楊君華, 陳宏明, 李 荊, 尚 偉, 張合沛

(1. 中鐵隧道局集團有限公司設(shè)備分公司, 廣東 廣州 511458; 2. 重慶市鐵路(集團)有限公司, 重慶 410700; 3. 中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州 511458; 4. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室, 廣東 廣州 511458; 5. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室, 河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來,隨著我國交通建設(shè)的快速發(fā)展,盾構(gòu)法因具有高效快速、安全可靠等優(yōu)勢,成為隧道及地下工程修建的一種重要工法。大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也受到了越來越多的關(guān)注,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常采用現(xiàn)澆及預(yù)制2種施工方式,而內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工時機則根據(jù)施工組織方式,采取與盾構(gòu)掘進同步施工或盾構(gòu)貫通后施工2種形式。一般情況下,隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中隔墻為半預(yù)制半現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),采用底座現(xiàn)澆、部分墻體預(yù)制施工,待盾構(gòu)推進結(jié)束后施工;口型預(yù)制構(gòu)件隨盾構(gòu)推進同步安裝,弓形底板、承軌板為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)形式,待盾構(gòu)推進一段距離后同步施工。因此,針對隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工呈現(xiàn)的多樣性,急需研究標(biāo)準(zhǔn)化、先進化、智能化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù),以期提升大直徑盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量與施工進度。

目前,針對大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中隔墻預(yù)制拼裝技術(shù)研究已取得了一些進展。楊繼范[1]以上海市軌道交通11號線南段工程為例,研究了內(nèi)部中隔墻結(jié)構(gòu)采用預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合形式,即上部墻板預(yù)制、下部T型底座現(xiàn)澆以及中部連接墻板后澆的結(jié)構(gòu)形式。周均立[2]結(jié)合施工進度要求和現(xiàn)場環(huán)境條件,首創(chuàng)了特制機械拼裝預(yù)制中隔墻技術(shù),如預(yù)制件吊裝施工技術(shù)、預(yù)制中隔墻安裝臨時支撐技術(shù)、預(yù)制件頂部傳力桿安裝技術(shù),可大幅度提高施工效率和工程質(zhì)量。姜文星等[3]從設(shè)計計算、工裝設(shè)備、拼裝工藝等方面對上海機場聯(lián)絡(luò)線弧形件及中隔墻全預(yù)制拼裝技術(shù)進行了闡述,得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝最不利的設(shè)計參數(shù)依據(jù),根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝施工的重難點,有針對性地研制新設(shè)備、提出新工藝,確保預(yù)制構(gòu)件滿足施工質(zhì)量與精度的要求。楊成龍[4]進行了超重預(yù)制中隔墻拼裝工裝設(shè)計,確定了可行的拼裝工裝設(shè)備,研究了有限空間內(nèi)超重預(yù)制中隔墻精準(zhǔn)定位拼裝技術(shù)及應(yīng)用。王志華[5]以武漢三陽路隧道工程為例,研究了公鐵合建超大直徑隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工關(guān)鍵技術(shù)。張中杰等[6]通過采用彈性鉸圓環(huán)法、彈性地基梁法和連續(xù)介質(zhì)有限元法,分別對管片在自身重力、地層荷載和地層長期固結(jié)沉降作用下的豎向變形進行了計算分析,據(jù)此在中隔墻與隧道管片之間設(shè)置了120 mm間隙和相應(yīng)的連接構(gòu)造。沈永平[7]安裝預(yù)制中隔墻時,選用了專用機械臂來完成中隔墻的銜起、提升、旋轉(zhuǎn)90°、平移、6方位微調(diào)完成安裝等動作。吳奎[8]以南京地鐵10號線過江地鐵為例,研究了大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工技術(shù)。晏勝榮[9]結(jié)合揚州瘦西湖隧道工程,對單管雙層盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方案優(yōu)化設(shè)計、同步施工難點及施工技術(shù)進行了介紹。殷明祥[10]結(jié)合工程實際,通過模擬計算和分析,制訂了相應(yīng)的工法,并研制了專用吸盤式預(yù)制中隔墻起吊機,實現(xiàn)了在狹小隧道空間內(nèi)預(yù)制中隔墻的快捷拼裝。

由上述研究可知,我國隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中隔墻預(yù)制拼裝施工存在以下問題: 1)未能完全預(yù)制化,尚屬半預(yù)制化階段,許多構(gòu)件仍采用現(xiàn)澆形式; 2)未能完全同步施工,部分中隔墻采用上部墻板預(yù)制、下部T型底座現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)形式,施工干擾大; 3)自動化程度低,尚未實現(xiàn)智能化,拼裝設(shè)備采用專用機械臂改造或?qū)Ｓ梦P式起吊機,依靠人工操作完成,設(shè)備的性能、結(jié)構(gòu)、智能化等方面需進一步提高。因此,在施工方面,我國的地下裝配式結(jié)構(gòu)中隔墻施工技術(shù)還沒有形成相應(yīng)的體系和規(guī)范,應(yīng)用范圍相對單一,拼裝技術(shù)不成體系,施工工藝及施工技術(shù)不夠成熟;在拼裝設(shè)備方面,盾構(gòu)隧道內(nèi)部構(gòu)件專用拼裝機施工效率低下,智能化程度低,施工干擾大,未能形成同步施工,同時對操作人員水平要求較高,拼裝精度不夠理想。

