CN108019219A - 隧道病害综合整治自动化作业系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道病害整治技术领域，并公开了一种隧道病害综合整治自动化作业系统，包括车载平台、导向装置、水平回转机构、机械臂、传感辅助装置、混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备，导向装置包括轨道、导轨和基座；机械臂包括机身、大臂、小臂、手部和气动手爪；传感辅助装置包括图像传感器和激光测距仪，并且它们均安装在手部上；混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备均安装在车载平台上，以用于与机械臂配合对隧道进行病害整治。本发明适用于公路和铁路隧道病害治理，同时搭载了钻孔、注浆、清洗、灌注混凝土等作业设备，能够快速到达隧道病害部位，对隧道病害进行综合整治，避免了传统人工搭建作业平台的费工费时效率低的问题。

Description

隧道病害综合整治自动化作业系统及方法

技术领域

本发明属于隧道病害整治技术领域，更具体地，涉及一种隧道病害综合整治自动化作业系统及方法。

背景技术

中国已成为世界上隧道数量最多的国家。但是在数量庞大的隧道中，总体技术状态较差，隧道均存在不同程度的病害，质量状况不容乐观。隧道常见病害主要有隧道渗漏水以及冻害、衬砌裂损、隧底病害和震害等。为了保证隧道在运营期间的安全，需要对隧道病害进行整治。目前，国内隧道病害的整治方法主要依靠搭建脚手架，通过人工手持钻孔、注浆等设备进行作业，工作效率很低，尤其在电气化铁路上进行病害整治时要求在维修天窗时间作业，并受到接触网干扰，施工人员工作量大，施工安全无法保障，而铁路天窗时间较短，维修周期长，人工操作效率低，远不能满足我国运营铁路大量隧道工程需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种隧道病害综合整治自动化作业系统及方法，能对公路和铁路隧道病害进行综合治理，实现自动化结合人工维修隧道。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种隧道病害综合整治自动化作业系统，其特征在于，包括车载平台、导向装置、水平回转机构、机械臂、传感辅助装置、混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备，其中，

所述导向装置包括轨道、导轨和基座，所述轨道安装在所述车载平台上，所述导轨安装在所述轨道上并且该导轨的纵向与所述车载平台的纵向一致，所述基座安装在所述导轨上；

所述水平回转机构安装在所述基座上，并且该水平回转机构上安装所述机械臂，以用于带动所述机械臂水平回转；

所述机械臂包括机身、大臂、小臂、手部和气动手爪，所述机身安装在所述基座上，所述机身通过第一竖向转动关节铰接所述大臂，所述大臂通过第二竖向转动关节铰接所述小臂，所述小臂通过第三竖向转动关节铰接所述手部，所述手部上安装所述气动手爪，所述第一竖向转动关节、第二竖向转动关节和第三竖向转动关节均水平设置；

所述传感辅助装置包括图像传感器和激光测距仪，并且它们均安装在所述手部上；

所述混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备均安装在所述车载平台上，以用于与所述机械臂配合对隧道进行病害整治。

优选地，所述混凝土施工设备包括混凝土湿喷机、混凝土泵和混凝土搅拌机并且它们依次相连。

优选地，所述高压清洗设备包括连接在一起的高压水泵和水箱。

优选地，还包括连接在一起的空压机和储气罐。

优选地，所述注浆设备包括连接在一起的注浆泵和砂浆搅拌机。

优选地，所述车载平台上还安装有多个照明灯。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道钻孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)车载平台停止在隧道病害位置，机械臂控制系统发布指令通过液压系统和电气系统驱动机械臂运动，气动手爪抓取钻孔设备，在设定程序引导下通过轨道移动至作业位置；

(2)通过水平回转机构和机械臂调节钻孔设备姿态，使钻孔设备与隧道衬砌表面成设置角度，通过激光测距仪探测与隧道衬砌表面的间距，以让钻孔设备靠近隧道衬砌需要钻孔位置进行钻孔作业。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道注浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在需要注浆的部位钻好注浆孔；

(2)气动手爪抓取连接注浆泵的注浆管管口，调整注浆管管口的姿态，通过激光测距仪发射可见激光并人工引导注浆管管口进入注浆孔，通过快凝水泥砂浆固定注浆管，最后通过注浆泵向衬砌后注水泥砂浆，当注浆压力达到设计终压并稳定一段时间，吸浆量达到设定要求后结束注浆。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道打设锚杆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对衬砌背后空洞或松散体进行注浆充填；

