裝配式車輛段蓋板架設裝備方案及關鍵技術研究

原貞華

中鐵工程機械研究設計院有限公司 武漢 430066

0 引言

裝配化建筑因其效率高、綠色節(jié)能以及標準化設計施工、信息化管理等優(yōu)勢日益成為建筑工業(yè)的發(fā)展趨勢。國外發(fā)達國家建筑工業(yè)體系發(fā)展較為成熟，利用工業(yè)化生產方式建造了大量的預制型裝配式建筑產品，廣泛應用于工業(yè)與民用建筑。我國裝配式建筑起步于20世紀50年代，較長一段時間都處于向前蘇聯(lián)學習工業(yè)化的階段，發(fā)展較為滯緩。近年來，隨著裝配式建筑的優(yōu)點得到越來越多人的重視，在國家發(fā)改委、住建部等部門的轉型和改革下，加快推動了建筑工業(yè)化，在部分城市積極出臺了推進裝配式建筑的指導性政策和建議。

目前，地鐵車輛段因其施工環(huán)境復雜，結構形式多變，在國內外暫無相關的裝配化完工案例。地鐵車輛段主要結構形式由立柱、蓋板構件組成，其中蓋板構件又分為縱梁、橫梁及節(jié)點等，如圖1所示。通過分析車輛段的特點，采用立柱現(xiàn)澆，蓋板結構（縱梁及梁片），裝配化施工方式使得現(xiàn)場施工和廠內施工能同步推進，極大地縮短了整個車輛段的建設周期，該施工方式的特點為：1）底板、蓋板上因不同的功能存在各種高低臺階以及鏤空孔洞等；2）縱梁、橫梁規(guī)格多樣，且在局部位置的梁片姿態(tài)各不相同；3）立柱間距不等；4）蓋板構件載荷承載能力較小；5）現(xiàn)場施工工序較多，不僅存在裝配工序，還存在現(xiàn)澆、土方開挖以及后續(xù)的鋪軌、電裝等工序；6）現(xiàn)場施工中存在有塔式起重機（以下簡稱塔機）等其他建造設備。

1 項目技術難點

針對裝配化車輛段的相關特點，施工存在的技術難點包括：

1）裝配施工工法的確定 現(xiàn)場施工存在土方開挖、底板，疊合層現(xiàn)澆以及后期的鋪軌、電裝等多個工序。為了整體的建設周期得以最大限度地縮短，提高效率，需蓋板裝配施工和上述工序同時展開，施工過程中相互之間不能有較大沖突。故裝配施工工法的確定要綜合考慮上述特點。

2）施工設備行走靈活性需求 車輛段整體區(qū)域面積橫向600 m、縱向250 m，車輛段底板以及蓋板上存在各種臺階、鏤空等狀況，具體如圖2、圖3所示。因此，需要施工設備具有較強的靈活性，不僅可以橫向、縱向走行，且需具備過坎、過鏤空的能力。

3）施工載荷的控制 梁片的承載有限，以廣州某車輛段為例，單片梁片的最大承載不得超過50 t，如何使設備在架梁過程中的載荷不超過梁片的允許承載是關系到整個施工工法、施工設備可行性最重要的決定性因素。

4）吊具的適應性 每列梁片的長度不一致，長度范圍2.5 ～18 m，共有200多種各種規(guī)格的梁片，且梁片的擺放也不相同，故需要吊具具有很好的適應性。

5）施工設備的配合協(xié)調性 現(xiàn)場存在塔機等施工設備，如何盡可能減少與塔機等施工設備的相互影響是關系到整個施工效率的關鍵性因素。

2 總體方案和作業(yè)原理

2.1 裝配化施工工法

不同于以往鐵路橋梁的線性施工，車輛段整個裝配化施工呈現(xiàn)的是面施工的特點，且裝配化施工過程中不會存在場地的完全提供，而是需要與土方開挖、現(xiàn)澆結構等工序交叉作業(yè)。此外，蓋板結構架設完成后，縱梁與縱梁之間存在節(jié)點需要澆筑，蓋板上方會有一層約20 cm的疊合層需要澆筑，通過節(jié)點和疊合層的澆筑，使蓋板構件連成整體才具有承載能力，進而才有繼續(xù)施工的條件。車輛段底板及上層結構上都存在有臺階、鏤空等環(huán)境，立柱澆筑完成后，立柱上方會有一定高度的預埋筋。

