CN110528550A - 沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置及其施工方法，其中装置包括：回转部；铰刀架，其固定在回转部的下方；铰刀架的底端可拆卸的连接有铰刀头；液压系统，其驱动回转部和铰刀架的运动；控制单元，其包括：天线，其设置在回转部的上方；多种传感器，其分别设置在铰刀架上；测深仪，其设置在铰刀架上；控制器，其与天线、传感器、测深仪和液压系统分别连接，控制器对由天线、传感器和测深仪获取的数据进行分析，并依据分析结果控制液压系统运行。其通过天线以及多种传感器对铰刀头实时工作位置的获取，使绞刀头的实时工作位置始终保证和自动化破岩施工程序中预设的坐标位置保持一致，从而精准地完成整个沉井刃脚处挖掘施工作业。

Description

沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及沉井下沉施工技术领域，尤其涉及一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置及其施工方法。

背景技术

沉井作为地下空间构筑物或高层建筑深基础或深基坑支护施工的一种结构，有其独特的工程应用条件范围。沉井借助刃脚切土下沉，如果沉井不设刃脚，沉井就不可能下沉。沉井下沉施工时，刃脚就是种刀口，在刃脚及上部的沉井自重作用下切土。当刃脚在硬岩石层时，刃脚及沉井自重无法切土时，需要借助机械设备或人工在沉井的内侧和在刃脚下面取土下沉。

沉井下沉方法主要为排水下沉和不排水下沉法，其中不排水下沉法又分为冲洗法、钻吸法、抓斗法。冲洗法是用高压水枪破土，再用吸泥机排泥，可冲挖刃脚及隔墙下方土体，但水下控制不易，效率不高。钻吸法是用潜水钻机对水下土体进行强制切削，再用高压水枪将破碎土体捣碎成泥浆后排泥，是软土地层下沉工法。水中自动反铲抓斗法是用反铲挖机直接铲挖刃脚下方土体，再用抓斗抓走铲下的土体，适用软土地基。抓斗法是用抓斗可抓挖沉井底部中央位置土体，但对沉井刃脚及隔墙下方土体无法处理，只能依靠刃脚及隔墙下土体在沉井自重作用下自行崩塌，存在安全隐患且对较硬土层难以达到效果，且下沉深度无法精确控制。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，通过天线以及多种传感器对铰刀头实时工作位置的获取，使绞刀头的实时工作位置始终保证和自动化破岩施工程序中预设的坐标位置保持一致，从而精准地完成整个沉井刃脚处挖掘施工作业。

为实现上述目的和一些其他的目的，本发明采用如下技术方案：

一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，包括：

回转部；

铰刀架，其固定在所述回转部的下方；

液压系统，其与所述回转部和铰刀架分别连接，以驱动所述回转部和铰刀架的运动；

控制单元，其包括：

天线，其设置在所述回转部的上方，以获取所述铰刀架的位置信息和偏转角度信息；

多种传感器，其分别设置在所述铰刀架上，以检测所述铰刀架的信息；

测深仪，其设置在所述铰刀架上，以检测所述铰刀架的铰刀头的挖掘深度和高度信息；

控制器，其与所述天线、多种传感器、测深仪和液压系统分别通讯连接，所述控制器对由所述天线、多种传感器和测深仪获取的数据进行分析，并依据分析结果控制所述液压系统的运行。

优选的是，所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置中，所述铰刀架通过支撑臂固定在所述回转部的下方。

优选的是，所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置中，所述天线包括定位天线和定向天线；所述定位天线和定向天线分别竖直设置在所述回转部的顶端的两侧；所述定位天线用于获得所述铰刀架的位置信息；所述定向天线用于获得所述铰刀架的偏转角度信息。

优选的是，所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置中，所述多种传感器具体包括：

铰刀架角度传感器，其设置在所述铰刀架靠近所述回转部的一端，以检测所述铰刀架在竖直方向和水平方向的倾斜角度信息；

伸缩臂位移传感器，其设置在所述铰刀架的伸缩臂上，以检测所述伸缩臂沿伸缩臂轴向方向的直线位移信息；

支撑臂角度传感器，其设置在所述支撑臂上，以检测所述支撑臂在水平方向上的旋转角度信息；以及

潜水泵流量传感器，其设置在所述铰刀架的潜水泵上，以检测所述潜水泵内的泥浆流量信息。

优选的是，所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置中，所述铰刀架的底端可拆卸的连接有铰刀头。

