大直徑隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)智能拼裝設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用

趙 旭/ZHAO Xu

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003）

近年來(lái)，隨著隧道施工技術(shù)的發(fā)展，大直徑、超大直徑隧道工程越來(lái)越多，隧道成型后，在隧道內(nèi)利用墻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分隔，形成多層多跨結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足行車、維護(hù)、管線布置等多種功能，節(jié)省空間、節(jié)約資源、降低成本。傳統(tǒng)的隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工多采用現(xiàn)澆模式，施工環(huán)境差、效率低、質(zhì)量難以控制。隨著預(yù)制拼裝技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)也開(kāi)始采用預(yù)制拼裝技術(shù)[1-7]。

本文依托上海軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝施工需求，研發(fā)了弧形件智能拼裝機(jī)和中隔墻智能拼裝機(jī)，集成了行走控制系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、智能化及信息化系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制弧形件和中隔墻的高精度、自動(dòng)化、智能化拼裝，極大提高了施工效率和施工質(zhì)量，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 工程概況

上海軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程JXCSG-11 標(biāo)度假區(qū)站-凌空路轉(zhuǎn)換井區(qū)間位于浦東新區(qū)，區(qū)間隧道全長(zhǎng)4 721m，管片外徑13.6m，內(nèi)徑12.5m，采用1 臺(tái)直徑?14.04m 泥水平衡盾構(gòu)施工。隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用全預(yù)制拼裝，包括下部結(jié)構(gòu)（弧形件）、中隔墻、頂部連接件、疏散平臺(tái)和電纜溝槽。隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 拼裝設(shè)備設(shè)計(jì)方案研究

2.1 預(yù)制拼裝工藝要求

1）設(shè)備可靠性要求 弧形件單節(jié)重量36.35t，中隔墻單節(jié)重量22.65t。構(gòu)件異形，尺寸、重量大，對(duì)拼裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)承重、平衡設(shè)計(jì)及耐用程度等的可靠性要求較高，如圖2 所示。

圖2 弧形件、中隔墻結(jié)構(gòu)示意圖

2）高精度控制要求 全預(yù)制拼裝工藝對(duì)每塊預(yù)制構(gòu)件的拼裝精度要求較高，防止因累積誤差導(dǎo)致后序預(yù)制構(gòu)件無(wú)法拼裝或無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求?；⌒渭椭懈魤Φ钠囱b精度要求如表1、表2 所示。

表1 弧形件拼裝精度要求

表2 中隔墻拼裝精度要求

如此異形超重構(gòu)件的拼裝精度要達(dá)到毫米級(jí)，對(duì)拼裝設(shè)備元器件的選型要求極高，要滿足承重和高精度動(dòng)作的雙重要求。

3）設(shè)備尺寸的要求 由于在隧道內(nèi)部有限空間進(jìn)行作業(yè)，對(duì)設(shè)備的外形尺寸有一定限制?；⌒渭囱b作業(yè)是在盾構(gòu)機(jī)連接橋下部；中隔墻拼裝作業(yè)區(qū)在盾構(gòu)機(jī)拖車尾部成型隧道內(nèi)，隧道兩側(cè)布置有盾構(gòu)施工用的管線和設(shè)備，這些都是設(shè)備外形設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素。

4）規(guī)避工序干擾的要求 弧形件和中隔墻的拼裝作業(yè)是與盾構(gòu)掘進(jìn)同步施工的，因此不能影響盾構(gòu)掘進(jìn)的正常施工工序。

5）設(shè)備穩(wěn)定性要求 弧形件和中隔墻拼裝作業(yè)量大，施工周期長(zhǎng)；隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境相對(duì)較差，需要克服高溫、粉塵、污濁空氣、污水等的不利影響，對(duì)設(shè)備整體及元器件的工作穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性要求較高。

6）設(shè)備安全性要求 有限空間內(nèi)的大型構(gòu)件拼裝作業(yè)，且多工序交叉施工，人員車輛不斷通行，對(duì)設(shè)備自身的安全性能及對(duì)其他作業(yè)的安全保障具有較高的要求。

2.2 智能拼裝機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.2.1 總體設(shè)計(jì)

1）弧形件智能拼裝機(jī) 基于弧形件拼裝工藝要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，弧形件智能拼裝機(jī)總體上采用內(nèi)部穿行式步進(jìn)作業(yè)設(shè)計(jì)方案，設(shè)備主要由主機(jī)架、副機(jī)架、微調(diào)平臺(tái)、液壓系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)等組成?；⌒渭囱b機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 弧形件拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2）中隔墻智能拼裝機(jī) 基于中隔墻拼裝工藝要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，中隔墻智能拼裝機(jī)總體上采用大凈空軌行式側(cè)面抓取拼裝設(shè)計(jì)方案，設(shè)備主要由主架總成、抓取機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)及工作平臺(tái)等部分組成。在中隔墻運(yùn)輸車上配置車載調(diào)節(jié)平臺(tái)，以配合拼裝機(jī)的智能化拼裝作業(yè)。中隔墻拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 中隔墻拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 功能設(shè)計(jì)