基于場地情況以及結構的特點，傳統(tǒng)的施工設備站位在同一層面施工會存在2個問題：1）設備支腿站位所處的列，梁片無法架設，導致梁片裝配不能連續(xù)，影響現(xiàn)澆工作；2）施工設備不具備過坎、過鏤空等能力。

因此，最終確定采用的邊裝配邊澆筑的施工工法，具體步驟為：單端支腿站位在上方已澆筑梁片上，單端支腿站位在下方，整個設備跨3列梁片，結合土方開挖情況，先橫向裝配跨內梁片，架設的過程中，后方已架梁片的澆筑工作隨之展開；待跨內梁片架設完成后，返回最初的架設位置，此時該處的節(jié)點及疊合層已澆筑完成，并達到了等強要求，設備在此處縱移至下列，上方支腿站位在上一次架設并澆筑等強后的梁片上。依次按照上述方式往前推進。直至所有梁片全部架設完成。梁片的運輸采用運梁車帶梁直接開上首層結構至設備下方。

2.2 該施工工法的特點及優(yōu)勢

1）整個施工是穩(wěn)步推進的方式，各個施工工序在空間上是相互錯開的，裝配施工能較好地銜接土方開挖、現(xiàn)澆等其他工序的作業(yè)。前方的土方開挖不會影響后方的架梁，且現(xiàn)澆工作是在已架梁片區(qū)域施工，架梁工作不會影響后方的現(xiàn)澆施工。

2）該施工工法不存在傳統(tǒng)門式起重機或其他設備支腿站位處的梁片無法架設，導致后續(xù)有大量的梁片需補位的問題。

3）該施工工法對于設備縱向走行更靈活。站位在下層的支腿縱移時需通過已澆筑的立柱，而立柱的排布不均勻。該施工工法下，設備能在整列下尋得一處適合通過的區(qū)域。

2.3 施工設備

2.3.1 整機參數(shù)的確定

結合架設梁片的效率、現(xiàn)澆工作面的展開以及現(xiàn)澆的效率，與設計院、施工單位進行溝通。整個設備橫跨3列梁片，支腿踩位及運梁通道占據(jù)1列已澆筑梁片，架設2列梁片，下層支腿站位1列，根據(jù)車輛段結構，整個跨度達到69 m。主梁采用桁架結構，能減少整機質量，減小設備的迎風面積，增加整機的穩(wěn)定性。根據(jù)設計院和施工方提供的數(shù)據(jù)，層高在12 m，梁高2.5 m，塔機最低位高16 m，考慮設備本身的吊具高度1.35 m及站位高度，整個設備的起升高度設計為20 m。根據(jù)設計院提供的最大梁重117 t，選定額定起重量為120 t。

2.3.2 臺階及鏤空的處理

整機橫向走行及縱向走行過程中，上層支腿和下層支腿都會存在碰到臺階或鏤空的工況。針對這種情況，考慮采用單端設置4條支腿，共8條支腿的結構形式，支腿的基距錯位設置，且每條支腿采用伸縮柱形式，設置有升降液壓缸，當設備走行到臺階位置時，通過依次提升支腿并越過臺階，使支腿站位在臺階上或支撐到鏤空下一層。

2.3.3 過塔機、架設第2層

采用平頭塔機，整機走行過程中遇到塔機時，將其降低至最低位，并將其大臂方向垂直于設備主梁方向，同時頂升設備主梁至最高點，使設備從塔機上方通過。通過后將塔機升高，設備開始另外一側的架設。整個過程有效地避免了塔機、設備的拆裝，節(jié)省了施工時間。

