【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道施工，具体涉及一种隧道3d打印机器人及其施工方法。
技术介绍
1、随着经济的快速发展以及基础设施建设和资源开发的逐渐深入，隧道建设过程中的安全和结构质量问题也日益凸显。锚喷支护是保障隧道强度的重要方式，而喷浆支护是锚喷支护的关键环节，能够有效的减少隧道倒塌的发生。在初期支护中，喷混凝土是最基本的支护方法，是不可缺少的。
2、目前，隧道支护主要包括初期支护和二次衬砌。隧道初期支护的混凝土作业主要有干喷法和湿喷法两种作业模式。干喷法是将水泥、砂、石在干燥状态下拌合均匀，用压缩空气送至喷嘴并与压力水混合后进行喷灌的方法。该种作业模式混凝土质量波动大，回弹率高，施工效率低，施工环境比较恶劣，且比较适合小方量工程。湿喷法是将拌好的混凝土通过压浆泵送至喷嘴，再用压缩空气进行喷灌的方法。湿喷混凝土质量稳定，施工效率高，比较适合大方量工程，也是目前较为主要的混凝土初期支护作业模式。但每个施工项目的湿喷混凝土配比不同，喷射质量也不同，最终支护效果除与操作人员水平关系密切外，由于湿喷工法和干喷工法都采用高压空气将物料吹出的方式，物料的回弹量和高压喷料造成的粉尘污染都非常大，严重影响了隧道内施工环境和人员的健康。
3、隧道二次衬砌（以下简称二衬）是隧道工程的永久支护结构，不但承受荷载而且也是隧道外观工程，衬砌结构混凝土应满足密实、表面平整光滑、曲线圆顺，满足设计强度、防水、耐久性的要求。
4、目前，二次衬砌混凝土的浇筑一般采用的模注混凝土施工，先通过人工支模，再将混凝土通过管道引至台车模板的浇筑窗
5、因此，鉴于隧道支护工序的不可取消性与当前施工工艺导致的质量参差不齐、物料浪费大、作业环境差等现象，亟待实施一种新的技术方案，以解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是，提供一种隧道3d打印机器人及其施工方法，以克服现有技术的不足。
2、本专利技术采用的技术方案是，一种隧道支护3d打印机器人，包括台车本体，台车本体上安装有分别与控制系统连接的伸缩摆臂机构、喷射机构和断面扫描仪；所述伸缩摆臂机构包括液压驱动臂、液压传动杆和液压伸缩臂，液压驱动臂底座固定在台车本体上部，液压驱动臂输出端连接液压传动杆，液压传动杆与台车本体转动连接，且液压传动杆固定连接液压伸缩臂，液压伸缩臂伸缩端固定连接喷射机构；所述喷射机构包括连杆、喷头和电机，所述连杆与液压伸缩臂伸缩端可拆卸固定连接，连杆上安装有断面扫描仪和角度传感器，喷头进料口连接输料管，输料管沿伸缩摆臂机构和台车本体布置，输料管进料口与输料机构送料口可拆卸固定连接，喷头的底座与电机连接并一起安装在连杆上，电机、断面扫描仪和角度传感器分别连接控制系统。
3、优选地，所述液压传动杆两端分别与台车本体前后两端顶部的支架转动连接，液压驱动臂输出端连接液压传动杆中部，液压传动杆两端分别连接液压伸缩臂，液压驱动臂受控制系统的信号控制，带动液压传动杆和液压伸缩臂转动，液压伸缩臂受控制系统的信号控制，使得喷射机构与隧道拱面保持合适的距离。
4、优选地，所述连杆两端分别与液压伸缩臂的伸缩端连接，若干个喷头和电机均匀间隔安装在连杆上，每个电机受控制系统单独控制或集群控制。
5、优选地，它还包括振捣刮平机构，所述捣震刮平机构包括安装架、刮板和捣震锤，所述安装架两端分别通过转轴与液压伸缩臂转动连接，转轴与旋转电机连接，旋转电机连接控制系统，所述刮板平行安装在安装架外侧，刮板顶端通过螺钉可拆卸固定安装有刮片，刮片呈与隧道拱面贴合的弧面，若干个捣震锤通过u形固定架套设在安装架内侧，采用螺钉紧固。
6、优选地，所述输料管通过连接头与输料机构送料口可拆卸固定连接，输料管还通过连接头可拆卸固定连接高压水管出口和高压气管出口，连接头上设有控制阀，控制阀与控制系统连接。
7、优选地，所述喷头上还设有喷气头，喷气头沿喷头外壁环形安装，喷气头出气口处设置螺旋叶片，喷气头进气口通过软管连接高压气管，软管沿输料管布置，软管与高压气管可拆卸固定连接，且二者的连接处设有气压阀，气压阀连接控制系统。
