一种盾构机管片清洗与拼装机安全运行协同系统及方法

1.本发明涉及盾构机管片清洗领域，具体涉及一种盾构机管片清洗与拼装安全运行协同系统及方法。


背景技术：

2.管片是隧道盾构施工重要的支撑结构物，隧道管片的拼装质量直接决定于隧道盾构施工的质量。为了保证管片的拼装质量，因此在拼装之前首先需要将管片表面残留的混凝土以及预留凹槽内残留的灰尘清理干净，特别是密封胶条附近残留的泥沙，以此来保证管片拼装时的质量，若残留在预留凹槽处的灰尘和密封胶条附近残留的泥沙未清理干净，后期会造成漏浆和渗液等灾害，轻者需要采取二次密封补救措施，重者则需要对已拼接的管片进行拆除并重新拼接。
3.现有的管片拼装前的清洗工作通常是在管片拼装机拼接管片之前和管片吊机吊送完毕之间的间隙进行；通常是由两位操作工人站在同一侧手持塑料pvc软水管对管片吊机已经吊装完毕的管片进行冲刷清洗。清理一块待拼装的管片约用时5分钟，时间与人力成本较高，水资源浪费较大，并且在操作过程中存在水压不能够将待拼接管片上的泥沙清理干净；同时对于远离操作工人的一侧清洗更困难。隧道盾构施工经常出现由于管片密封胶条处的泥沙清理不彻底导致注浆时出现接缝处漏浆的现象。
4.同时，存在管片拼装机起吊过程中管片掉落导致施工操作人员发生伤亡的恶性事件，目前尚未有项目在管片拼装阶段采用自动化的管片清洗装置。因此，亟待对管片拼装机的机械部分进行优化改进，实现盾构机管片清洗与拼装机安全运行高度协同，更契合隧道智能建造新理念。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有技术中所存在管片的清洗缺陷，提出一种盾构机管片清洗与拼装机安全运行协同系统及方法，实现在拼装过程中对管片的自动化清洗，并保证拼装机的安全高效运行。
6.本发明是采用以下的技术方案实现的：一种盾构机管片清洗与拼装安全运行协同系统，包括plc控制模块、钢制曲面桁架、电磁阀、机械动力装置和加压水泵；电磁阀与机械动力装置与plc控制模块相连；加压水泵固定在拼装机上方的主梁上，钢制曲面桁架固定在拼装机下部上；拼装机下部的吊销孔处安装有电子限位锁定装置；
7.所述钢制曲面桁架上设置有多个不同类型的喷头，每个喷头与其邻近区域的对应电磁阀相连，电磁阀由plc控制模块控制，喷头通过供水管道与加压水泵相连；
8.所述喷头包括用以对管片边缘和密封胶条进行清洗的铜制扇形喷头、用以对管片螺栓预留孔洞进行清洗的铜制万向直射喷头和用以对管片内表面进行清洗的铜制三层花式喷头，铜制三层花式喷头和铜制扇形喷头直接固定在钢制曲面桁架上，铜制万向直射喷头通过机械动力装置固定在钢制曲面桁架上，以通过机械动力装置调节改变万向直射喷头
的喷射方向。
9.进一步的，所述电子限位锁定装置包括管片销、管片销锁体以及安装在管片销锁体末端的管片销复位弹簧、管片销支撑构件和强电磁，管片销插入管片销锁体内，管片销复位弹簧的一端与管片销支撑构件相连，另一端与强电磁相连。
10.进一步的，所述管片销锁体的侧壁上靠近管片销支撑构件的一端安装有相对设置的电子光栅，或者是沿管片销锁体长度方向设置多组电子光栅。
11.进一步的，所述铜制扇形喷头、铜制万向直射喷头和铜制三层花式喷头对应的数量为6个、10个和2个。
12.进一步的，所述供水管道均采用高强度pvc纤维增强软管。
13.进一步的，所述钢制曲面桁架上固定有配重块，用于增加钢制曲面桁架的重量，避免其在冲洗管片的过程中因水压力造成的反力过大导致钢制曲面桁架向远离管片的方向运动冲撞管片拼装机。
14.本发明另外还提出一种盾构机管片清洗与拼装安全运行协同系统的协同方法，包括以下步骤：
15.步骤a、首先依据施工现场的管片具体型号在plc控制系统对其进行路径设置，并确定螺栓预留孔洞的瞄准位置；在拼装机运输管片的过程中，自动启动对待拼装管片进行清洗的程序；
16.步骤b、同时对管片拼装机的管片销进行数字化操控，对吊销孔进行电子化限位处理，安装吊销孔的电子限位锁定装置；
17.若管片销未插入到规定位置时，plc控制系统自动锁定整个管片拼装装置，并通过盾构机内部已有的预警模块对操作工人进行告知；