為解決傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道中隔墻在洞內(nèi)預(yù)制拼裝施工中存在的施工干擾大、施工工序復(fù)雜、施工技術(shù)手段落后、施工質(zhì)量難以保障等問題,急需對隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中隔墻的拼裝方案、技術(shù)、裝備進行系統(tǒng)深入研究,提高施工技術(shù)與裝備智能化水平,從而保障裝配式預(yù)制構(gòu)件成品拼裝質(zhì)量可控,改善施工環(huán)境,實現(xiàn)快速與綠色施工。

1 技術(shù)背景

1.1 工程概況

本文依托項目為上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡(luò)線JCXSG-11標(biāo)隧道工程。該工程位于上海市浦東新區(qū),工程內(nèi)容包括一轉(zhuǎn)換井和一區(qū)間。凌空路轉(zhuǎn)換井為盾構(gòu)始發(fā)井,長209 m,寬15.6～30.5 m,深26.4～28.5 m,地下2層箱型框架結(jié)構(gòu);度假區(qū)站—凌空路轉(zhuǎn)換井區(qū)間全長4 721.099 m,區(qū)間隧道為單洞雙線布置型式,采用一臺大直徑泥水盾構(gòu)施工,配備隧道中隔墻同步拼裝系統(tǒng)。中隔墻底座與墻體采用整體預(yù)制后拼裝,預(yù)制件尺寸和質(zhì)量非常大,隧道內(nèi)施工空間狹小,對吊運、安裝設(shè)備及配套工裝的可靠性、安裝精度提出了更高要求。隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫截面設(shè)計示意見圖1,隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體設(shè)計示意見圖2。

圖1 隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫截面設(shè)計示意圖Fig. 1 Cross-section design of tunnel internal structure

圖2 隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體設(shè)計示意圖Fig. 2 Overall design of tunnel internal structure

1.2 中隔墻設(shè)計方案

充分利用隧道大直徑、長距離的特點,組織隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工流水化作業(yè),在盾構(gòu)掘進過程中采取構(gòu)件預(yù)制方式組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工。下部結(jié)構(gòu)施工完成1 000 m后,開始中隔墻與橫向牛腿的安裝工作。中隔墻高9.116 m,厚0.4 m,寬2 m,采用C40混凝土,每節(jié)質(zhì)量為22.65 t。

下部結(jié)構(gòu)與中隔墻連接示意如圖3所示。由圖可知,中隔墻與下部結(jié)構(gòu)間設(shè)30 mm厚墊層,平整度不小于3 mm,該間隙在后續(xù)施工中用細(xì)石砂漿填充密實,采用20個8.8級M36螺栓連接。相鄰中隔墻連接示意如圖4所示。由圖可知,中隔墻縱向連接采用8.8級M30螺栓;相鄰墻體連接設(shè)置33 mm×100 mm十字螺栓孔,連接面采用“L”型拼裝,拼裝嵌縫要求為20 mm。

圖3 下部結(jié)構(gòu)與中隔墻連接示意圖(單位: mm)Fig. 3 Connection of substructure and middle partition wall (unit: mm)

圖4 相鄰中隔墻連接示意圖(單位: mm)Fig. 4 Connection of adjacent middle partition walls (unit: mm)

中隔墻與管片連接示意如圖5所示。由圖可知,中隔墻頂部與管片采用牛腿固定,鋼板牛腿與管片利用管片上預(yù)埋的螺栓孔,采用螺栓進行固定。中隔墻之間設(shè)計有密封條以堵塞縫隙防止漏風(fēng),中隔墻頂部連接件為金屬牛腿形式,金屬牛腿具有橫向約束中隔墻和豎向可相對運動等特點。

圖5 中隔墻與管片連接示意圖Fig. 5 Connection of middle partition wall and segment

1.3 施工難點及要求

1.3.1 施工難點

1)施工組織復(fù)雜,施工工序繁多,施工速度相互制約,施工空間緊張。中隔墻、疏散平臺、橫向牛腿、中繼泵站、車輛調(diào)頭等作業(yè)區(qū)施工要求合理組織,中隔墻安裝與主線盾構(gòu)掘進要求同步施工,多作業(yè)面協(xié)同作業(yè)的施工效率及資源配置要求匹配。

2)交通運輸矛盾突出。由于盾構(gòu)掘進和下結(jié)構(gòu)同步施工,兩者所需的盾構(gòu)管片、弧形件等工程材料都需要通過中隔墻安裝機,交通壓力大。

