一种壁面超挖隧道智能喷浆支护方法与流程

本发明涉及基于一种壁面超挖隧道智能喷浆支护方法，属于隧道施工技术领域。

背景技术：

目前，隧道喷浆支护作业大部分由人工操控喷浆机械臂，作业环境极其恶劣，工作条件差、工序耗时长，严重危害工人身体健康，且完成质量差，无法满足隧道支护高效率、高平整度的要求。

壁面超挖隧道由于存在不同深度的超挖坑洞，工人肉眼难以精确预估，给喷浆支护造成了很大的困难，使平整度要求更加难以满足。

专利201910567117.0提供了一种智能喷浆系统的喷浆支护方法，该方法由三维扫描、自动首次喷浆、扫描检测、判断扫描结果及自动精喷修正五个步骤组成。但其并未考虑爆破后壁面超挖的情况对喷浆支护的影响，造成作业后表面平整度低、工序耗时长，严重影响隧道支护的质量和效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种壁面超挖隧道智能喷浆支护方法，以解决现有的隧道喷浆支护技术存在的表面平整度低、工序耗时长的技术问题。

一种壁面超挖隧道智能喷浆支护方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、使用全站仪对湿喷台车进行定位，获取湿喷台车与隧道的空间关系，完成湿喷台车的智能定位工作；

步骤二、对隧道环面轮廓进行原始扫描获得扫描轮廓，使扫描轮廓与设计轮廓对比识别出由于超挖产生的坑，对喷湿机械手进行运动规划，进行原始层补坑作业；

步骤三、在岩面上安装多排并列设置的弧形钢拱架；

步骤四、对安装了钢拱架的壁面进行轮廓扫描，并将扫描得到的隧道轮廓点云数据上传至测控中心，划分喷射块并确定喷射点，提取喷射点的坐标信息和喷射块的体积信息；

步骤五、根据所述坐标信息和体积信息对湿喷机械手进行运动规划，依次进行基底层支护、钢拱架层支护和表面层支护。

进一步的，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、使用三维激光扫描仪对隧道环面轮廓进行原始扫描；

步骤二二、利用三维轮廓重建自动处理软件对扫描得到的点云数据进行处理，将扫描轮廓与设计轮廓对比识别出由于超挖产生的坑，辨识坑的类型，并提取补坑所需信息；

步骤二三、根据得到的补坑所需信息对湿喷机械手进行运动规划，进而控制湿喷机械臂进行原始层补坑作业。

进一步的，所述补坑所需信息包括：坑面中心坐标、坑面的法向量和填坑所需要混凝土的方量。

进一步的，在步骤三中，弧形钢拱架的间距由壁面的围岩等级确定，在0.8～1.5m之间。

进一步的，在步骤四中，具体包括以下步骤：

步骤四一、使用三维激光扫描仪对隧道环面轮廓进行基底层扫描；

步骤四二、利用三维轮廓重建自动处理软件对扫描得到的点云数据进行处理，划分喷射区和喷射块并确定喷射点；

步骤四三、提取喷射点的坐标信息和喷射块的体积信息。

进一步的，在步骤五中，基底层支护具体包括以下步骤：

步骤五一、将待喷壁面划分为五个喷射区，在每个喷射区内划分喷射块，取每个喷射块的中心点作为喷射点，并提取喷射点的坐标信息和喷射块的体积信息；

步骤五二、湿喷台车控制系统根据得到的坐标信息和体积信息对湿喷机械手进行运动规划，进而控制湿喷机械臂进行基底层喷浆支护作业。

进一步的，在步骤五中，基底层支护作业和钢拱架层支护作业，作业时均采用累加薄喷的方式，单次喷射的厚度不超过20cm。

本发明的主要优点是：本发明采用提前补坑的方式，解决了由于壁面超挖给喷浆支护作业带来的壁面平整度低的问题，提高了超挖壁面隧道喷浆支护的作业质量；本发明利用激光扫描和点云处理的技术手段，实现了隧道喷浆支护自动化作业，减少了人工作业给工人健康带来的危害，并提高了隧道喷浆支护作业的效率。

附图说明

图1为定位工作示意图；

图2为分区喷射示意图；

图3为喷射区分块示意图；

图4为分阶段喷射示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种壁面超挖隧道智能喷浆支护方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、使用全站仪对湿喷台车进行定位，获取湿喷台车与隧道的空间关系，完成湿喷台车的智能定位工作；

