盾構管片鋼筋籠自動加工設備設計及應用技術研究

王百泉

(中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，隨著盾構和TBM在隧道施工行業的廣泛應用，鋼筋混凝土管片作為盾構隧道施工的重要環節之一，其數量需求也隨之快速增長。國內部分預制工廠實現了管片混凝土澆筑工作的設備自動作業，其效率、質量和安全生產都得到了保證。然而，管片鋼筋骨架制作與安裝作為盾構鋼筋混凝土管片生產環節中一個重要工序，仍以人工操作簡單機具的手工加工方式為主，人力投入量和勞動強度大，生產效率低，材料浪費大，安全隱患多且焊接質量受工人操作影響較大，易造成焊接熱應力不均勻、變形不規則等問題[1]，因而加快推進鋼筋加工的變革創新是必然趨勢。

在盾構管片預制和鋼筋加工方面，已有學者進行了相關方面的研究工作。秦漢禮[2]對盾構隧道鋼筋混凝土管片制作技術進行了研究，詳細論述了管片的設計與制作工藝、試驗方法及運輸中應注意的事項，重點介紹了管片生產的關鍵工序；張磊[3]對地鐵盾構隧道預制管片施工技術進行了研究，通過工程案例分析，重點介紹了管片預制關鍵施工技術；王波[4]針對成都地鐵盾構管片預制生產線設計及質量保證措施進行了研究，詳細闡述了生產工藝的比選、確定和生產線的設計，并針對自動流水線法生產工藝的局限性提出了質量保證措施；禹海濤等[5]對考慮內部預制結構的盾構隧道的抗震性能進行了分析，介紹了預制結構具有生產效率高、產品質量好和工人勞動強度低等特點；楊紹斌等[6]對自動鋼筋加工生產線在港珠澳大橋沉管預制中的運用進行了研究，重點闡述了自動化鋼筋加工生產線的優勢和未來發展趨勢；邱榮祖等[7]分析了我國發展成型鋼筋加工配送的重要意義、現狀及存在的主要問題，并提出了發展對策；林雄[8]進行了混凝土結構用成型鋼筋加工配送中心選址研究。由此可見，當前的研究大多集中在盾構管片預制和生產方法、鋼筋自動加工線及其發展等方面，而對盾構管片鋼筋籠成型自動化方面研究較少。雖然國內現有鋼筋加工設備可以完成如鋼筋折彎、剪切，簡單的鋼筋籠、平面網焊接等操作，但像管片鋼筋這樣結構復雜的鋼筋籠，其整體加工設備及加工工藝在國內外仍處于空白，開發一套盾構管片鋼筋自動加工設備已是迫在眉睫。

本文通過對盾構管片鋼筋籠加工工藝和鋼筋加工設備進行深入分析，結合長株潭城際鐵路CZTZH-1標工程，完成棒材鋼筋剪切模塊、單片網成型模塊、物料存儲模塊和立體網焊接成型模塊等方案設計和設備制造，開發出一套盾構管片鋼筋籠自動加工設備。經過工廠試驗以及工程應用中對設備的不斷優化和完善，實現了鋼筋下料、單片弧形網焊接成型、物流儲運、立體鋼筋籠焊接成型等自動化流水線作業。

1 工程概況

長株潭城際鐵路是長株潭城市群城際鐵路網的核心部分，地處長沙、株洲、湘潭城市群中心地帶。CZTZH-1標盾構段位于長沙市岳麓區和開福區，于德雅路前以隧道方式進入地下，沿開福寺路西行，設開福站并下穿過湘江后，沿杜鵑路向西，止于銀杉路與杜鵑路交叉口的濱江新城站。盾構區間隧道設計為雙線圓形隧道，盾構隧道斷面開挖直徑為9 380 mm。隧道采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片背后注漿回填，隧道襯砌管片外徑為9 000 mm，內徑為8 100 mm，厚450 mm，環寬1 800 mm。盾構區間長度為4 839 m，包括隧道進口—開福寺區間(長1 900 m)和開福寺—濱江新城盾構區間(長2 939 m)。具體標段位置如圖1所示。

