鋼殼混凝土沉管管節(jié)智能澆筑技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

嵇廷，張文森，陳志軍

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230;2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

我國(guó)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始采用沉管隧道技術(shù)，目前已建或在建的沉管隧道工程中僅深圳至中山跨江通道（簡(jiǎn)稱“深中通道”）海底隧道采用鋼殼混凝土沉管結(jié)構(gòu)形式[1]。鋼殼混凝土沉管是一種重要的沉管結(jié)構(gòu)形式，采用鋼殼外包于混凝土的內(nèi)外表面[2]，也稱為“三明治結(jié)構(gòu)”[3]，并在結(jié)構(gòu)體內(nèi)采用自密實(shí)混凝土填充。世界上已建成的鋼殼混凝土沉管隧道，管節(jié)預(yù)制工序很長(zhǎng)一段時(shí)間都占用在關(guān)鍵路徑上，原因之一是需要進(jìn)行高流動(dòng)性混凝土質(zhì)量控制，每個(gè)90～100 m長(zhǎng)的鋼殼混凝土管節(jié)預(yù)制時(shí)間約需要17個(gè)月[4]，未見(jiàn)采用智能澆筑技術(shù)相關(guān)報(bào)告。在國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼殼自密實(shí)混凝土沉管預(yù)制的研究和應(yīng)用較少，僅港珠澳大橋工程沉管隧道最終接頭采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，總混凝土方量約1280 m3，大部分采用免振搗混凝土，采用常規(guī)的混凝土拖泵+泵管輸送布料方式進(jìn)行施工[5]。為保障深中通道海底沉管隧道全過(guò)程高質(zhì)量建設(shè)，提出了“標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、裝配化、智能化、精細(xì)化”建設(shè)理念[6]。

深中通道管節(jié)數(shù)量多、混凝土體量大、工期緊，依靠傳統(tǒng)的施工方法和設(shè)備難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。預(yù)制關(guān)鍵在鋼殼自密實(shí)混凝土澆筑，自密實(shí)混凝土具有高流動(dòng)、免振搗的優(yōu)點(diǎn)，但是自密實(shí)混凝土對(duì)原材料、施工環(huán)境條件、設(shè)備、參數(shù)和施工時(shí)間等敏感性更強(qiáng)，施工質(zhì)量控制難度更大。正亦如此，對(duì)深中通道沉管提出了智能澆筑的應(yīng)用需求。

1 工程概況

深中通道沉管隧道是世界上最寬的超長(zhǎng)海底沉管隧道工程，是國(guó)內(nèi)首次采用鋼殼混凝土沉管隧道方案，工程設(shè)計(jì)使用年限為100 a，沉管段長(zhǎng)5035 m，由32個(gè)管節(jié)和1個(gè)最終接頭組成，其中22個(gè)管節(jié)在桂山島沉管預(yù)制場(chǎng)澆筑。預(yù)制場(chǎng)設(shè)置生活區(qū)、辦公區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)區(qū)又分為卸駁碼頭、卸駁區(qū)、攪拌站及堆場(chǎng)、澆筑（廠房）區(qū)、淺塢區(qū)、深塢區(qū)和塢口區(qū)，預(yù)制場(chǎng)平面布置如圖1所示。總體工藝流程：鋼殼沉管整體上岸，縱移到澆筑區(qū)進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆筑，澆筑完成后的管節(jié)整體縱移至淺塢區(qū)進(jìn)行一次舾裝，再進(jìn)行灌水橫移至深塢區(qū)進(jìn)行二次舾裝，最后運(yùn)抵隧址附近進(jìn)行安裝。其中，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165 m，其橫斷面尺寸為46 m×10.6 m。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)劃分為2255個(gè)獨(dú)立倉(cāng)格，方量在3.4～23.7 m3不等。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)鋼殼重12000 t，自密實(shí)混凝土方量約29000 m3，預(yù)制完成后管節(jié)重約80000 t。

圖1 預(yù)制場(chǎng)平面布置示意圖Fig.1 Plan layout of prefabrication yard

2 智能澆筑體系架構(gòu)

