辛軍響

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 河北涿州 072750)

1 引言

隧道二襯結(jié)構(gòu)鋼筋安裝是隧道施工的一個(gè)很重要工序，保護(hù)層的控制又是鋼筋安裝重要卡控的環(huán)節(jié)。 傳統(tǒng)的定位筋法純?nèi)斯げ僮?、工藝?jiǎn)單、工效低、保護(hù)層不易控制、達(dá)標(biāo)率低且不穩(wěn)定，保護(hù)層厚度超限達(dá)到設(shè)計(jì)值的2 ～3 倍，也有出現(xiàn)露筋的現(xiàn)象。 隨著隧道施工全工序機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化施工技術(shù)的逐步推進(jìn)，如何通過(guò)一套簡(jiǎn)易、高效的工裝和配套機(jī)具解決鋼筋空間定位和保護(hù)層厚度達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，成為施工單位和隧道工裝制造企業(yè)亟待要解決的問(wèn)題。 針對(duì)保護(hù)層施工存在的問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有隧道施工工裝機(jī)具，用一種自動(dòng)調(diào)節(jié)鋼筋定位卡具的支撐機(jī)構(gòu)作為胎具對(duì)拱墻范圍的鋼筋進(jìn)行空間定位，解決人工定位筋法存在的諸多問(wèn)題。

2 鋼筋保護(hù)層的力學(xué)作用和防護(hù)作用

鋼筋混凝土中的兩種材料發(fā)揮了各自的受力性能，又能很好地協(xié)調(diào)工作，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件所承受的外部荷載[1]。 鋼筋混凝土要有合理的保護(hù)層厚度，就要使鋼筋的抗拉和混凝土的抗壓達(dá)到技術(shù)規(guī)范的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，則需要把鋼筋安放在混凝土里的準(zhǔn)確位置[2]，并滿足( ＋10，0)mm 的偏差要求[3]，盡可能滿足在不需進(jìn)行大修即可按預(yù)定目的使用的年限不低于100 年[4]的要求。 動(dòng)車組高速進(jìn)出隧道時(shí)產(chǎn)生的活塞效應(yīng)引起隧道內(nèi)部空氣速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化[5]，使同一部位的拉、壓應(yīng)力的長(zhǎng)期頻繁交替變化，導(dǎo)致混凝土與鋼筋的粘接松弛而握裹力喪失、混凝土開裂。 鋼筋在空氣和水的作用下發(fā)生的電化腐蝕、化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕[6]，鋼筋保護(hù)層就起到防止或減緩鋼筋腐蝕的作用。 保護(hù)層厚度越大， 截面的有效高度越小， 構(gòu)件的承載力也越低[7]，保護(hù)層厚度越小，表層混凝土因碳化鋼筋腐蝕越快。 因此，研究鋼筋保護(hù)層自動(dòng)化控制工裝對(duì)提高隧道工程質(zhì)量，推進(jìn)智能化施工水平有重要的意義。

3 新型防水板鋼筋綜合臺(tái)車

3.1 兩種常見的鋼筋安裝臺(tái)車使用現(xiàn)狀

近幾年以鋼筋定位卡具為支撐體系的安裝臺(tái)車應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，鋼筋安裝質(zhì)量和保護(hù)層達(dá)標(biāo)率得到了較大的提高。 一種適用于長(zhǎng)距離明洞鋼筋綁扎臺(tái)車[8]，僅適用于明洞或明挖法施工的隧道。 另一種帶有鋼筋切料加工功能的防水板鋼筋自動(dòng)化安裝一體臺(tái)車[9]，其工序繁瑣、工效低、安裝鋼筋時(shí)需拆除通風(fēng)管、占用空間大、使用條件受限。

3.2 防水板鋼筋綜合臺(tái)車結(jié)構(gòu)和功能

以一種適用于軟弱圍巖短步距的新型防水板鋪設(shè)臺(tái)車[10]為基本骨架，增加鋼筋定位卡具兼作支撐機(jī)構(gòu)，擴(kuò)展防水板鋪設(shè)臺(tái)車的功能。

鋼筋定位卡具是由環(huán)向7 組鋼筋間距定位卡槽和縱向2 ×7 組支撐絲杠組成。 通過(guò)調(diào)整臺(tái)架位置和絲杠伸縮，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外層鋼筋空間定位。 防水板鋼筋綜合臺(tái)車如圖1 所示。

