沉井水下封底基底自动清理与检测装置及使用方法与流程

本技术涉及水下封底施工，尤其涉及一种沉井水下封底基底自动清理与检测装置及使用方法。

背景技术：

1、随着地下工程及大型桥梁基础施工的不断发展，沉井作为一种成熟的基础形式得到了广泛应用。在沉井下沉到设计标高后通常需要在井内有水状态下实施封底。封底基底不仅要满足沉渣、孤石和杂物清除要求，还应避免扰动或掏空刃脚下方承托土；基底清理质量和导管底口通畅程度会直接影响水下混凝土的连续浇筑、封底厚度和抗渗可靠性。

2、传统作业多依靠吊装式吸泥设备、冲洗设备和潜水员配合，然而沉井内部水体浑浊、空间有限，方形井壁角部及刃脚内侧存在视线盲区，人工清理和验收存在安全风险高、效率低、质量依赖经验且难以完整留痕的问题。

3、而且，在实际施工中，泥砂、碎石、钢筋头、木块等杂物容易滞留在刃脚内侧、井壁角部和导管底口附近。若清理不足，封底混凝土下部可能形成夹泥、空洞或局部厚度不足；若过度冲刷，则可能削弱刃脚下方承托土的稳定性。对于设有中隔墙的特殊沉井，中隔墙根部还可作为附加精清区域，但中隔墙并非本发明实施的必要条件。

4、现有水下检测设备虽可获取局部高程或影像，但清理、定位、复测和封底厚度控制往往相互分离，缺少从坐标建立、清底控制面生成、分区作业、清后复测到封底厚度计算与补灌控制的一体化闭环。

技术实现思路

1、为了改善沉井水下浑浊及受限环境下的盲区清理困难、易破坏刃脚承托土以及封底质量难以量化验收的问题，本技术提供一种沉井水下封底基底自动清理与检测装置及使用方法。

2、第一方面，本技术提供的一种沉井水下封底基底自动清理与检测装置，采用如下的技术方案：

3、一种沉井水下封底基底自动清理与检测装置，包括：

4、水密机身，作为承载主体；

5、行走机构，设于所述水密机身的两侧；

6、声学扫描定位单元，设于水密机身上部，用于扫描沉井内部环境特征并建立局部三维坐标系；

7、可伸缩多关节机械臂，基端安装于水密机身上，用于根据目标清理面调节末端的三维位姿；以及

8、集成清理工具头，设于所述可伸缩多关节机械臂的末端，所述集成清理工具头包括：

9、中央壳体，固定于所述可伸缩多关节机械臂的末端；

10、负压抽吸组件，设于所述中央壳体的前端中央，且连通外部的负压源，用于向外抽排泥砂混合物；

11、射流冲洗组件，设于中央壳体的前端边缘，分布在所述负压抽吸组件的外围，用于向外输出高压水射流冲松基底沉积物；以及

12、探头组件，设于中央壳体的边缘，用于实时获取集成清理工具头与沉井作业边界的相对距离及水下障碍物，以提供可伸缩多关节机械臂防碰撞与防掏空保护的触发基准。

13、更进一步，所述集成清理工具头为方形结构，所述射流冲洗组件与所述探头组件的结构布置具体为：

14、射流冲洗组件包括四个定向高压水射流喷嘴，分别设置在所述中央壳体前端的四个角部位置，用于配合中央的所述负压抽吸组件形成局部冲吸流场；

15、探头组件包括设置在中央壳体上部的第一浊水摄像头以及设置在中央壳体两侧的声学测距探头。

16、更进一步，所述集成清理工具头还包括：

17、下置夹取机构，设于所述中央壳体的底面，包括左右相对布置的双抓爪以及内部水密传动组件；

18、所述内部水密传动组件与所述双抓爪驱动连接，用于在所述可伸缩多关节机械臂的位姿引导下，驱动双抓爪在同一平面内开合以夹取大块障碍物。

19、更进一步，还包括：

20、泥浆排出软管，进液端与所述负压抽吸组件的负压吸泥口连接，排液端沿沉井向上延伸至水面；

21、复合脐带缆，底端连接至所述水密机身顶部的水密接口，内部集成有用于为所述射流冲洗组件供水的高压水管、供电线路及通信信道。

22、更进一步，还包括：

23、第二浊水摄像头，安装于所述水密机身远离所述可伸缩多关节机械臂的一侧；

24、控制终端，分别与所述声学扫描定位单元、所述可伸缩多关节机械臂以及所述探头组件通信连接；

25、所述控制终端，用于基于所述声学扫描定位单元建立的坐标系生成清底控制面，并在所述可伸缩多关节机械臂动作时，将所述探头组件反馈的相对距离与预设的安全阈值进行比对，若距离越限则生成干涉指令以限制所述可伸缩多关节机械臂的伸出量。