18.当管片销插入到规定的限定位置时，电子限位锁定装置对管片销进行锁定后，plc控制系统启动管片拼装和清洗程序；进行夹紧、升降、清洗、滑动、旋转操作；
19.步骤c、在对管片进行清洗时；
20.首先，固定在钢制曲面桁架上的2个固定铜制三层花式喷头13对管片内表面进行高压冲洗；其次，固定在机械动力装置上的10个铜制万向直射喷头运动到程序预设的位置上，按照螺栓孔的数量对螺栓孔进行冲洗；最后，固定在钢制曲面桁架上的6个铜制扇形喷头进行高压冲洗管片的连接胶条区域。
21.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
22.本方案设计多个自动化喷头，在管片拼装过程中实现对管片的自动化清洗，清洗效率、清洗精确度高，有效避免管片密封胶条处的泥沙清理不彻底导致注浆时出现接缝处漏浆的现象，使管片拼装阶段清洗过程全面实现自动化，同时减少了拼装工作进行中管片掉落伤人的恶性安全事故的发生；
23.该协同系统是指在管片清洗和拼装任意过程中，若电子化限位出现异常情况，该协同系统通过盾构机内部已有的预警模块对现场操作人员进行预警，及时疏散操作人员避免发生管片坠落伤人的安全事故；
24.同时该协同系统会对整个拼装机进行紧急制动；待拼装机整体稳定后，需要人工在确保安全的前提下对管片销进行安全检查和确认，安全检查完毕后该协同系统进行电子化二次限位处理，待系统确认后对其进行二次电子化加紧，进一步保证清洗及拼装过程中
的安全性。
附图说明
25.图1为本发明实施例钢制曲面桁架装置布置平面示意图；
26.图2为本发明实施例钢制曲面桁架侧视示意图；
27.图3为本发明实施例隧道纵断面示意图；
28.图4为本发明实施例清洗流程示意图；
29.图5为本发明实施例隧道横断面示意图；
30.图6为本发明实施例铜制三层花式喷头喷射影响区域示意图；
31.图7为本发明实施例机械动力装置控制的铜制万向直射喷头运动范围示意图；
32.图8为本发明实施例铜制扇形喷头喷射影响区域示意图；
33.图9为本发明实施例管片销电子限位锁定装置示意图。
具体实施方式
34.为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
35.实施例，一种盾构机管片清洗与拼装安全运行协同系统，如图1-2和图5所示，包括plc控制控制模块1、钢制曲面桁架8、电磁阀2、机械动力装置6和加压水泵3；电磁阀2与机械动力装置6与plc控制模块通过低压电源线缆7相连；加压水泵3固定在拼装机上方的主梁上，钢制曲面桁架8固定在拼装机下部16上；拼装机下部16的吊销孔处安装有电子限位锁定装置，以对管片15吊起时进行锁定，避免意外脱落；
36.钢制曲面桁架8上焊接有6根连接角钢9，与拼装机下部16固定连接；钢制曲面桁架8上设置有多个不同类型的喷头，喷头与邻近区域的电磁阀2相连，电磁阀2由plc控制模块1控制，喷头通过供水管道4与加压水泵3相连，所述喷头包括铜制扇形喷头11、铜制万向直射喷头12和铜制三层花式喷头13。
37.拼装机承担管片起吊、旋转、托举和拼装的工作，在现有的管片拼装机的复杂机械装置中，且存在的明显缺陷：即用于连接拼装机下部16与拼装机上部23的重要纽带“管片销”在管片拼装的过程中，存在因管片销未插到固定位置，容易导致在拼装机运行过程中拼接隧道上部管片时下部结构整体掉落，造成机毁人亡的重大安全事故。本实施例则对现有的“管片销”安装区域进行优化，以达到管片15在拼装和清洗过程中能够安全高效运行的目的，该技术将管片拼装过程中管片掉落的风险降低到0.1％。该技术是当今机械智造设计智能化中的重要的手段，同时该技术符合当今机械智造的发展大趋势。
38.本实施例为了保证吊起管片15的安全性，如图9所示，所述电子限位锁定装置包括管片销17、管片销锁体18以及安装在管片销锁体18末端的管片销复位弹簧19、管片销支撑构件20和强电磁22，管片销17插入管片销锁体18内，管片销复位弹簧19的一端与管片销支撑构件20相连，另一端与强电磁22相连；
39.另外，管片销锁体18的侧壁上靠近管片销支撑构件20的一端安装有相对设置的电