智能工廠不僅要在生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、透明化、可視化、精益化，而且要在產(chǎn)品檢測(cè)、質(zhì)量檢驗(yàn)和分析、生產(chǎn)物流等環(huán)節(jié)與生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)集成。鋼殼混凝土管節(jié)澆筑作業(yè)主要工序有自密實(shí)混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、檢測(cè)和澆筑，鋼殼混凝土沉管智能澆筑體系架構(gòu)主要分為設(shè)備端、數(shù)據(jù)采集端、智能控制端、網(wǎng)絡(luò)通信端和用戶展示端，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的智能化生產(chǎn)。智能澆筑體系如圖2所示。

圖2 自密實(shí)混凝土智能澆筑體系示意圖Fig.2 Sketch map of intelligent casting system of self-compacting concrete

設(shè)備端主要包括攪拌站、攪拌車、智能澆筑裝備和泵送設(shè)備及泵送管道等；數(shù)據(jù)采集端主要是通過(guò)多種傳感器把現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至管理系統(tǒng)，主要包括攪拌站數(shù)據(jù)、澆筑機(jī)數(shù)據(jù)、拖泵數(shù)據(jù)、液位儀數(shù)據(jù)、攪拌車數(shù)據(jù)以及輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)等；智能控制端包括各類監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件，主要有攪拌站操作系統(tǒng)、澆筑工控系統(tǒng)、攪拌車監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等；網(wǎng)絡(luò)通信端涵蓋全過(guò)程的數(shù)據(jù)傳送和通訊，包括內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信和對(duì)外網(wǎng)絡(luò)通信；展示客戶端針對(duì)不同用戶指定不同的展示需求，根據(jù)需求展示澆筑全過(guò)程的動(dòng)態(tài)施工數(shù)據(jù)；涉及到諸多施工人員，包括攪拌站操作人員、攪拌站試驗(yàn)專業(yè)人員、攪拌車司機(jī)，拖泵操作人員、卸料工人、混凝土性能檢測(cè)人員、澆筑機(jī)操作人員、管理人員、調(diào)度員及其他輔助工種等。

3 智能澆筑體系建立

3.1 智能澆筑裝備研發(fā)

傳統(tǒng)的土木行業(yè)的產(chǎn)品復(fù)雜多樣，鋼殼混凝土澆筑在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上也未采用工業(yè)機(jī)器人以及智能裝備的先例，本項(xiàng)目進(jìn)行了針對(duì)性地研發(fā)。根據(jù)前期研究成果[7]，鋼殼自密實(shí)混凝土澆筑需精確控制澆筑速度、下落高度和停止時(shí)機(jī)，混凝土液面距離頂板20 cm之前，澆筑速度30 m3/h左右，倉(cāng)格澆筑接近完成時(shí)，需適當(dāng)?shù)亟档蜐仓俣?，如?所示。

表1 澆筑速度表Table 1 Casting speed

研發(fā)首例智能澆筑裝備，見(jiàn)圖3，實(shí)現(xiàn)的澆筑功能有：1）智能澆筑參數(shù)控制，澆筑機(jī)與拖泵聯(lián)動(dòng)，利用無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)雙向信息互通，實(shí)現(xiàn)一鍵澆筑的功能，根據(jù)自密實(shí)混凝土液面反饋回來(lái)的信息及時(shí)精準(zhǔn)調(diào)整澆筑速度、下落高度，澆筑完成后自動(dòng)停止作業(yè)，待工位作業(yè)結(jié)束后還可自動(dòng)行走到下一工位；2）自動(dòng)尋孔，智能澆筑順序集成通過(guò)澆筑順序?qū)爰叭c(diǎn)示教確認(rèn)后，經(jīng)過(guò)內(nèi)網(wǎng)傳輸給智能澆筑設(shè)備進(jìn)行智能澆筑，在自動(dòng)尋孔的任務(wù)界面上，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)倉(cāng)格的澆筑順序。在一個(gè)倉(cāng)格澆筑結(jié)束后自動(dòng)尋址到下一個(gè)預(yù)設(shè)的倉(cāng)格；3）實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，封閉空間澆筑過(guò)程可視化、施工參數(shù)數(shù)字化，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋回中控電腦，同時(shí)具備輔助功能如行走、定位、報(bào)表功能，將液位高度、澆筑高度、澆筑速度、澆筑時(shí)間、已澆筑方量、待澆筑方量等反饋至智能澆筑系統(tǒng)，并根據(jù)管節(jié)模型內(nèi)的數(shù)據(jù)包括倉(cāng)格方量、尺寸、倉(cāng)格編號(hào)等形成演示二維動(dòng)畫，能根據(jù)澆筑高度實(shí)時(shí)編號(hào)，生成下落高度、澆筑速度曲線，將所有關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在界面中；4）預(yù)警功能，包括自身設(shè)備作業(yè)安全預(yù)警以及施工參數(shù)異常的預(yù)警。設(shè)有電子圍欄，可以防止臂架碰撞到周邊物體，當(dāng)澆筑機(jī)距離障礙物過(guò)近時(shí)可自動(dòng)觸發(fā)急停裝置并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3 智能澆筑裝備Fig.3 The intelligent casting equipment