盾構隧道主要穿越白堊系上統泥質砂巖、礫巖，元古界冷家西群砂質板巖，〈9〉4-1全風化砂質板巖，〈9〉4-2強風化砂質板巖和〈9〉4-3弱風化砂質板巖。

圖1 長株潭城際鐵路CZTZH-1標標段位置示意圖

Fig. 1 Sketch of position of CZTZH-1 project of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Intercity Railway

該工程隧道管片設計為3種基本型式，分別為標準環、左轉彎環和右轉彎環，管片厚度為450 mm。每環管片采用“5+1+1+1”型式，即每環由封頂塊(F)、臨接塊(L1)、臨接塊(L2)及標準塊(B1—B5)共8塊管片組成，8塊管片為不等分塊。最大塊為標準塊(B1—B5)，外弧長為3 855.6 mm，內弧長為4 470 mm，外弦長為3 734.8 mm，最大單塊質量為8 t。管片寬度為1 800 mm，楔形量為32 mm，采用雙面楔形。根據隧道沿線地形、地質條件、埋深和地表建筑物情況的不同，管片配筋型式分為A、B、C、D 4種，管片鋼筋籠的鋼筋采用HPB235、HRB335級。盾構管片結構設計如圖2所示。

圖2 盾構區間隧道設計斷面圖(單位: mm)Fig. 2 Design of shield tunnel cross-section (unit: mm)

2 總體設計方案研究

2.1 方案設計

結合依托工程施工現場條件和管片設計相關要求，從安全性、實用性、技術先進性和經濟性等方面綜合考慮，盾構管片鋼筋籠自動加工設備主要由4大模塊組成，分別為棒材鋼筋剪切模塊、單片網成型模塊、物料存儲模塊和立體網焊接成型模塊。總體設計方案如圖3所示。

1—棒材鋼筋剪切模塊； 2—單片網成型模塊； 3—物料存儲模塊； 4—立體網焊接成型模塊。

圖3盾構管片鋼筋籠自動加工總體設計方案示意圖
Fig. 3 Overall design scheme of automatic processing equipment for shield segment steel reinforcement cage

設計特點： 1)各模塊的生產可實現手動及自動控制； 2)具有自動統計物料消耗功能，根據配筋的理論值對物料的理論消耗進行計算，并在此基礎上對物料的實際消耗進行統計； 3)具有自動存儲記憶功能，對生產的籠型、數量及物料可自動存儲，在生產中可隨時讀取，當不同配筋生產超量時自動報警； 4)可利用“自動統計物料消耗”和“存儲記憶功能”，根據預定的生產計劃進行類比，自動對儲料小車提出鋼筋規格要求，調度半成品位置，進行預生產準備； 5)在安全方面，各設備及模塊聯接處設置急停裝置，非人工工作及重點部位采用“門禁制”防護。總體方案設計立體效果如圖4所示。

圖4 盾構管片鋼筋籠自動加工總體方案設計立體效果圖

Fig. 4 Three-dimensional model of overall scheme of automatic processing equipment for shield segment steel reinforcement cage

2.2 盾構管片鋼筋籠加工流程

盾構管片鋼筋籠加工作業流程如圖5所示。具體工藝流程為：

1)將成捆鋼筋料吊放到鋼筋自動上料機平臺上，之后依次通過喂料輥道、鋼筋剪切主機、鋼筋輸出輥道完成鋼筋的剪切下料，收入到收料倉。

2)通過物流機構將主筋單根鋼筋料吊送到單根輸送軌道上，再通過輸送軌道將其輸送到單片網成型機上。

3)單片網成型機完成主筋彎弧成型，先由2臺焊接機器人完成主筋之間的焊接工作，再通過伺服定位橫筋位置，橫筋儲料倉機構自動落橫筋。采用電阻焊方式，將橫筋和主筋焊接牢固形成單片網片。

圖5 盾構管片鋼筋籠加工作業流程

Fig. 5 Processing flowchart of shield segment steel reinforcement cage

4)物流機構吊裝單片網片到輸送軌道，再分類吊裝到單片網儲存倉庫。

5)通過物流機構將單片網片按照焊接鋼筋籠的要求，依次從倉庫取出吊裝到單片網片輸送裝置上。

6)焊接輸送小車按規定疊放好單片網片后，人工放置外箍筋，焊接輸送小車將碼放好的平面網一次輸送到立體網自動焊接機上，完成自動焊接工作。

7)立體網成型，之后將其吊運至指定位置進行碼放，人工完成外箍筋搭接焊及預埋件安裝。

2.3 主要技術參數

盾構管片鋼筋籠加工生產線主要技術參數見表1。

表1 盾構管片鋼筋籠加工生產線主要技術參數Table 1 Main technical parameters of production line of shield segment steel reinforcement cage