优选的是，所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置中，所述控制器上设置有显示屏，所述显示屏上显示所述天线、多种传感器以及测深仪的检测数据，且所述显示屏上设置有连接于所述控制器的操控界面。

优选的是，所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置中，还包括内支撑架，其与所述回转部活动连接，所述内支撑架横向架设在沉井隔仓内，以使设置于所述回转部下方的铰刀架在所述沉井内定位。

一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置的施工方法，包括以下步骤：

S1、根据施工现场的地质条件，选取对应的铰刀头安装在铰刀架上；

S2、将回转部与内支撑架连接，内支撑架固定在沉井隔仓的施工位置上；

S3、在操控界面上输入作业请求，控制器根据由天线和多种传感器获取的数据信息以及铰刀架的尺寸信息设定挖掘目标点的三维坐标值；

S4、控制器依据S3得到的三维坐标值与铰刀头的当前位置的三维坐标值的差值进行切削厚度和成熟的设定；并依据设定结果控制液压系统运行，直至铰刀头到达设定的挖掘目标点；

S5、在铰刀头上安装测深仪，并根据测深仪对已挖掘区域的高度和深度的测量判断作业是否合格；是，则结束作业；否，则对已挖掘区域进行重新挖掘。

优选的是，所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置的施工方法中，S4中，所述铰刀头在挖掘过程中，所述控制器实时检测铰刀头的位置和接收多种传感器发送的数据信息，并依据接收的数据信息计算铰刀头的实时位置，然后与检测的铰刀头的位置进行对比，最后依据实时检测的铰刀头的位置与计算得到的铰刀头的实时位置的差值控制液压系统的运行。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置中，控制器与天线和多种传感器通讯连接，例如可将控制器配置于施工地面上的控制室内，控制器通过收集多种空间姿态传感器的数据，建立岩石破碎单元的位置关系传递函数模型，计算分析绞刀架与支撑臂、沉井内壁、刃脚之间的角度位置关系，和绞刀头的预设工作位置，通过对比绞刀头实时工作位置和监控系统中预设的工作位置的差值，进行位置补偿；通过检测潜水泵的流量，计算排泥量，实现准确控制调整液压系统各个油缸伸缩，从而使绞刀头的实时工作位置始终保证和自动化破岩施工程序中预设的坐标位置保持一致，从而精准地完成整个沉井刃脚处挖掘施工作业。

本发明实质为基于水下3D引导系统的自动破岩装置，控制器将北斗导航系统与多种空间姿态传感器技术相结合，控制单元通过收集绞刀架的空间姿态信息以及绞刀头的实时位置值与目标位置值的差值，和潜水泵中的泥浆流速，再通过阀芯、限流比例阀实现对主阀、主泵的控制，主阀节流、主泵容积调速，实现对液压系统中各油缸的精确控制，达到在一个施工工位内进行自动化刃脚岩石破碎施工的目的，其中回转部还可带动绞刀架向两边各190°回转，从而进一步准确地完成整个沉井刃脚处岩石破碎作业。水下3D引导技术和自动破岩单元的集成使刀架定位准确，快速切削刃脚部分的坚硬土层，使沉井按计划下沉，对周边环境影响小，效率高，破碎的渣土形成泥浆有序地收集，减少扬尘污染，节能环保。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明提供的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣施工装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，以令本领域普通技术人员参阅本说明书后能够据以实施。

如图1所示，一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，包括：

回转部100；

铰刀架110，其固定在所述回转部100的下方；

液压系统，其与所述回转部100和铰刀架110分别连接，以驱动所述回转部100和铰刀架110的运动；

控制单元，其包括：

天线，其设置在所述回转部100的上方，以获取所述铰刀架110的位置信息和偏转角度信息；

多种传感器，其分别设置在所述铰刀架110上，以检测所述铰刀架110的信息；

测深仪127，其设置在所述铰刀架110上，以检测所述铰刀架110的铰刀头114的挖掘深度和高度信息；

控制器，其与所述天线、多种传感器、测深仪127和液压系统分别通讯连接，所述控制器对由所述天线、多种传感器和测深仪127获取的数据进行分析，并依据分析结果控制所述液压系统的运行。