圖1 防水板鋼筋綜合臺(tái)車結(jié)構(gòu)示意

3.3 防水板鋼筋綜合臺(tái)車卡具支撐定位法施工

3.3.1 工藝流程

防水板鋼筋綜合臺(tái)車支撐卡具定位法施工工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 綜合臺(tái)車支撐卡具定位法施工工藝流程

3.3.2 工藝步驟及主要控制要點(diǎn)

第1 步：移動(dòng)臺(tái)車至施工工位，測(cè)量調(diào)整定位卡具至內(nèi)層鋼筋位置并鎖定。 定位時(shí)要考慮臺(tái)車撤離后拱部鋼筋下沉，適當(dāng)加大預(yù)留量。

第2 步：人工逐根安裝內(nèi)層主筋，檢查合格后安裝縱向分布筋。

第3 步：調(diào)整定位卡具至外層鋼筋位置鎖定，先安裝內(nèi)、外兩層鋼筋之間的層距固定筋，再安裝外層主筋和分布筋。

第4 步：內(nèi)、外兩層鋼筋質(zhì)量檢查合格后安裝勾筋和混凝土墊塊。

第5 步：臺(tái)車移至下一區(qū)段，用同樣的方法安裝鋼筋和墊塊。

第6 步：大模板臺(tái)車就位，復(fù)測(cè)保護(hù)層厚度。

3.3.3 應(yīng)用效果

采取與定位筋法相同的檢測(cè)方案驗(yàn)證分析，保護(hù)層達(dá)標(biāo)率明顯提升，各部位在95%以上。 二襯主筋定位準(zhǔn)確、間距均勻、保護(hù)層質(zhì)量穩(wěn)定均一、施工安全可靠。 存在以下缺點(diǎn)：鋼筋定位卡具和豎向支撐桿占用了作業(yè)平臺(tái)的空間，安裝防水板時(shí)有所影響；卡具調(diào)整過(guò)程均為人工操作，需要多次測(cè)量復(fù)核再調(diào)整，一般耗時(shí)30 ～45 min；臺(tái)車長(zhǎng)度僅6 m，安裝一組12 m 長(zhǎng)二襯區(qū)段的鋼筋要移動(dòng)2 次臺(tái)車。

4 防水板鋼筋綜合臺(tái)車自動(dòng)定位卡具研究

防水板鋼筋綜合臺(tái)車是目前在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)較為先進(jìn)的防水板和鋼筋安裝一體機(jī)具，由于卡具的支撐骨架和精確定位作用，提高了鋼筋安裝質(zhì)量和保護(hù)層的達(dá)標(biāo)率，但存在人工調(diào)整卡具需要反復(fù)多次、耗時(shí)長(zhǎng)、工效低、施工人員和勞動(dòng)強(qiáng)度均沒有減小。

在防水板鋼筋綜合臺(tái)車的基礎(chǔ)上，再一次進(jìn)行升級(jí)改造，在鋼筋卡具調(diào)整定位方面采用數(shù)字化精密測(cè)控制裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速精準(zhǔn)定位。

4.1 臺(tái)架定位機(jī)械化

在臺(tái)架四個(gè)行走輪與立柱之間設(shè)置能夠左右水平調(diào)整的橫移機(jī)構(gòu)。 橫移機(jī)構(gòu)主要由液壓油缸和限位滑道兩部分組成，如圖3 所示。 在臺(tái)架的四個(gè)立柱上設(shè)置上下調(diào)整臺(tái)車高度的豎向舉升機(jī)構(gòu)。豎向舉升機(jī)構(gòu)主要由固定套筒、活動(dòng)套筒、液壓油缸、限位滑道組成，如圖4 所示。

圖3 水平調(diào)整裝置

圖4 垂直調(diào)整裝置

4.2 鋼筋卡具定位自動(dòng)化系統(tǒng)

