CN108104838A - 一种隧道衬砌施工的自动化控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道衬砌施工的自动化控制方法，控制系统集成了行走机构、液压系统、混凝土分配器、振捣装置以及温度传感器、流量计、视频监视器、压力传感器的各信息采集和控制程序，且配备有GPRS无线数传模块并能将隧道衬砌浇筑过程中的信息采集上传至项目部监控室，分配器能够串接数个分配管，温度传感器及流量计分别用于检测采集混凝土入模温度及浇筑量并实施浇筑自动控制，视频监视器监控实时工作画面信息采集传输至项目部监控室，振捣装置实现对混凝土的振捣自动控制作业，压力传感器检测采集混凝土浇筑过程中各点的压力并显示混凝土浇筑的高度，控制系统对隧道衬砌浇筑过程中采集的数据进行集中分析并发出控制指令，将检测到的数据上传至项目部监控室。
Description
技术领域
本发明属于隧道衬砌施工技术领域，尤其是一种隧道衬砌施工的自动化控制方法。
背景技术
衬砌是承载地层压力、防止围岩变形塌落的隧道主体建筑物，其施工质量直接影响隧道的施工和运营安全。衬砌台车是隧道衬砌施工过程中使用的机械设备。衬砌台车的外侧弧面是弧形模板，与隧道初期支护墙体形成一个密闭空间并用混凝土填充之，待混凝土凝固后再拆除弧形模板，隧道衬砌即可完成浇筑。
由于衬砌施工的封闭性，在衬砌浇筑过程中的混凝土浇筑量、混凝土入模温度及混凝土压力等数据无法准确核算，这为施工中混凝土的生产组织、混凝土质量控制、衬砌浇筑质量控制带来不少问题，最终将影响到衬砌施工质量。
现有的衬砌台车自动化控制水平低，混凝土分配和振捣装置需要大量的人工劳动，施工效率低，使得衬砌施工质量难以保证，也解决不了上述问题。
将衬砌台车和振捣装置组合一起并添加功能明确的各检测设备以实现隧道衬砌施工的自动化控制方法还未见相关报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种隧道衬砌施工的自动化控制方法，可对衬砌浇筑过程中的混凝土浇筑量、温度和压力进行检测，对衬砌施工过程进行自动化控制，极大提高衬砌施工的自动化水平，降低工人劳动强度，提高衬砌施工质量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种隧道衬砌施工的自动化控制方法，隧道衬砌使用到衬砌台车、混凝土分配器、控制系统、温度传感器、流量计、视频监视器、振捣装置、压力传感器，衬砌台车主要配置有行走机构和液压系统，分配器能够串接数个分配管，其特征是：
控制系统配置在衬砌台车任一侧的底部，控制系集成了行走机构、液压系统、混凝土分配器、振捣装置以及温度传感器、流量计、视频监视器、压力传感器的各信息采集和控制程序，且配备有GPRS无线数传模块并能将隧道衬砌浇筑过程中的信息采集上传至项目部监控室，控制系统能够进行浇筑量测算、浇筑实时数据显示、拱顶空洞密实度检测、浇筑自动控制、振捣自动控制、行走机构控制、液压系统控制、视频监控及无线通讯，所述浇筑量测算功搭载有全站仪数据接口，能够上传全站仪测得的隧道空间结构尺寸数据；所述浇筑实时数据显示分为实时浇筑位置显示、混凝土浇筑量显示和混凝土入模温度显示；所述浇筑自动控制通过控制混凝土分配器各出口实现；所述行走机构控制及所述液压系统控制则分别对应行走机构及液压系统；所述无线通讯通过隧道内部的GPRS无线数传模块实现，通过该GPRS无线数传模块将所有运行数据远传至项目部监控室；
混凝土分配器配置在隧道衬砌台车上部且串接有数个分配管，各分配管用于快速分配浇筑隧道衬砌所需的混凝土，在各分配管的末端分别配置有温度传感器和流量计，各温度传感器及流量计分别用于检测采集所述混凝土入模温度及所述混凝土浇筑量并实施所述浇筑自动控制；
视频监视器配置在衬砌台车前进方向一侧的拱顶部位，能将各设备上需要监控的实时所述视频监控工作画面信息采集传输至项目部监控室；
