一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法，所述方法包括以下步骤：S1：通过激光测距仪阵列测量打印基面与激光测距仪阵列的距离，基于激光测距仪阵列建立坐标系，得到打印基面形貌的几何表达；S2：得到的打印基面形貌的几何表达与隧道衬砌的预设对比，得到打印所需混凝土的量，混凝土制备模块完成制备后，将混凝土输送至混凝土打印模块；S3：构建打印基面、机械手臂和激光测距仪阵列统一的空间坐标系统，得到机械手臂的规划移动路径，机械手臂按照规划移动路径移动，同时打印模块进行隧道衬砌结构的打印施工；S4：重复步骤S1

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法


[0001]本专利技术涉及土木工程
，尤其是涉及一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法。

技术介绍

[0002]到目前为止建筑业依然是以劳动密集型为主的传统行业，当数字化、信息化已经成为必然，且已经深切地改变其他行业时，建筑业却依然保持着传统的粗犷性建造模式。
[0003]“新奥法”是世界范围内隧道施工的重要方法之一，上世纪50年代诞生于奥地利。自上世纪六十年代被介绍到我国之后，在我国的隧道施工中得到广泛的应用和快速的发展。但是，目前以“新奥法”为主的隧道施工仍然是劳动密集型、粗放型的模式。诸如开挖掘进、衬砌施工和二次衬砌施工这些重要环节，尽管机械化程度已经在不断加强，“新奥法”在新技术的使用程度、环境影响程度、智能化程度和全过程施工效率方面都普遍偏低，甚至可以说远远落后于当今社会工程技术发展现状。特别是在“新奥法”的衬砌喷射混凝土环节，虽然施工设备和工艺流程都经过极大的发展和改进，但是其回弹率仍高达20％，造成极大的材料浪费，与当前社会发展方向、环境保护的需求和降低碳排放的宏伟目标极不相称。
[0004]总的来说，从社会发展和行业技术的角度来看，需要开发新型的装备、研究新的施工工艺来推动隧道施工技术的进步，满足未来隧道施工的需求。而且，目前的已有的3D打印施工装置技术尚不成熟度上，缺乏施工过程和工艺需求的契合。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在隧道衬砌结构施工工艺落后，环境影响程度高和智能化程度低的缺陷而提供一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法，所述方法包括以下步骤：
[0008]S1：通过激光测距仪阵列测量打印基面与激光测距仪阵列的距离，基于激光测距仪阵列建立坐标系，得到打印基面形貌的几何表达；
[0009]S2：得到的打印基面形貌的几何表达与隧道衬砌的预设对比，得到打印所需混凝土的量，混凝土制备模块完成制备后，将混凝土输送至混凝土打印模块；
[0010]S3：构建打印基面、机械手臂和激光测距仪阵列统一的空间坐标系统，得到机械手臂的规划移动路径，机械手臂按照规划移动路径移动，同时打印模块进行隧道衬砌结构的打印施工；
[0011]S4：重复步骤S1
‑
S3，完成隧道衬砌结构的打印施工。
[0012]进一步地，所述激光测距仪阵列连接有数据采集器，所述数据采集器连接控制模块，步骤S1的具体过程包括：
[0013]激光测距仪阵列中的各个激光测距仪测量与打印基面的对应距离，通过数据采集器将对应的数据值传输至控制模块，控制模块将打印基面对应的测量点转换为基于激光测
距仪阵列坐标系内的几何表达，控制模块进行进一步地数据处理，得到打印基面基于激光测距仪阵列坐标系对应的形貌方程。
[0014]进一步地，所述激光测距仪阵列包括激光测距仪、蜂窝固定框架和采集控制板，所述蜂窝固定框架的内部呈蜂窝状，所述激光测距仪的数量为多个，所述激光测距仪固定在蜂窝固定框架的内部，所述激光测距仪连接采集控制板，所述采集控制板固定在蜂窝固定框架底部，所述采集控制板连接数据采集器，所述数据采集器连接控制模块。
[0015]进一步地，所述蜂窝成矩形阵列排布在蜂窝固定框架内，所述蜂窝固定框架包括奇数行和奇数列的蜂窝，所述蜂窝的断面形状与激光测距仪的形状相配合；所述蜂窝的轴线呈放射状分布，位于相同行或相同列的蜂窝的轴线位于同一平面上，位于中间行与中间列的蜂窝的轴线所在的平面相互垂直。
[0016]进一步地，所述打印模块包括螺旋挤压泵，所述螺旋挤压泵连接控制模块，所述混凝土制备模块将混凝土输送至螺旋挤压泵。
[0017]进一步地，所述机械手臂的前端设有设备支架，所述激光测距仪阵列固定在设备支架上，以确定激光测距仪阵列与机械手臂的相对位置关系，将打印基面在激光测距仪阵列坐标系下的形貌几何表达转换为基于机械手臂坐标系下的形貌几何表达。
[0018]进一步地，步骤S3中，在机械手臂按规划路径进行隧道衬砌结构打印时，所述激光测距仪阵列会持续获取打印施工区域内待打印基面及已经打印施工完成结构表面形貌信息，并在控制功能模块中完成打印基面坐标信息和机械手臂打印路径的迭代和更新。