3 棒材鋼筋剪切模塊設計研究

棒材鋼筋剪切模塊設計由鋼筋自動上料機、喂料輥道、鋼筋剪切主機、鋼筋出料架、鋼筋輸出輥道、成品料倉、操作臺和收料倉等組成，如圖6所示。根據設備總體方案設計產量需求，結合管片鋼筋籠設計方案，經過計算，選用XQ120數控鋼筋剪切設備，該設備可將熱軋Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級帶肋鋼筋進行高質量定尺剪切、輸送、存儲及加工。

1—鋼筋輸出輥道； 2—振動收料裝置； 3—成品料倉； 4—鋼筋剪切主機； 5—操作臺； 6—喂料輥道； 7—鋼筋自動上料機。

圖6棒材剪切模塊總裝圖
Fig. 6 General assembly diagram of steel bar shearing module

鋼筋自動上料機和鋼筋的喂料軌道位于機器的前端，剪切機位于設備的中部，剪切機后部為帶翻轉機構的定尺機構傳輸輥道。鋼筋的定尺傳輸輥道可以在氣缸的控制下根據剪切機的動作進行上升或下沉動作。在傳輸輥道側安裝有收料倉，用以收集、儲存成品鋼筋。設備運行完全由系統程序自動控制，可以進行編程并記錄所有工作訂單。通過自我識別系統可以對工作循環中的每個單獨的工作步驟進行操作和檢查，并可與TJKMES系統軟件配合使用。

該設備用于鋼筋的定尺切斷，采用自動工作循環，在放好需要加工的鋼筋后，即可啟動設備。該設備具有自動上料功能，因此為了確保原材在下料過程中有序順暢地排料，在把每捆原材鋼筋吊放到儲料架上時，應盡可能做到規整，不應有纏繞和重疊的現象，且原材鋼筋應擺放于原材儲料槽中間位置。

4 單片網成型模塊設計研究

4.1 總體設計

單片網成型模塊作為本設備的核心部分之一，可實現單片網的成形彎曲、成型焊接、原料與成品的轉運等工作。盾構管片鋼筋籠自動加工設備共配備4臺單片網成型機，每2臺對稱布置，上料由對稱布置于成型機之間的單根輸送機完成，通過單根輸送機的正反轉實現左右送料。成型機將成品加工完成后再由物流系統吊運至平面網輸送軌道上，輸送至下一工序。單片網成型模塊如圖7所示。

1—平面輸送軌道； 2—平面網成型機； 3—單根輸送軌道。

圖7單片網成型模塊總裝圖

Fig. 7 General assembly diagram of monolithic net molding module

4.2 單根輸送軌道

單根輸送軌道設計專用于振動收料倉與單片網成型機之間，起到連接作用。本設備共使用4套單根輸送軌道，每2套為一組，分別輸送網片內弧筋與外弧筋。

該輸送軌道為自動輸送軌道，采用鏈條傳動，由機架、輸送輥、輸送電機和防護罩等構成，如圖8所示。輸送輥裝置及輸送電機等安裝于由型材焊接的機架上。該軌道特點為輸送平穩，輸送能力強，可輸送大直徑單根鋼筋。

1—機架； 2—輸送電機； 3—輸送輥。

圖8單根鋼筋輸送軌道
Fig. 8 Track for single steel reinforcement transportation

4.3 單片網成型機

單片網成型機主要由主機架、彎弧裝置、焊接裝置、牽引裝置、移動夾緊機構、固定夾緊機構、彎曲裝置和定尺檢測裝置等組成，如圖9所示。

1—彎弧機； 2—橫筋焊接裝置； 3—焊接機械手； 4—牽引機構； 5—焊接機械手； 6、7—彎曲裝置。

圖9單片網成型機
Fig. 9 Monolithic net molding machine

管片鋼筋籠自動生產設備共配套單片網成型機4套，每套配置2臺焊接機械手。該設備特點為采用液壓系統、電阻焊系統及焊接機器人，彎曲尺寸控制精確，焊接效率高且質量可靠。

4.4 平面網輸送軌道

平面網輸送軌道主要作用為將單片網成型機焊接成型的單片網片輸送到指定位置，通過輥道將單片網成型機與出料小車進行銜接，本處輥道主要起調度、轉運作用。

該輸送軌道為自動輸送軌道，采用鏈條傳動，由輸送輥輪、輸送架和電機等組成，如圖10所示。

1—輸送輥； 2—輸送電機； 3—機架。

圖10平面網輸送軌道(單位： mm)

