陳根龍， 宋 剛， 崔淑英， 邵玉濤， 陳曉君

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

PA-10型鋼管柱安裝機(jī)的研制及在新型PBA工法施工中的應(yīng)用

陳根龍， 宋 剛， 崔淑英， 邵玉濤， 陳曉君

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

介紹了新型PBA工法所使用的PA-10型鋼管柱安裝機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)與自動調(diào)垂原理。對比傳統(tǒng)PBA工法，采用PA-10型鋼管柱安裝機(jī)的新型PBA工法具有成孔效率高、調(diào)垂精度高、施工周期短、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢。結(jié)合哈爾濱市地鐵2號線省政府站鋼管柱施工案例，中樁的測量放樣結(jié)果顯示安裝機(jī)調(diào)垂精度完全符合設(shè)計需求，證明了PA-10型鋼管柱安裝機(jī)的研制是成功的。PA-10型鋼管柱安裝機(jī)的應(yīng)用，在減輕工人勞動強(qiáng)度的同時，極大地提高了施工的安全系數(shù)與施工質(zhì)量，對于地鐵車站建設(shè)向機(jī)械化、自動化發(fā)展方面具有重大意義，也符合現(xiàn)代城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展趨勢。

鋼管柱安裝機(jī)；城市軌道交通；地鐵；新型PBA工法

0 引言

在地鐵車站施工中采用傳統(tǒng)的PBA工法時，由于導(dǎo)洞比較狹窄，其斷面形狀一般為3 m寬、5 m高的馬蹄形，鋼管柱的吊裝主要依靠人工使用簡易門架配以電葫蘆來進(jìn)行下放操作，洞內(nèi)空間狹窄、光線不充足，較為危險。此外，鋼管柱安裝的垂直度靠人工下入孔底進(jìn)行定位的方式來保證。就需要提前下入鋼護(hù)筒到孔底來進(jìn)行孔壁維穩(wěn)，此鋼護(hù)筒屬于臨時維穩(wěn)部件，開挖時要進(jìn)行破壞拆除，費時費力，經(jīng)濟(jì)效益差。由此可見，全靠人工施工，鋼管柱的安裝精度較差、危險性也比較大，因此，急需研發(fā)一款結(jié)構(gòu)緊湊和具有吊裝、安放、調(diào)垂鋼管柱的設(shè)備，來完成鋼管柱施工。

基于此，我所研制出PA-10型隧道鋼管柱安裝機(jī)(以下簡稱“安裝機(jī)”)，主要應(yīng)用于新型PBA工法中鋼管柱的吊放與安裝，其調(diào)垂功能由高精度傾角傳感器保證，可使鋼管柱的垂直度誤差控制在2‰以內(nèi)。鋼管柱安裝機(jī)采用電機(jī)作為動力源，以電機(jī)帶動的液壓泵作為油源來完成各個動作，且各動作間彼此獨立，可復(fù)合操作、可獨立操作。采用的PLC控制器基于canopen協(xié)議，功能強(qiáng)大、接線簡單、拓展能力強(qiáng)，還配有無線遙控器、PLC顯示器。

1 安裝機(jī)的結(jié)構(gòu)部件與設(shè)計參數(shù)

安裝機(jī)的主要部件為：底盤、調(diào)垂支腿、抱閘、電機(jī)、主卷揚、副卷揚、液壓油箱、油扇、吊臂等，在操作上共計有12個動作，分別由12片高靈敏度電磁比例閥控制，其液壓系統(tǒng)回路分別為:4條液壓支腿回路、2條液壓行走回路、2條液壓卷揚機(jī)回路、變幅回路、吊臂伸縮回路、抱緊回路、支頂回路。其主要部件如圖1所示。

圖1 PA-10型鋼管柱安裝機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件

依據(jù)新型PBA工法對鋼管柱的安裝精度、質(zhì)量等要求，設(shè)計鋼管柱安裝機(jī)的性能參數(shù)如表1所示。

表1 PA-10型鋼管柱安裝機(jī)性能參數(shù)

依照設(shè)計圖紙，計算鋼管柱安裝機(jī)的總質(zhì)量為18 t，而通常所用的豎井天車的額定起重量為10 t，為方便設(shè)備運入導(dǎo)洞中，設(shè)計安裝機(jī)拆為3部分，見圖2。