在上述方案中，控制器与天线和多种传感器通讯连接，例如可将控制器配置于施工地面上的控制室内，控制器通过收集多种空间姿态传感器的数据，建立岩石破碎单元的位置关系传递函数模型，计算分析绞刀架与支撑臂、沉井内壁、刃脚之间的角度位置关系，和绞刀头的预设工作位置，通过对比绞刀头实时工作位置和监控系统中预设的工作位置的差值，进行位置补偿；通过检测潜水泵的流量，计算排泥量，实现准确控制调整液压系统各个油缸伸缩，从而使绞刀头的实时工作位置始终保证和自动化破岩施工程序中预设的坐标位置保持一致，从而精准地完成整个沉井刃脚处挖掘施工作业。

本发明实质为基于水下3D引导系统的自动破岩装置，控制器将北斗导航系统与多种空间姿态传感器技术相结合，控制单元通过收集绞刀架的空间姿态信息以及绞刀头的实时位置值与目标位置值的差值，和潜水泵中的泥浆流速，再通过阀芯、限流比例阀实现对主阀、主泵的控制，主阀节流、主泵容积调速，实现对液压系统中各油缸的精确控制，达到在一个施工工位内进行自动化刃脚岩石破碎施工的目的，其中回转部还可带动绞刀架向两边各190°回转，从而进一步准确地完成整个沉井刃脚处岩石破碎作业。

另外，所述绞刀架上还设置有可伸缩式的排泥管线，以便于泥水的排出。

一个优选方案中，所述铰刀架110通过支撑臂111固定在所述回转部100的下方。

一个优选方案中，所述天线包括定位天线121和定向天线122；所述定位天线121和定向天线122分别竖直设置在所述回转部100的顶端的两侧；所述定位天线121用于获得所述铰刀架110的位置信息；所述定向天线122用于获得所述铰刀架110的偏转角度信息。

一个优选方案中，所述多种传感器具体包括：

铰刀架角度传感器123，其设置在所述铰刀架110靠近所述回转部100的一端，以检测所述铰刀架110在竖直方向和水平方向的倾斜角度信息；

伸缩臂位移传感器124，其设置在所述铰刀架110的伸缩臂112上，以检测所述伸缩臂112沿伸缩臂112轴向方向的直线位移信息；

支撑臂角度传感器125，其设置在所述支撑臂111上，以检测所述支撑臂111在水平方向上的旋转角度信息；以及

潜水泵流量传感器126，其设置在所述铰刀架110的潜水泵113上，以检测所述潜水泵113内的泥浆流量信息。

在上述方案中，通过上述多种传感器的设置，使得控制器可以汇集多种空间姿态传感器的数据，准确的计算对比绞刀头实时工作位置和监控系统中预设的工作位置的差值，并准确控制调整液压系统各个油缸伸缩，从而使绞刀头的实时工作位置始终保证和自动化破岩施工程序中预设的坐标位置保持一致，精准地完成整个沉井刃脚处挖掘施工作业。

一个优选方案中，所述铰刀架110的底端可拆卸的连接有铰刀头114。

在上述方案中，铰刀头和铰刀架可拆卸的连接，使得可以实现通过更换不同类型的绞吸头和铲齿以适应不同硬度的施工土质，通用化程度和适用性高。

一个优选方案中，所述控制器上设置有显示屏，所述显示屏上显示所述天线、多种传感器以及测深仪127的检测数据，且所述显示屏上设置有连接于所述控制器的操控界面。

在上述方案中，通过在设备上安装传感器，在控制器上设置显示屏，并将绞刀位置和切削参数实时显示在显示屏上，使施工过程中实际操作的角度和深度等关键信息可视化，施工过程中，仅需输入所需的深度及角度，便可实现对施工标高和深度的引导，使刃脚处挖掘作业更加简便高效。

