一种水下混凝土表面可变角度钻孔及灌浆一体化工具

技术领域

本发明属于水下工程领域的一种水下钻孔及灌浆一体工具，尤其是涉及了一种水下混凝土表面可变角度钻孔及灌浆一体化工具。

背景技术

水坝等水下建筑的发展过程是一段悠久的历史，人类的每一次科技进步，都会引起一次建筑水坝的高潮。自古以来，人类都在和大自然的力量做抗争，水坝不仅在防洪减灾方面式最有效的工程措施之一，而且有利于农村地区的正常农业灌溉，还可以被用来发电，为城市供电。发展如今，水坝已经具有灌溉、供水发电、养殖、生态等多种功能，并且有利于调整一个地区内的水资源时空分布，完善对于水资源的优化配置。

大坝长时间服役后，存在的隐患和问题一般有泄洪设施破坏、防渗设施破坏和坝体裂缝等。前者属于比较严重的安全问题，一般需要对整个坝体进行大面积重建，而后两者则可以在水下环境对坝体进行局部维修。当遇到后者类似的情况时，一般需要通过水下工程进行坝体的维护和修补，主要的修复措施有：水下检测、水下清淤、水下裂缝、水下渗漏处理以及水下混凝土修复。水下混凝土修复技术主要针对坝体上的混凝土渗漏、冲蚀及剥落等现象，目前较为常用的水下修复材料主要有PBM聚合物、SR防渗模块、SXM水下密封剂等，然后进行水下植筋、不分散混凝土浇筑等方式完成修复并加固的处理。现有技术缺少一种水下吸附钻孔灌浆一体式机器人取代水下人工混凝土大坝维修。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种水下混凝土表面可变角度钻孔及灌浆一体化工具。

本发明技术方案如下：

工具包括立体外框架、吸附锚固底座、可变角度钻孔机构、灌浆嘴插入机构和平移机构；立体外框架的顶部开设有用于吊装的吊装孔，立体外框架底部的四个角上分别固定安装有四个吸附锚固底座，吸附锚固底座吸附在水下混凝土的表面，可变角度钻孔机构、灌浆嘴插入机构和平移机构均设置在立体外框架的内部，平移机构可前后移动地安装在立体外框架底部，可变角度钻孔机构可活动地安装在平移机构上，可变角度钻孔机构位于灌浆嘴插入机构的后方，且可变角度钻孔机构和灌浆嘴插入机构之间固定连接。

所述的可变角度钻孔机构包括滑块、内框架、钻头、L形铰链、可伸缩的水下角度调整推杆和齿条组件；内框架和水下角度调整推杆和分别位于立体外框架的中间和后部，钻头和齿条组件分别位于内框架前部和后部，且齿条组件的上、下两端分别与内框架上端面和下端面固定连接，齿条组件后端面的底部通过L形铰链可沿着L形铰链轴向旋转地连接在平移机构的前端，水下角度调整推杆的底部安装在平移机构上表面的后端，水下角度调整推杆的顶部安装在齿条组件后端面的顶部；

钻头和齿条组件之间设有滑块，滑块的后端可上下移动地安装在齿条组件上，滑块的前端和钻头的中部固定连接；滑块上还固定连接有进给电机密封舱，进给电机密封舱中设有电机。

所述的灌浆嘴插入机构包括灌浆嘴、灌浆嘴填装夹、灌浆管道固定环和可伸缩的水下进给推杆；若干个灌浆嘴竖直放置在灌浆嘴填装夹中，灌浆嘴填装夹和水下进给推杆均位于内框架的前方，灌浆嘴填装夹的后端面通过固定板固定连接在内框架前端面的底部，水下进给推杆的顶部固定连接在内框架前端面的顶部，水下进给推杆的底部通过灌浆管道固定环与灌浆嘴连接。

所述的平移机构包括滑轨、滑块平台和平移电机密封舱，两个滑轨分别固定安装在立体外框架底部的左、右两端，每条滑轨沿着工具的前后方向设置，两个滑条分别可沿着滑轨轴向移动地安装在两个滑轨上，两个滑条之间固定连接有滑块平台，滑块平台上固定安装有平移电机密封舱，平移电机密封舱中设有电机；