4.2.1 系統(tǒng)組成單元

測(cè)量單元、數(shù)據(jù)運(yùn)算單元、液壓泵站及配套控制單元、油缸及位移傳感控制器四大部分。

4.2.2 各單元的作用

(1)測(cè)量單元：全站儀自由設(shè)站法測(cè)得臺(tái)車實(shí)際空間坐標(biāo)，通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)運(yùn)算單元。全站儀在臺(tái)車固定位置調(diào)平，后視2 個(gè)以上已知坐標(biāo)的導(dǎo)線點(diǎn)或臨時(shí)導(dǎo)線點(diǎn)。 后視點(diǎn)可在已完成二襯地段兩側(cè)邊墻上錨入棱鏡桿，安裝好配套棱鏡測(cè)得坐標(biāo)，也可以直接使用控制導(dǎo)線上已知坐標(biāo)的導(dǎo)線點(diǎn)，根據(jù)通視條件而定。

(2)數(shù)據(jù)運(yùn)算單元：接收和存儲(chǔ)來(lái)自測(cè)量單元的數(shù)據(jù)信息、存儲(chǔ)線路平、縱面設(shè)計(jì)參數(shù)、鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)、臺(tái)車測(cè)量基座與定位卡具的相對(duì)位置數(shù)據(jù)。工作時(shí)輸入臺(tái)車起始里程便可快速運(yùn)算得出需要調(diào)整的參數(shù)，再通過(guò)編程控制器向位移傳感器發(fā)出調(diào)整指令，同時(shí)接收位移傳感控制器反饋回來(lái)的信息進(jìn)行復(fù)核運(yùn)算。

(3)液壓泵站及配套控制單元：給液壓油缸提供動(dòng)力；配套的伺服電磁閥接受位移傳感器的開閉控制。

(4)油缸及位移傳感控制器單元：執(zhí)行指令完成卡具精準(zhǔn)定位。 向數(shù)據(jù)運(yùn)算單元反饋卡具空間位置信息。

4.2.3 系統(tǒng)工作原理

(1)將線路平、縱面參數(shù)、隧道斷面設(shè)計(jì)參數(shù)、鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)、卡具上2 ×7 個(gè)定位關(guān)鍵點(diǎn)的空間位置與測(cè)量基座的相對(duì)位置數(shù)據(jù)提前錄入數(shù)據(jù)運(yùn)算分析單元。

(2)人工操作對(duì)臺(tái)車水平和垂直方向定位，偏差控制在100 mm 之內(nèi)。

(3)開啟數(shù)據(jù)運(yùn)算單元，系統(tǒng)軟件及位移傳感器初始化。 輸入臺(tái)車兩端頭的里程樁號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算14 個(gè)卡具點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息。

(4)安裝調(diào)平全站儀，后視兩個(gè)控制點(diǎn)，機(jī)載程序測(cè)得基座處的實(shí)際坐標(biāo)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線推送至運(yùn)算單元。

(5)數(shù)據(jù)計(jì)算單元將接收來(lái)的坐標(biāo)信息經(jīng)過(guò)軟件運(yùn)算，得出定位卡具需要調(diào)整的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)編程控制器向位移傳感控制器發(fā)出調(diào)整指令。

(6)液壓油缸的外部安裝位移傳感器，位移傳感器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)靠光電式旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)采集，旋轉(zhuǎn)編碼器采集的信號(hào)和位移傳感器采集的信號(hào)反饋給可編程控制器，控制器將采集的信號(hào)進(jìn)行比較后把得到的差值再傳遞給步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的閉環(huán)控制[11]。 系統(tǒng)工作原理如圖5 所示。

圖5 鋼筋卡具自動(dòng)化工作原理

4.3 臺(tái)車技術(shù)改造

(1)將防水板鋼筋臺(tái)車支撐定位卡具的調(diào)整絲杠更換為液壓油缸，并加裝位移傳感控制器和線束。 液壓油缸與位移傳感控制器連接如圖6 所示。

圖6 液壓油缸與線性位移傳感控制器連接

(2)在臺(tái)車底部縱梁上安裝液壓泵站、配套伺服電磁閥、油路管線、配電控制柜及電力線。

(3)在臺(tái)架另一側(cè)縱梁位置安裝計(jì)算機(jī)控制單元、電源線、數(shù)據(jù)控制線。 計(jì)算機(jī)安裝在鐵制柜中，做好防水防潮防碰撞保護(hù)。

