CN110805449A - 一种基于3d打印的隧洞衬砌支护一体机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机及其施工方法，衬砌支护一体机包括三个沿洞轴线依次布置的模块：管片衬砌模块，可于隧洞内壁安装预制混凝土管片衬砌；锚杆挂网模块，向围岩中打入锚杆，同时将成型钢筋网片通过电焊与锚杆及现有钢筋网相连；3D打印模块，用于将膏状快凝混凝土打印于已经打入锚杆并安装钢筋网的围岩表面。根据本发明实施例的隧洞衬砌支护一体机，实现了同一台设备依据围岩情况灵活采用不同支护方式，当围岩较为破碎时采用管片衬砌支护，当围岩较为完整时则采用“锚固+3D打印”的支护方式，实现一次性永久衬砌，大大提升复杂地质条件下隧洞掘进的效率，尽可能地降低工程成本，同时保证工程施工质量。

Description

一种基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧洞衬砌设备技术领域，特别涉及一种基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机及其施工方法。

背景技术

3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，以3D打印为基础的3D打印混凝土技术，不必事先制造模具，不必在制造过程中处理大量材料，也不必进行复杂的锻造工艺，却能在生产上实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印所采用的混凝土具有较快的初凝时间和更好的早期强度，同时具有较高的塑性粘度和较低的极限剪切应力，由此施工时既有自密实混凝土无需振捣的特点，又有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点，并且挤出后能在空气中迅速凝结以承受自重。隧洞开凿过程中，由于开挖出来的洞壁不少情况下是非规则的，这要求用于衬砌支护的材料，必须对所填充空间的轮廓具有较好的适应性，而这正是3D打印技术的优势所在。

在目前的硬岩隧洞开凿过程中，以往采用钻爆法最为广泛，如今采用TBM直接开挖也逐渐推广开来。对于钻爆法，开挖后往往先根据围岩情况打入锚杆、布设钢筋网片，然后喷射混凝土，形成第一层支护(初支)；接下来，在初支的基础上，再沿洞壁铺设防水层、布设钢筋，通过二衬台车进行二衬(永久衬砌)的施工。

而TBM则可分为敞开式TBM、单护盾TBM、双护盾TBM等三类，不同类型的TBM有着不同的支护措施，其中敞开式TBM主要用于硬岩的开挖，主要配置钢拱架安装器和喷锚等设备；单护盾TBM主要适用于中等长度隧洞的开挖，其岩层往往是有一定自稳性的软岩及破碎岩层，应用单护盾TBM可以实现开挖的同时完成管片衬砌，实现隧道衬砌的一次成型；双护盾TBM主要适用于具有一定自稳性的软岩、硬岩地层，具有双护盾掘进模式和单护盾掘进模式。

在地质条件较为单一，地应力较低的情况下，某一类型的隧洞开挖及其支护方式即可满足要求。但在地质条件复杂或是大埋深、高地应力等特殊地质的隧洞中，不同洞段的地质条件可能会有较大不同，需要根据实际情况灵活选用不同的支护方式。基于上述情况，迫切需要一种同时具备管片衬砌和锚杆挂网支护功能，且能在其间灵活切换的一体式支护机，以最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量。

相关技术中，一种管片衬砌与喷锚支护交替隧道围岩加固方法，可以实现管片衬砌和喷锚支护的交替运用，但是管片支护和喷锚支护需要两套不同的设备和人工，工序转换较为复杂。且由于喷锚支护工艺本身的特点，喷射混凝土的回弹率往往较高，造成洞内施工环境的恶化，危害施工人员身体健康的同时，亦不利于工程的顺利开展。考虑到以上弊端，传统喷锚支护需要距尾盾保持足够距离，故亦无法做到对围岩的及时支护。

因此，迫切需要一种同时具备管片衬砌和锚杆挂网支护功能，且能在其间灵活切换的一体式支护机，一次性实现隧洞永久衬砌，以最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，该一体机具有根据围岩情况灵活选用支护方式、最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量等优点。

本发明的另一个目的在于提出一种基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，包括：管片衬砌模块，用于隧洞内壁安装预制混凝土管片衬砌；锚杆挂网模块，用于向围岩中打入锚杆，同时将成型钢筋网片通过电焊与锚杆及钢筋网相连；3D打印模块，用于将膏状快凝混凝土打印于已经打入所述锚杆并安装所述钢筋网的围岩表面。