3.2 攪拌站升級(jí)改造

為適應(yīng)智慧工廠建設(shè)需求，攪拌站進(jìn)行了硬件和信息化建設(shè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程數(shù)字化，對(duì)原材料、配合比、稱量數(shù)據(jù)及混凝土質(zhì)量等方面進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控。為保障混凝土的生產(chǎn)精準(zhǔn)，生產(chǎn)前專業(yè)人員會(huì)對(duì)原材進(jìn)行檢測(cè)及混凝土試配工作，決定當(dāng)班的生產(chǎn)配合比，只有精準(zhǔn)地按照配合比的要求進(jìn)行拌和才能保障混凝土質(zhì)量穩(wěn)定可控。系統(tǒng)對(duì)拌合站每一盤混合料生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，混凝土原材一旦超標(biāo)，實(shí)時(shí)信息將發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)管理人員，有助于及時(shí)采取針對(duì)性措施。

系統(tǒng)集成采集了混凝土的生產(chǎn)信息、完成情況、溫度監(jiān)測(cè)、庫(kù)存情況等信息，實(shí)現(xiàn)拌合站操作系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通，加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)過(guò)程控制。通過(guò)混凝土全過(guò)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“事前預(yù)控、事中監(jiān)控、事后提升”全過(guò)程管控。

3.3 混凝土智能檢測(cè)設(shè)備研發(fā)

自密實(shí)混凝土生產(chǎn)后經(jīng)歷2次檢測(cè)，分別在出機(jī)后和入倉(cāng)前，共需檢測(cè)7個(gè)指標(biāo)，其中坍落擴(kuò)展度是最核心指標(biāo)，一般采用人工檢測(cè)鋼尺測(cè)量。研發(fā)的智能混凝土檢測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖4，混凝土擴(kuò)展度識(shí)別系統(tǒng)采用攝像頭拍攝試驗(yàn)過(guò)程，利用人工智能識(shí)別模型來(lái)檢測(cè)自密實(shí)混凝土工作性能，同時(shí)及時(shí)傳送檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)分享及記錄，減少人因誤差，提高檢測(cè)精度和信息傳遞時(shí)效性。

圖4 混凝土擴(kuò)展度智能檢測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Intelligent testing system of concrete extensibility

3.4 調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是基于自密實(shí)混凝土澆筑過(guò)程中每天繁雜的調(diào)度信息工作量，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地較大、設(shè)備多且連續(xù)作業(yè)，自密實(shí)混凝土理論澆筑速度為60 m3/h，意味著調(diào)度員要進(jìn)行約6～12次/h頻率調(diào)度工作，而且要合理調(diào)配，還需要實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)12臺(tái)罐車、4座攪拌站、6套澆筑機(jī)和拖泵的實(shí)時(shí)信息，信息接受、交互和處理工作量巨大，工作內(nèi)容單一且枯燥，對(duì)調(diào)度員的能力和體力都是嚴(yán)峻考驗(yàn)。

調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目的是形成一套監(jiān)控管理平臺(tái)，將各個(gè)功能統(tǒng)一分類，將已有的相關(guān)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)匯集整理，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌調(diào)度。調(diào)度系統(tǒng)集成主要內(nèi)容包括：1）構(gòu)建預(yù)制廠地圖模型，通過(guò)有效的定位手段，顯示主要設(shè)備位置及狀態(tài)的變化；2）通過(guò)與其他供應(yīng)商系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，在監(jiān)控示意圖中圖形化展示包含澆筑機(jī)、攪拌站生產(chǎn)信息、拖泵、攪拌車輛位置及出車時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為實(shí)時(shí)調(diào)度提供直觀參考。