(4)臺(tái)車兩端安裝固定的全站儀螺旋基座。 精密測(cè)量器件，做好碰撞防護(hù)。

4.4 鋼筋卡具自動(dòng)定位施工工藝

4.4.1 工藝流程圖

卡具自動(dòng)定位施工工藝流程圖如圖7 所示。

圖7 鋼筋卡具自動(dòng)定位施工工藝流程

4.4.2 工藝控制要點(diǎn)

(1)臺(tái)車行走軌道的中線與隧道中線的偏差應(yīng)≤150 mm。

(2)臺(tái)車使用前對(duì)卡具上的2 ×7 個(gè)關(guān)鍵定位點(diǎn)與臺(tái)車測(cè)量基座的關(guān)系值要進(jìn)行多次測(cè)量復(fù)核，確保準(zhǔn)確無(wú)誤。

(3)大面積展開施工前要進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，檢查驗(yàn)證拱部鋼筋預(yù)留下沉變形量、鋼筋在混凝土中的位置、保護(hù)層達(dá)標(biāo)率和厚度均勻穩(wěn)定性。

(4)鋼筋定位卡具撤離后拱部鋼筋在重力作用下沉變形，設(shè)置定位參數(shù)修正值時(shí)，拱部3 個(gè)點(diǎn)和拱腰2 個(gè)的修正值根據(jù)工藝性試驗(yàn)確定。

4.4.3 應(yīng)用效果

采用鋼筋卡具自動(dòng)定位，精度高，響應(yīng)快。 卡具調(diào)整時(shí)間由原人工調(diào)整45 min 降到3 min 之內(nèi)。鋼筋保護(hù)層100%達(dá)標(biāo)，厚度均一。

4.5 鋼筋輸送機(jī)械化

(1)傳統(tǒng)鋼筋輸送是在地面完成機(jī)械連接后，由8 個(gè)工人逐根抽送安裝的。 勞力需求量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，速度慢，工效低。

(2)一種在防水板鋪掛臺(tái)車前端安裝鋼筋提升盛具的鋼筋安裝臺(tái)車[12]，使用卷?yè)P(yáng)機(jī)一次能將15 根長(zhǎng)鋼筋轉(zhuǎn)體提升到施工區(qū)域，如圖8 所示。 該裝置能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，存在以下問(wèn)題：

①鋼筋不預(yù)彎情況下，由于鋼筋的彈性作用逐根裝進(jìn)盛具和卸出時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

②現(xiàn)場(chǎng)預(yù)彎鋼筋和盛具平放于地面上裝鋼筋時(shí)占用空間大，不適用于軟弱圍巖短步距施工。

③高空二次搬運(yùn)鋼筋存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)夾持助力型鋼筋輸送器。

夾持型鋼筋輸送器作為鋼筋安裝施工時(shí)的輔助機(jī)具，主要功能是替代部分人工作業(yè)。

夾持助力型鋼筋輸送器依靠3 ～4 對(duì)尼綸材質(zhì)帶有凹槽的輪子夾持鋼筋，利用輪子與鋼筋之間的摩擦力助力推送。 夾持輪由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，智能拉力感應(yīng)裝置控制輸送速度，鋼筋安裝施工時(shí)3 ～5 人引導(dǎo)鋼筋至安裝位置即可。 可節(jié)省勞力3 人、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。 夾持助力型鋼筋輸送器示意如圖9 所示。

圖8 鋼筋提升裝置

圖9 夾持助力型 鋼筋輸送器示意

5 結(jié)束語(yǔ)

高鐵隧道施工正由全工序機(jī)械化向自動(dòng)化、智能化方向快速發(fā)展。 “百年大計(jì)，質(zhì)量第一”，每一道工序高質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提是工裝設(shè)備的保障。 隨著大型自動(dòng)化、智能化的工裝設(shè)備逐步運(yùn)用于施工現(xiàn)場(chǎng)，我國(guó)隧道工程質(zhì)量和施工效率也將會(huì)大幅度提升。 隧道鋼筋安裝自動(dòng)化精準(zhǔn)定位的工裝機(jī)具將助力推動(dòng)全工序自動(dòng)化、智能化施工水平的提升，真正實(shí)現(xiàn)“以工裝保工藝，以工藝保質(zhì)量，以質(zhì)量保安全”的管理目標(biāo)。