一个优选方案中，还包括内支撑架115，其与所述回转部100活动连接，所述内支撑架115横向架设在沉井隔仓内，以使设置于所述回转部100下方的铰刀架110在所述沉井内定位。

在上述方案中，将回转部固定设置在内支撑架上，然后将内支撑架固定在一个沉井隔仓内的施工位置处，绞刀架通过内支撑架可以在沉井内壁定位，从而开始一个工位的挖掘作业。另外，内支撑架设置为可伸缩的结构，使得内支撑架可以缩小越过剪力键，再伸展支撑在沉井底部壁体上，然后取土施工，通过内支撑架的伸缩能够实现设备快速在沉井内定位固定，同时完成沉井仓内切削岩层和清理渣土工作，不用反复升降设备。待井仓施工完毕，内支撑架缩短，利用龙门吊及龙门吊轨道将装置起升、转移至下一个井仓，下放设备即可继续施工，操作便捷，安装拆卸快速。

一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置的施工方法，包括以下步骤：

S1、根据施工现场的地质条件，选取对应的铰刀头安装在铰刀架上；

S2、将回转部与内支撑架连接，内支撑架固定在沉井隔仓的施工位置上；

S3、在操控界面上输入作业请求，控制器根据由天线和多种传感器获取的数据信息以及铰刀架的尺寸信息设定挖掘目标点的三维坐标值；

S4、控制器依据S3得到的三维坐标值与铰刀头的当前位置的三维坐标值的差值进行切削厚度和成熟的设定；并依据设定结果控制液压系统运行，直至铰刀头到达设定的挖掘目标点；

S5、在铰刀头上安装测深仪，并根据测深仪对已挖掘区域的高度和深度的测量判断作业是否合格；是，则结束作业；否，则对已挖掘区域进行重新挖掘。

一个优选方案中，S4中，所述铰刀头在挖掘过程中，所述控制器实时检测铰刀头的位置和接收多种传感器发送的数据信息，并依据接收的数据信息计算铰刀头的实时位置，然后与检测的铰刀头的位置进行对比，最后依据实时检测的铰刀头的位置与计算得到的铰刀头的实时位置的差值控制液压系统的运行。

实施例1

所述沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：根据施工现场的地质条件，选取对应的绞刀头安装在绞刀架上。

步骤2：将回转部固定设置在内支撑架上，然后将内支撑架固定在一个沉井隔仓内的施工位置处，绞刀架通过内支撑架在沉井内壁定位，开始一个工位的挖掘作业。

步骤3：在操控界面上选择自动破岩模式并按下初始坐标定位按钮后，选择初始挖掘目标点，通过定位天线和定向天线分别获取绞刀架在3D引导系统中的三维坐标信息和偏转角度信息，并将绞刀架的三维坐标信息和偏转角度信息传送至控制器，控制器获取各个传感器传输的三维坐标信息，根据这些坐标信息和各个构件尺寸计算得出绞刀头的三维坐标信息后，在操控界面设定挖掘目标点的三维坐标值，并将三维坐标值传送至控制器，控制器根据绞刀头的三维坐标值的差值，进行切削厚度和层数的设定。

步骤4：以上设定完成后，控制支撑架的液压系统运行，使液压系统驱动回转部旋转至设定角度，铰刀架起降至设定倾角，伸缩臂伸缩至设定长度，将绞刀头尖部部位调整至一个工位点的上方。

步骤5：绞刀头尖部调整至预定坐标点后开始施工。施工过程中，自动破岩控制单元能自动检测到绞刀尖部的位置，控制器接收各个传感器传送的位置和流速信息，获取绞刀头尖部的实时三维坐标值，自动对比目标三维坐标值，根据二者差值，控制液压系统运行，使液压系统驱动回转部，支撑臂，伸缩臂，将绞刀头尖部部位和潜水泵的吸泥速率实时调整到目标位置，使破岩设备按计划完成一个工位点的破碎岩石和抽吸泥浆作业。