本发明实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，在穿越地质条件较差洞段时，管片衬砌模块最先工作，于尾盾内完成管片衬砌的安装；在穿越地质条件较好洞段时，锚杆挂网模块和所述混凝土3D打印模块进行工作，首先由所述锚杆挂网模块对围岩进行锚固并布设钢筋网，随后由所述混凝土3D打印模块对锚杆挂网区进行混凝土打印，从而具有根据围岩情况灵活选用支护方式、最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量等优点。

另外，根据本发明上述实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述管片衬砌模块、所述锚杆挂网模块与所述3D打印模块沿洞轴线依次布置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述管片衬砌模块包括第一位移控制单元、管片夹吸单元，以在管片衬砌支护洞段，夹持所述预制混凝土管片，于所述隧洞内壁吊装一圈混凝土管片衬砌，其中，所述第一位移控制单元控制所述管片衬砌模块整体沿所述洞轴线方向前进或后退，并控制所述管片夹吸单元沿隧洞圆周360°方向旋转及沿径向伸缩；所述管片夹吸单元安装于第一位移控制单元上，夹吸所述混凝土衬砌管片，以随所述第一位移控制单元运动至指定位置安装管片。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述锚杆挂网模块包括第二位移控制单元、锚杆钻装单元、钢筋网布设单元，以向所述围岩中打入锚杆，同时焊接安装所述钢筋网片，与所述锚杆及已安装网片相连，实现洞壁全锚固及覆盖钢筋网，其中，所述第二位移控制单元控制锚杆挂网模块整体所述沿洞轴线方向前进或后退，并控制所述锚杆钻装单元沿隧洞圆周旋转，控制所述钢筋网布设单元沿隧洞圆周旋转、沿径向伸缩；所述锚杆钻装单元在围岩中钻孔并安装所述锚杆；所述钢筋网布设单元夹持加工好的所述弧形钢筋网，置于已经打入所述锚杆的洞壁表面，通过电焊将所述钢筋网与所述锚杆及所述已安装网片相连，形成一圈覆盖洞壁表面的锚杆钢筋网体系。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述锚杆可选用水胀式锚杆、中空注浆锚杆或缝管式锚杆等各种形式的锚杆。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述3D打印模块包括第三位移控制单元、混凝土输送单元、3D打印头，以将膏状混凝土打印于已经打入所述锚杆并覆盖所述钢筋网的围岩表面，其中，所述第三位移控制单元控制所述3D打印模块整体沿所述洞轴线方向前进或后退、沿隧洞圆周旋转，并控制所述3D打印头沿隧洞径向伸缩；所述混凝土输送单元包括混凝土搅拌装置及泵送装置，在3D打印期间供给打印所需的混凝土；所述3D打印头与所述混凝土输送单元相连，将所述膏状混凝土挤出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述3D打印头包括：3D打印喷嘴，所述3D打印喷嘴为矩形横截面，使得流出的所述混凝土成条带状，以按照预定的打印路径，将所述混凝土均匀地打印于所述洞壁表面；弧形挡板，所述弧形挡板位于所述3D打印喷嘴的出口端，圆弧与隧洞圆周同心，以辅助实现打印混凝土的表面平整，同时避免顶拱、边顶拱混凝土在打印过程中由于重力作用不能与围岩及网片紧密粘结。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法，采用上述实施例所述的3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其中，方法包括以下步骤：步骤S1：向前掘进，当遇到破碎地质时，所述管片衬砌模块首先工作，以确保对于破碎不稳定围岩的及时安全支护，由所述位移控制单元控制所述管片夹吸单元夹吸起洞内存放的预制混凝土管片，并将所述管片夹持至尾盾内的指定安装位置，安装完一圈衬砌管片后，再继续向前掘进，此过程中，所述锚杆挂网模块和所述3D打印模块始终不工作；步骤S2：管片衬砌安装完成后，对管片后的空隙进行回填；步骤S3：依次重复步骤S1和S2，直至该洞段全部完成衬砌；步骤S4：向前掘进，当遇到地质条件较好的洞段时，所述管片衬砌模块停止工作，当围岩暴露出尾盾后，所述锚杆挂网模块开始工作，由所述位移控制单元控制所述锚杆挂网模块运动至指定位置，由所述锚杆钻装单元于洞壁顶点起，每隔预设角度钻装一根锚杆；步骤S5：锚杆钻装完毕后，由所述钢筋网布设单元，夹取存于洞内的预制弧形钢筋网片，通过电焊将所述钢筋网片与新所述锚杆及现有已安装网片相连，形成一圈覆盖洞壁表面的锚杆钢筋网体系；步骤S6：待所述锚杆挂网模块完成一圈洞壁的锚杆钢筋网体系布设后，紧接着所述3D打印模块开始工作，此时所述3D打印头位于隧洞底部起始位置，所述混凝土输送单元开始工作，随后所述位移控制单元控制所述3D打印模块沿预定打印轨迹运动，使得所述混凝土均匀打印于锚杆挂网洞壁表面，且混凝土的打印厚度满足预设条件；步骤S7：待所述3D打印模块打印完一圈混凝土之后，则继续向前位移至新一环锚杆挂网区，依次重复步骤S4、S5和S6，直至该类型洞段全部完成支护；步骤S8：根据隧洞围岩条件选择步骤S1、S2或步骤S4、S5和S6的组合，直到完成全部隧洞工程的围岩衬砌支护。