1）弧形件智能拼裝機(jī) 弧形件智能拼裝機(jī)具有6 個(gè)自由度姿態(tài)調(diào)整、步進(jìn)姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)步進(jìn)糾偏、微調(diào)平臺(tái)姿態(tài)調(diào)整、弧形件姿態(tài)調(diào)整與拼裝、拼裝機(jī)歸位姿態(tài)調(diào)整等功能；具有自動(dòng)檢測(cè)與感知、自動(dòng)運(yùn)算與分析處理、自動(dòng)決策與動(dòng)作執(zhí)行、人機(jī)交互與信息存儲(chǔ)等智能化功能。

2）中隔墻智能拼裝機(jī) 中隔墻智能拼裝機(jī)具有6 個(gè)自由度姿態(tài)調(diào)整，拼裝架縱向前后、橫向前后、上下伸縮、旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)等微調(diào)功能，整機(jī)自動(dòng)行走定位功能；具有自動(dòng)檢測(cè)與感知、自動(dòng)運(yùn)算與分析處理、自動(dòng)決策與動(dòng)作執(zhí)行、人機(jī)交互與信息存儲(chǔ)等智能化功能。

2.2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用負(fù)載敏感泵與比例多路閥的組合，配合帶位移傳感器油缸，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的精度控制，以及與負(fù)載無(wú)關(guān)的流量控制，并且可多缸復(fù)合動(dòng)作，滿足拼裝機(jī)的各個(gè)動(dòng)作需求。

2.2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于可編程序控制器PLC 開(kāi)發(fā)，通過(guò)PLC豐富的數(shù)字、模擬量接口與相應(yīng)的檢測(cè)終端通信，通過(guò)程序控制各個(gè)液壓油缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)拼裝機(jī)的各個(gè)動(dòng)作執(zhí)行。參與姿態(tài)調(diào)整及拼裝的傳感器精度<1mm，激光測(cè)距傳感器重復(fù)測(cè)量精度0.5mm。

電控總體設(shè)計(jì)包含PLC 主控、各類傳感器、工控機(jī)、液壓油缸、機(jī)械臂視覺(jué)定位系統(tǒng)以及人機(jī)交互的遙控器等部分。弧形件智能拼裝機(jī)動(dòng)作控制邏輯如圖5 所示。

中隔墻拼裝機(jī)動(dòng)作控制邏輯如圖6 所示。

圖6 中隔墻拼裝機(jī)動(dòng)作控制邏輯

2.2.5 智能化及信息化系統(tǒng)

1）自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 針對(duì)弧形件智能拼裝機(jī)，開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)拼裝機(jī)的自動(dòng)化、智能化拼裝。自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采用高精度全站儀結(jié)合定制的精調(diào)標(biāo)架實(shí)現(xiàn)對(duì)弧形件位置和姿態(tài)的精確測(cè)定。精調(diào)標(biāo)架包含兩個(gè)精密棱鏡和高精度傾角傳感器，可精確測(cè)量出待拼裝弧形件初始位置和姿態(tài)；測(cè)量已拼裝弧形件姿態(tài)和成型隧道姿態(tài)，計(jì)算待拼裝弧形件目標(biāo)位置和姿態(tài)，根據(jù)弧形件拼裝規(guī)則計(jì)算出待拼裝弧形件的調(diào)整量；建立拼裝機(jī)坐標(biāo)系，采集自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)智能控制軟件運(yùn)算與分析，向液壓控制系統(tǒng)發(fā)送弧形件頂部4 個(gè)角點(diǎn)及中心點(diǎn)位置信息，引導(dǎo)拼裝機(jī)進(jìn)行精確位置調(diào)整。

2）多傳感信息融合定位系統(tǒng) 針對(duì)中隔墻智能拼裝機(jī)，建立拼裝機(jī)坐標(biāo)系，以機(jī)械臂視覺(jué)定位系統(tǒng)為核心進(jìn)行坐標(biāo)變換，結(jié)合視覺(jué)伺服閉環(huán)控制，輔以激光測(cè)距冗余信息，通過(guò)強(qiáng)魯棒的視覺(jué)特征選取，實(shí)現(xiàn)安裝過(guò)程中中隔墻的實(shí)時(shí)定位，以進(jìn)行精確位置姿態(tài)調(diào)整。

3）自動(dòng)檢測(cè)與感知 弧形件智能拼裝機(jī)以自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用高精度位移傳感器、激光測(cè)距儀、避障傳感器、接近開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)等檢測(cè)元件，自動(dòng)測(cè)量并檢測(cè)相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件運(yùn)算與分析，控制液壓油缸執(zhí)行動(dòng)作。中隔墻智能拼裝機(jī)以多傳感信息融合數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用機(jī)械臂視覺(jué)定位系統(tǒng)，結(jié)合強(qiáng)魯棒的視覺(jué)特征、高精度位移傳感器、激光測(cè)距儀、光學(xué)傳感器等檢測(cè)元件，自動(dòng)測(cè)量并檢測(cè)實(shí)際相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件運(yùn)算與分析，控制液壓油缸執(zhí)行動(dòng)作。