步骤6：在完成一个施工工位内的破岩施工后，通过安装在绞刀头上的测深仪，测量已挖掘区域的高度与深度，若出现不合格的现象，需对已挖掘的区域重新挖掘一次；

步骤7：沉井刃脚破岩检测合格后，结束该工位的施工作业，通过回转部将铰刀架旋转至下一个施工工位施工，重复上述步骤即可完成一个井仓内整个刃脚部位岩层破碎作业。

步骤8：当一个井仓被挖掘至设计标高后，吊机提升岩石破碎设备至沉井外，沿吊机轨道将装置移动至下一个井仓位，下放设备继续工作。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，其中，包括：

回转部；

铰刀架，其固定在所述回转部的下方；

液压系统，其与所述回转部和铰刀架分别连接，以驱动所述回转部和铰刀架的运动；

控制单元，其包括：

天线，其设置在所述回转部的上方，以获取所述铰刀架的位置信息和偏转角度信息；

多种传感器，其分别设置在所述铰刀架上，以检测所述铰刀架的信息；

测深仪，其设置在所述铰刀架上，以检测所述铰刀架的铰刀头的挖掘深度和高度信息；

控制器，其与所述天线、多种传感器、测深仪和液压系统分别通讯连接，所述控制器对由所述天线、多种传感器和测深仪获取的数据进行分析，并依据分析结果控制所述液压系统的运行。

2.如权利要求1所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，其中，所述铰刀架通过支撑臂固定在所述回转部的下方。

3.如权利要求1所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，其中，所述天线包括定位天线和定向天线；所述定位天线和定向天线分别竖直设置在所述回转部的顶端的两侧；所述定位天线用于获得所述铰刀架的位置信息；所述定向天线用于获得所述铰刀架的偏转角度信息。

4.如权利要求2所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，其中，所述多种传感器具体包括：

铰刀架角度传感器，其设置在所述铰刀架靠近所述回转部的一端，以检测所述铰刀架在竖直方向和水平方向的倾斜角度信息；

伸缩臂位移传感器，其设置在所述铰刀架的伸缩臂上，以检测所述伸缩臂沿伸缩臂轴向方向的直线位移信息；

支撑臂角度传感器，其设置在所述支撑臂上，以检测所述支撑臂在水平方向上的旋转角度信息；以及

潜水泵流量传感器，其设置在所述铰刀架的潜水泵上，以检测所述潜水泵内的泥浆流量信息。

5.如权利要求1所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，其中，所述铰刀架的底端可拆卸的连接有铰刀头。

6.如权利要求1所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，其中，所述控制器上设置有显示屏，所述显示屏上显示所述天线、多种传感器以及测深仪的检测数据，且所述显示屏上设置有连接于所述控制器的操控界面。

7.如权利要求1所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置，其中，还包括内支撑架，其与所述回转部活动连接，所述内支撑架横向架设在沉井隔仓内，以使设置于所述回转部下方的铰刀架在所述沉井内定位。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置的施工方法，其中，包括以下步骤：

S1、根据施工现场的地质条件，选取对应的铰刀头安装在铰刀架上；

S2、将回转部与内支撑架连接，内支撑架固定在沉井隔仓的施工位置上；

S3、在操控界面上输入作业请求，控制器根据由天线和多种传感器获取的数据信息以及铰刀架的尺寸信息设定挖掘目标点的三维坐标值；

S4、控制器依据S3得到的三维坐标值与铰刀头的当前位置的三维坐标值的差值进行切削厚度和成熟的设定；并依据设定结果控制液压系统运行，直至铰刀头到达设定的挖掘目标点；

S5、在铰刀头上安装测深仪，并根据测深仪对已挖掘区域的高度和深度的测量判断作业是否合格；是，则结束作业；否，则对已挖掘区域进行重新挖掘。

9.如权利要求8所述的沉井刃脚部位坚硬土层破碎及清渣装置的施工方法，其中，S4中，所述铰刀头在挖掘过程中，所述控制器实时检测铰刀头的位置和接收多种传感器发送的数据信息，并依据接收的数据信息计算铰刀头的实时位置，然后与检测的铰刀头的位置进行对比，最后依据实时检测的铰刀头的位置与计算得到的铰刀头的实时位置的差值控制液压系统的运行。