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

我國自20世紀(jì)90年代開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)制工序很長一段時間都占用在關(guān)鍵路徑上，原因之一是需要進行高流動性混凝土質(zhì)量控制，每個90～100 m長的鋼殼混凝土管節(jié)預(yù)制時間約需要17個月[4]，未見采用智能澆筑技術(shù)相關(guān)報告。在國內(nèi)關(guān)于鋼殼自密實混凝土沉管預(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行施工[5]。為保障深中通道海底沉管隧道全過程高質(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)備難以達到預(yù)期目標(biāo)。預(yù)制關(guān)鍵在鋼殼自密實混凝土澆筑，自密實混凝土具有高流動、免振搗的優(yōu)點，但是自密實混凝土對原材料、施工環(huán)境條件、設(shè)備、參數(shù)和施工時間等敏感性更強，施工質(zhì)量控制難度更大。正亦如此，對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海底沉管隧道工程，是國內(nèi)首次采用鋼殼混凝土沉管隧道方案，工程設(shè)計使用年限為100 a，沉管段長5035 m，由32個管節(jié)和1個最終接頭組成，其中22個管節(jié)在桂山島沉管預(yù)制場澆筑。預(yù)制場設(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、澆筑（廠房）區(qū)、淺塢區(qū)、深塢區(qū)和塢口區(qū)，預(yù)制場平面布置如圖1所示。總體工藝流程：鋼殼沉管整體上岸，縱移到澆筑區(qū)進行自密實混凝土澆筑，澆筑完成后的管節(jié)整體縱移至淺塢區(qū)進行一次舾裝，再進行灌水橫移至深塢區(qū)進行二次舾裝，最后運抵隧址附近進行安裝。其中，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長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個獨立倉格，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)過程實現(xiàn)自動化、透明化、可視化、精益化，而且要在產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗和分析、生產(chǎn)物流等環(huán)節(jié)與生產(chǎn)過程實現(xiàn)閉環(huán)集成。鋼殼混凝土管節(jié)澆筑作業(yè)主要工序有自密實混凝土生產(chǎn)、運輸、檢測和澆筑，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，實現(xiàn)全過程的智能化生產(chǎn)。智能澆筑體系如圖2所示。

圖2 自密實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)采集端主要是通過多種傳感器把現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)實時傳送至管理系統(tǒng)，主要包括攪拌站數(shù)據(jù)、澆筑機數(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)通信端涵蓋全過程的數(shù)據(jù)傳送和通訊，包括內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信和對外網(wǎng)絡(luò)通信；展示客戶端針對不同用戶指定不同的展示需求，根據(jù)需求展示澆筑全過程的動態(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、攪拌站試驗專業(yè)人員、攪拌車司機，拖泵操作人員、卸料工人、混凝土性能檢測人員、澆筑機操作人員、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內(nèi)和國際上也未采用工業(yè)機器人以及智能裝備的先例，本項目進行了針對性地研發(fā)。根據(jù)前期研究成果[7]，鋼殼自密實混凝土澆筑需精確控制澆筑速度、下落高度和停止時機，混凝土液面距離頂板20 cm之前，澆筑速度30 m3/h左右，倉格澆筑接近完成時，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，見圖3，實現(xiàn)的澆筑功能有：1）智能澆筑參數(shù)控制，澆筑機與拖泵聯(lián)動，利用無線模塊實現(xiàn)雙向信息互通，實現(xiàn)一鍵澆筑的功能，根據(jù)自密實混凝土液面反饋回來的信息及時精準(zhǔn)調(diào)整澆筑速度、下落高度，澆筑完成后自動停止作業(yè)，待工位作業(yè)結(jié)束后還可自動行走到下一工位；2）自動尋孔，智能澆筑順序集成通過澆筑順序?qū)爰叭c示教確認(rèn)后，經(jīng)過內(nèi)網(wǎng)傳輸給智能澆筑設(shè)備進行智能澆筑，在自動尋孔的任務(wù)界面上，實時顯示每個倉格的澆筑順序。在一個倉格澆筑結(jié)束后自動尋址到下一個預(yù)設(shè)的倉格；3）實時監(jiān)控功能，封閉空間澆筑過程可視化、施工參數(shù)數(shù)字化，將數(shù)據(jù)實時反饋回中控電腦，同時具備輔助功能如行走、定位、報表功能，將液位高度、澆筑高度、澆筑速度、澆筑時間、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)包括倉格方量、尺寸、倉格編號等形成演示二維動畫，能根據(jù)澆筑高度實時編號，生成下落高度、澆筑速度曲線，將所有關(guān)鍵參數(shù)實時顯示在界面中；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)澆筑機距離障礙物過近時可自動觸發(fā)急停裝置并發(fā)出報警信號。