8、优选地，所述台车本体包括台车门架，台车门架底端设有液压支撑脚，液压支撑脚一侧设有液压滑移脚，液压滑移脚下方铺设轨道，液压支撑脚和液压滑移脚分别连接控制系统。
9、一种隧道支护3d打印机器人的施工方法，包括以下步骤：
10、s1、3d打印机器人从上一个施工面开始往下一个施工面运动，断面扫描仪扫描隧道断面，获取隧道轮廓数据；
11、s2、控制系统根据隧道轮廓数据生成打印轨迹；
12、s3、控制系统根据打印轨迹和打印厚度控制伸缩摆臂机构带动喷射机构沿隧道拱面按照预定速度、离拱面的距离旋转运动，同时控制每个喷头按照预设的角度、流量、流速将混凝土喷射到拱面，形成整个施工面纵向断面混凝土定点、定量的一次性搜索全覆盖喷浆支护；重复以上步骤完成初期支护打印；
13、s4、当前施工面内外钢筋网铺设完成后，3d打印机器人准备就位，断面扫描仪扫描隧道断面，获取隧道轮廓数据；
14、s5、控制系统根据隧道轮廓数据生成打印轨迹；
15、s6、控制系统根据打印轨迹和打印厚度控制伸缩摆臂机构带动喷射机构沿隧道拱面按照预定速度、离拱面的距离旋转运动，同时每个喷头按照预设的角度、流量、流速将混凝土喷射到拱面，形成整个施工面纵向断面混凝土定点、定量一次性全覆盖喷浆打印；由于二衬厚度较高，采取逐层打印、逐层粘结的方式实现隧道拱面的二次衬砌打印；
16、s7、重复步骤s4-s6，二次衬砌打印完成后拆除喷射机构，安装刮平振捣机构，控制系统控制刮平振捣机构对混凝土二衬砌面进行振捣压实、抹平；
17、s8、隧道初期支护喷浆或二次衬砌打印完成后，拆除输料机构与输料管的连接，通过连接头分别连接高压水管与高压气管，利用高压水与高压气实现对输料管和喷头的清洗。
18、一种用于隧道支护3d打印机器人的打印材料。
19、所述打印材料由混凝土材料添加玄武岩纤维材料调和而成，说明对打印材料的要求。
20、相较现有技术，本专利技术的有益效果是：
21、1）本专利技术利用3d打印机器人采用相应的打印材料，对隧道初期支护和二次衬砌进行3d打印，解决了目前湿喷和干喷支护模式以及人力施工引起的质量问题，尤其是规避的湿喷带来的脱空风险，保证隧道支护结构的整体性及围岩与初本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道支护3D打印机器人，其特征在于，包括台车本体（1），台车本体（1）上安装有分别与控制系统连接的伸缩摆臂机构（2）、喷射机构（4）和断面扫描仪（3）；所述伸缩摆臂机构（2）包括液压驱动臂（201）、液压传动杆（202）和液压伸缩臂（203），液压驱动臂（201）底座固定在台车本体（1）上部，液压驱动臂（201）输出端连接液压传动杆（202），液压传动杆（202）与台车本体（1）转动连接，且液压传动杆（202）固定连接液压伸缩臂（201），液压伸缩臂（201）伸缩端固定连接喷射机构（4）；所述喷射机构（4）包括连杆（401）、喷头（402）和电机（403），所述连杆（401）与液压伸缩臂（201）伸缩端可拆卸固定连接，连杆（401）上安装有断面扫描仪（3）和角度传感器，喷头（402）进料口连接输料管（6），输料管（6）沿伸缩摆臂机构（2）和台车本体（1）布置，输料管进料口与输料机构送料口可拆卸固定连接，喷头（402）的底座与电机（403）连接并一起安装在连杆（401）上，电机（403）、断面扫描仪（3）和角度传感器分别连接控制系统。
2.根据权利要求1所述的一
3.根据权利要求2所述的一种隧道支护3D打印机器人，其特征在于，所述连杆（401）两端分别与液压伸缩臂（203）的伸缩端连接，若干个喷头（402）和电机（403）均匀间隔安装在连杆（401）上，每个电机（403）受控制系统单独控制或集群控制。
4.根据权利要求1所述的一种隧道支护3D打印机器人，其特征在于，它还包括振捣刮平机构（5），所述捣震刮平机构（5）包括安装架（501）、刮板（502）和捣震锤（503），所述安装架（501）两端分别通过转轴与液压伸缩臂（203）转动连接，转轴与旋转电机连接，旋转电机连接控制系统，所述刮板（502）平行安装在安装架（501）外侧，刮板（502）顶端通过螺钉可拆卸固定安装有刮片（5021），刮片（5021）呈与隧道拱面贴合的弧面，若干个捣震锤（503）通过U形固定架套设在安装架（501）内侧，采用螺钉紧固。