4）自動(dòng)運(yùn)算與分析處理 通過(guò)獲取的相關(guān)信息，工控機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算并判斷、感知是否滿足工作條件，結(jié)合拼裝機(jī)坐標(biāo)系分析信息，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入PLC 中解算出當(dāng)前的控制量，從而使執(zhí)行元件執(zhí)行當(dāng)前驅(qū)動(dòng)量。

5）自動(dòng)決策與動(dòng)作執(zhí)行 根據(jù)構(gòu)件拼裝規(guī)則及要求開(kāi)發(fā)算法，通過(guò)獲取的信息進(jìn)行運(yùn)算、對(duì)比并自動(dòng)決策，PLC 控制程序發(fā)出指令，液壓控制系統(tǒng)自動(dòng)完成拼裝機(jī)的各個(gè)動(dòng)作。

6）人機(jī)交互與信息存儲(chǔ) 根據(jù)采集信息、運(yùn)算信息、執(zhí)行信息儲(chǔ)存記錄，將整機(jī)分系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互與信息存儲(chǔ)，相關(guān)工作信息與參數(shù)通過(guò)人機(jī)交換界面展現(xiàn)，每完成一個(gè)循環(huán)作業(yè)，自動(dòng)生成報(bào)表并進(jìn)行存儲(chǔ)，方便查閱與分析。

3 工程應(yīng)用

3.1 弧形件智能拼裝機(jī)應(yīng)用

弧形件智能拼裝機(jī)內(nèi)部穿行式設(shè)計(jì)使弧形件拼裝作業(yè)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工零干擾；全自動(dòng)作業(yè)，從弧形件擺放至待安裝位置到精調(diào)拼裝完成只需25min，不占用盾構(gòu)掘進(jìn)主線時(shí)間；結(jié)合自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化一鍵拼裝作業(yè)，只需1 名操作人員便可完成所有拼裝作業(yè)，拼裝時(shí)間縮短至20min，大大提高施工效率；拼裝精度小于3mm，大幅度提高拼裝質(zhì)量，如圖7、圖8 所示。

圖7 弧形件拼裝施工

圖8 弧形件拼裝監(jiān)視界面

3.2 中隔墻智能拼裝機(jī)應(yīng)用

中隔墻智能拼裝機(jī)門(mén)架式設(shè)計(jì)使中隔墻拼裝作業(yè)對(duì)隧道水平運(yùn)輸通行無(wú)干擾，實(shí)現(xiàn)了中隔墻拼裝與盾構(gòu)掘進(jìn)同步施工；自動(dòng)抓取、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、自動(dòng)行走、自動(dòng)精調(diào)與拼裝功能使大型預(yù)制構(gòu)件拼裝 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)，拼裝全程只需40min；智能化一鍵拼裝作業(yè)，只需1 名操作人員便可完成拼裝作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)減員增效；拼裝姿態(tài)偏差小于5mm，滿足拼裝精度要求，保證了施工質(zhì)量，如圖9、圖10 所示。

圖9 中隔墻拼裝施工

圖10 中隔墻拼裝監(jiān)視界面

4 結(jié)論與建議

弧形件智能拼裝機(jī)和中隔墻智能拼裝機(jī)的研發(fā)與成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道大型、異型、重型預(yù)制構(gòu)件的自動(dòng)化、智能化、信息化施工，創(chuàng)新施工方法，提高了施工效率和施工質(zhì)量。

1）基于可編程控制器PLC 控制系統(tǒng)和自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了弧形件一鍵智能拼裝。

2）基于可編程控制器PLC 控制系統(tǒng)和機(jī)械臂視覺(jué)相機(jī)定位系統(tǒng)，通過(guò)方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了中隔墻一鍵智能拼裝。

3）實(shí)現(xiàn)了大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進(jìn)無(wú)干擾同步施工，節(jié)省了工程建設(shè)工期。

4）實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道大型預(yù)制構(gòu)件的自動(dòng)化、高精度拼裝作業(yè)，提高了施工質(zhì)量，降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了減員增效的目的。

5）提高了地下隧道智能建造水平，促進(jìn)了隧道建造技術(shù)的發(fā)展。

下一步可通過(guò)對(duì)施工效果和施工數(shù)據(jù)的深入總結(jié)分析，持續(xù)優(yōu)化、完善自動(dòng)控制系統(tǒng)和智能算法，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性；深入挖掘設(shè)備的智能化施工功能，研究螺栓自動(dòng)穿入、自動(dòng)緊固等智能系統(tǒng)，形成全工序自動(dòng)化、智能化拼裝作業(yè)。