振捣装置配置在衬砌台车上方的弧形模板上，在控制系统的操控下实现对混凝土的所述振捣自动控制作业；
数个压力传感器沿衬砌台车的弧形模板圆周布置，用于检测采集混凝土浇筑过程中各点的压力并显示混凝土浇筑的深度或是高度，压力传感器同时具有所述拱顶空洞密实度检测信息采集功能；
在上述配合下，根据所述全站仪测得的隧道开挖空间结构尺寸，精确计算出该隧道衬砌施工段所需的混凝土使用量并存入控制系统以便于施工方组织施工；隧道衬砌施工前须通过控制系统驱动行走机构并将衬砌台车移动到所述施工段，然后控制系统再驱动液压系统将衬砌台车的弧形模板也移动到所述施工段，待衬砌台车完成立模后开始浇筑混凝土。混凝土分配器的下端与混凝土泵车联接，而其上端与各分配管对接，根据隧道衬砌浇筑工艺要求并在控制系统的调控下，混凝土分配器通过任一分配管将混凝土自动分配到所述施工段的对应浇注空间，此时压力传感器实时显示混凝土浇筑的压力及高度，温度传感器实时显示混凝土的入模温度，流量传感器实时显示已浇筑的混凝土使用量，当混凝土浇筑压力及流量均达到施工设计要求时，在控制系统的调控下混凝土分配器能自动切换到下一个分配管，实现混凝土自动分层浇筑；当一个所述对应浇注空间完成浇筑后，控制系统启动振捣装置对混凝土自动进行捣固，每个所述对应浇注空间的振捣装置都是相互独立的，如此循环即可完成该所述施工段的隧道衬砌并实现隧道衬砌施工的自动化控制；注意：当某个所述对应浇注空间的混凝土完成振捣后，该所述对应浇注空间的振捣装置即被锁定以防止出现错误操作或是破环已捣固的混凝土；视频监视器能够实时观察各设备的工作运转状况以便于及时处置意外情况；
此外由于混凝土存在自重问题，会引发拱顶位置容易出现空洞问题，因此拱顶空洞通过压力传感器实施检测，当混凝土压力达到施工设计要求时被确认拱顶不存在空洞，反之被确认拱顶存在空洞并需要重新施工补救，该施工补救仍通过控制系统实施；
上述自动化控制过程均建立在各项检测数据之基础上，控制系统能对所有隧道衬砌浇筑过程中采集的数据进行集中分析并发出控制指令，同时也将检测到的数据上传至项目部监控室，当隧道衬砌浇筑过程出现较大偏差时控制系统能及时发出报警，根据所记录的混凝土浇筑过程信息进行故障分析并及时采取有效的应对措施。
由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：
1、本发明是对传统衬砌施工技术进行更新改进，能够实现隧道衬砌施工的信息采集和自动化控制，减少隧道施工出现的危害次数，确保隧道施工和运营安全。
2、本发明可以使隧道衬砌施工过程的信息可视化，能够实时了解隧道衬砌浇筑过程的混凝土状态，为隧道衬砌施工过程管理提供了有效的数据信息，便于施工组织管理。
3、本发明能及时发现隧道衬砌浇筑过程中存在的问题，便于技术人员进行故障分析并及时采取应对措施，能有效提高隧道衬砌的施工质量，减少隧道病害发生的现象。
4、本发明通过对隧道施工过程的混凝土压力数据进行分析，掌握衬砌台车的工作状态，确保衬砌台车两侧压力平衡，能够在设计压力下安全、可靠工作。
5、本发明可以提高衬砌台车施工的自动化水平，减少工人的劳动量，大大节省衬砌浇筑时间并提高振捣效果。
6、本发明所有检测数据均通过GPRS无线模块传至数据中心，便于进行数据存储，建立隧道衬砌施工数据库。
7、本发明也可用于其它隧道施工设备的智能化管理需求。
附图说明
图1是本发明自动化控制的立体结构示意简图。
图1中：1-衬砌台车；2-行走机构；3-液压系统；4-混凝土分配器；5-控制系统； 6-温度传感器；7-流量计；8-分配管；9-视频监视器；10-振捣装置；11-压力传感器。
具体实施方式
本发明最大目的是将衬砌台车和振捣装置组合在一起统一控制，并在一起其它检测器的协助下实现隧道衬砌施工的自动化控制。
下面结合图1对本发明所述技术方案做出进一步解释，未述部分以所述技术方案为准，不另赘述。