本发明实施例的3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法，在穿越地质条件较差洞段时，管片衬砌模块最先工作，于尾盾内完成管片衬砌的安装；在穿越地质条件较好洞段时，锚杆挂网模块和所述混凝土3D打印模块进行工作，首先由所述锚杆挂网模块对围岩进行锚固并布设钢筋网，随后由所述混凝土3D打印模块对锚杆挂网区进行混凝土打印，从而具有根据围岩情况灵活选用支护方式、最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量等优点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机；

图2为根据本发明实施例的3D打印模块主要构件沿隧洞横截面的示意图；

图3为根据本发明实施例的3D打印头的立体示意图；

图4为根据本发明实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机的实施方法流程图；

图5为根据本发明实施例的另一实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，在TBM工程中管片衬砌过程示意图；

图6为根据本发明实施例的另一实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，在钻爆法开挖隧洞中锚固支护过程示意图。

附图标记说明：

100：基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机；10：管片衬砌模块；11：位移控制单元；12：管片夹吸单元；20：锚杆挂网模块；21：位移控制单元；22：锚杆钻装单元；23：钢筋网布设单元；30：3D打印模块；31：位移控制单元；32：混凝土输送单元；33：3D打印头；331：3D打印喷嘴；332：弧形挡板；1：隧道围岩；2：TBM盾壳；3：预制混凝土管片；4：管片衬砌后的回填材料；5：钢筋网片；6：锚杆；7:3D打印混凝土。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机及其施工方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机。

图1是本发明一个实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机。

如图1所示，该基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机100包括：管片衬砌模块10、锚杆挂网模块20和3D打印模块30。

其中，管片衬砌模块10用于隧洞内壁安装预制混凝土管片衬砌。锚杆挂网模块20用于向围岩中打入锚杆，同时将成型钢筋网片通过电焊与锚杆及钢筋网相连。3D打印模块30用于将膏状快凝混凝土打印于已经打入锚杆并安装钢筋网的围岩表面。本发明实施例的一体机100具有根据围岩情况灵活选用支护方式、最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量等优点。

可以理解的是，本发明实施例的一体机100包括三个沿洞轴线依次布置的模块：管片衬砌模块10、锚杆挂网模块20和3D打印模块30，从而实现了同一台设备依据围岩情况灵活采用不同支护方式，当围岩较为破碎时采用管片衬砌支护，当围岩较为完整时则采用“锚固+3D打印”的支护方式，实现一次性永久衬砌，大大提升复杂地质条件下隧洞掘进的效率，尽可能地降低工程成本，同时保证工程施工质量。

具体而言，如图1所示，管片衬砌模块10包括位移控制单元11和管片夹吸单元12。锚杆挂网模块20包括位移控制单元21、锚杆钻装单元22、钢筋网布设单元23。3D打印模块30包括位移控制单元31、混凝土输送单元32、3D打印头33。