3)構(gòu)件安裝精度高、吊運難度大。中隔墻結(jié)構(gòu)體積大、質(zhì)量大,吊裝與運輸要求高,安全風(fēng)險高;有限空間內(nèi)進行預(yù)制拼裝,安裝精度要求高、難度大,要求實現(xiàn)構(gòu)件無人智能化一鍵安裝。

4)設(shè)備集成化功能多。安裝設(shè)備具備交通車輛穿行空間,裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高;大件運輸和安裝需要安全又快速,設(shè)備功能化需求高。

1.3.2 施工要求

1)中隔墻拼裝施工要求6個自由度姿態(tài)調(diào)整功能,具備縱向前后、橫向前后、上下伸縮、旋轉(zhuǎn)、擺動等微調(diào)功能。

2)中隔墻姿態(tài)精調(diào)具備6自由度微調(diào)功能,確保拼裝精度。

3)中隔墻拼裝施工具有自動檢測與感知、自動運算與分析處理、自動決策與動作執(zhí)行、人機交互與信息存儲等智能化施工功能,提高裝備的自動化程度。

4)中隔墻施工考慮多工序平行作業(yè)施工,裝備需要考慮拼裝與掘進運輸車輛的通過空間。

2 門架式中隔墻智能安裝機總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

門架式中隔墻安裝機總體設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)中隔墻抓取、旋轉(zhuǎn)、行走、微調(diào)、拼裝等工序穩(wěn)定作業(yè)的基本功能,并保證拼裝高精度、智能化控制等方面的技術(shù)創(chuàng)新。為保證施工運輸車輛正常通行,安裝機門架采用穿行式大凈空設(shè)計,滿足施工車輛通行空間要求;具備各種姿態(tài)6自由度微調(diào)功能,保障安裝精度、效率和安全。門架式中隔墻智能安裝機具有6個自由度姿態(tài)調(diào)整,安裝小車具備縱向前后、橫向前后、上下伸縮、旋轉(zhuǎn)、擺動等微調(diào)功能,整機自動行走定位功能;具有自動檢測與感知、自動運算與分析處理、自動決策與動作執(zhí)行、人機交互與信息存儲等智能化施工功能。

中隔墻智能控制系統(tǒng)主要設(shè)計思路為通過安裝機的2臺6自由度機械臂,集成激光測距儀、限位開關(guān)等檢測元件,配合主動雙目視覺相機模塊,采取結(jié)構(gòu)光的視覺引導(dǎo)方式,將結(jié)構(gòu)光投射到已安裝中隔墻和待安裝中隔墻上以計算位姿信息;通過多傳感器信息融合完成視覺伺服閉環(huán)控制,為后續(xù)的中隔墻精調(diào)提供依據(jù);通過軟件運算與分析,最終控制執(zhí)行液壓油缸與驅(qū)動電機,完成隔墻平行姿態(tài)調(diào)整、中隔墻抓取及翻轉(zhuǎn)、中隔墻姿態(tài)精調(diào)及拼裝、安裝機歸位姿態(tài)調(diào)整4步工序。

2.2 主要結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)

2.2.1 安裝機主要結(jié)構(gòu)

按照隧道內(nèi)施工空間特點和穩(wěn)健結(jié)構(gòu)需求,中隔墻智能安裝機采用雙跨式門架結(jié)構(gòu),兩端為支撐結(jié)構(gòu),中部為拼裝工作機構(gòu)。中隔墻智能安裝機主要由門架系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、橫移系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)等部分組成。門架式中隔墻智能安裝機方案設(shè)計見圖6。

(a) 正視圖

2.2.2 安裝機技術(shù)參數(shù)

根據(jù)拼裝要求,門架式中隔墻智能安裝機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 門架式中隔墻智能安裝機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of intelligent installation machine for door frame-type middle partition wall

2.3 安裝機門架系統(tǒng)

2.3.1 主要結(jié)構(gòu)組成

按照隧道內(nèi)施工空間特點和穩(wěn)健結(jié)構(gòu)需求,中隔墻智能安裝機采用雙跨式門架結(jié)構(gòu),兩端為支撐結(jié)構(gòu),中部為拼裝工作機構(gòu)。安裝機門架系統(tǒng)主要由門架立柱內(nèi)套、門架立柱外套、門架縱梁、門架橫梁等部分組成。

2.3.2 門架立柱內(nèi)套

門架立柱內(nèi)套如圖7所示。門架立柱內(nèi)套與門架立柱外套組合使用,作為中隔墻智能安裝機豎直方向頂升的支腿結(jié)構(gòu),分別布置在其4個頂角位置。門架立柱內(nèi)套的功能結(jié)構(gòu)主要包含矩形架體、滑板、頂升油缸耳板、銷軸基座、銷軸安裝孔、銷軸等。矩形架體采用鋼板焊接成箱體結(jié)構(gòu),其四周外表面焊接多個滑板,作為與門架立柱外套的導(dǎo)向塊和耐磨塊。

1—矩形架體; 2—滑板; 3—頂升油缸耳板; 4—銷軸基座; 5—銷軸安裝孔; 6—銷軸。圖7 門架立柱內(nèi)套Fig. 7 Inner sleeve of door frame post