(2)在病害部位钻锚杆孔，气动手爪抓取自进式锚杆设备，调整自进式锚杆设备的姿态，通过激光测距仪发射可见激光并人工引导至锚杆孔；

(3)启动自进式锚杆设备钻入锚杆，快速注浆接头与锚杆尾端连接，通过注浆设备注浆，当注浆压力达到设计终压并稳定一段时间后，吸浆量达到设定要求后结束注浆，最后人工安装垫板和螺母进行封口。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道安装钢拱架的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬砌病害部位切割和凿槽：使用四个机械臂进行操作并且这四个机械臂呈长方形布置，其中一个机械臂的气动手爪抓取切割设备并且通过该机械臂调整设备的姿态来切割衬砌，其他机械臂的气动手爪抓取破碎混凝土设备，对隧道衬砌相应位置开槽；

(2)各机械臂同步抓取钢拱架，调整气动手爪的高度，使钢拱架与开槽底面平行，通过机械臂把钢拱架顶入开槽中，钢拱架与槽底面应密贴；

(3)气动手爪抓取连接混凝土泵的混凝土输送管管口，通过激光测距仪发射可见激光并人工引导混凝土输送管管口对钢拱架背后进行混凝土回填，回填后对钢拱架背后压浆，在挂钢筋网的情况下，气动手爪抓取连接混凝土湿喷机的喷头对钢筋网进行喷射混凝土封闭。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的隧道病害综合整治自动化作业系统搭载在车载平台，适用于公路和铁路隧道病害治理，同时搭载了钻孔、注浆、清洗、灌注混凝土等作业设备，能够快速到达隧道病害部位，对隧道病害进行综合整治，避免了传统人工搭建作业平台的费工费时效率低的问题。

(2)采用机械臂抓取钻孔、注浆、清洗、灌注混凝土等设备进行作业，通过编程在系统内置病害治理方案实现部分作业自动化操作，提高了作业效率，必要时，还可进行人工操作，控制机械臂完成作业，满足隧道病害整治的复杂作业要求。

(3)在非作业期间，机械臂处于归位状态，作业系统设备满足车辆限界要求。

(4)采用多台工业机械臂协作进行病害治理作业，实现隧道病害整治工作的机械化和部分自动化，极大改善了作业环境的安全性，缩短了维修周期，降低了人工成本和时间成本，对于我国大量既有隧道的病害治理具有重要意义。

附图说明

图1和图2为本发明不同视角下的轴测示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明中机械臂示意图；

图5为本发明中机械臂手部示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图5，一种隧道病害综合整治自动化作业系统，包括车载平台1、导向装置、水平回转机构5、机械臂、传感辅助装置13、混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备，其中，

所述导向装置包括轨道2、导轨3和基座4，所述轨道2安装在所述车载平台1上，所述导轨3安装在所述轨道2上并且该导轨3的纵向与所述车载平台1的纵向一致，所述基座4安装在所述导轨3上；

所述水平回转机构5安装在所述基座4上，并且该水平回转机构5上安装所述机械臂，以用于带动所述机械臂水平回转；

所述机械臂包括机身6、大臂8、小臂10、手部12和气动手爪14，所述机身6安装在所述基座4上，所述机身6通过第一竖向转动关节7铰接所述大臂8，所述大臂8通过第二竖向转动关节9铰接所述小臂10，所述小臂10通过第三竖向转动关节11铰接所述手部12，所述手部12上安装所述气动手爪14，所述第一竖向转动关节7、第二竖向转动关节9和第三竖向转动关节11均水平设置；

所述传感辅助装置13包括图像传感器15和激光测距仪16，并且它们均安装在所述手部12上；

所述混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备均安装在所述车载平台1上，以用于与所述机械臂配合对隧道进行病害整治。