管片衬砌模块10、锚杆挂网模块20、3D打印模块30均可分别通过各自的位移控制单元11、21、31，于隧洞中进行前后移动，但各模块通常存在前后的位置关系：管片衬砌模块10位于掘进方向最前方(确保破碎地质条件下可立即衬砌管片，围岩不会露出于工作空间)，锚杆挂网模块位于管片衬砌模块后方、3D打印模块前方，3D打印模块位于整个一体机的最后方，用于将膏状混凝土打印于已经打入锚杆并安装钢筋网的围岩表面，混凝土层凝固后，一次性与锚杆、钢筋网形成共同承载围岩的永久支护结构。这样安排的目的是为了在地质破碎洞段能做到管片的及时支护，而围岩不会有机会暴露在TBM工作空间中。三个模块都位于隧洞的洞轴线上，若长时间不需要使用某个模块，也可将该模块拆卸，仅留下需要的模块。

根据本发明实施例的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，如图1所示，在TBM穿越地质条件较差洞段时，由管片衬砌模块10最先工作，在尾盾2内完成一环衬砌管片3的安装后，TBM再向前推进；在TBM穿越地质条件较好洞段时，由锚杆挂网模块20和混凝土3D打印模块30进行工作，首先由锚杆挂网模块20对围岩1打入锚杆6并布设钢筋网片5，随后由混凝土3D打印模块30对锚杆挂网区打印混凝土7。这样，实现了根据围岩1情况灵活地进行快速支护，以最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量。

下面将对基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机100的各个模块进行进一步阐述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，管片衬砌模块通常最靠近掘进端，即管片衬砌模块10位于一体机100的最前端，包括第一位移控制单元11、管片夹吸单元12，以在管片衬砌支护洞段，夹持预制混凝土管片，于隧洞内壁吊装一圈混凝土管片衬砌。

其中，第一位移控制单元11控制管片衬砌模块整体沿洞轴线方向前进或后退，并控制管片夹吸单元12沿隧洞圆周360°方向旋转及沿径向伸缩；管片夹吸单元12安装于第一位移控制单元11上，夹吸混凝土衬砌管片3，以随第一位移控制单元11运动至指定位置安装管片。

进一步地，在本发明的一个实施例中，锚杆挂网模块20位于管片衬砌模块10后方，包括第二位移控制单元21、锚杆钻装单元22、钢筋网布设单元23，以向围岩中打入锚杆，同时焊接安装钢筋网片，与锚杆及已安装网片相连，实现洞壁全锚固及覆盖钢筋网。

其中，第二位移控制单元21控制锚杆挂网模块整体沿洞轴线方向前进或后退，并控制锚杆钻装单元22沿隧洞圆周旋转，控制钢筋网布设单元23沿隧洞圆周旋转、沿径向伸缩；锚杆钻装单元22连接于位移控制单元21上，在围岩1中钻孔并安装锚杆6；钢筋网布设单元23连接于位移控制单元21上，用于锚固区围岩1表面焊接安装钢筋网，具体地：夹持加工好的弧形钢筋网5，置于已经打入锚杆6的洞壁表面，通过电焊将钢筋网5与锚杆6及已安装网片相连，形成一圈覆盖洞壁表面的锚杆钢筋网体系。

可选地，在本发明的一个实施例中，锚杆包含所有可用的锚杆种类，例如水胀式锚杆、中空注浆锚杆、缝管式锚杆。

进一步地，在本发明的一个实施例中，3D打印模块30通常最远离掘进端，位于锚杆挂网模块20后方，包括第三位移控制单元31、混凝土输送单元32、3D打印头33，以将膏状混凝土打印于已经打入锚杆并覆盖钢筋网的围岩表面。

其中，第三位移控制单元31控制3D打印模块30整体沿洞轴线方向前进或后退、沿隧洞圆周旋转，并控制3D打印头33沿隧洞径向伸缩；混凝土输送单元32包括混凝土搅拌装置及泵送装置，在3D打印期间源源不断供给打印所需的混凝土7；3D打印头33与混凝土输送单元32相连，将膏状混凝土挤出。