衬砌台车1是修建隧道衬砌的专用机械设备，行走机构2和液压系统3用于衬砌台车的定位及立模或是脱模。混凝土分配器4配置在隧道衬砌台车上部且能够串接数个分配管8，各分配管8用于快速分配浇筑隧道衬砌所需的混凝土，在各分配管8的末端分别配置有温度传感器6和流量计7，各温度传感器6及流量计7分别用于检测采集混凝土的入模温度及浇筑量。视频监视器9配置在衬砌台车1前进方向一侧的拱顶部位，能将各设备上需要监控的实时工作画面信息采集传输至项目部监控室。振捣装置10配置在衬砌台车1上方的弧形模板上，在控制系统5的操控下实现对混凝土的自动化振捣作业。数个压力传感器11沿衬砌台车1的弧形模板圆周布置，用于检测采集混凝土浇筑过程中各点的压力并显示混凝土浇筑的深度，压力传感器11同时具有空洞检测信息采集功能。控制系统5配置在衬砌台车1的底部，控制系统5集成了行走机构2、液压系统3、混凝土分配器4、振捣装置10以及信息采集的控制程序，并且配备有GPRS无线数传模块，可将衬砌浇筑过程的信息采集上传至项目部监控室，以便于组织隧道施工和对隧道施工过程进行控制，控制系统5能够进行浇筑量测算、浇筑实时数据显示、拱顶空洞密实度检测、浇筑自动控制、振捣自动控制、行走机构控制、液压系统控制、视频监控和无线通讯等。
所述浇筑量测算功搭载有全站仪数据接口，能够上传全站仪测得的隧道空间结构尺寸数据；所述浇筑实时数据显示功能分为实时浇筑位置显示、混凝土浇筑量显示和混凝土入模温度显示。
在上述的有力配合下，本发明的自动化控制方法简述如下：
根据隧道全站仪测得的隧道开挖空间结构尺寸，精确计算出衬砌施工段所需的混凝土方量，便于施工方组织施工。
衬砌施工前须通过控制系统驱动行走机构，将衬砌台车移动到指定的所述施工段位置，然后控制系统再驱动液压系统将衬砌台车的弧形模板也移动到所述施工段位置。衬砌台车完成立模后才能开始浇筑混凝土。
混凝土分配器的下端与混凝土泵车联接，上端与各分配管对接。根据浇筑工艺要求并在控制系统的调控下，混凝土分配器通过任一分配管将混凝土自动的输送到所述施工段的对应浇注空间。在浇筑过程中压力传感器实时显示混凝土浇筑压力和高度，温度传感器实时显示混凝土的入模温度，流量传感器显示已浇筑的混凝土量。当混凝土浇筑压力、流量均达到施工设计要求时，在控制系统的调控下，混凝土分配器可自动切换到下一个分配管，实现混凝土自动分层浇筑。
当一个区域完成浇筑后，控制系统启动振捣装置对混凝土自动进行捣固。每个对应浇注空间的振捣系统都是独立的，当该对应浇注空间的混凝土完成振捣后振捣装置即被锁定，防止出现错误操作，破环已捣固的混凝土。
由于混凝土存在自重，在拱顶位置容易出现空洞。拱顶空洞检测通过拱顶压力传感器实现，当拱顶混凝土压力达到施工设计要求时，可认为拱顶已不存在空洞。
为实时观察设备的运转状况，设置了视频监视器，便于及时处置意外情况。
上述自动化控制过程都是建立在各项检测数据的基础上的，控制系统可对所有衬砌浇筑过程的数据进行集中分析，并发出控制指令，同时可将检测到的数据上传至项目部的数据中心。
当浇筑过程出现较大偏差时，控制系统可及时发出报警，根据记录的混凝土浇筑过程信息，技术人员能够进行故障分析并及时采取有效的应对措施。
自动化控制系统能够实时显示隧道衬砌浇筑的过程信息，根据过程信息便于快速组织施工并及时发现浇筑空洞、混凝土温度不达标等问题，降低工人的劳动强度，提高混凝土布料效率和振捣效果，对于提高隧道衬砌浇筑质量具有良好效果。
以上实例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于上述实施例，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内对本发明的任何修改、等同替代和改进等，均属于本发明请求保护的技术范围之内。
Claims (1)
1.一种隧道衬砌施工的自动化控制方法，隧道衬砌使用到衬砌台车(1)、混凝土分配器(4)、控制系统(5)、温度传感器(6)、流量计(7)、视频监视器(9)、振捣装置(10)、压力传感器(11)，衬砌台车(1)主要配置有行走机构(2)和液压系统(3)，分配器(4)能够串接数个分配管(8)，其特征是：