步骤二、对隧道环面轮廓进行原始扫描获得扫描轮廓，使扫描轮廓与设计轮廓对比识别出由于超挖产生的坑，对喷湿机械手进行运动规划，进行原始层补坑作业；

步骤三、在岩面上安装多排并列设置的弧形钢拱架；

步骤四、对安装了钢拱架的壁面进行轮廓扫描，并将扫描得到的隧道轮廓点云数据上传至测控中心，划分喷射块并确定喷射点，提取喷射点的坐标信息和喷射块的体积信息；

步骤五、根据所述坐标信息和体积信息对湿喷机械手进行运动规划，依次进行基底层支护、钢拱架层支护和表面层支护。

在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、使用三维激光扫描仪对隧道环面轮廓进行原始扫描；

步骤二二、利用三维轮廓重建自动处理软件对扫描得到的点云数据进行处理，将扫描轮廓与设计轮廓对比识别出由于超挖产生的坑，辨识坑的类型，并提取补坑所需信息；

步骤二三、根据得到的补坑所需信息对湿喷机械手进行运动规划，进而控制湿喷机械臂进行原始层补坑作业。

所述补坑所需信息包括：坑面中心坐标、坑面的法向量和填坑所需要混凝土的方量。

在步骤三中，弧形钢拱架的间距由壁面的围岩等级确定，在0.8～1.5m之间。

在步骤四中，具体包括以下步骤：

步骤四一、使用三维激光扫描仪对隧道环面轮廓进行基底层扫描；

步骤四二、利用三维轮廓重建自动处理软件对扫描得到的点云数据进行处理，划分喷射区和喷射块并确定喷射点；

步骤四三、提取喷射点的坐标信息和喷射块的体积信息。

在步骤五中，基底层支护具体包括以下步骤：

步骤五一、将待喷壁面划分为五个喷射区，在每个喷射区内划分喷射块，取每个喷射块的中心点作为喷射点，并提取喷射点的坐标信息和喷射块的体积信息；

步骤五二、湿喷台车控制系统根据得到的坐标信息和体积信息对湿喷机械手进行运动规划，进而控制湿喷机械臂进行基底层喷浆支护作业。

进一步的，在步骤五中，基底层支护作业和钢拱架层支护作业，作业时均采用累加薄喷的方式，单次喷射的厚度不超过20cm。

下面提出一种具体实施范例：

一种应用于超挖壁面隧道的智能型喷浆支护方法，该方法步骤如下：

第一步，驾驶湿喷台车到达作业现场，在平稳位置支好前后腿。如图1所示，将全站仪放置于隧道中的点p1，通过测量隧道内预先放置的点p2设站，利用全站仪测量放置在台车上的棱镜点p3计算出湿喷台车与隧道的空间关系，完成湿喷台车的智能定位工作；

第二步，利用湿喷台车车头安装的三维隧道激光扫描仪对待作业的壁面进行轮廓扫描，并将扫描得到的隧道轮廓点云数据上传至测控中心；

第三步，利用三维轮廓重建自动处理软件对扫描得到的点云数据进行处理，将扫描轮廓与设计轮廓对比识别出坑，根据坑面大小和形状辨识出小坑和大坑并提取补坑所需相关信息。对于小坑，补坑的策略是定点喷射，需提取坑面中心的坐标、坑面的法向量和填坑所需要混凝土的方量等信息；对于大坑，补坑的策略是分块填补，需将大坑坑面划分成多个小坑，再提取相应小坑的坑面中心的坐标、坑面的法向量和填坑所需要混凝土的方量等信息；

第四步，湿喷台车控制系统根据得到的坑面中心坐标、坑面的法向量和填坑所需要混凝土的方量分别确定喷浆机械手的位置、喷枪姿态和喷射时间，规划湿喷机械臂的运动轨迹，并控制湿喷机械臂进行原始层的补坑作业；

第五步，在岩面上安装多排并列设置的弧形钢拱架。钢拱架的间距由壁面的围岩等级确定，在0.8～1.5m之间；

第六步，利用湿喷台车车头安装的三维隧道激光扫描仪对安装了钢拱架的壁面进行轮廓扫描，并将扫描得到的隧道轮廓点云数据上传至测控中心；

第七步，先将待喷壁面进行分为五个喷射区，如图2所示，ⅰ区、ⅱ区、ⅲ区和ⅳ区的高度都为2m，ⅴ区为隧道最顶部的区域。再分别对这五个喷射区分块，如图3所示，将每个喷射区分为大小相等的长方形喷射块，喷射块的长度b和宽度a分别由喷头水平转动和垂直转动的角度范围计算。然后取单位块的中心点为喷射点，利用三维轮廓重建自动处理软件处理第六步扫描得到的点云数据得到喷射点的坐标、法向量和对应喷射块的方量。在每个喷射区内，喷枪走一个“弓”字形轨迹；

第八步，湿喷台车控制系统根据得到的喷射点的坐标、法向量和对应喷射块的方量分别确定喷浆机械手的位置、喷枪姿态和喷射时间，规划湿喷机械臂的运动轨迹，并控制湿喷机械臂进行喷浆作业。喷浆作业分为三个阶段，首先是基底层支护，然后是钢拱架层支护，最后表面层支护。如图4所示，基底层支护是填充待喷壁面与钢拱架背面的间隙，对应图中①区域；钢拱架层支护是填充钢拱架中间，对应图中②区域；表面层支护是指在钢拱架表面喷射一层约2cm厚度的混凝土，对应图中③区域。每个阶段开始时都要对隧道环面轮廓进行扫描处理，为湿喷台车控制系统规划湿喷机械臂运动提供信息。在基底层支护和钢拱架层支护的喷射作业过程中采用多次薄喷的策略，单次喷射厚度不超过20cm，这样可以有效减少混凝土掉块。