5.根据权利要求1所述的一种隧道支护3D打印机器人，其特征在于，所述输料管（6）通过连接头与输料机构送料口可拆卸固定连接，输料管（6）还通过连接头可拆卸固定连接高压水管出口和高压气管出口，连接头上设有控制阀，控制阀与控制系统连接。
6.根据权利要求5所述的一种隧道支护3D打印机器人，其特征在于，所述喷头（402）上还设有喷气头（7），喷气头（7）沿喷头（402）外壁环形安装，喷气头（7）出气口处设置螺旋叶片，喷气头（7）进气口通过软管连接高压气管，软管沿输料管布置，软管与高压气管可拆卸固定连接，且二者的连接处设有气压阀，气压阀连接控制系统。
7.根据权利要求1所述的一种隧道支护3D打印机器人，其特征在于，所述台车本体（1）包括台车门架（101），台车门架（101）底端设有液压支撑脚（102），液压支撑脚（102）一侧设有液压滑移脚（103），液压滑移脚（103）下方铺设轨道，液压支撑脚（102）和液压滑移脚（103）分别连接控制系统。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种隧道支护3D打印机器人的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.一种用于如权利要求1-7任一所述的隧道支护3D打印机器人的打印材料。
10.根据权利要求9所述的打印材料，其特征在于，由混凝土材料添加玄武岩纤维材料调和而成。
...【技术特征摘要】
1.一种隧道支护3d打印机器人，其特征在于，包括台车本体（1），台车本体（1）上安装有分别与控制系统连接的伸缩摆臂机构（2）、喷射机构（4）和断面扫描仪（3）；所述伸缩摆臂机构（2）包括液压驱动臂（201）、液压传动杆（202）和液压伸缩臂（203），液压驱动臂（201）底座固定在台车本体（1）上部，液压驱动臂（201）输出端连接液压传动杆（202），液压传动杆（202）与台车本体（1）转动连接，且液压传动杆（202）固定连接液压伸缩臂（201），液压伸缩臂（201）伸缩端固定连接喷射机构（4）；所述喷射机构（4）包括连杆（401）、喷头（402）和电机（403），所述连杆（401）与液压伸缩臂（201）伸缩端可拆卸固定连接，连杆（401）上安装有断面扫描仪（3）和角度传感器，喷头（402）进料口连接输料管（6），输料管（6）沿伸缩摆臂机构（2）和台车本体（1）布置，输料管进料口与输料机构送料口可拆卸固定连接，喷头（402）的底座与电机（403）连接并一起安装在连杆（401）上，电机（403）、断面扫描仪（3）和角度传感器分别连接控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种隧道支护3d打印机器人，其特征在于，所述液压传动杆（202）两端分别与台车本体（101）前后两端顶部的支架转动连接，液压驱动臂（201）输出端连接液压传动杆（202）中部，液压传动杆（202）两端分别连接液压伸缩臂（203），液压驱动臂（201）受控制系统的信号控制，带动液压传动杆（202）和液压伸缩臂（203）转动，液压伸缩臂（203）受控制系统的信号控制，使得喷射机构（4）与隧道拱面保持合适的距离。
3.根据权利要求2所述的一种隧道支护3d打印机器人，其特征在于，所述连杆（401）两端分别与液压伸缩臂（203）的伸缩端连接，若干个喷头（402）和电机（403）均匀间隔安装在连杆（401）上，每个电机（403）受控制系统单独控制或集群控制。
4.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏艺，彭爱泉，
申请(专利权)人：贵州交通职业技术学院，
类型：发明
国别省市：
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