子光栅21，当然，为了判断管片销17插入的深度，可沿管片销锁体18长度方向设置多组电子光栅21。管片销支撑构件20用以确保在拼装过程中管片销17不脱落，电子光栅21用以保证管片销17插入到指定位置，其主要原理是，若管片销17完全遮挡电子光栅21可以确定管片销插入到规定位置，方可启动管片清洗与拼装系统；若未遮挡或部分遮挡光栅，应当及时检查管片销17的插入状态。
40.其中，管片销锁体18是管片拼装机上的已有装置；强电磁及锁定装置22是在管片销插到规定位置时可以吸附管片销的装置并确保管片销不会弹出，该装置具备在电力意外中断的情况下管片销不掉落；当管片销遮挡所有的得电子光栅之后，系统触发强电磁后产生电磁吸附管片销；当系统接收到移除管片销的指令后，强电磁产生的电磁取消，管片销随即被复位弹簧弹出。管片销复位弹簧19是方便取出管片销，当强电磁磁性消失时及锁定装置解除锁定的时候管片销可以自行弹出；管片销支撑构件20为承接管片销的压力与管片销复位弹簧的纽带其连接方式为固结；同时管片销复位弹簧与强电磁及锁定装置的连接方式为固结。
41.本实施例中，钢制曲面桁架8上布置了2个铜制三层花式喷头13，其喷射范围可以完全覆盖管片15内表面，满足对管片内表面清洗的要求，6个对管片15边缘和密封胶条清洗的铜制扇形喷头11、10个对管片螺栓预留孔洞精确清洗的铜制万向直射喷头12，喷头布置图示见图1和图2所示。铜制三层花式喷头13和铜制扇形喷头11直接固定在钢制曲面桁架上，铜制万向直射喷头12通过机械动力装置6固定在钢制曲面桁架8上，以通过机械动力装置6调节改变万向直射喷头12的喷射方向。
42.另外，在钢制曲面桁架上焊接有连接吊环构件10，为钢制曲面桁架8与管片拼装机连接的纽带部件，钢制曲面桁架8上固定有配重块14，用于增加钢制曲面桁架的重量，避免其在冲洗管片15的过程中因水压力造成的反力过大导致钢制曲面桁架向远离管片的方向运动冲撞管片拼装机，严重时会造成拼装机损坏导致管片坠落甚至人员伤亡的安全事故发生。
43.本实施例中，所有供水管道均采用高强度pvc纤维增强软管，总供水管道采用高强度pvc纤维增强软管，固定在拼装机上方的主梁上，在管片拼装机拼装管片时产生的多余的高强度pvc纤维增强软管采用管道收集装置5进行收集。
44.下面结合清洗和拼装过程对本发明方案做进一步解释：
45.实施例2、基于实施例1提出的盾构机管片清洗与拼装安全运行协同系统的协同方法，具体包括以下步骤：
46.首先依据施工现场的管片具体型号(尺寸、弧度、边缘等参数)在plc控制系统对其进行路径设置，特别是螺栓预留孔洞的瞄准位置。在吊机装置运输管片的过程中，自动启动对待拼装管片进行清洗的程序。
47.同时对管片拼装机的“管片销”进行数字化操控，对吊销孔进行电子化限位处理，安装吊销孔的电子限位锁定装置。若管片销未插入到规定位置时，plc控制系统会自动锁定整个管片拼装装置，并通过盾构机内部已有的高音喇叭对操作工人进行告知，避免发生管片坠落导致人员伤亡的安全事故；当管片销插入到规定的限定位置时，电子限位锁定装置会对管片销进行锁定后，plc控制系统会启动管片拼装机和管片清洗装置；进行夹紧、升降、清洗、滑动、旋转等各项操作。
48.可以保证在管片吊起前管片销插入到指定位置，确保在管片吊起旋转过程中销子不会脱落，以确保在安装过程中不会出现管片掉落，夹住身体等重大安全事故发生。有效保证在管片拼装机工作过程中避免管片掉落，最大程度减少因机械问题导致人员伤亡问题的发生，以达到管片清洗与拼装机安全运行高度协同系统。
49.其中，在具体清洗时，首先，固定在钢制曲面桁架上的2个固定铜制三层花式喷头13对管片内表面进行高压冲洗，冲洗时长约为30s，喷射影响区域见图6；其次，固定在机械动力装置上的10个铜制万向直射喷头运动到程序预设的位置上，按照螺栓孔的数量对螺栓孔进行精准冲洗。冲洗时长约为30s；机械动力装置控制的铜制万向直射喷头运动范围见图7。最后，固定在钢制曲面桁架上的6个铜制扇形喷头进行高压冲洗管片的连接胶条区域。冲洗时长约为30s，喷射运动影响区域见图8。
50.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。