[0019]进一步地，所述混凝土制备模块包括混凝土制备机构、驱动控制器和数据采集器，所述数据采集器固定在混凝土制备结构上，用于检测混凝土制备过程中混凝土的状态参数和性能参数，所述混凝土制备机构连接驱动控制器，所述驱动控制器和第一数据采集器均连接控制中心。
[0020]进一步地，所述混凝土制备机构包括进料口、液料仓、搅拌机、柱塞泵和用于固定支撑的箱体外壳；
[0021]所述搅拌机包括电机和搅拌箱，所述电机通过转轴连接搅拌箱，所述进料口和液料仓均连接搅拌箱，所述柱塞泵包括液压箱和柱塞腔，所述液压箱连接柱塞腔，所述搅拌箱通过管道连接柱塞腔，所述搅拌箱与柱塞腔之间设有第一自动闸门，所述第一自动闸门连接控制中心，所述柱塞腔的出口连接有出料管道；
[0022]所述搅拌箱内固定有第一温度传感器和黏度传感器，所述第一温度传感器和黏度传感器均连接控制模块，所述柱塞腔与出料管道连接处设有第二温度传感器和压力传感器，所述第二温度传感器和压力传感器连接控制模块。
[0023]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。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0025](1)本方案所述方法在考虑隧道施工环境的基础上，全面整合传统隧道衬砌结构施工过程工艺流程需求和3D打印施工特有功能模块和施工工艺要求，以3D打印实施必要的功能模块为依托，以各模块控制逻辑为核心，构建实现隧道衬砌结构3D打印施工的方法。该方法通过对目标打印基面形貌量测的方式建立以三维坐标表达的隧道打印基面的形貌信息，将三维坐标和设计要求的衬砌结构厚度进行自动对比分析，根据分析结果由控制中心
的控制系统给出在不同部位所需的泵送和打印的混凝土的数量，进行精细化和精准化的3D打印施工。该方法提供的隧道衬砌结构3D打印施工工艺流程，有利于以机械化和智能化的方式克服了传统施工中混凝土材料损失和人工施工作业环境差的问题，能够大幅的提高施工效率，推动隧道施工技术的进步。
[0026](2)本方案中的激光测距仪阵列用于量测打印施工区域的隧道内打印基面形貌特征，将打印基面和机械手臂共同构建临时空间坐标系，计算打印混凝土的位置和数量，以及规划多自由度机械手臂的运动轨迹。在打印基面形貌量测过程中，首先以不同角度的多个点位深度信息通过几何建模的方式构建成特定区域内以三维坐标表达的打印基面形貌信息，将打印基面物理信息数值化。再将三维坐标和设计要求的衬砌结构厚度进行自动对比分析，根据分析结果由控制中心的控制系统给出在不同部位所需的泵送和打印的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：通过激光测距仪阵列测量打印基面与激光测距仪阵列的距离，基于激光测距仪阵列建立坐标系，得到打印基面形貌的几何表达；S2：得到的打印基面形貌的几何表达与隧道衬砌的预设对比，得到打印所需混凝土的量，混凝土制备模块完成制备后，将混凝土输送至混凝土打印模块；S3：构建打印基面、机械手臂和激光测距仪阵列统一的空间坐标系统，得到机械手臂的规划移动路径，机械手臂按照规划移动路径移动，同时打印模块进行隧道衬砌结构的打印施工；S4：重复步骤S1
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S3，完成隧道衬砌结构的打印施工。2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法，其特征在于，所述激光测距仪阵列连接有数据采集器，所述数据采集器连接控制模块，步骤S1的具体过程包括：激光测距仪阵列中的各个激光测距仪测量与打印基面的对应距离，通过数据采集器将对应的数据值传输至控制模块，控制模块将打印基面对应的测量点转换为基于激光测距仪阵列坐标系内的几何表达，控制模块进行进一步地数据处理，得到打印基面基于激光测距仪阵列坐标系对应的形貌方程。3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法，其特征在于，所述激光测距仪阵列包括激光测距仪、蜂窝固定框架和采集控制板，所述蜂窝固定框架的内部呈蜂窝状，所述激光测距仪的数量为多个，所述激光测距仪固定在蜂窝固定框架的内部，所述激光测距仪连接采集控制板，所述采集控制板固定在蜂窝固定框架底部，所述采集控制板连接数据采集器，所述数据采集器连接控制模块。4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法，其特征在于，所述蜂窝成矩形阵列排布在蜂窝固定框架内，所述蜂窝固定框架包括奇数行和奇数列的蜂窝，所述蜂窝的断面形状与激光测距仪的形状相配合；所述蜂窝的轴线呈放射状分布，位于相同行或相同列的蜂窝的轴线位于同一平面上，位于中间行与中间列的蜂窝的轴线所在的平面相互垂直。5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的隧道衬砌结构施工的方法，其特征在于，所述打印模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁勇，姚旭朋，张姣龙，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：