2.3.3 門架立柱外套

門架立柱外套如圖8所示。門架立柱外套作為中隔墻智能安裝機伸縮結(jié)構(gòu)的外圍結(jié)構(gòu),同時作為整機的門架立柱,可與橫梁、縱梁連接,組建成整機的門架式結(jié)構(gòu)。門架立柱外套主要包括矩形架體、下部縱梁安裝孔、頂部橫梁安裝孔、C型滑板、頂升油缸耳板和牛腿等。矩形架體為采用鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu),內(nèi)部焊接有C型滑板,與門架立柱內(nèi)套滑板配套使用,具有導(dǎo)向塊、耐磨塊的作用。

1—矩形架體; 2—下部縱梁安裝孔; 3—頂部橫梁安裝孔; 4—C型滑板; 5—頂升油缸耳板; 6—牛腿。圖8 門架立柱外套Fig. 8 Outside sleeve of door frame post

2.3.4 門架縱梁

門架縱梁連接中隔墻智能安裝機兩端的門架立柱外套,根據(jù)安裝位置,可分為上部縱梁和下部縱梁,如圖9和圖10所示。上部縱梁安裝在門架立柱的頂部,其端部與門架橫梁連接,組建成框架結(jié)構(gòu),共同放置在門架立柱的頂部。下部縱梁為鋼板焊接而成的H型梁,其上承載面設(shè)置多個縱梁間立柱安裝孔,與上部縱梁上的縱梁間立柱安裝孔位置對齊,用于螺栓連接梁間立柱。

1—縱梁架體; 2—C型滑板安裝孔; 3—縱梁間立柱安裝孔; 4—連接橫梁安裝孔; 5—吊裝耳板; 6—C型滑板。圖9 上部縱梁Fig. 9 Upper stringer

1—H型梁; 2—縱梁間立柱安裝孔。圖10 下部縱梁Fig. 10 Lower stringer

2.3.5 門架橫梁

門架橫梁連接門架立柱與門架縱梁,組建成中隔墻智能安裝機門架結(jié)構(gòu);門架橫梁下端面與連接門架立柱連接,形成兩端支撐的門架結(jié)構(gòu);前(后)側(cè)面與門架縱梁連接,形成中隔墻智能安裝機的頂部水平框架結(jié)構(gòu)。橫梁架體是門架橫梁的主體結(jié)構(gòu),采用鋼板焊接成箱體結(jié)構(gòu)。門架橫梁見圖11。

1—橫梁架體; 2—門架立柱安裝孔; 3—上部縱梁安裝孔; 4—吊裝耳板。圖11 門架橫梁Fig. 11 Door frame transom

2.4 安裝機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

2.4.1 主要結(jié)構(gòu)組成

安裝機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)位于安裝機隧道中線的一側(cè),是中隔墻精準(zhǔn)定位的末端執(zhí)行機構(gòu),集成了中隔墻的抓取、旋轉(zhuǎn)和左右擺動調(diào)姿功能。安裝機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)盤總成和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動總成組成。

2.4.2 旋轉(zhuǎn)盤總成

旋轉(zhuǎn)盤總成如圖12所示。旋轉(zhuǎn)盤總成為矩形板狀結(jié)構(gòu),采用鋼板縱橫交叉焊接成型,靠近中隔墻一側(cè)的表面覆蓋鋼板,構(gòu)成旋轉(zhuǎn)盤架體。旋轉(zhuǎn)盤架體靠近中隔墻一側(cè)的面板上開設(shè)4個矩形布置的銷軸安裝孔,孔內(nèi)焊接銷軸基座。中隔墻采用4個長銷軸完成托舉抓取。銷軸穿插在銷軸基座內(nèi),末端采用法蘭連接,前端為錐形設(shè)計,便于插入中隔墻抓取孔內(nèi)。

1—旋轉(zhuǎn)盤架體; 2—銷軸基座; 3—銷軸; 4—鉸接板; 5—橡膠墊; 6—擺動油缸耳板; 7—鉸接軸; 8—視覺識別系統(tǒng)安裝孔。圖12 旋轉(zhuǎn)盤總成Fig. 12 Rotating disc assembly

2.4.3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動總成

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動總成為旋轉(zhuǎn)盤總成提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,并具有橫向移動、驅(qū)動旋轉(zhuǎn)盤總成靠近中隔墻的功能。根據(jù)功能劃分,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動總成可分為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和橫向移動2部分,其中承擔(dān)橫向移動功能的橫移架體為基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu),其橫梁上設(shè)置旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動2部分結(jié)構(gòu)。

2.5 安裝機橫移系統(tǒng)

2.5.1 主要結(jié)構(gòu)組成

中隔墻臥式穿孔抓取、立式調(diào)整姿態(tài)時需要縱向移動功能,同時需要為豎向擺動外套總成提供鉸接點和橫向移動油缸反力點。安裝機橫移系統(tǒng)主要由縱向移動系統(tǒng)和橫向移動系統(tǒng)組成。