針對雙層車輛段，在設備架設完一層后，采用兩端支腿頂升的方式將設備升高開始第2層的施工。因此，考慮將8條支腿做成通長的伸縮柱，便于設備的支腿在不同層之間的踩位。

結合前述需求，支腿的伸縮行程達到12 m。其具有2個功能特點：1）當過臺階、過鏤空時，主要是支腿單獨提升，此時主梁不動、支腿動作。2）當需要支腿主動頂升主梁，抬高主梁高度時，此時為支腿不動、主梁提升。此外，整機還需橫向和縱向移動，通過對工況分析，舍棄卷揚鋼絲繩提拉、齒輪齒條嚙合等形式，采用液壓缸伸縮的方式。由于伸縮行程較大，故整個主梁升降采用轉換套步履爬升方式。

2.3.4 載荷的控制

梁片的承載有一定的范圍，為了使載荷滿足要求，利用單端的4條支腿下方輪組的均衡液壓缸進行頂升調節(jié)，能夠較好地分配各條支腿的載荷，從而達到要求。

同時為了使支腿盡可能地站位在多片梁片上，將支腿下方的輪組以及車架設置轉向功能，當下方站位的梁片方向不同時，可以通過輪組或車架的轉向實時調整站位姿態(tài)。

2.3.5 不同列寬的考慮

前支腿和中支腿采用托掛輪形式與主梁連接，通過升降液壓缸提升前支腿或后支腿，利用掛輪走行使前支腿或中支腿在主梁的相對位置發(fā)生變化。當遇到列寬不同時，通過調整前、中支腿的位置，避免與立柱發(fā)生干涉。

2.3.6 梁片的架設

針對梁片的不規(guī)則排列以及規(guī)格不一的情況，將吊具設計為單點帶回轉結構，同時，吊具上設置有橫向和縱向調平液壓缸，吊具下方設置滑道，2吊點通過在滑道上進行無級調節(jié)，適應不同梁長的吊裝。同時起重小車具有橫移功能，能實現(xiàn)架設時對梁片進行微調，且能在整機不動的情況下實現(xiàn)多片梁片的架設，提高整機效率。

根據(jù)上述分析，確定了施工設備的整體框架，主要組成有主梁、起重小車、前輔助支腿、前支腿、中支腿、后支腿、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、走臺欄桿等，其結構如圖4所示，性能參數(shù)如表1所示。

表1 主要性能參數(shù)

3 關鍵技術

3.1 整機走行同步性控制

整機跨度最大達到69 m，且起升高度達到20 m，8條支腿均為細長桿件，整機在橫向和縱向走行過程中，為防止結構受扭，對同步性的要求非常嚴格。但設備在基坑內的位置以及周邊環(huán)境是變化的，無法在基坑內找到固定的參照物作為基準來校驗同步性。為了精準地掌握兩側支腿走行的同步性。在以往編碼器加變頻控制的方式上，引入了北斗定位糾偏系統(tǒng)。

在設備橫向運行前，通過北斗導航獲取設備首尾兩端的坐標值，并根據(jù)這2個坐標值計算出機身的初始斜率。在橫向運行過程中，實時獲取兩端的坐標值，得到機身的實時斜率。將實時斜率與初始斜率進行比較，根據(jù)斜率的變化通過變頻控制走行電動機的速度，直到斜率基本一致。利用北斗導航能將坐標值的精度控制在10 mm以內，極大地滿足了設備同步性的要求。

同時，為了保證支腿長細桿結構的整體穩(wěn)定性，在設備上安裝有支腿垂直度檢測裝置，當支腿垂直度值超過設計允許值時，能使得設備立即停止并調整支腿的姿態(tài)。

3.2 支腿載荷控制

支腿載荷的控制有2種方式：一種為被動溢流方式，通過設定8條支腿的均衡液壓缸的溢流值，當某條支腿的載荷超過設定的溢流閾值時，液壓缸溢流收縮，從而使此處的支撐點下沉，增加其他支腿承載。該方式存在的問題是：1）4條支腿載荷的分擔不確定，每條支腿的載荷不夠明確，整個結構是動態(tài)的平衡的過程。2）每次裝配梁片時，8條支腿的液壓缸均會慢慢往下落，直至均衡液壓缸收縮到底。當均衡液壓缸收縮到底時，則是液壓缸結構受力，使得檢測的載荷存在錯誤的狀況。故每次都需要對均衡液壓缸進行歸零操作。