2 安裝機(jī)的核心創(chuàng)新點

PA-10型鋼管柱安裝機(jī)的核心創(chuàng)新點是一鍵 調(diào)垂功能，可保證鋼管柱的垂直度在2‰以內(nèi)。其原理是：已標(biāo)定好的傳感器(清零狀態(tài))置于工具節(jié)上，因工具節(jié)為非鉛直狀態(tài)，傳感器有一定角度。其X軸與Y軸角度參數(shù)以PDO報文形式通過CAN總線實時傳給EPEC3724控制器，控制器接收數(shù)據(jù)后，經(jīng)邏輯判斷，以PWM脈寬信號形式控制4個支腿的小流量電比例閥的開啟度來升降各個支腿油缸。由于支腿油缸動作導(dǎo)致鋼管柱垂直度變化，傾角傳感器立即將數(shù)據(jù)反饋給控制器，控制器再經(jīng)過邏輯判斷來調(diào)控各個支腿油缸的升降，如此多次調(diào)控，直至傳感器(已標(biāo)定好的)X、Y數(shù)值均控制在0.1°以內(nèi)才停止。其調(diào)垂原理流程圖如圖3所示。

圖2 PA-10可拆為3部分

圖3 調(diào)垂原理

3 安裝機(jī)的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

哈爾濱市地鐵2號線省政府站外包尺寸全長192.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬21.3 m，為地鐵2號線與4號線換乘的中間站，位于中山路與中宣街交匯處，沿中山路南北方向布置。中山路為哈爾濱主干道，區(qū)域周邊重要政府機(jī)構(gòu)、學(xué)校較多。若采用明挖法或蓋挖逆作法，則需圍擋十字路口，勢必會占用較大面積，對地面交通影響嚴(yán)重，甚至可能造成局部地區(qū)的交通癱瘓。同時，也會對區(qū)域內(nèi)的政府部門、學(xué)校以及周邊居民的日常生活造成較大影響。而省政府站主體所處的地層均為粉質(zhì)粘土，加之前有哈爾濱市地鐵1號線哈工大站施工經(jīng)驗，哈爾濱市地鐵2號線省政府站較適宜采用暗挖法。

3.2 隧道施工采用新型PBA工法

原設(shè)計為暗挖雙層島式車站。按照傳統(tǒng)的PBA工法，應(yīng)設(shè)計為上下雙層8導(dǎo)洞的方案：在上層導(dǎo)洞內(nèi)，做兩側(cè)邊樁與兩中樁以及頂縱梁和樁頂?shù)墓诹?；在下層做底縱梁與條基。此方案在小導(dǎo)洞內(nèi)成樁較為容易，但是由于導(dǎo)洞過多，對地面沉降的影響較大，加之地下水的降深較大、抽水時間長、排水量大，非常不利于沉降控制與施工質(zhì)量控制。

經(jīng)專家論證，省政府站采用新型PBA工法施工，為單層四導(dǎo)洞施工方案。首先，在導(dǎo)洞開挖方面，就能省去一半導(dǎo)洞量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著；其次，減少一半的導(dǎo)洞，極大地減弱了群洞效應(yīng)，很大程度上減小了施工造成的地面沉降量；再者，采用新型PBA工法，當(dāng)施工到地下水位時再采取降低地下水位措施即可，而傳統(tǒng)施工法在挖掘第二層導(dǎo)洞就要開始降水，很大程度上縮短了降水的時間，節(jié)約大量地下水資源與降水經(jīng)費。

新型PBA工法有著諸多優(yōu)點，與傳統(tǒng)PBA工法相比，其優(yōu)勢之處在于：

(1)中樁與邊樁的鉆孔采用大口徑高扭矩反循環(huán)鉆機(jī)來進(jìn)行施工，有著鉆進(jìn)行程大、抗扭能力強(qiáng)大、鉆進(jìn)效率較高、井壁維穩(wěn)能力強(qiáng)、孔底清潔殘渣少等特點，鉆孔直徑800～2000 mm。

(2)2個中導(dǎo)洞內(nèi)使用鋼管柱安裝機(jī)進(jìn)行鋼管柱施工成樁。采用鋼管柱安裝機(jī)后，鋼管柱的吊裝與下放，全程使用無線遙控器操作，機(jī)械化程度高、安全系數(shù)高。單根中樁可省去鋼護(hù)筒的4萬元支出，并且使用鋼管柱安裝機(jī)配合新型PBA工法，可省去第二層導(dǎo)洞的開挖，保守估計可節(jié)省1600萬元的經(jīng)費支出，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。鋼管柱的最終定位，可使用安裝機(jī)的自動調(diào)垂功能，依靠高精度傳感器可保證鋼管柱垂直度的誤差在2‰以內(nèi)。

采用新型PBA工法，鋼管柱安裝與調(diào)垂就要依靠PA-10型鋼管柱安裝機(jī)。

3.3 使用PA-10型鋼管柱安裝機(jī)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 鋼管柱安裝機(jī)調(diào)垂原理