2.5.2 橫向移動系統(tǒng)總成

橫向移動系統(tǒng)總成如圖13所示。橫向移動系統(tǒng)由橫移架體與豎向擺動外套連接,兩者之間存在相對移動的功能需求。豎向擺動外套需要兼具豎向擺動和橫向滑動外套的功能。豎向擺動外套采用鋼板焊接成矩形板式結(jié)構(gòu),中部鏤空,兩側(cè)橫截面為箱體式結(jié)構(gòu),構(gòu)成擺動外套架體。

1—擺動外套架體; 2—鉸接板; 3—擺動油缸耳板; 4—橫移油缸耳板; 5—吊裝耳板; 6—C型滑板。圖13 橫向移動系統(tǒng)總成Fig. 13 Lateral movement system assembly

2.5.3 縱向移動系統(tǒng)總成

縱向移動系統(tǒng)總成如圖14所示?？v向移動系統(tǒng)總成主要由滑塊架體、鉸接基座、擺動油缸耳板、吊裝耳板、導(dǎo)向耐磨塊和縱移油缸耳板等結(jié)構(gòu)組成?；瑝K架體是由鋼板焊接成的矩形板式結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)橫截面為箱體式結(jié)構(gòu)?；瑝K架體下表面的左側(cè)設(shè)置鉸接基座,右側(cè)設(shè)置擺動油缸耳板,與豎向擺動外套總成上的鉸接板、擺動油缸耳板配合使用,可為豎向擺動外套總成提供鉸接點和油缸驅(qū)動力支點。

1—滑塊架體; 2—鉸接基座; 3—擺動油缸耳板; 4—吊裝耳板; 5—導(dǎo)向耐磨塊; 6—縱移油缸耳板。圖14 縱向移動系統(tǒng)總成Fig. 14 Vertical movement system assembly

2.6 安裝機行走系統(tǒng)

中隔墻智能安裝機具備縱向自動行走功能,為滿足重載、平穩(wěn)、可靠的功能需求,可采用軌行式機構(gòu)。行走機構(gòu)采用電機驅(qū)動,三級鏈條傳動。一級、二級鏈傳動增大驅(qū)動力,三級鏈傳動保持同步,力矩均勻分配。行走系統(tǒng)總成見圖15。

1—電機減速機; 2—箱體; 3—傳動鏈; 4—一級鏈輪; 5—二級鏈輪與行走輪; 6—三級鏈輪與行走輪; 7—門架立柱鉸接板。圖15 行走系統(tǒng)總成Fig. 15 Travel system assembly

2.7 安裝機電控系統(tǒng)

中隔墻智能安裝機電控系統(tǒng)主要由PLC模塊、液壓控制模塊、多信息融合傳感模塊、高性能工控機模塊、無線通信模塊、激光定位模塊、視覺定位模塊組成。中隔墻智能控制系統(tǒng)電控架構(gòu)見圖16。

圖16 中隔墻智能控制系統(tǒng)電控架構(gòu)圖Fig. 16 Electric control architecture of intelligent control system of middle partition wall

2.8 安裝機液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要為隧道中隔墻智能安裝機執(zhí)行機構(gòu)提供所需的壓力和流量,執(zhí)行機構(gòu)包括主架升降油缸、橫移油缸、縱移油缸、橫向角度調(diào)節(jié)油缸、縱向角度調(diào)節(jié)油缸、翻轉(zhuǎn)油缸。

液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感泵與比例多路閥控制,配合帶位移傳感器油缸,系統(tǒng)具備特點如下:

1)高度自動化,最大限度地減少人力成本的支出;

2)流量穩(wěn)定,輸出流量與負(fù)載變化無關(guān);

3)提高液壓系統(tǒng)效率,減少系統(tǒng)耗能及發(fā)熱量;

4)較高的集成性,節(jié)約安裝空間,減小整機重量;

5)有組合動作需求時,可滿足多缸同時動作,互不影響;

6)比例閥可根據(jù)需求調(diào)節(jié)油缸速度曲線,保證動作平穩(wěn)。

2.9 安裝機智能控制系統(tǒng)

本研究設(shè)計的目的是實現(xiàn)對中隔墻安裝機目前工作狀態(tài)的實時監(jiān)測,便于操作員根據(jù)目前的數(shù)據(jù)進行人工估計與決策。在整個作業(yè)過程中,操作員可以根據(jù)終端顯示窗口,實時掌握中隔墻安裝機的姿態(tài)信息、運動速度信息、工作距離、通信等狀態(tài)信息。根據(jù)監(jiān)控平臺,操作員可實時對中隔墻安裝機進行操作控制,以確保中隔墻安裝機穩(wěn)定安全工作。

安裝機智能控制系統(tǒng)軟件界面如圖17所示。傳感數(shù)據(jù)監(jiān)控與人機交互平臺設(shè)計實際上是為了更方便操作和觀測中隔墻安裝機的狀態(tài),該界面采用模塊化的編程方法,人機交互界面采用Qt5 Creator軟件進行界面設(shè)計,開發(fā)語言C#進行函數(shù)的調(diào)用,實現(xiàn)GUI頁面的事件互動。