26、第二方面，本技术提供的一种沉井水下封底基底自动清理与检测方法，基于上述一种沉井水下封底基底自动清理与检测装置，包括以下步骤：

27、s1.基底扫描建图：将所述清理与检测装置下放至沉井底部，通过所述声学扫描定位单元扫描沉井井壁及刃脚轮廓，建立声呐坐标系并生成清理前基底三维模型；

28、s2.分区规划：依据沉井设计标高与所述清理前基底三维模型生成清底控制面，划分作业区域；

29、s3.分区清底：控制所述行走机构移动，通过所述可伸缩多关节机械臂调节所述集成清理工具头的位姿，利用所述射流冲洗组件和所述负压抽吸组件按所述作业区域同步执行沉积物冲刷与吸排；

30、s4.清后复测与底模冻结：各作业区域清理完毕后，利用清理与检测装置执行复测，若高程及障碍物清理满足预设标准，则生成并保存包含同一声呐坐标系的清底后基底三维模型；

31、s5.封底厚度闭环控制：清底验收合格后，在水下封底混凝土浇筑工序中，获取封底混凝土顶面三维模型，将其与所述清底后基底三维模型在所述声呐坐标系下进行空间配准，计算两模型的高程差值以得到混凝土实际厚度分布数据。

32、更进一步，所述步骤s3中，针对沉井刃脚内侧作业区域的清理控制策略包括：

33、当所述清理与检测装置靠近刃脚结构时，实时监测所述探头组件反馈的相对距离数据以及基底高程下降速率；

34、若距离数据达到预设防撞边界，或高程下降速率超过预警阈值，则向所述可伸缩多关节机械臂发送指令停止所述集成清理工具头伸缩，并调整所述射流冲洗组件的喷射角度使其避开刃脚下方承托土。

35、更进一步，所述步骤s3中，针对沉井井壁角部和导管底口清障区作业区域的清理控制策略包括：

36、采用所述行走机构小步距移动和所述可伸缩多关节机械臂局部摆动的方式进行重复冲洗与吸泥；

37、若所述探头组件识别到块状杂物、木块、钢筋头或石块，通过所述集成清理工具头中的下置夹取机构夹持后转移至指定回收位置，所述下置夹取机构的抓爪闭合时保留安全间隙。

38、更进一步，所述步骤s4中，若当前作业区域复测的沉渣厚度超过验收阈值，则根据复测的三维点云数据提取局部高点坐标；

39、以所述局部高点坐标为导向生成二次清理路径，并控制所述行走机构按所述二次清理路径自动寻迹并重复执行所述步骤s3中的冲洗与吸排动作，直至复测达标。

40、更进一步，所述步骤s5中，在计算得到混凝土实际厚度分布数据之后，继续执行以下步骤：

41、s51.基于所述实际厚度分布数据，提取厚度值小于设计要求的目标区域平面坐标及其缺失体积；

42、s52.结合混凝土在水下的流动扩散范围参数，选择距离所述目标区域最近的补灌导管；

43、s53.基于所述缺失体积向所选的补灌导管下达补偿量信息以执行补灌动作。

44、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

45、1.通过集成声学扫描定位单元、探头组件与可伸缩多关节机械臂的伺服联动，实时监测工具头与沉井边界的相对距离及基底高程下降速率，一旦越限即截断伸出指令并调整喷嘴角度，使得水下工具避开并保护了刃脚下方承托土，从而实现了近距离盲区的可靠防撞与防掏空防护，有效解决了浑水环境下施工易破坏沉井结构稳定性的问题；

46、2.通过采用外围布置四个定向高压射流喷嘴结合中央负压抽吸组件的工具头结构，使得高压剥离破碎与负压抽排泥砂的动作在同一局部流场内同频进行，从而实现了沉积物的高效清除与快速转移，极大减少了泥砂在水体中的大范围逃逸与二次沉降，兼顾了快速破碎沉渣与维持水环境能见度的矛盾需求；

47、3.通过清理单元逐区复测、清理前后模型比较以及不合格区域自动生成二次清理路径，使得清底结果可量化复核和全过程可追溯，从而改善了水下清底质量依赖人工经验、漏清区域难以发现的问题；相较于仅依靠人工判断的验收方式，该方法提高了清底验收的客观性和数据留存能力；

48、4.通过在初始阶段依靠声呐建立统一局部坐标系，并在最终浇筑后将封底混凝土顶面三维模型与清底后基底三维模型在该同一坐标系下进行空间配准作差，使得封底实际厚度能够被精确计算与空间定位，从而实现了厚度不足区域缺失体积的自动提取并指导目标导管执行靶向补灌，彻底解决了水下封底质量难以验证、易产生薄弱漏水点且无法溯源闭环的技术痛点。