齿条组件后端面的底部通过L形铰链可活动地连接在滑块平台前端，水下角度调整推杆的底部安装在滑块平台上表面的后端。

所述的灌浆嘴的顶部和底部分别设有入浆口和出浆口，入浆口通过灌浆管道与外部的灌浆器连接。

所述灌浆嘴的轴向和钻头的轴向之间平行，钻头的轴向和水平面之间的夹角为°60°～90°。

所述的灌浆嘴可沿着工具的左右方向移动地安装在灌浆嘴填装夹中。

整个钻孔及灌浆一体工具采用框架式结构进行设计，框架内部主要可以分为作业模块和吸附锚固底座两个部分。作业部分主要由钻头和灌浆嘴插入机构两部分组成并且连接在一起，满足工作时的钻孔和灌浆一体化的需求，同时钻头、灌浆嘴插入机构安装在一个滑块上，实现进给操作，滑块通过电动推杆实现钻孔、灌浆角度的调整，整体作业模块为三自由度平台；吸附锚固底座则保证工作过程中提供足够的吸附力及侧向摩擦力。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的钻孔及灌浆一体工具能够在水下大坝环境下进行混凝土钻孔和灌浆，同时两自由度的设计使钻孔及灌浆一体工具能够适应倾斜坝面钻孔，钻孔之后通过下部滑轨的移动使灌浆嘴对准孔洞进行插管灌浆操作。

2、本发明的作业模块将钻孔和灌浆工具结合在一起，通过固定连接的方式连接在同一滑轨上实现进给，同时通过下方滑轨实现横向位移调节；

3、本发明的作业模块通过齿条组件以及推杆实现钻孔、灌浆工具的角度调整以及进给，同时齿轮组件抗震动能力强，能够承受钻孔过程中的振动与反力。

4、本发明实现了大坝表面裂缝修补过程中的钻孔、灌浆自动化一体作业，可取代人工作业，提高了作业效率，同时具备在复杂水流环境下的作业能力，适用范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明钻孔及灌浆一体工具的轴测图；

图2为本发明钻孔及灌浆一体工具的侧视图；

图3为本发明钻孔及灌浆一体工具的细节放大图；

图4为钻孔及灌浆一体工具的作业示意图。

图中：1、吊装孔；2、立体外框架；3、灌浆嘴；4、灌浆嘴填装夹；5、灌浆管道固定环；6、吸附锚固底座；7、滑轨；8、滑块平台；9、平移电机密封舱；10、进给电机密封舱；11、滑块；12、内框架；13、水下进给推杆；14、钻头；15、铰链；16、水下角度调整推杆；17、齿条组件；18、灌浆管道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明的实施例的实施过程如下：

如图1所示，工具包括呈矩体结构的立体外框架2、吸附锚固底座6、可变角度钻孔机构、灌浆嘴插入机构和平移机构；立体外框架2的顶部开设有吊装孔1，吊装孔1用于一体化工具的吊放，立体外框架2底部的四个角上分别固定安装有四个吸附锚固底座6，吸附锚固底座6吸附在水下混凝土的表面，可变角度钻孔机构、灌浆嘴插入机构和平移机构均设置在立体外框架2的内部，平移机构可前后移动地安装在立体外框架2底部，可变角度钻孔机构可活动地安装在平移机构上，可变角度钻孔机构位于灌浆嘴插入机构的后方，且可变角度钻孔机构和灌浆嘴插入机构之间固定连接。

一体化工具的前方向为靠近灌浆嘴插入机构的方向，工具的后方向为靠近平移机构的方向，工具的左右方向垂直于前后方向。

平移机构包括滑轨7、滑块平台8和平移电机密封舱9，两个滑轨7分别固定安装在立体外框架2底部的左、右两端，每条滑轨7沿着工具的前后方向设置，两个滑条分别可沿着滑轨7轴向移动地安装在两个滑轨7上，两个滑条之间固定连接有滑块平台8，使得滑块平台8可沿着滑轨7的轴向前后(即工具的前后方向)移动，滑块平台8上固定安装有平移电机密封舱9，平移电机密封舱9中设有电机，平移电机密封舱9中的电机用于驱动滑条前后移动；

如图2所示，可变角度钻孔机构包括滑块11、内框架12、钻头14、L形铰链15、可伸缩的水下角度调整推杆16和齿条组件17；内框架12和水下角度调整推杆16和分别位于立体外框架2的中间和后部，钻头14和齿条组件17分别位于内框架12前部和后部，即钻头14、齿条组件17和水下角度调整推杆16按照从前往后的顺序依次安装在立体外框架2内部，且齿条组件17的上、下两端分别与内框架12上端面和下端面固定连接，齿条组件17后端面的底部通过L形铰链15可沿着L形铰链15轴向旋转地连接在平移机构的前端，L形铰链15的轴向平行于工具的左右方向，水下角度调整推杆16的底部安装在平移机构上表面的后端，水下角度调整推杆16的顶部安装在齿条组件17后端面的顶部，即齿条组件17顶部通过可伸缩的水下角度调整推杆16可活动地连接在滑块平台8的后端；