进一步，所述混凝土施工设备包括混凝土湿喷机17、混凝土泵18和混凝土搅拌机19并且它们依次相连。

进一步，所述高压清洗设备包括连接在一起的高压水泵20和水箱21。

进一步，还包括连接在一起的空压机23和储气罐24。

进一步，所述注浆设备包括连接在一起的注浆泵25和砂浆搅拌机26。

进一步，所述车载平台1上还安装有多个照明灯27。

本发明中所述车载平台1可以是公路或轨道上运行车辆平台，在具体实施方式中，可以采用金鹰重工JC-2型轨道车作为车载平台1，车载平台1包括驾驶室、车底板、液压系统和电气系统，本发明所有设备均安装在车底板上，驾驶室中主要包括机械臂控制系统和隧道病害整治控制系统。机械臂控制系统可内置整治方案，自动执行整治操作，控制系统还包括了示教器，示教器是允许用户手动或通过编程控制机械臂的摇杆控制系统，通过人工控制机械臂完成治理作业中比较复杂的部分。液压系统和电气系统用于驱动和控制机械臂。隧道病害整治控制系统接收图像传感器9拍摄的隧道衬砌病害部位的图像信息，并用配合机械臂抓取钻孔、注浆、清洗、灌注混凝土等设备进行作业，是整治隧道病害的总控制平台。

进行隧道病害整治作业时，车载平台1移动至隧道病害位置，4台机械臂中间位置对应隧道衬砌病害部位，机械臂控制系统发布指令通过液压系统和电气系统驱动机械臂运动，轨道2凹槽中间设置有导轨3，轨道2上部设置有机械臂基座4，基座4中通过电动机构在轨道2上行走，导轨3限制基座4的运动为前后方向直线运动，机身6在基座4上部，和基座4之间依靠水平回转机构5连接，水平回转机构5限制机身6绕竖向直线做水平转动，机身6上部通过第一竖向转动关节7连接大臂8的一端，第一竖向转动关节7限制大臂8绕水平直线做竖向转动(俯仰运动)，大臂8的另一端通过第二竖向转动关节9连接小臂10，第二竖向转动关节9限制小臂10绕水平直线做竖向转动(俯仰运动)，小臂10的另一端通过第三竖向转动关节11连接手部12，第三竖向转动关节11限制手部12绕水平直线做竖向转动(俯仰运动)，手部12连接气动手爪14和传感辅助装置13，气动手爪14位于手部远离小臂10一端，用于夹持并固定钻孔、注浆等设备，传感辅助装置13安装在手部12靠近小臂一端，包括图像传感器15和激光测距仪16等设备，图像传感器15用于作业时实时获得病害区域清晰图像便于人工观测，激光测距仪16用于测量机械臂与隧道衬砌的距离以及指导人工控制机械臂操作。

机械臂中用于抓取钻孔、注浆等设备的气动手爪14在手部12前端沿着轨道槽活动，通过合拢、张开来控制抓取和释放设备。

机械臂后方右侧由前往后依次设置有混凝土湿喷机17、混凝土泵18和混凝土搅拌机19，混凝土湿喷机17通过管道连接混凝土搅拌机19，将混凝土加压后通过喷头进行施作，喷头可被机械臂气动手爪14抓取，混凝土泵18通过管道连接混凝土搅拌机19并把混凝土泵送到作业部位，混凝土搅拌机19用于存储及搅拌混凝土。

混凝土搅拌机19后方依次设置有高压水泵20和水箱21，高压水泵19通过管道连接水箱21，将水加压后经过高压水枪头冲洗隧道内两侧水沟和中心检查井部位，高压水枪头可被机械臂气动手爪14抓取，水箱21用于存储水。

供电系统22设置在车载平台1上并且位于所述机械臂后方左侧，为整治系统的各个设备提供所需的各种电源。

供电系统22后方依次设置有空压机23和储气罐24，空压机23通过管道连接储气罐24，将空气加压后为凿岩、喷锚等风动设备提供空气驱动，储气罐24用于提供气源。

储气罐24后方依次设置有注浆泵25和砂浆搅拌机26，注浆泵25通过管道连接砂浆搅拌机26，将砂浆加压后通过注浆管进行注浆作业，注浆管可被机械臂气动手爪抓取，砂浆搅拌机26用于存储和搅拌砂浆。

更进一步地，本发明可以进行以下基本操作：

(a)钻孔。车载平台1停止在隧道病害位置，4台机械臂中间位置对应隧道衬砌病害部位，机械臂控制系统发布指令通过液压系统和电气系统驱动机械臂运动，气动手爪14在固定位置抓取钻孔设备，在设定程序引导下通过轨道2移动至作业位置，通过水平回转机构5、第一竖向转动关节7、大臂8、第二竖向转动关节9、小臂10、第三竖向转动关节11及手部12调节钻孔设备姿态，使钻孔设备与隧道衬砌表面成设置角度，通过激光测距仪16探测与隧道衬砌表面的间距，判断钻孔设备是否靠近隧道衬需要钻孔位置，启动钻孔设备进行钻孔作业。