當(dāng)鋼管柱安裝機(jī)的抱閘抱緊鋼管柱的時候，在忽略少許彈性變形的情況下，將安裝機(jī)與鋼管柱視為剛性連接體。通過安裝機(jī)的四條支腿的升降，就可以調(diào)節(jié)鋼管柱的垂直度。

鋼管柱安裝機(jī)調(diào)垂要依據(jù)的是已標(biāo)定好的傳感器，用高精度傳感器控制工具節(jié)的鉛垂度。依據(jù)新型PBA工法的工藝流程，鋼管柱的工具節(jié)是鋼管柱安裝時公用的，單根鋼管柱施工完畢后，工具節(jié)是需要拆卸下來。所以，只需將高精度傳感器置于工具節(jié)上法蘭面的特定位置，人工調(diào)節(jié)工具節(jié)鉛垂度后，將傳感器數(shù)值清零，傳感器就會默認(rèn)工具節(jié)鉛垂?fàn)顟B(tài)下為相對零點，使用一鍵調(diào)垂功能，PLC控制器將控制四條支腿油缸的伸縮，將工具節(jié)調(diào)整到鉛垂?fàn)顟B(tài)。

3.3.2 鋼管柱工具節(jié)的標(biāo)定

鋼管柱安裝機(jī)為消除工具節(jié)加工時的垂直度誤差，下放鋼管柱前需先對工具節(jié)進(jìn)行標(biāo)定，具體步驟為，工具節(jié)上下法蘭面分別劃線找中心，在上法蘭面中心打重錘，下放至下法蘭面，當(dāng)重錘中心與下法蘭面中心重合時，關(guān)閉電動機(jī)后，立即清零傳感器即可。工具節(jié)標(biāo)定時，抱閘夾持工具節(jié)的位置及抱緊油缸的壓力值進(jìn)行標(biāo)記和記錄，工具節(jié)每次使用時均在相同壓力下夾持相同位置，防止由于工具節(jié)的不圓度和不垂直度誤差造成的調(diào)垂結(jié)果不精確。工具節(jié)傾角傳感器的上方安裝有萬向水平儀，傾角傳感器清零后，拍照記錄萬向水平儀氣泡偏移方向和位置，此后每根樁調(diào)垂結(jié)束后，與標(biāo)定時的氣泡位置進(jìn)行對比，以此驗證調(diào)垂結(jié)果是否準(zhǔn)確。

3.3.3 鋼管柱下監(jiān)測的標(biāo)定

中樁鋼管柱長度多在15 m左右，是由多節(jié)鋼管柱以螺栓相連接，一鍵調(diào)垂后讀取下監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，可作為參照依據(jù)。具體方法：將下監(jiān)測組件安放于第一節(jié)鋼管柱內(nèi)壁的固定板上(靠強(qiáng)磁力與固定板連接)，下放第一節(jié)鋼管柱(見圖4)，然后將標(biāo)定好工具節(jié)與第一節(jié)鋼管柱相連，抱閘抱緊工具節(jié)，使用一鍵調(diào)垂功能，待調(diào)垂結(jié)束后，關(guān)閉主電機(jī)，此時將下監(jiān)測傾角傳感器的角度清零(即設(shè)置相對零點)，下監(jiān)測傳感器的標(biāo)定結(jié)束。

3.3.4 鋼管柱的下放與一鍵調(diào)垂

工具節(jié)傳感器與下監(jiān)測傳感器標(biāo)定好后，移出工具節(jié)后，即可逐節(jié)下放鋼管柱。鋼管柱間連接依靠環(huán)形排列的18個M20螺栓。當(dāng)螺栓安裝完畢 后，需要將扭力扳手的扭矩設(shè)置到410N·m，然后使用扭力扳手對每個螺栓進(jìn)行扭力校核，待校核合格后，才可下放鋼管柱。

圖4 PA-10型鋼管柱安裝機(jī)下監(jiān)測安裝

待下放完畢，將傳感器置于工具節(jié)既定位置。調(diào)節(jié)四條支腿，保證履帶離開地面后，才可使用一鍵調(diào)垂功能。由于抱閘抱緊鋼管柱，這樣就會導(dǎo)致前車身質(zhì)量較重，連接體的重心相對單一車身是前移的，為保證車身不至于傾覆，原則上應(yīng)保證前車的高度高于后車身，再使用一鍵調(diào)垂功能。

調(diào)垂結(jié)束后檢查下監(jiān)測傳感器的角度變化，理論上下監(jiān)測角度為零，但由于各節(jié)鋼管柱存在加工誤差，實際下監(jiān)測的角度會發(fā)生變化，若角度經(jīng)換算后，下端偏移距離超過要求尺寸，則需提起已下放的鋼管柱，重新選擇合格的鋼管柱進(jìn)行下放。確定鋼管柱垂直度滿足要求后，將下監(jiān)測組件提升出即可。