另一種為主動頂升的控制模式，如圖5所示，通過對最外端2套支腿設定1個初始承載，并通過輪組均衡液壓缸的伸縮以達到該載荷要求。在架梁過程中，當該支腿的載荷發(fā)生變化時，通過系統(tǒng)控制均衡液壓缸進行實時調整。整個控制系統(tǒng)采用閉環(huán)的控制模式，使得該支腿的載荷控制精度更高，從而滿足使用工況的需求。相比被動溢流，主動頂升控制模式下，支腿結構受力更為明確，整機狀態(tài)也相對更清晰。

通過對比分析，設備采用主動頂升模式。同時，在每個輪組的均衡液壓缸上設置有行程檢測傳感器。該傳感器的設置能較好地判斷均衡液壓缸的行程，且能更好、更精準地得到支腿載荷，使誤差更小。

3.3 整機的輕量化設計

由于梁片的承載能力小，而設備外形尺寸達到80 m×20 m×24 m（長×高×寬），使得設備的輕量化設計尤為關鍵。同時，整機穩(wěn)定性也需保證，特別是對于支腿這類長細桿壓彎構件來說尤為重要。

為了解決該問題，整機設計上采用了薄壁高強度鋼，通過薄壁大截面維持整體穩(wěn)定性，并利用加筋等方式來處理局部穩(wěn)定性的問題。主梁采用高強度鋼桁架結構，為有效減輕起重小車自重，將起升卷揚布置在兩端。

3.4 智能信息化設計

針對設備長細桿件多、周邊施工環(huán)境復雜等特點，設備的相關監(jiān)測裝置顯得尤為關鍵。整機除配備有常規(guī)的電動機編碼器、起升高度限位等外，還配有TIKS智能輪胎管理系統(tǒng)、支腿載荷智能分配系統(tǒng)、支腿垂直度檢測、主梁水平度檢測等檢測傳感器，如圖6所示。此外配置了多個微型攝像頭用于自動插銷的狀態(tài)監(jiān)控，高像素槍機攝像頭布置于每條支腿及小車上，用于施工作業(yè)區(qū)域的監(jiān)視。

通過傳感器及監(jiān)控裝置實現(xiàn)整機智能糾偏、小車智能糾偏、前/中支腿掛輪智能糾偏、起升自動同步、超載起升自動報警、超高起升自動停機、防施工載荷超限、防整機傾覆、支腿插銷防護、小車防撞保護等功能。同時根據(jù)設備運作時的各關鍵部位、各重要階段，設置了檢測信號優(yōu)先級，信號分為預警和報警狀態(tài)2種，一旦出現(xiàn)異常，無需人工干預，設備立即保護，主動停機，大大提升了安全性，同時減少了施工監(jiān)護人員。

為了實現(xiàn)車輛段施工的信息化管理，根據(jù)車輛段施工特點設置了遠程集中控制平臺。在現(xiàn)場附近設置集控中心，利用有線或無線通訊網絡將現(xiàn)場設備和集控中心連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻、語音信息的互聯(lián)互通。采用和現(xiàn)場司機室內一致的操作臺，包括操作手柄、按鈕、設備狀態(tài)顯示器、視頻顯示器等，實現(xiàn)全過程的數(shù)據(jù)、視頻的可視化，對現(xiàn)場設備進行遠程集中監(jiān)控和施工信息的統(tǒng)一協(xié)調管理?？蓪崿F(xiàn)：1）對設備的自身運行狀態(tài)實時監(jiān)測，排除各類風險點；2）對各類設備地理位置、工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控；3）建立設備從入場到出場的全生命周期的電子檔案；4）結合工程計劃，根據(jù)設備的工作狀態(tài)，合理調配工作任務，協(xié)同高效作業(yè)。

4 結語

裝配式建筑作為國家今后發(fā)展方向，目前由于缺少相關的經驗、案例，使得裝配化車輛段的設計、施工、管理等等暫無相關的執(zhí)行標準。本文提出了一套完整的裝配化車輛段的施工設備及施工工法，成功應用于廣州某地鐵車輛段的裝配化施工。填補了該領域的一項空白，對于后續(xù)車輛段的裝配化設計標準的定制具有重要的意義，同時也為后續(xù)的裝配化車輛段的施工提供了可靠的施工經驗和方法。