CN108247811A - 一种基于3d打印技术的矿山隧道衬砌施工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法及装置，所述施工方法包括以下步骤：1)使用钻爆法开挖山岭隧道；2)混凝土3D打印模块在打印指令的控制下在开挖的隧道中推进，通过逐层打印、分层粘结的方式实现指定施工断面处环状隧道衬砌的打印；3)重复步骤2)，完成整个隧道的衬砌施工。与现有技术相比，本发明具有避免喷射混凝土技术中回弹量大的问题、降低了空气污染物含量、可实现精准控制等优点。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域，尤其是涉及一种基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法及装置。
背景技术
隧道衬砌作为隧道结构的重要组成部分，具有抵抗外界水土压力、控制隧道变形，维持隧道稳定、防止渗漏等重要作用。山岭隧道的衬砌常由初次衬砌和二次衬砌组成。初次衬砌用以进行隧道开挖后的临时支护，维持隧道开挖面的稳定。二次衬砌在初次衬砌的基础上建造，用以维持隧道的长期稳定，控制隧道变形，防止渗漏。
目前，对于初次衬砌的施工最常用的方式是采用喷射混凝土工法进行施工，将混凝土通过高压喷射到围岩上，使得混凝土与围岩粘结在一起，通过不断地喷射，使得初次衬砌成型。但这种工法有明显的局限性：
(1)回弹量大。通过高压喷射到岩壁上的混凝土无法全部与围岩有效粘结，部分未有效粘结的混凝土与岩壁脱离，掉落到隧道底面，形成回弹物，部分山岭隧道采用喷射混凝土技术的回弹量会达到30％，明显造成了材料的浪费，提高了工程的开支；
(2)施工环境极差。目前采用喷射混凝土施工时，由于大量的回弹物以及混凝土颗粒严重地污染了施工现场，加上隧道开挖时通风条件较差，污染物无法有效排出，对施工人员身体危害巨大；
(3)施工质量不易控制。由于喷射混凝土施工的质量很大程度上依赖于施工人员的水平，加上喷射混凝土本身通过高压喷射后不可控因素较多，故目前采用喷射混凝土施工的初次衬砌质量不易控制。
目前，对于二次衬砌的施工最常用的方式是采用模筑工法进行施工，通过模板台车进行混凝土浇筑成型。但这种工法存在的缺陷是：
(1)浇筑时灌浆压力较大，且不易振捣密实；
(2)浇筑时存在漏浆现象。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法，包括以下步骤：
1)使用钻爆法开挖山岭隧道；
2)混凝土3D打印模块在打印指令的控制下在开挖的隧道中推进，通过逐层打印、分层粘结的方式实现指定施工断面处环状隧道衬砌的打印；
3)重复步骤2)，完成整个隧道的衬砌施工。
进一步地，所述环状隧道衬砌的打印具体包括以下步骤：
201)控制混凝土3D打印模块移动至待打印位置，扫描隧道断面，获得断面轮廓数据；
202)获取所述混凝土3D打印模块的定位数据；
203)根据所述断面轮廓数据和定位数据生成衬砌打印轨迹；
204)混凝土3D打印模块根据所述衬砌打印轨迹及设定打印厚度实现环状混凝土衬砌的打印。
进一步地，步骤204)中，混凝土3D打印模块的打印头根据所述衬砌打印轨迹在指定施工断面上进行同心轨迹的往复运动，实现相同断面不同层的混凝土打印以及不同层之间的粘结。
进一步地，步骤204)中，实时跟踪所述3D打印模块的打印头的位置。
进一步地，混凝土3D打印模块在开挖的隧道中推进，并行进至掌子面时，向后检测打印好的环状混凝土衬砌是否存在缺陷，并在发现缺陷时进行混凝土补打。
本发明还提供了一种实现所述的矿山隧道衬砌施工方法的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工装置，包括：
混凝土输送模块，用以响应打印指令，输送3D打印所需的材料；