钻头14和齿条组件17之间设有滑块11，滑块11的后端可上下移动地安装在齿条组件17上，滑块11的前端和钻头14的中部固定连接，使得钻头14可上下移动地设置在齿条组件17上；滑块11上还固定连接有进给电机密封舱10，进给电机密封舱10中设有电机，进给电机密封舱10中的电机用于驱动滑块11上下移动。

如图3和图4所示，灌浆嘴插入机构包括灌浆嘴3、灌浆嘴填装夹4、灌浆管道固定环5和可伸缩的水下进给推杆13；若干个灌浆嘴3竖直放置在灌浆嘴填装夹4中，灌浆嘴填装夹4和水下进给推杆13均位于内框架12的前方，灌浆嘴填装夹4的后端面通过固定板固定连接在内框架12前端面的底部，水下进给推杆13的顶部固定连接在内框架12前端面的顶部，水下进给推杆13的底部通过灌浆管道固定环5与灌浆嘴3连接。

齿条组件17后端面的底部通过L形铰链15可活动地连接在滑块平台8前端，水下角度调整推杆16的底部安装在滑块平台8上表面的后端。

灌浆嘴3的顶部和底部分别设有入浆口和出浆口，入浆口通过灌浆管道18与外部的灌浆器连接，灌浆器用于往灌浆嘴3中输送水泥浆，出浆口用于往钻孔位置处填充水泥浆。

灌浆嘴3的轴向和钻头14的轴向平行，钻头14的轴向和水平面之间的夹角为60°～90°。

灌浆嘴3可沿着工具的左右方向移动地安装在灌浆嘴填装夹4中。

灌浆嘴填装夹4中开设有与灌浆嘴3形状匹配的条形通孔，条形通孔的轴向和灌浆嘴3的轴向平行。使用该工具时，灌浆嘴3移动到条形通孔处，且通过灌浆管道固定环5与水下进给推杆13的底部连接，可伸缩的水下进给推杆13带动灌浆嘴3上下移动，灌浆嘴3中的水泥浆被注入到钻孔位置处，且该灌浆嘴3留在钻孔位置处，此时灌浆嘴3和水下进给推杆13分离，下一个灌浆嘴3又被推动到条形通孔处，重复上述操作，以实现钻孔位置处的灌浆。

实际操作过程中，先利用钻头14在待修补位置进行钻孔，然后移动平移机构，使得灌浆嘴3移动到之前钻头14所在位置处。可变角度钻孔机构和灌浆嘴插入机构在滑轨7上前后移动，实现了在同一位置进行钻孔和灌浆一体化作业。

通过水下角度调整推杆16调节钻孔角度，可以适应在水下作业中不同的斜孔需求。

钻头14通过齿条组件17进行进给运动，速度可调，同时可变角度钻孔机构能提供足够的钻孔作用力。

灌浆嘴插入机构安装在可变角度钻孔机构上，灌浆嘴3进给插入方向与钻孔进给方向一致，实现了钻孔后直接进行灌浆嘴插入工序，无需重新调整灌浆嘴3方向进行孔洞定位。

灌浆嘴插入机构，携带了多个灌浆嘴3，进行一次作业后无需人工补充灌浆嘴3，可通过灌浆嘴3填装夹自动装填。

灌浆嘴填装夹4用于装载多个灌浆嘴3，灌浆嘴3插入过程中灌浆管道18通过灌浆管道固定环5实现固定，灌浆管道固定环5下部有U型缺口保证灌浆管路18能顺利绕开工具本体，详细设计图如图3中所示；

吸附锚固底座6结合旋流吸盘和微针锚固技术提供足够的吸附力和摩擦力用以抵抗钻孔过程中的反力与振动；

滑轨7结合滑块平台8用以提供钻孔工具和灌浆工具的水平方向自由度，由平移防水电机密封舱9中的电机驱动，通过平移的方式实现钻孔后进行灌浆的工序结合，进给电机密封舱10中的电机可用于驱动钻头14的进给。

水下进给推杆13实现灌浆嘴插入机构的进给运动，从而实现插入灌浆嘴3的工序操作，钻头14用以混凝土孔洞钻凿。

齿条组件17和进给电机密封舱10中的电机驱动钻头14进行钻孔方向的进给运动；水下角度调整推杆16配合铰链15实现钻头14平台角度的调整以实现倾斜角度钻孔。

如图4所示，使用本文钻孔及灌浆一体工具在混凝土表面裂缝两侧交叉钻斜孔并插入灌浆嘴3，表面封闭后进行压力注浆，即可完成水下混凝土表面裂缝的修复作业。