吸附式植筋鉆孔自動化設(shè)備的探索與研究

陳 琦（1.上海隧道工程有限公司，上海 200082；2.上海盾構(gòu)設(shè)計試驗(yàn)研究中心有限公司，上海 200137）

目前，超大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工中，需要大量人力施工的項(xiàng)目有管片襯砌結(jié)構(gòu)螺栓安裝、管片襯砌及道路板接頭植筋鉆孔。為提高項(xiàng)目整體的機(jī)械化施工程度，需要進(jìn)行“管片襯砌及道路板接頭植筋鉆孔”的施工機(jī)械化，使現(xiàn)場施工人員通過植筋鉆孔機(jī)械設(shè)備進(jìn)行鉆孔操作。而“管片襯砌及道路板接頭植筋鉆孔”在隧道管片的內(nèi)弧面（圖1），植筋鉆孔設(shè)備若要替代人力施工，就需要滿足不同角度的鉆孔方向。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)及隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工，隧道空間結(jié)構(gòu)有限，植筋鉆孔設(shè)備需要便攜小巧。

圖1 植筋鉆孔的位置及其施工環(huán)境

1 現(xiàn)有設(shè)備調(diào)查研究

根據(jù)論文及專利搜索調(diào)研現(xiàn)有的一些植筋鉆孔設(shè)備，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)植筋鉆孔機(jī)械普遍采用 2 種方法。

(1) 杠桿機(jī)械臂式。該原理是制作一個手扶控制的機(jī)械臂（圖2），用長條形木方拼接成一個平行四邊形，平行四邊形 4 個角的關(guān)節(jié)點(diǎn)均采用螺栓連接，可以通過控制操作架下端部位扶手，利用杠桿原理讓力的方向發(fā)生改變，使固定在操作架頂端的沖擊鉆進(jìn)行有效的鉆孔作業(yè)[1]。

圖2 杠桿機(jī)械臂式植筋鉆孔裝置

(2) 移動車架式。移動車架式植筋鉆孔設(shè)備是將移動機(jī)構(gòu)、植筋鉆孔機(jī)構(gòu)以及一些輔助機(jī)構(gòu)集成在車架上（圖3），可移動且自動化程度高，能夠快速地進(jìn)行橋面或地面植筋鉆孔，適用于橋面或地面加固改造時進(jìn)行大面積植筋。

圖3 移動車架式植筋鉆孔裝置

根據(jù)上述的調(diào)研結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的植筋鉆孔設(shè)備體積較大，自動化程度不高，且需要多人配合。并且在隧道中植筋鉆孔時，隧道管片成弧形，無法簡單有效地固定設(shè)備，所以在設(shè)計中需要考慮到植筋鉆孔設(shè)備在隧道中的適應(yīng)性。

2 研究設(shè)計方向

在設(shè)計研究吸附式植筋鉆孔自動化設(shè)備時，需要滿足以下要求：① 適應(yīng)隧道中的植筋鉆孔環(huán)境；② 自動化施工；③ 便攜靈巧。

根據(jù)上述的要求，設(shè)計研究了吸附式植筋鉆孔機(jī)，其采用了真空吸盤、電動缸及沖擊鉆的集成形式（圖4）。

圖4 吸附式植筋鉆孔機(jī)

真空吸盤是為了滿足整個設(shè)備臨時固定在隧道管片內(nèi)部表面上，適應(yīng)隧道中的植筋鉆孔環(huán)境。沖擊鉆一般情況下振動反力約為 400～500 kN，而單個真空吸盤能達(dá)到 980 kN的吸附力，不僅滿足吸附在管片之上提供支座反力，同時真空吸盤其橡膠的柔性材質(zhì)，能夠在鉆孔過程中減小震動，并且不會破壞被吸附表面?？紤]到隧道管片表面的粗糙程度不一致，可能對真空吸盤的氣密性有些許影響，在氣路設(shè)計中，對每個真空吸盤分開控制及監(jiān)測（圖5），使得設(shè)備吸附在管片上時具有安全性、可靠性。

圖5 真空吸盤氣路設(shè)計

電動缸作為執(zhí)行元件，給沖擊鉆提供進(jìn)給力，同時電動缸作為一種新穎的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有諸多方面的優(yōu)點(diǎn)，例如傳動效率高、定位精確、響應(yīng)快、控制精確[2]。在植筋鉆孔過程中能夠?qū)崟r檢測鉆孔的進(jìn)給力以及鉆孔深度，再通過 PLC 進(jìn)行控制，能夠行程自動化控制。

在框架的設(shè)計上采用高強(qiáng)度鋁合金，在強(qiáng)度的允許下盡可能地減小重量。在制造裝備之后對該設(shè)備進(jìn)行稱重，其自重為 31.5 kg（包括沖擊鉆），能夠滿足單人攜帶及操作。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在吸附式植筋鉆孔機(jī)制造裝配完成之后，對該設(shè)備進(jìn)行最不利工況下模擬試驗(yàn)。測試真空吸盤的可靠性以及植筋鉆孔的效率。

通過模擬試驗(yàn)共計鉆孔 10 個，花費(fèi)時間 27 min，鉆孔合格率 90%，合格孔洞的深度精度達(dá)到 ±1mm。其中未合格原因?yàn)椋褐步钽@孔過程中檢測遇到鋼筋，電動缸自行復(fù)位，未達(dá)到指定鉆孔深度。產(chǎn)品性能穩(wěn)定，具備施工現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

通過對吸附式植筋鉆孔自動化設(shè)備的探索與研究，開拓了一條新的植筋鉆孔設(shè)計思路：利用真空吸盤吸附在被鉆孔物體表面作為一種臨時固定的方式，并使用電動缸作為執(zhí)行元件同時能夠?qū)崟r反饋各項(xiàng)鉆孔數(shù)據(jù)，再通過 PLC 檢測控制實(shí)現(xiàn)自動化控制。吸附式植筋鉆孔機(jī)作為本課題的產(chǎn)物，不僅使用與隧道結(jié)構(gòu)施工，同樣可以使用于建筑物墻面、橋梁以及高空作業(yè)中的植筋鉆孔施工中，減輕施工工人的工作強(qiáng)度，加強(qiáng)施工工人們的作業(yè)安全，提高了植筋鉆孔的機(jī)械化程度。