混凝土3D打印模块，与混凝土输送模块连接，用以响应打印指令，在开挖的隧道中通过逐层打印、分层粘结的方式实现指定施工断面处环状隧道衬砌的打印；
控制模块，分别连接混凝土输送模块和混凝土3D打印模块，用以获取混凝土3D打印模块的实时状态信息生成所述打印指令；
其中，所述混凝土3D打印模块包括行走机构、机械手臂、打印头和隧道断面扫描仪，所述机械手臂设置于行走机构上，所述打印头和隧道断面扫描仪设置于机械手臂上，所述控制模块分别与行走机构、机械手臂和隧道断面扫描仪通信连接。
进一步地，所述混凝土输送模块包括混凝土泵、混凝土泵送管道和外加剂添加器，所述混凝土泵通过混凝土泵送管道与混凝土3D打印模块连接，所述外加剂添加器与混凝土3D打印模块连接。
进一步地，所述行走机构包括均与打印控制器连接的履带车和履带车定位器。
进一步地，所述机械手臂上还设有测量打印头与隧道断面间距离的机械手臂定位器。
进一步地，所述控制模块包括集成处理器以及分别与所述集成处理器连接的数据传输单元和数据存储单元。
与现有技术相比，本发明通过3D打印混凝土技术进行矿山隧道衬砌的整体化施工，有效克服了传统隧道衬砌施工的诸多问题，具有以下有益效果：
(1)创新性地提出“沿隧道断面轮廓分层打印，逐层粘结”的隧道衬砌混凝土3D打印建造方法，将3D打印混凝土技术运用到了山岭隧道衬砌的建造中，通过打印的方式，使得打印出的混凝土与隧道围岩、不同打印层之间的混凝土有效地粘结，从而避免了喷射混凝土技术中回弹量大的问题，在无回弹的情况下进行隧道衬砌的建造，避免了材料的浪费。
(2)通过逐层打印、分层粘结的方式进行隧道衬砌建设，不会对施工环境造成明显污染，明显改善山岭隧道衬砌施工时的工作环境，相比喷射混凝土施工衬砌的工法，大大降低了空气污染物含量
(3)对施工过程实现精准控制。采用信息化和自动化技术控制施工，有效保证施工质量。
(4)打印的衬砌整体化程度高，整体力学性能好。
(5)机械化与自动化程度高，大量节省了人工，显著提高施工效率。
(6)相比于模筑混凝土施工二次衬砌技术，通过现场打印混凝土衬砌的方式建造山岭隧道衬砌，不需要额外进行模板支护，施工过程简洁，使得工序大为简化，减少了工作量，缩短施工时间；
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1、混凝土泵，2、混凝土泵送管道，3、外加剂添加器，4、机械手臂，5、打印头，6、履带车，7、隧道断面扫描仪，8、履带车定位器，9、机械手臂定位器，10、数据传输单元，11、数据存储单元，12集成处理器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法，包括以下步骤：1)使用钻爆法开挖山岭隧道；2)混凝土3D打印模块在打印指令的控制下在开挖的隧道中沿隧道中线逐渐向前推进，通过逐层打印、分层粘结的方式实现指定施工断面处环状隧道衬砌的打印；3)重复步骤2)，完成整个隧道的衬砌施工。该方法根据隧道衬砌的形状，在隧道内部通过打印混凝土的方式修建衬砌，实现了山岭隧道衬砌的三维快速制作，具有提高施工速度、改善施工环境等优点。
环状隧道衬砌的打印具体包括以下步骤：
201)控制混凝土3D打印模块移动至待打印位置，扫描隧道断面，获得断面轮廓数据；
202)获取混凝土3D打印模块的定位数据；
203)根据断面轮廓数据和定位数据生成衬砌打印轨迹；
204)混凝土3D打印模块根据衬砌打印轨迹及设定打印厚度实现环状混凝土衬砌的打印，具体为：混凝土3D打印模块的打印头根据衬砌打印轨迹在指定施工断面上进行同心轨迹的往复运动，实现相同断面不同层的混凝土打印以及不同层之间的粘结。
在某些实施例的步骤204)中，实时跟踪3D打印模块的打印头的位置。