(b)注浆。事先钻好注浆孔，气动手爪14在固定位置抓取连接注浆泵25的注浆管管口，调整注浆管管口的姿态，通过激光测距仪16发射可见激光人工引导注浆管管口进入注浆孔，通过快凝水泥砂浆固定注浆管，最后通过注浆泵25向衬砌后注水泥砂浆，当注浆压力达到设计终压并稳定一定时间后，吸浆量很少或不吸浆时即结束注浆。

(c)打设锚杆。在设置锚杆前，应先对衬砌背后空洞或松散体进行注浆充填。首先，在病害部位钻锚杆孔，气动手爪14在固定位置抓取自进式锚杆设备，调整设备的姿态，通过激光测距仪16发射可见激光人工引导至锚杆孔。启动自进式锚杆设备钻入锚杆，快速注浆接头与锚杆尾端连接，通过注浆泵25注浆，当注浆压力达到设计终压并稳定一定时间后，吸浆量很少或不吸浆时即结束注浆，最后人工安装垫板和螺母进行封口。

(d)安装钢拱架。首先在衬砌病害部位凿槽，气动手爪14抓取角磨机等切割设备，通过机械臂各个关节调整设备的姿态，切割衬砌，其他机械臂气动手爪14可以抓取风镐等破碎混凝土设备，对隧道衬砌相应位置开槽。前排或后排左右两侧机械臂基座4保持相同横向位置，通过机械臂各个关节活动调整气动手爪14保持相同横向位置，同步抓取钢拱架或钢拱架连接构件，调整左右两侧气动手爪14不同高度，使钢拱架与开槽底面平行，通过机械臂各个关节活动把钢拱架顶入开槽中，钢拱架与槽底面应密贴，其他机械臂气动手爪14抓取连接混凝土泵18的混凝土输送管管口，通过激光测距仪16发射可见激光人工引导混凝土输送管管口对钢拱架背后进行C30混凝土回填，回填后需对拱架背后压浆，压浆操作与回填混凝土一致，在挂钢筋网的情况下，气动手爪14抓取连接混凝土湿喷机17的喷头对钢筋网进行喷射混凝土封闭。打钢带的操作与钢拱架相似。

隧道病害整治作业实际操作中的情况一般比较复杂，不能依靠单一基本操作完成，需要多种基本操作进行组合，以下结合常见隧道病害整治工艺进行说明：

(1)回填注浆加固

首先在隧道病害部位梅花型布孔，进行(a)钻孔操作，再进行(b)注浆操作完成回填注浆加固作业。

(2)锚杆加固

首先在隧道病害部位进行(a)钻孔操作，再进行(c)打设锚杆操作，其中打设锚杆和注浆可同步进行，最终完成锚杆加固作业。

(3)喷混凝土加固

隧道衬砌表面经过处理后，首先进行(a)钻孔操作，其次进行(c)打设锚杆操作，再布设钢筋网，并通过气动手爪14抓取连接混凝土湿喷机17的喷头对钢筋网进行喷射混凝土封闭。

(4)套衬加固、嵌钢拱架

在二次衬砌质量差、厚度不足等条件下，且拱顶净空有富余的情况下，可对衬砌拱部进行套衬加固、嵌钢拱架+锚喷网处理。套衬加固时，一般采用钢筋混凝土，首先对原衬砌侵限部分进行凿除，通过气动手爪14抓取风镐等破碎混凝土设备凿除混凝土，其他机械臂气动手爪14抓取凿毛机随后对表面进行凿毛清洗，其次，对原衬砌进行(a)钻孔操作，植入用于连接套拱与原衬砌的钢筋钎钉，铺设钢筋笼和模板后，机械臂气动手爪14抓取连接混凝土泵18的混凝土输送管管口，进行混凝土浇筑，完成套衬加固作业。在隧道衬砌病害较严重且需要加强衬砌受力时，需要进行凿槽嵌钢拱架加固，进行(c)打设锚杆操作和(d)安装钢拱架操作。隧道净空高度不足条件下，可采用预应力锚杆+镀锌钢带加固，进行(c)打设锚杆操作和(d)安装钢带操作。

(5)清洗盲管、检查井

对于双线隧道，机械臂气动手爪14抓取与高压水泵20连接的水枪进入侧沟对盲管进行冲洗，对中心水沟检查井也可进行清洗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道病害综合整治自动化作业系统，其特征在于，包括车载平台、导向装置、水平回转机构、机械臂、传感辅助装置、混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备，其中，

