趙 旭/ZHAO Xu

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003）

近年來，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越多，隧道成型后，在隧道內(nèi)利用墻板結(jié)構(gòu)進行分隔，形成多層多跨結(jié)構(gòu)，同時滿足行車、維護、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，越來越多的隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)也開始采用預(yù)制拼裝技術(shù)[1-7]。

本文依托上海軌道交通市域線機場聯(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和中隔墻智能拼裝機，集成了行走控制系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、自動識別系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、智能化及信息化系統(tǒng)等，實現(xiàn)了預(yù)制弧形件和中隔墻的高精度、自動化、智能化拼裝，極大提高了施工效率和施工質(zhì)量，降低了工人勞動強度。

1 工程概況

上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡(luò)線工程JXCSG-11 標度假區(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4 721m，管片外徑13.6m，內(nèi)徑12.5m，采用1 臺直徑?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、疏散平臺和電纜溝槽。隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖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，對拼裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)承重、平衡設(shè)計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)件無法拼裝或無法達到設(shè)計要求?；⌒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)件的拼裝精度要達到毫米級，對拼裝設(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)部有限空間進行作業(yè)，對設(shè)備的外形尺寸有一定限制?；⌒渭囱b作業(yè)是在盾構(gòu)機連接橋下部；中隔墻拼裝作業(yè)區(qū)在盾構(gòu)機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)計時需要考慮的因素。

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)掘進同步施工的，因此不能影響盾構(gòu)掘進的正常施工工序。

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；隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境相對較差，需要克服高溫、粉塵、污濁空氣、污水等的不利影響，對設(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，對設(shè)備自身的安全性能及對其他作業(yè)的安全保障具有較高的要求。

2.2 智能拼裝機設(shè)計方案

2.2.1 總體設(shè)計

1）弧形件智能拼裝機 基于弧形件拼裝工藝要求及現(xiàn)場實際條件，弧形件智能拼裝機總體上采用內(nèi)部穿行式步進作業(yè)設(shè)計方案，設(shè)備主要由主機架、副機架、微調(diào)平臺、液壓系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)等組成。弧形件拼裝機結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 弧形件拼裝機結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖4 中隔墻拼裝機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 功能設(shè)計

1）弧形件智能拼裝機 弧形件智能拼裝機具有6 個自由度姿態(tài)調(diào)整、步進姿態(tài)自動調(diào)整、自動步進糾偏、微調(diào)平臺姿態(tài)調(diào)整、弧形件姿態(tài)調(diào)整與拼裝、拼裝機歸位姿態(tài)調(diào)整等功能；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功能。

2）中隔墻智能拼裝機 中隔墻智能拼裝機具有6 個自由度姿態(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功能。

2.2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

采用負載敏感泵與比例多路閥的組合，配合帶位移傳感器油缸，實現(xiàn)毫米級的精度控制，以及與負載無關(guān)的流量控制，并且可多缸復(fù)合動作，滿足拼裝機的各個動作需求。

2.2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

基于可編程序控制器PLC 開發(fā)，通過PLC豐富的數(shù)字、模擬量接口與相應(yīng)的檢測終端通信，通過程序控制各個液壓油缸動作，實現(xiàn)拼裝機的各個動作執(zhí)行。參與姿態(tài)調(diào)整及拼裝的傳感器精度<1mm，激光測距傳感器重復(fù)測量精度0.5mm。

電控總體設(shè)計包含PLC 主控、各類傳感器、工控機、液壓油缸、機械臂視覺定位系統(tǒng)以及人機交互的遙控器等部分?；⌒渭悄芷囱b機動作控制邏輯如圖5 所示。

中隔墻拼裝機動作控制邏輯如圖6 所示。

圖6 中隔墻拼裝機動作控制邏輯

2.2.5 智能化及信息化系統(tǒng)