如图1所示，实现上述矿山隧道衬砌施工方法的施工装置包括混凝土输送模块、混凝土3D打印模块和控制模块，其中，混凝土输送模块用以响应打印指令，输送3D打印所需的材料；混凝土3D打印模块与混凝土输送模块连接，用以响应打印指令，在开挖的隧道中通过逐层打印、分层粘结的方式实现指定施工断面处环状隧道衬砌的打印；控制模块分别连接混凝土输送模块和混凝土3D打印模块，用以获取混凝土3D打印模块的实时状态信息生成打印指令。打印时，混凝土3D打印模块沿隧道中线前进，并在前进的过程中逐层打印环状隧道衬砌，通过逐层打印混凝土的有效粘结，实现隧道衬砌的打印。
混凝土输送模块包括混凝土泵1、混凝土泵送管道2和外加剂添加器3，混凝土泵1通过混凝土泵送管道2与混凝土3D打印模块连接，外加剂添加器3与混凝土3D打印模块连接。
混凝土3D打印模块包括行走机构、机械手臂4、打印头5和隧道断面扫描仪7，机械手臂4设置于行走机构上，打印头5和隧道断面扫描仪7设置于机械手臂4上，控制模块分别与行走机构、机械手臂4和隧道断面扫描仪7通信连接。
在某些实施例中，行走机构包括履带车6和履带车定位器8。
在某些实施例中，机械手臂4上还设有测量打印头与隧道断面间距离的机械手臂定位器9。
控制模块包括集成处理器12以及分别与集成处理器连接的数据传输单元10和数据存储单元11。数据存储单元11可实现数据的储存，储存从数据传输单元10中输入的数据，集成处理器12可对数据存储单元11中的数据按照预定的程序进行运算分析，并将结果通过数据传输单元10传输给混凝土泵1、外加剂添加器3、机械手臂4、打印头5、履带车6、隧道断面扫描仪7、履带车定位器8和机械手臂定位器9，从而对上述设备进行控制。数据传输单元10与其余设备的数据传输方式可以通过有线或无线的方式进行传输。集成处理器12可根据隧道的长度和截面尺寸，通过现场监测、自动感应和机械控制，对混凝土的输送、机械手臂的定位以及挤出的速率进行控制，自动完成隧道衬砌的快速打印。
上述装置中，定位机械手臂的活动范围根据软土隧道的直径确定，按隧道衬砌的实际尺寸和构造要求，设计打印头5的数量、布置形式和打印出口的尺寸和形状。打印头的数量可以是单个或多个，打印喷头出口的形状可以是矩形也可以是圆形。
混凝土打印时需要考虑初凝和终凝的时间因素，并考虑其流动性、早期强度；同时，骨料粒径需要满足打印的要求。
利用上述装置进行矿山隧道衬砌施工的具体过程如下：
首先通过矿山法等方式完成山岭隧道断面开挖，并及时清理开挖面，从而保证履带车6能够搭载打印系统和控制系统在隧道中运动。在此基础上，隧道断面扫描仪7将对即将打印的隧道断面进行扫描，从而确定隧道断面的轮廓以及隧道断面扫描仪7与隧道断面边界之间的相对位置关系。隧道断面扫描仪7将数据传输给集成处理器12，集成处理器12依据断面信息、断面与履带车6的位置关系、履带车6上各部件的相对位置关系，从而计算出机械手臂4进行隧道断面衬砌打印的轨迹，并将轨迹信息传输给机械手臂4，通过机械手臂4操纵混凝土打印头5按轨迹进行打印。在进行环状衬砌打印过程中，机械手臂定位器9安装于机械手臂4的前端，可准确测量打印头5与断面之间的距离，并将数据反馈给集成处理器12，从而实现精准的打印。
打印出的混凝土具有良好的粘结性能，能够与土层以及同断面不同层之间有效地粘结在一起，通过机械手臂4在同一个断面上进行同心轨迹的往复运动，实现相同断面不同薄层之间的粘结，最终达到衬砌的设计厚度。此时，履带车6向前移动至下一个打印断面，再次进行通过隧道断面扫描仪7进行隧道断面的扫描，重复上述过程，完成下一个断面隧道衬砌的打印。不同断面打印环(段)之间相互粘结，无缝隙产生。
在混凝土的打印过程中，混凝土泵1通过混凝土泵送管道2持续向打印头5供料，外加剂添加器3依据配合比向打印头5中添加外加剂。
当履带车6行进至掌子面附近时，集成处理器12控制整个打印装置停止向前运动，改为向后运动，逐渐远离掌子面，为进一步的开挖做准备。在向后远离掌子面的过程中，集成处理器12控制打印装置对之前打印的衬砌进行检测，并对不规整、有缺陷处进行补打混凝土，从而完成新开挖段隧道衬砌的打印建造。履带车倒退至指定距离后，下一步隧道开挖。
多次重复上述整个过程，可实现隧道衬砌的整体打印建造。