圖17 安裝機智能控制系統(tǒng)軟件界面Fig. 17 Installation machine intelligent control system software interface

2.10 安裝機主要部件的強度校核

2.10.1 主要技術(shù)參數(shù)

中隔墻安裝機主架主要由門架立柱,門架橫梁,縱向主梁,旋轉(zhuǎn)伸縮內(nèi)、外套等組成,材料為Q235B,安裝機自身質(zhì)量為100 t。安裝機計算模型主要技術(shù)參數(shù)如下: 1)模板材料為Q235B; 2)屈服強度[σs]=235 MPa; 3)容許拉壓應(yīng)力[σ]=215 MPa; 4)容許彎曲應(yīng)力[σ]=215 MPa; 5)容許剪應(yīng)力[τ]=125 MPa; 6)彈性模量E=2.1 GPa; 7)泊松比μ=0.3; 8)容許變形量按照桿件L/400控制。

2.10.2 安裝機模型建立

本次計算采用商業(yè)有限元軟件Midas civil。模型采用梁單元,共建立117個梁單元,建立模型見圖18。

圖18 安裝機Midas模型圖Fig. 18 Midas model diagram of installation machine

2.10.3 結(jié)構(gòu)各構(gòu)件計算結(jié)果

1)基本組合下,臺車在抓舉中隔墻后,4個門架立柱處反力分別為63、151、665、959 kN;可看出,4個門架立柱在工作過程中無上浮情況,進而得出臺車無傾覆可能。梁單元變形云圖見圖19。

圖19 梁單元變形云圖(單位: mm)Fig. 19 Deformation contour of beam element (unit: mm)

2)基本組合下,剪切應(yīng)力達(dá)到最大39.28 MPa。最大剪切應(yīng)力為39.28 MPa<125 MPa,滿足使用要求。梁單元組合應(yīng)力云圖見圖20。

圖20 梁單元組合應(yīng)力云圖(單位: MPa)Fig. 20 Stress contour of beam element combination (unit: MPa)

3)基本組合下,彎曲應(yīng)力最大達(dá)到173.15 MPa。最大彎曲應(yīng)力為173.15 MPa<215 MPa,滿足使用要求。梁單元剪應(yīng)力云圖見圖21。

圖21 梁單元剪應(yīng)力云圖(單位: MPa)Fig. 21 Shear stress contour of beam element (unit: MPa)

3 門架式中隔墻智能安裝機施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝流程

中隔墻安裝機施工工藝主要分為4個階段: 中隔墻平行姿態(tài)調(diào)整、中隔墻抓舉及翻轉(zhuǎn)、中隔墻姿態(tài)精調(diào)及拼裝、安裝機歸位姿態(tài)調(diào)整。安裝機用時1 800 s,人工安裝螺栓用時480 s,總計2 280 s(38 min)。中隔墻施工工藝流程見圖22。

圖22 中隔墻施工工藝流程圖[11]Fig. 22 Flowchart of middle partition wall construction process[11]

3.1.1 中隔墻平行姿態(tài)調(diào)整

第1階段中隔墻安裝機動作工序用時420 s,見表2。

表2 第1階段: 中隔墻平行姿態(tài)調(diào)整工作循環(huán)及動作工序Table 2 Stage 1: Middle partition wall parallel attitude adjustment working cycle and operation procedure

3.1.2 中隔墻抓舉及翻轉(zhuǎn)

第2階段中隔墻安裝機動作工序用時450 s,見表3。

表3 第2階段: 中隔墻抓舉及翻轉(zhuǎn)調(diào)整工作循環(huán)及動作工序Table 3 Stage 2: Middle partition wall snatch and flip adjustment working cycle and operation procedure

3.1.3 中隔墻姿態(tài)精調(diào)及拼裝

第3階段中隔墻安裝機動作工序用時550 s,人工安裝螺栓用時480 s,見表4。

表4 第3階段: 中隔墻姿態(tài)精調(diào)及拼裝工作循環(huán)及動作工序Table 4 Stage 3: Fine adjustment of attitude of middle partition wall and assembling work cycle and operation procedure

3.1.4 安裝機歸位姿態(tài)調(diào)整

第4階段中隔墻安裝機動作工序用時380 s,見表5。

表5 第4階段: 安裝機歸位姿態(tài)工作循環(huán)及動作工序Table 5 Stage 4: Installation machine homing attitude work cycle and operation procedure

3.2 多傳感信息融合定位技術(shù)

中隔墻的智能化安裝,以多傳感信息融合數(shù)據(jù)為依據(jù),利用安裝機設(shè)置的機械臂視覺定位系統(tǒng),結(jié)合強魯棒的視覺特征、高精度位移傳感器、激光測距儀、光學(xué)傳感器等檢測元件,測量并檢測實際相關(guān)數(shù)據(jù),通過軟件運算與分析,最終控制執(zhí)行液壓油缸。