可选地，混凝土输送单元可包括：混凝土搅拌装置，使混凝土均匀混合，同时维持合适的工作度；泵送装置，将混凝土输送到3D打印头用于打印。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，3D打印头33包括：3D打印喷嘴331和弧形挡板332。

其中，3D打印喷嘴331为矩形横截面，使得流出的混凝土7成条带状，以按照预定的打印路径，将混凝土7均匀地打印于洞壁表面；弧形挡板332位于3D打印喷嘴331的出口端，圆弧与隧洞圆周同心，以辅助实现打印混凝土7的表面平整，同时避免顶拱、边顶拱混凝土在打印过程中由于重力作用不能与围岩及网片紧密粘结。

需要说明的是，本发明实施例的目的在于提出一种基于3D打印技术的TBM衬砌支护一体机100，充分利用管片衬砌模块10、锚杆挂网模块20、3D打印模块30，实现了根据围岩情况灵活选用支护方式，对围岩进行一次性永久衬砌，以最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量。

根据本发明实施例提出的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，在穿越地质条件较差洞段时，管片衬砌模块最先工作，于尾盾内完成管片衬砌的安装；在穿越地质条件较好洞段时，锚杆挂网模块和混凝土3D打印模块进行工作，首先由锚杆挂网模块对围岩进行锚固并布设钢筋网，随后由混凝土3D打印模块对锚杆挂网区进行混凝土打印，从而具有根据围岩情况灵活选用支护方式、最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量等优点。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法。

图4是本发明一个实施例的3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法的流程图。

如图4所示，该3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法，采用上述实施例的3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其中，方法包括以下步骤：

步骤S1：向前掘进，当遇到破碎地质时，管片衬砌模块首先工作，以确保对于破碎不稳定围岩的及时安全支护，由位移控制单元控制管片夹吸单元夹吸起洞内存放的预制混凝土管片，并将管片夹持至尾盾内的指定安装位置，安装完一圈衬砌管片后，再继续向前掘进，此过程中，锚杆挂网模块和3D打印模块始终不工作。

步骤S2：管片衬砌安装完成后，对管片后的空隙进行回填。

步骤S3：依次重复步骤S1和S2，直至该洞段全部完成衬砌。

步骤S4：向前掘进，当遇到地质条件较好的洞段时，管片衬砌模块停止工作，当围岩暴露出尾盾后，锚杆挂网模块开始工作，由位移控制单元控制锚杆挂网模块运动至指定位置，由锚杆钻装单元于洞壁顶点起，每隔预设角度钻装一根锚杆。

其中，预设角度可以根据实际情况进行设置，比如，本发明实施例每隔一定角度(视围岩情况而定)钻装一根锚杆。

步骤S5：锚杆钻装完毕后，由钢筋网布设单元，夹取存于洞内的预制弧形钢筋网片，通过电焊将钢筋网片与新锚杆及现有已安装网片相连，形成一圈覆盖洞壁表面的锚杆钢筋网体系。

步骤S6：待锚杆挂网模块完成一圈洞壁的锚杆钢筋网体系布设后，紧接着3D打印模块开始工作，此时3D打印头位于隧洞底部起始位置，混凝土输送单元开始工作，随后位移控制单元控制3D打印模块沿预定打印轨迹运动，使得混凝土均匀打印于锚杆挂网洞壁表面，且混凝土的打印厚度满足预设条件。

其中，预定打印轨迹运动通常是沿洞壁旋转一圈；混凝土的打印厚度视围岩情况而定，且满足相关规范的要求。

步骤S7：待3D打印模块打印完一圈混凝土之后，则继续向前位移至新一环锚杆挂网区，依次重复步骤S4、S5和S6，直至该类型洞段全部完成支护。

步骤S8：根据隧洞围岩条件选择步骤S1、S2或步骤S4、S5和S6的组合，直到完成全部隧洞工程的围岩衬砌支护。

可以理解的是，本发明实施例可以根据隧洞围岩条件，灵活选择步骤S1-S2和步骤S4-S6的组合，直到完成全部隧洞工程的围岩衬砌、支护。

下面将通过具体实施例对于3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法进行进一步阐述。

如图5所示，在一些实施例中，管片衬砌方式占主导，具体的衬砌支护方法主要包括如下步骤：

步骤1、TBM向前掘进，当遇到破碎地质时，管片衬砌模块10首先工作，以确保对于破碎不稳定围岩的及时安全支护，由位移控制单元11控制管片夹吸单元12夹吸起洞内存放的预制混凝土管片3，并将管片夹持至尾盾2内的指定位置，安装完一圈衬砌管片3，此过程中，锚杆挂网模块20和3D打印模块30始终不工作；