1）自動測量系統(tǒng) 針對弧形件智能拼裝機，開發(fā)自動測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)拼裝機的自動化、智能化拼裝。自動測量系統(tǒng)采用高精度全站儀結(jié)合定制的精調(diào)標架實現(xiàn)對弧形件位置和姿態(tài)的精確測定。精調(diào)標架包含兩個精密棱鏡和高精度傾角傳感器，可精確測量出待拼裝弧形件初始位置和姿態(tài)；測量已拼裝弧形件姿態(tài)和成型隧道姿態(tài)，計算待拼裝弧形件目標位置和姿態(tài)，根據(jù)弧形件拼裝規(guī)則計算出待拼裝弧形件的調(diào)整量；建立拼裝機坐標系，采集自動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，通過智能控制軟件運算與分析，向液壓控制系統(tǒng)發(fā)送弧形件頂部4 個角點及中心點位置信息，引導(dǎo)拼裝機進行精確位置調(diào)整。

2）多傳感信息融合定位系統(tǒng) 針對中隔墻智能拼裝機，建立拼裝機坐標系，以機械臂視覺定位系統(tǒng)為核心進行坐標變換，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）自動檢測與感知 弧形件智能拼裝機以自動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用高精度位移傳感器、激光測距儀、避障傳感器、接近開關(guān)、限位開關(guān)等檢測元件，自動測量并檢測相關(guān)實際數(shù)據(jù)，通過軟件運算與分析，控制液壓油缸執(zhí)行動作。中隔墻智能拼裝機以多傳感信息融合數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用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，自動測量并檢測實際相關(guān)數(shù)據(jù)，通過軟件運算與分析，控制液壓油缸執(zhí)行動作。

4）自動運算與分析處理 通過獲取的相關(guān)信息，工控機實時自動計算并判斷、感知是否滿足工作條件，結(jié)合拼裝機坐標系分析信息，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)動量。

5）自動決策與動作執(zhí)行 根據(jù)構(gòu)件拼裝規(guī)則及要求開發(fā)算法，通過獲取的信息進行運算、對比并自動決策，PLC 控制程序發(fā)出指令，液壓控制系統(tǒng)自動完成拼裝機的各個動作。

6）人機交互與信息存儲 根據(jù)采集信息、運算信息、執(zhí)行信息儲存記錄，將整機分系統(tǒng)進行人機交互與信息存儲，相關(guān)工作信息與參數(shù)通過人機交換界面展現(xiàn)，每完成一個循環(huán)作業(yè)，自動生成報表并進行存儲，方便查閱與分析。

3 工程應(yīng)用

3.1 弧形件智能拼裝機應(yīng)用

弧形件智能拼裝機內(nèi)部穿行式設(shè)計使弧形件拼裝作業(yè)對盾構(gòu)掘進施工零干擾；全自動作業(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)掘進主線時間；結(jié)合自動測量系統(tǒng)，實現(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 中隔墻智能拼裝機應(yīng)用

中隔墻智能拼裝機門架式設(shè)計使中隔墻拼裝作業(yè)對隧道水平運輸通行無干擾，實現(xiàn)了中隔墻拼裝與盾構(gòu)掘進同步施工；自動抓取、自動旋轉(zhuǎn)、自動行走、自動精調(diào)與拼裝功能使大型預(yù)制構(gòu)件拼裝 實現(xiàn)全自動作業(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

弧形件智能拼裝機和中隔墻智能拼裝機的研發(fā)與成功應(yīng)用，實現(xiàn)了盾構(gòu)隧道大型、異型、重型預(yù)制構(gòu)件的自動化、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)和自動測量系統(tǒng)，通過方案設(shè)計與系統(tǒng)集成，實現(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)和機械臂視覺相機定位系統(tǒng)，通過方案設(shè)計與系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了中隔墻一鍵智能拼裝。

3）實現(xiàn)了大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進無干擾同步施工，節(jié)省了工程建設(shè)工期。

4）實現(xiàn)了盾構(gòu)隧道大型預(yù)制構(gòu)件的自動化、高精度拼裝作業(yè)，提高了施工質(zhì)量，降低了勞動作業(yè)強度，實現(xiàn)了減員增效的目的。

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

下一步可通過對施工效果和施工數(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，研究螺栓自動穿入、自動緊固等智能系統(tǒng)，形成全工序自動化、智能化拼裝作業(yè)。