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

3.2 攪拌站升級改造

為適應(yīng)智慧工廠建設(shè)需求，攪拌站進行了硬件和信息化建設(shè)升級，實現(xiàn)全過程數(shù)字化，對原材料、配合比、稱量數(shù)據(jù)及混凝土質(zhì)量等方面進行全過程監(jiān)控。為保障混凝土的生產(chǎn)精準(zhǔn)，生產(chǎn)前專業(yè)人員會對原材進行檢測及混凝土試配工作，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行拌和才能保障混凝土質(zhì)量穩(wěn)定可控。系統(tǒng)對拌合站每一盤混合料生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集，混凝土原材一旦超標(biāo)，實時信息將發(fā)送給現(xiàn)場管理人員，有助于及時采取針對性措施。

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、庫存情況等信息，實現(xiàn)拌合站操作系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通，加強混凝土生產(chǎn)過程控制。通過混凝土全過程監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)“事前預(yù)控、事中監(jiān)控、事后提升”全過程管控。

3.3 混凝土智能檢測設(shè)備研發(fā)

自密實混凝土生產(chǎn)后經(jīng)歷2次檢測，分別在出機后和入倉前，共需檢測7個指標(biāo)，其中坍落擴展度是最核心指標(biāo)，一般采用人工檢測鋼尺測量。研發(fā)的智能混凝土檢測設(shè)備見圖4，混凝土擴展度識別系統(tǒng)采用攝像頭拍攝試驗過程，利用人工智能識別模型來檢測自密實混凝土工作性能，同時及時傳送檢測結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時分享及記錄，減少人因誤差，提高檢測精度和信息傳遞時效性。

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

3.4 調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)

調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)是基于自密實混凝土澆筑過程中每天繁雜的調(diào)度信息工作量，因為現(xiàn)場場地較大、設(shè)備多且連續(xù)作業(yè)，自密實混凝土理論澆筑速度為60 m3/h，意味著調(diào)度員要進行約6～12次/h頻率調(diào)度工作，而且要合理調(diào)配，還需要實時掌握現(xiàn)場12臺罐車、4座攪拌站、6套澆筑機和拖泵的實時信息，信息接受、交互和處理工作量巨大，工作內(nèi)容單一且枯燥，對調(diào)度員的能力和體力都是嚴(yán)峻考驗。

調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)目的是形成一套監(jiān)控管理平臺，將各個功能統(tǒng)一分類，將已有的相關(guān)管理平臺數(shù)據(jù)匯集整理，實現(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、攪拌站生產(chǎn)信息、拖泵、攪拌車輛位置及出車時間等實時數(shù)據(jù)，為實時調(diào)度提供直觀參考。

3.5 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

項目新建了5G基站，利用其低時延的特點，與公網(wǎng)業(yè)務(wù)完全隔離，傳輸鏈路不經(jīng)過運營商核心網(wǎng)，距離更短，有效降低時延，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)點下沉至企業(yè)內(nèi)部，具有本地服務(wù)、本地計算的特點，同時終端、基站、MEC之間和LTE系統(tǒng)的安全機制相同。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)移動性差的難題。MEC部署在企業(yè)機房，作為網(wǎng)絡(luò)邊緣計算平臺，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。

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)合的檢測方式進行檢測，已澆筑完成的E1～E12管節(jié)，共約36萬m3自密實混凝土，約27060個倉格，檢測出超過脫空標(biāo)準(zhǔn)需要補強的測點為2個，占比不到萬分之一，質(zhì)量保障率達到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)場操作人員。采用鋼殼自密實混凝土智能澆筑裝備，節(jié)省操作工人約40%，減少現(xiàn)場管理人員約20%，極大降低了人員的工作強度，提升了工作效率；

4）降低了廢料率。鋼殼混凝土沉管全過程管控信息系統(tǒng)應(yīng)用后，提升了自密實混凝土品質(zhì)，提高了澆筑效率和質(zhì)量，降低了廢料率，因為混凝土生產(chǎn)和調(diào)度原因造成的混凝土損耗減少了約57%。

5 結(jié)語

本文通過深中通道沉管智慧工廠建設(shè)實踐，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化控制提升為智能化設(shè)備和系統(tǒng)進行自動監(jiān)測和控制，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轉(zhuǎn)速度，便于現(xiàn)場控制、統(tǒng)計、分析，提升項目管理水平，取得較好的經(jīng)濟效益，具有較高的社會效益和推廣應(yīng)用價值。建設(shè)過程中經(jīng)驗總結(jié)如下：

1）鋼殼沉管預(yù)制在國內(nèi)屬于首例，預(yù)制智慧工場建設(shè)沒有先例，需結(jié)合項目特點和需求進行開發(fā)；

2）需加強智慧工廠總體建設(shè)規(guī)劃，各系統(tǒng)的建立相對較為獨立，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)的維護工作量，應(yīng)盡量采用自動監(jiān)測元器件，保證足夠的維護資源；

4）智慧工廠內(nèi)部以及對外傳送數(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。