步骤2、管片3衬砌安装完成后，对管片3后的空隙回填填充材料4；

步骤3、依次重复步骤1和步骤2，直至该洞段全部完成衬砌。

如图3所示，在一些实施例如钻爆法开挖的隧洞中，锚固支护方式占主导，具体的支护方法主要包括如下步骤：

步骤1、向前开挖隧洞，此时隧洞所处地质条件较好，管片衬砌模块10无需再工作，可以暂时从一体机100上将其拆卸，锚杆挂网模块20首先开始工作，由位移控制单元21控制锚杆挂网模块20运动至指定位置，由锚杆钻装单元22于洞壁顶点起，每隔一定角度(视围岩情况定)钻装一根锚杆6；

步骤2、锚杆6钻装完毕后，由钢筋网布设单元23，夹取存于洞内的预制弧形钢筋网片5，通过电焊将钢筋网片5与锚杆6及现有已安装网片5相连，形成一圈覆盖洞壁表面的锚杆钢筋网体系；

步骤3、待锚杆挂网模块20完成一圈洞壁的锚杆钢筋网体系布设后，紧接着3D打印模块30开始工作，此时3D打印头33位于隧洞底部起始位置，混凝土输送单元32开始工作，位移控制单元31控制3D打印头33沿指定打印轨迹(通常是沿洞壁绕一周)运动，使得混凝土7均匀打印于锚杆挂网洞壁表面，打印混凝土厚度视围岩情况而定，满足相关规范的要求；

步骤4、待3D打印模块30填抹完一圈混凝土7之后，则继续向前位移至新一环锚杆挂网区，依次重复步骤1至步骤4，直至该类型洞段全部完成衬砌。

需要说明的是，前述对3D打印的隧洞衬砌支护一体机实施例的解释说明也适用于该实施例的3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法，在穿越地质条件较差洞段时，管片衬砌模块最先工作，于尾盾内完成管片衬砌的安装；在穿越地质条件较好洞段时，锚杆挂网模块和混凝土3D打印模块进行工作，首先由锚杆挂网模块对围岩进行锚固并布设钢筋网，随后由混凝土3D打印模块对锚杆挂网区进行混凝土打印，从而具有根据围岩情况灵活选用支护方式、最大化节约工程建设成本、提高工程施工效率、保证工程施工质量等优点

以上只是本发明中一种较佳的实施例，不应作为对本发明的限制，凡是依据本发明的技术实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

根据本发明实施例的基于3D打印技术的TBM衬砌支护一体机100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其特征在于，包括：

管片衬砌模块，用于隧洞内壁安装预制混凝土管片衬砌；

锚杆挂网模块，用于向围岩中打入锚杆，同时将成型钢筋网片通过电焊与锚杆及钢筋网相连；以及

3D打印模块，用于将膏状快凝混凝土打印于已经打入所述锚杆并安装所述钢筋网的围岩表面。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其特征在于，所述管片衬砌模块、所述锚杆挂网模块与所述3D打印模块沿洞轴线依次布置。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其特征在于，所述管片衬砌模块包括第一位移控制单元、管片夹吸单元，以在管片衬砌支护洞段，夹持所述预制混凝土管片，于所述隧洞内壁吊装一圈混凝土管片衬砌，其中，

所述第一位移控制单元控制所述管片衬砌模块整体沿所述洞轴线方向前进或后退，并控制所述管片夹吸单元沿隧洞圆周360°方向旋转及沿径向伸缩；

所述管片夹吸单元安装于第一位移控制单元上，夹吸所述混凝土衬砌管片，以随所述第一位移控制单元运动至指定位置安装管片。

4.根据权利要求2所述的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其特征在于，所述锚杆挂网模块包括第二位移控制单元、锚杆钻装单元、钢筋网布设单元，以向所述围岩中打入锚杆，同时焊接安装所述钢筋网片，与所述锚杆及已安装网片相连，实现洞壁全锚固及覆盖钢筋网，其中，