控制系统(5)配置在衬砌台车(1)任一侧的底部，控制系统(5)集成了行走机构(2)、液压系统(3)、混凝土分配器(4)、振捣装置(10)以及温度传感器(6)、流量计(7)、视频监视器(9)、压力传感器(11)的各信息采集和控制程序，且配备有GPRS无线数传模块并能将隧道衬砌浇筑过程中的信息采集上传至项目部监控室，控制系统(5)能够进行浇筑量测算、浇筑实时数据显示、拱顶空洞密实度检测、浇筑自动控制、振捣自动控制、行走机构控制、液压系统控制、视频监控及无线通讯，所述浇筑量测算功搭载有全站仪数据接口，能够上传全站仪测得的隧道空间结构尺寸数据；所述浇筑实时数据显示分为实时浇筑位置显示、混凝土浇筑量显示和混凝土入模温度显示；所述浇筑自动控制通过控制混凝土分配器各出口实现；所述行走机构控制及所述液压系统控制则分别对应行走机构(2)及液压系统(3)；所述无线通讯通过隧道内部的GPRS无线数传模块实现，通过该GPRS无线数传模块将所有运行数据远传至项目部监控室；
混凝土分配器(4)配置在隧道衬砌台车上部且串接有数个分配管(8)，各分配管(8)用于快速分配浇筑隧道衬砌所需的混凝土，在各分配管(8)的末端分别配置有温度传感器(6)和流量计(7)，各温度传感器(6)及流量计(7)分别用于检测采集所述混凝土入模温度及所述混凝土浇筑量并实施所述浇筑自动控制；
视频监视器(9)配置在衬砌台车(1)前进方向一侧的拱顶部位，能将各设备上需要监控的实时所述视频监控工作画面信息采集传输至项目部监控室；
振捣装置(10)配置在衬砌台车(1)上方的弧形模板上，在控制系统(5)的操控下实现对混凝土的所述振捣自动控制作业；
数个压力传感器(11)沿衬砌台车(1)的弧形模板圆周布置，用于检测采集混凝土浇筑过程中各点的压力并显示混凝土浇筑的深度或是高度，压力传感器 (11)同时具有所述拱顶空洞密实度检测信息采集功能；
在上述配合下，根据所述全站仪测得的隧道开挖空间结构尺寸，精确计算出该隧道衬砌施工段所需的混凝土使用量并存入控制系统(5)以便于施工方组织施工；隧道衬砌施工前须通过控制系统(5)驱动行走机构(2)并将衬砌台车(1)移动到所述施工段，然后控制系统(5)再驱动液压系统(3)将衬砌台车(1)的弧形模板也移动到所述施工段，待衬砌台车(1)完成立模后开始浇筑混凝土，混凝土分配器(4)的下端与混凝土泵车联接，而其上端与各分配管(8)对接，根据隧道衬砌浇筑工艺要求并在控制系统(5)的调控下，混凝土分配器(4)通过任一分配管(8)将混凝土自动分配到所述施工段的对应浇注空间，此时压力传感器(11)实时显示混凝土浇筑的压力及高度，温度传感器(6)实时显示混凝土的入模温度，流量传感器实时显示已浇筑的混凝土使用量，当混凝土浇筑压力及流量均达到施工设计要求时，在控制系统(5)的调控下混凝土分配器(4)能自动切换到下一个分配管(8)，实现混凝土自动分层浇筑；当一个所述对应浇注空间完成浇筑后，控制系统(5)启动振捣装置(10)对混凝土自动进行捣固，每个所述对应浇注空间的振捣装置(10)都是相互独立的，如此循环即可完成该所述施工段的隧道衬砌并实现隧道衬砌施工的自动化控制；注意：当某个所述对应浇注空间的混凝土完成振捣后，该所述对应浇注空间的振捣装置(10)即被锁定以防止出现错误操作或是破环已捣固的混凝土；视频监视器能够实时观察各设备的工作运转状况以便于及时处置意外情况；
此外由于混凝土存在自重问题，会引发拱顶位置容易出现空洞问题，因此拱顶空洞通过压力传感器(11)实施检测，当混凝土压力达到施工设计要求时被确认拱顶不存在空洞，反之被确认拱顶存在空洞并需要重新施工补救，该施工补救仍通过控制系统(5)实施；
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