單次鋼管柱一鍵調(diào)垂結(jié)果如圖5。

圖5 PA-10型鋼管柱安裝機(jī)調(diào)垂結(jié)果

3.4 安裝機(jī)應(yīng)用效果

省政府站是哈爾濱市地鐵2號線地鐵中唯一應(yīng)用暗挖新型PBA工法施工的工地，之前雖有哈爾濱市地鐵1號線哈工大站的施工經(jīng)驗，可兩工地的工程地質(zhì)條件大相徑庭，其鉆進(jìn)參數(shù)、鉆頭選配、灌注工藝，都需試樁摸索。

依據(jù)勘察報告顯示，省政府站地層情況如表2所示。

實際鉆孔，依據(jù)土渣顯示，與勘察報告較為契合，鉆進(jìn)速度比較平穩(wěn)，10 h左右即可成。受大口徑反循環(huán)鉆機(jī)與調(diào)垂機(jī)的尺寸限制，不可在相鄰樁進(jìn)行鉆孔與鋼管柱同時施工，需要進(jìn)行“跳鉆”施工，施工到標(biāo)尾再“跳鉆”施工旋回，如此施工還可降低一定的施工風(fēng)險。

表2 省政府站地層情況

哈爾濱市省政府站鋼管組的安裝較為順利，未出現(xiàn)任何異常情況。表3列舉了部分鋼管柱安裝的測量放樣成果。

表3 省政府站鋼管柱安裝測量放樣部分成果

其中，偏距偏差與里程偏差分別為鋼管柱中心對設(shè)計中心的X、Y偏量，中心偏差為鋼管柱中心實際偏差。依據(jù)設(shè)計文件的要求：樁位中心偏差≯20 mm，樁徑偏差≯20 mm，樁身垂直度偏差≯5‰。如表3所示，4個鋼管柱的中心偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計偏差；安裝機(jī)可保證鋼管柱的垂直度偏差控制在2‰，遠(yuǎn)高于設(shè)計要求的5‰。由此可見，鋼管柱安裝機(jī)施工效果十分出色，遠(yuǎn)超設(shè)計目標(biāo)。鋼管柱安裝機(jī)在哈爾濱市地鐵2號線省政府站的施工應(yīng)用如圖6所示。

4 結(jié)論

工程應(yīng)用證明了PA-10型鋼管柱安裝機(jī)的研制是成功的。

(1)安裝機(jī)設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)垂精度高，完全滿足新型PBA工法鋼管柱施工對安裝設(shè)備的需求。

(2)采用新型PBA工法，從鉆孔施工到鋼管柱安 裝、灌注，在施工技術(shù)上有著機(jī)械化、自動化的進(jìn)步，這也符合城市軌道交通的發(fā)展方向——“智能化保質(zhì)、機(jī)械化減人”。

圖6 鋼管柱安裝機(jī)在哈爾濱市地鐵2號線省政府站的施工

(3)在狹窄的導(dǎo)洞內(nèi)，使用鋼管柱安裝機(jī)，可以極大程度上保證鋼管柱安裝精度，同時也消除了人工下入孔底進(jìn)行操作的危險性。

(4)經(jīng)濟(jì)效益上，可免去一層導(dǎo)洞開挖、省去鋼護(hù)筒的下放、縮減了降水投入，與此同時，施工周期大幅縮短、管理成本也降低很多，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

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Development of PA-10 Steel Pipe Column Mounting Machine and Its Application in New PBA Method

CHENGen-long,SONGGang,CUIShu-ying,SHAOYu-tao,CHENXiao-jun

(The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China)

The structure, performance parameters and automatic adjusting verticality principle of PA-10 steel pipe mounting machine, which is used in new PBA method, are discussed. Compared with the traditional PBA method, this new PBA method has the advantages of high efficiency, high precision of adjustable verticality, short construction period and high economic benefit. According to the steel pipe column construction case of Provincial Government station of Harbin metro Line 2, the measurement lofting result of the middle pile shows that the adjusting verticality accuracy meet the design requirements, which proves the successful development of PA-10 steel pipe mounting machine. By the application of PA-10 steel pipe mounting machine, the labor intensity of workers is reduced; and at the same time, both the construction safety coefficient and the construction quality are greatly improved, which has great significance for the development of subway station construction toward the mechanization and automation and is in line with the development trend of modern urban rail transit construction.

PA-10 steel pipe mounting machine; urban rail transit; metro; new PBA method

2017-05-24；

2017-06-06

陳根龍，男，漢族，1988年生，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事城市軌道工程施工設(shè)備智能機(jī)械化研究工作，河北省廊坊市金光道77號，47221905@qq.com。

TU69

A

1672-7428(2017)07-0080-05