中隔墻智能控制系統(tǒng)如圖23所示。結(jié)合激光測距、視覺、油缸行程及設(shè)備機構(gòu)化信息等多傳感信息,提取關(guān)鍵信息數(shù)據(jù);并通過點云相機發(fā)生器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光,視覺相機提取點云數(shù)據(jù)信息,形成目標(biāo)中隔墻的圖像特征值,與固定中隔墻圖像期望特征值對比,輔以視覺伺服循環(huán)控制,進而計算得出二者相對位姿。

圖23 中隔墻智能控制系統(tǒng)框圖Fig. 23 Structure of middle partition wall intelligent control system

建立安裝機坐標(biāo)系,以機械臂視覺定位系統(tǒng)為核心進行坐標(biāo)變換,結(jié)合視覺伺服閉環(huán)控制,輔以激光測距冗余信息,通過強魯棒的視覺特征選取,實現(xiàn)安裝過程中中隔墻的實時定位,以進行精確位置姿態(tài)調(diào)整。

3.3 視覺相機識別中心孔定位技術(shù)

中心孔對準(zhǔn)階段使用視覺識別相機識別中隔墻預(yù)制板中心位置預(yù)留的中心定位圓孔,并且還需反饋出圓心坐標(biāo)位置用于調(diào)整安裝機抓取機構(gòu)的中心與預(yù)制板中心對齊。

當(dāng)前抓取孔與標(biāo)準(zhǔn)位姿的識別結(jié)果和調(diào)整量如圖24所示。抓取銷軸與中隔墻孔位對中,采用工業(yè)視覺相機定位技術(shù),視覺相機內(nèi)置偏轉(zhuǎn)角度,將拍攝孔位圖像坐標(biāo)信息與標(biāo)準(zhǔn)圖像對比,反饋得出圓心坐標(biāo)位置,用于調(diào)整安裝機抓取機構(gòu)的中心與中隔墻中心對齊。中心定位圓孔識別與定位流程為載人圖像、圖像預(yù)處理、中心孔邊緣檢測、霍夫圓變換、輸出擬合圓與圓心坐標(biāo),從而得出旋轉(zhuǎn)角度、高度差、水平差值,控制安裝機旋轉(zhuǎn)油缸、升降油缸、縱向水平油缸的相對運動,抓取銷軸穿入中隔墻。中隔墻視覺相機識別中心孔應(yīng)用效果見圖25。

圖25 中隔墻視覺相機識別中心孔效果Fig. 25 Middle partition wall visual camera recognition center hole renderings

3.4 基于雙六軸機械臂與主動視覺姿態(tài)控制技術(shù)

中隔墻到達(dá)微調(diào)位置后,通過2套攜帶主動視覺相機的機械臂系統(tǒng)(見圖26和圖27),分別投射結(jié)構(gòu)光于已安裝和待安裝的中隔墻上并識別,以此計算中隔墻間相對位姿信息,然后通過閉環(huán)控制,調(diào)整中隔墻的姿態(tài)位置。

圖26 上部主動視覺相機和結(jié)構(gòu)光發(fā)生器工作Fig. 26 Upper active vision camera and structured light generator working

圖27 下部主動視覺相機和結(jié)構(gòu)光發(fā)生器工作Fig. 27 Lower active vision camera and structured light generator working

雙六軸機械臂引導(dǎo)相機精確獲取中隔墻的位置和姿態(tài)坐標(biāo),并將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為安裝機能識別的安裝機坐標(biāo)。根據(jù)安裝機坐標(biāo)系運算和PLC計算發(fā)出指令,液壓控制系統(tǒng)采用負(fù)載敏感電比例控制方案,完成中隔墻安裝機自動對中與抓取、中隔墻自動旋轉(zhuǎn)90°、安裝機自動行走到安裝位置、中隔墻精調(diào)、中隔墻安裝等工序,進而引導(dǎo)安裝機液壓油缸完成中隔墻的定位抓取和姿態(tài)調(diào)整。

3.5 重載伺服位移反饋控制智能拼裝技術(shù)

液壓系統(tǒng)控制方式示意如圖28所示。液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感泵與比例多路閥的組合方式,實現(xiàn)系統(tǒng)流量恒定輸出并與負(fù)載變化無關(guān)的流量控制技術(shù)。比例閥根據(jù)需求調(diào)節(jié)油缸速度曲線,保證動作平穩(wěn);配合集成位移傳感器的油缸,實現(xiàn)精度毫米級的多缸復(fù)合動作控制,滿足安裝機的動作精度需求。

圖28 液壓系統(tǒng)控制方式示意圖Fig. 28 Hydraulic system control mode

中隔墻安裝機基于構(gòu)件當(dāng)前位置與目標(biāo)位置測量數(shù)據(jù)與分析,通過多傳感信息融合定位系統(tǒng)獲取外界信息。高性能工控機實時計算并判斷感知是否滿足工作條件,結(jié)合安裝機坐標(biāo)系分析信息,通過采集的位姿誤差量導(dǎo)入PLC中解算出當(dāng)前的控制量,從而使液壓缸等執(zhí)行元件執(zhí)行當(dāng)前驅(qū)動量,解算各執(zhí)行元件的位移量并發(fā)送至液壓控制系統(tǒng),進而達(dá)到要求的工況。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