综上所述，本发明提供的山岭隧道衬砌的3D打印方法，通过混凝土的逐层打印、分层粘结，最终实现隧道衬砌的快速打印，有效地克服了传统隧道衬砌施工中的缺陷。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使用钻爆法开挖山岭隧道；
2)混凝土3D打印模块在打印指令的控制下在开挖的隧道中推进，通过逐层打印、分层粘结的方式实现指定施工断面处环状隧道衬砌的打印；
3)重复步骤2)，完成整个隧道的衬砌施工。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法，其特征在于，所述环状隧道衬砌的打印具体包括以下步骤：
201)控制混凝土3D打印模块移动至待打印位置，扫描隧道断面，获得断面轮廓数据；
202)获取所述混凝土3D打印模块的定位数据；
203)根据所述断面轮廓数据和定位数据生成衬砌打印轨迹；
204)混凝土3D打印模块根据所述衬砌打印轨迹及设定打印厚度实现环状混凝土衬砌的打印。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法，其特征在于，步骤204)中，混凝土3D打印模块的打印头根据所述衬砌打印轨迹在指定施工断面上进行同心轨迹的往复运动，实现相同断面不同层的混凝土打印以及不同层之间的粘结。
4.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法，其特征在于，步骤204)中，实时跟踪所述3D打印模块的打印头的位置。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工方法，其特征在于，混凝土3D打印模块在开挖的隧道中推进，并行进至掌子面时，向后检测打印好的环状混凝土衬砌是否存在缺陷，并在发现缺陷时进行混凝土补打。
6.一种实现如权利要求1所述的矿山隧道衬砌施工方法的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工装置，其特征在于，包括：
混凝土输送模块，用以响应打印指令，输送3D打印所需的材料；
混凝土3D打印模块，与混凝土输送模块连接，用以响应打印指令，在开挖的隧道中通过逐层打印、分层粘结的方式实现指定施工断面处环状隧道衬砌的打印；
控制模块，分别连接混凝土输送模块和混凝土3D打印模块，用以获取混凝土3D打印模块的实时状态信息生成所述打印指令；
其中，所述混凝土3D打印模块包括行走机构、机械手臂、打印头和隧道断面扫描仪，所述机械手臂设置于行走机构上，所述打印头和隧道断面扫描仪设置于机械手臂上，所述控制模块分别与行走机构、机械手臂和隧道断面扫描仪通信连接。
7.根据权利要求6所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工装置，其特征在于，所述混凝土输送模块包括混凝土泵、混凝土泵送管道和外加剂添加器，所述混凝土泵通过混凝土泵送管道与混凝土3D打印模块连接，所述外加剂添加器与混凝土3D打印模块连接。
8.根据权利要求6所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工装置，其特征在于，所述行走机构包括均与打印控制器连接的履带车和履带车定位器。
9.根据权利要求6所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工装置，其特征在于，所述机械手臂上还设有测量打印头与隧道断面间距离的机械手臂定位器。
10.根据权利要求6所述的基于3D打印技术的矿山隧道衬砌施工装置，其特征在于，所述控制模块包括集成处理器以及分别与所述集成处理器连接的数据传输单元和数据存储单元。
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