帶動(dòng)提升架沿隧道徑向移動(dòng)；提升架上固定有沿隧道軸向的滑軌，滑軌上滑動(dòng)連接有滑座，所述打印支座固定在滑座上，所述打印支座用于固定原位3d打印模塊；所述平移油缸安裝在提升架和滑座之間，用于帶動(dòng)滑座沿滑軌滑動(dòng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，每個(gè)運(yùn)動(dòng)模組中設(shè)有兩個(gè)滑柱油缸。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，所述原位3d打印模塊還包括步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)支撐座、剛性連軸器、螺旋擠出桿、料斗和筒壁刮桿；所述料斗用于承裝新拌混凝土物料，所述步進(jìn)電機(jī)通過(guò)電機(jī)支撐座安裝在料斗一端，料斗另一端逐漸收縮形成料斗出口，料斗出口螺紋連接所述噴頭，料斗側(cè)面開(kāi)孔形成進(jìn)料口，進(jìn)料口連接有耐壓軟管；所述步進(jìn)電機(jī)的輸出軸通過(guò)剛性聯(lián)軸器與螺旋擠出桿連接，螺旋擠出桿位于料斗內(nèi)，用于將料斗內(nèi)的新拌混凝土物料從噴頭擠出；所述筒壁刮桿焊接在螺旋擠出桿上，用以刮除3d打印過(guò)程中積存在料斗內(nèi)壁上的物料。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，所述打印工藝參數(shù)包括三維運(yùn)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及原位3d打印模塊中步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主梁式tbm的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)裝置，其特征在于，所述推進(jìn)模塊包括撐靴、鞍和后支撐滑柱；

9.一種基于權(quán)利要求4所述裝置的原位3d打印二次襯砌及推進(jìn)方法，其特征在于，所述方法包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述新拌混凝土物料的混凝土類(lèi)型為：以硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料的混凝土。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于主梁式TBM的原位3D打印二次襯砌及推進(jìn)裝置。所述裝置包括主梁、安裝在主梁一端的三維運(yùn)動(dòng)模塊、安裝在主梁另一端的推進(jìn)模塊、以及安裝在三維運(yùn)動(dòng)模塊上的原位3D打印模塊；所述三維運(yùn)動(dòng)模塊用于控制原位3D打印噴頭在隧道周向、徑向及軸向的移動(dòng)速度，所述原位3D打印模塊包括噴頭和結(jié)構(gòu)光相機(jī)，所述結(jié)構(gòu)光相機(jī)用于掃描生成隧道壁形貌，為規(guī)劃打印工藝參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而原位制造出高力學(xué)可靠性的二次襯砌；所述推進(jìn)模塊在確保不破壞原位3D打印二次襯砌的前提下，支撐和推進(jìn)裝置整體沿隧道前進(jìn)。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)二次襯砌施工參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控與施工智能化方面具有極大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)研發(fā)人員：韓冬,黃俊翔,鄭哲,譚顯中,楊鈞淳,姜禮杰,賈連輝,龔國(guó)芳,楊華勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19