4.1 安裝機拼裝效率

2022年6月至2023年2月,經(jīng)過工廠測試及現(xiàn)場應(yīng)用,中隔墻現(xiàn)場應(yīng)用累計拼裝726塊,共1 452 m;中隔墻智能安裝機完成4個工序,總用時38 min(含緊固螺栓并拆除鎖銷的時間5 min),原設(shè)計用時50 min(不包含緊固螺栓并拆除鎖銷的時間)。中隔墻安裝機現(xiàn)場應(yīng)用效果見圖29和圖30。

圖29 中隔墻安裝機現(xiàn)場應(yīng)用效果Fig. 29 Middle partition wall installation machine field application effect

圖30 中隔墻現(xiàn)場拼裝效果Fig. 30 Middle partition wall site assembly effect

4.2 安裝機拼裝精度

中隔墻安裝機拼裝系統(tǒng)同步控制精度、油缸位置控制精度和中隔墻拼裝控制精度符合設(shè)計要求。通過大量現(xiàn)場測試及優(yōu)化,并結(jié)合執(zhí)行機構(gòu)工況要求,突破了比例系統(tǒng)超低流量控制技術(shù),實現(xiàn)了油缸的高精度控制及同步控制,控制精度可達(dá)到0.5～1 mm。

1)中隔墻安裝機油缸同步控制精度: 主架升降達(dá)到1.5 mm;橫向角度調(diào)節(jié)達(dá)到0.5 mm;縱向角度調(diào)節(jié)達(dá)到0.5 mm,同步精度效果準(zhǔn)確可靠。

2)中隔墻安裝機油缸位置控制精度: 主架升降油缸達(dá)到1.5 mm;縱向縱移油缸和橫向橫移油缸達(dá)到1 mm;翻轉(zhuǎn)油缸、橫向角度調(diào)節(jié)、縱向角度調(diào)節(jié)達(dá)到0.5 mm,位置精度效果準(zhǔn)確可靠。

4.3 安裝機拼裝質(zhì)量

中隔墻安裝機拼裝質(zhì)量主要體現(xiàn)在拼裝精度控制,拼裝精度指與上一塊中隔墻的相對偏值,結(jié)合毫米級液壓系統(tǒng)精度控制、亞毫米級機器視覺與激光測距傳感器等精度控制,中隔墻拼裝精度達(dá)到±2 mm,實現(xiàn)高精度拼裝。中隔墻安裝質(zhì)量控制指標(biāo)見表6。

表6 中隔墻安裝質(zhì)量控制指標(biāo)Table 6 Middle partition wall installation quality control indice

5 結(jié)論與討論

本文從當(dāng)前隧道預(yù)制拼裝目前急需解決的問題入手,分析了構(gòu)件預(yù)制程度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、拼裝工藝、裝備智能化程度、資源組織方式的施工現(xiàn)狀。從革新配套裝備方面入手,分析了當(dāng)前中隔墻安裝機的結(jié)構(gòu)形式,制定了門架式中隔墻智能安裝機設(shè)計方案。在借鑒先進結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,提出了一鍵式智能化高精度拼裝功能,形成了拼裝與掘進同步施工技術(shù)、設(shè)備智能化控制技術(shù)、預(yù)制構(gòu)件精確安裝技術(shù)等相關(guān)實用技術(shù)。

1)中隔墻安裝機智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計,通過建立安裝機坐標(biāo)系,以機械臂視覺定位系統(tǒng)為核心進行坐標(biāo)變換,結(jié)合雙面視覺相機模塊伺服閉環(huán)控制,輔以激光測距冗余信息,通過強魯棒的視覺特征選取,實現(xiàn)了安裝過程中中隔墻的實時定位,精確位置姿態(tài)調(diào)整,滿足拼裝精度±2 mm誤差要求。

2)基于雙六軸機械臂與主動視覺伺服技術(shù)的中隔墻姿態(tài)測量技術(shù),通過視覺相機識別結(jié)構(gòu)光圖像,算法識別計算2個中隔墻之間的位置差異,實現(xiàn)了待安裝中隔墻與已安裝中隔墻之間面平行度的精確位置姿態(tài)調(diào)整,較傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝提高施工效率10倍以上。

3)盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝技術(shù)與智能化裝備應(yīng)用,具有重大技術(shù)實踐意義,對全預(yù)制拼裝領(lǐng)域施工技術(shù)及新型裝備提供了借鑒參考。下一步,建議在中隔墻與底部連接、中隔墻墻體設(shè)計形式、中隔墻與頂部牛腿連接、智能化拼裝應(yīng)用功能集成與環(huán)縱向螺栓智能化緊固等方面,進行系統(tǒng)深入研究,形成標(biāo)準(zhǔn)化施工,提高施工效率。