所述导向装置包括轨道、导轨和基座，所述轨道安装在所述车载平台上，所述导轨安装在所述轨道上并且该导轨的纵向与所述车载平台的纵向一致，所述基座安装在所述导轨上；

所述水平回转机构安装在所述基座上，并且该水平回转机构上安装所述机械臂，以用于带动所述机械臂水平回转；

所述机械臂包括机身、大臂、小臂、手部和气动手爪，所述机身安装在所述基座上，所述机身通过第一竖向转动关节铰接所述大臂，所述大臂通过第二竖向转动关节铰接所述小臂，所述小臂通过第三竖向转动关节铰接所述手部，所述手部上安装所述气动手爪，所述第一竖向转动关节、第二竖向转动关节和第三竖向转动关节均水平设置；

所述传感辅助装置包括图像传感器和激光测距仪，并且它们均安装在所述手部上；

所述混凝土施工设备、注浆设备和高压清洗设备均安装在所述车载平台上，以用于与所述机械臂配合对隧道进行病害整治。

2.根据权利要求1所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统，其特征在于，所述混凝土施工设备包括混凝土湿喷机、混凝土泵和混凝土搅拌机并且它们依次相连。

3.根据权利要求1所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统，其特征在于，所述高压清洗设备包括连接在一起的高压水泵和水箱。

4.根据权利要求1所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统，其特征在于，还包括连接在一起的空压机和储气罐。

5.根据权利要求1所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统，其特征在于，所述注浆设备包括连接在一起的注浆泵和砂浆搅拌机。

6.根据权利要求1所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统，其特征在于，所述车载平台上还安装有多个照明灯。

7.权利要求1～6中任一权利要求所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道钻孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)车载平台停止在隧道病害位置，机械臂控制系统发布指令通过液压系统和电气系统驱动机械臂运动，气动手爪抓取钻孔设备，在设定程序引导下通过轨道移动至作业位置；

(2)通过水平回转机构和机械臂调节钻孔设备姿态，使钻孔设备与隧道衬砌表面成设置角度，通过激光测距仪探测与隧道衬砌表面的间距，以让钻孔设备靠近隧道衬砌需要钻孔位置进行钻孔作业。

8.权利要求1～6中任一权利要求所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道注浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在需要注浆的部位钻好注浆孔；

(2)气动手爪抓取连接注浆泵的注浆管管口，调整注浆管管口的姿态，通过激光测距仪发射可见激光并人工引导注浆管管口进入注浆孔，通过快凝水泥砂浆固定注浆管，最后通过注浆泵向衬砌后注水泥砂浆，当注浆压力达到设计终压并稳定一段时间，吸浆量达到设定要求后结束注浆。

9.权利要求1～6中任一权利要求所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道打设锚杆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对衬砌背后空洞或松散体进行注浆充填；

(2)在病害部位钻锚杆孔，气动手爪抓取自进式锚杆设备，调整自进式锚杆设备的姿态，通过激光测距仪发射可见激光并人工引导至锚杆孔；

(3)启动自进式锚杆设备钻入锚杆，快速注浆接头与锚杆尾端连接，通过注浆设备注浆，当注浆压力达到设计终压并稳定一段时间后，吸浆量达到设定要求后结束注浆，最后人工安装垫板和螺母进行封口。

10.权利要求1～6中任一权利要求所述的一种隧道病害综合整治自动化作业系统进行隧道安装钢拱架的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬砌病害部位切割和凿槽：使用四个机械臂进行操作并且这四个机械臂呈长方形布置，其中一个机械臂的气动手爪抓取切割设备并且通过该机械臂调整设备的姿态来切割衬砌，其他机械臂的气动手爪抓取破碎混凝土设备，对隧道衬砌相应位置开槽；

(2)各机械臂同步抓取钢拱架，调整气动手爪的高度，使钢拱架与开槽底面平行，通过机械臂把钢拱架顶入开槽中，钢拱架与槽底面应密贴；

(3)气动手爪抓取连接混凝土泵的混凝土输送管管口，通过激光测距仪发射可见激光并人工引导混凝土输送管管口对钢拱架背后进行混凝土回填，回填后对钢拱架背后压浆，在挂钢筋网的情况下，气动手爪抓取连接混凝土湿喷机的喷头对钢筋网进行喷射混凝土封闭。