3.5 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

項(xiàng)目新建了5G基站，利用其低時(shí)延的特點(diǎn)，與公網(wǎng)業(yè)務(wù)完全隔離，傳輸鏈路不經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)，距離更短，有效降低時(shí)延，保障數(shù)據(jù)不出園區(qū)，大幅提升網(wǎng)絡(luò)安全。MEC邊緣節(jié)點(diǎn)下沉至企業(yè)內(nèi)部，具有本地服務(wù)、本地計(jì)算的特點(diǎn)，同時(shí)終端、基站、MEC之間和LTE系統(tǒng)的安全機(jī)制相同。終端和MEC雙向認(rèn)證，確保安全性。解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全性低、容量低以及以太網(wǎng)移動(dòng)性差的難題。MEC部署在企業(yè)機(jī)房，作為網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺(tái)，將智能中控大廳系統(tǒng)整體上MEC云，構(gòu)建云端的統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4 智能澆筑的成效

基于智能澆筑技術(shù)，深中通道鋼殼混凝土沉管澆筑主要取得了以下成效：

1）有效地提高了澆筑質(zhì)量。鋼殼混凝土沉管預(yù)制完成后，采用沖擊映像法和中子法相結(jié)合的檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)，已澆筑完成的E1～E12管節(jié)，共約36萬(wàn)m3自密實(shí)混凝土，約27060個(gè)倉(cāng)格，檢測(cè)出超過(guò)脫空標(biāo)準(zhǔn)需要補(bǔ)強(qiáng)的測(cè)點(diǎn)為2個(gè)，占比不到萬(wàn)分之一，質(zhì)量保障率達(dá)到99.99%。

2）極大地提高了工效。深中通道沉管澆筑中首次采用智能化設(shè)備和系統(tǒng)，極大地提高了施工工效，澆筑作業(yè)工效穩(wěn)定在28～32 d/節(jié)，管節(jié)預(yù)制工效約45 d/節(jié)，使得自密實(shí)混凝土澆筑作業(yè)已不是工期控制關(guān)鍵因素。

3）節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)操作人員。采用鋼殼自密實(shí)混凝土智能澆筑裝備，節(jié)省操作工人約40%，減少現(xiàn)場(chǎng)管理人員約20%，極大降低了人員的工作強(qiáng)度，提升了工作效率；

4）降低了廢料率。鋼殼混凝土沉管全過(guò)程管控信息系統(tǒng)應(yīng)用后，提升了自密實(shí)混凝土品質(zhì)，提高了澆筑效率和質(zhì)量，降低了廢料率，因?yàn)榛炷辽a(chǎn)和調(diào)度原因造成的混凝土損耗減少了約57%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)深中通道沉管智慧工廠建設(shè)實(shí)踐，遵循以需求為導(dǎo)向的原則，服務(wù)一線生產(chǎn)管理人員，切實(shí)利用信息化手段輔助施工、智能裝備替代或部分替代繁雜的人工操作。將原混凝土澆筑的人工和半自動(dòng)化控制提升為智能化設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，有效地降低人工干預(yù)可能引起的施工偏差，提高了施工質(zhì)量。智能裝備的使用也提高了整個(gè)施工工效，精準(zhǔn)地控制降低了混凝土的損耗。提高了工效和質(zhì)量，從而加快了工作流程運(yùn)轉(zhuǎn)速度，便于現(xiàn)場(chǎng)控制、統(tǒng)計(jì)、分析，提升項(xiàng)目管理水平，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的社會(huì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。建設(shè)過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1）鋼殼沉管預(yù)制在國(guó)內(nèi)屬于首例，預(yù)制智慧工場(chǎng)建設(shè)沒(méi)有先例，需結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)；

2）需加強(qiáng)智慧工廠總體建設(shè)規(guī)劃，各系統(tǒng)的建立相對(duì)較為獨(dú)立，系統(tǒng)之間貫通工作量和難度較大；

3）智能設(shè)備和監(jiān)測(cè)元器件的大量使用，減少了人工、提高了工效，但也增加了后續(xù)的維護(hù)工作量，應(yīng)盡量采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)元器件，保證足夠的維護(hù)資源；

4）智慧工廠內(nèi)部以及對(duì)外傳送數(shù)據(jù)信息量較大且頻繁，需要同步考慮網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的穩(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。