所述第二位移控制单元控制锚杆挂网模块整体所述沿洞轴线方向前进或后退，并控制所述锚杆钻装单元沿隧洞圆周旋转，控制所述钢筋网布设单元沿隧洞圆周旋转、沿径向伸缩；

所述锚杆钻装单元在围岩中钻孔并安装所述锚杆；

所述钢筋网布设单元夹持加工好的所述弧形钢筋网，置于已经打入所述锚杆的洞壁表面，通过电焊将所述钢筋网与所述锚杆及所述已安装网片相连，形成一圈覆盖洞壁表面的锚杆钢筋网体系。

5.根据权利要求2所述的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其特征在于，所述3D打印模块包括第三位移控制单元、混凝土输送单元、3D打印头，以将膏状混凝土打印于已经打入所述锚杆并覆盖所述钢筋网的围岩表面，其中，

所述第三位移控制单元控制所述3D打印模块整体沿所述洞轴线方向前进或后退、沿隧洞圆周旋转，并控制所述3D打印头沿隧洞径向伸缩；

所述混凝土输送单元包括混凝土搅拌装置及泵送装置，在3D打印期间供给打印所需的混凝土；

所述3D打印头与所述混凝土输送单元相连，将所述膏状混凝土挤出。

6.根据权利要求5所述的基于3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其特征在于，所述3D打印头包括：

3D打印喷嘴，所述3D打印喷嘴为矩形横截面，使得流出的所述混凝土成条带状，以按照预定的打印路径，将所述混凝土均匀地打印于所述洞壁表面；

弧形挡板，所述弧形挡板位于所述3D打印喷嘴的出口端，圆弧与隧洞圆周同心，以辅助实现打印混凝土的表面平整，同时避免顶拱、边顶拱混凝土在打印过程中由于重力作用不能与围岩及网片紧密粘结。

7.一种3D打印的隧洞衬砌支护一体机的施工方法，其中，采用如权利要求1-6任一项所述的3D打印的隧洞衬砌支护一体机，其中，方法包括以下步骤：

步骤S1：向前掘进，当遇到破碎地质时，所述管片衬砌模块首先工作，以确保对于破碎不稳定围岩的及时安全支护，由所述位移控制单元控制所述管片夹吸单元夹吸起洞内存放的预制混凝土管片，并将所述管片夹持至尾盾内的指定安装位置，安装完一圈衬砌管片后，再继续向前掘进，此过程中，所述锚杆挂网模块和所述3D打印模块始终不工作；

步骤S2：管片衬砌安装完成后，对管片后的空隙进行回填；

步骤S3：依次重复步骤S1和S2，直至该洞段全部完成衬砌；

步骤S4：向前掘进，当遇到地质条件较好的洞段时，所述管片衬砌模块停止工作，当围岩暴露出尾盾后，所述锚杆挂网模块开始工作，由所述位移控制单元控制所述锚杆挂网模块运动至指定位置，由所述锚杆钻装单元于洞壁顶点起，每隔预设角度钻装一根锚杆；

步骤S5：锚杆钻装完毕后，由所述钢筋网布设单元，夹取存于洞内的预制弧形钢筋网片，通过电焊将所述钢筋网片与新所述锚杆及现有已安装网片相连，形成一圈覆盖洞壁表面的锚杆钢筋网体系；

步骤S6：待所述锚杆挂网模块完成一圈洞壁的锚杆钢筋网体系布设后，紧接着所述3D打印模块开始工作，此时所述3D打印头位于隧洞底部起始位置，所述混凝土输送单元开始工作，随后所述位移控制单元控制所述3D打印模块沿预定打印轨迹运动，使得所述混凝土均匀打印于锚杆挂网洞壁表面，且混凝土的打印厚度满足预设条件；

步骤S7：待所述3D打印模块打印完一圈混凝土之后，则继续向前位移至新一环锚杆挂网区，依次重复步骤S4、S5和S6，直至该类型洞段全部完成支护；

步骤S8：根据隧洞围岩条件选择步骤S1、S2或步骤S4、S5和S6的组合，直到完成全部隧洞工程的围岩衬砌支护。

Images