Fig. 10 Transport track for plane net (unit: mm)

4.5 平面網物流吊裝機構

平面網物流吊裝機構由升降電機減速機、行走電機減速機、立柱支撐、輸送裝置、網片抓料機構和輸送軌道等組成，如圖11所示。單片網片成型后由吊裝機構將其抓起，經電機減速機帶動完成吊起動作，再由伺服電機帶動鏈輪、鏈條完成橫向移動，放入輸送軌道上。

1—升降電機減速機； 2—行走電機減速機； 3—立柱支撐； 4—輸送裝置； 5—網片抓料機構； 6—輸送軌道。

圖11平面網物流吊裝機構
Fig. 11 Logistics hoisting mechanism of plane net

5 物料存儲模塊

物料存儲模塊由物流吊裝a、立體倉庫、物流吊裝b和單片網輸送軌道4部分組成，如圖12所示。單片網片成型后由其輸送軌道運至物料存儲區域，再由物流吊裝機構將單片網片吊運至立體倉庫進行分類存儲。根據系統的綜合控制，在焊接不同形式的鋼筋籠時，由物流吊運機構將單片網片吊運至單片網輸送軌道上，再運至立體網自動焊接成型機構。

1—物流吊裝a； 2—立體倉庫； 3—物流吊裝b； 4—單片網輸送軌道。

圖12物料存儲模塊
Fig. 12 Material storage module

6 立體網自動焊接成型系統研究

6.1 立體網自動焊接成型機構

立體網自動焊接機是將單片網和箍筋焊接成整體立體網的設備，也是該設備最核心的部分，通過一系列氣動控制將箍筋、單片網進行定位，然后通過焊接電極實現焊接工作，完成立體網的成型。

立體網自動焊接機主要結構包括箍筋組裝模具、箍筋升降機構、伺服提升網片機構、焊接變壓器、焊接電極及導線和輔助平臺等，如圖13所示。

1—設備底座； 2—箍筋組裝模具行走座； 3—輔助平臺； 4—伺服提升網片機構； 5—焊接電極及導線； 6—箍筋組裝模具； 7—箍筋升降機構； 8—焊接變壓器； 9—抓起提升平面網機。

圖13立體網自動焊接機結構示意圖
Fig. 13 Sketch of automatic welding machine for stereoscopic net

6.2 立體網自動焊接主要工作步驟

立體網自動焊接主要工作步驟為： 1)物流系統氣動夾具按順序分揀單片網，自動碼放至組裝模具中； 2)外箍筋由彎箍機自動加工后，存放至碼料小車； 3)人工操作將外箍筋插入箍筋組裝模具中； 4)將碼垛后的單片網通過組裝模具行走座進入焊接中心； 5)由焊接中心部分的單片網提升裝置，提升至焊接電極部位開始進行焊接，然后經立體網整體抬升裝置抬起至指定高度，此動作循環至最后一片單片網和箍筋焊接完成； 6)整片盾構鋼筋管片焊接完成后由吊裝系統吊運至存放區； 7)人工操作搭接焊實現外箍筋下口封閉成環； 8)人工焊接管片預埋件。

7 結論與建議

盾構管片鋼筋籠自動加工設備具有機械化與自動化程度高、勞動強度低、安全性高、焊接質量穩定可控等特點。通過在長株潭城際鐵路CZTZH-1標盾構管片加工中進行工程應用，并經過多次改進和完善，設備運行穩定。本文主要結論如下：

1)盾構管片鋼筋籠自動加工設備整體采用數字化PLC控制，各子單元采用工業電腦控制的交流伺服閉環控制系統，實現將盾構管片鋼筋骨架從單筋到組合體一次成型,保證了加工的質量和精度，實現了操控的智能化。

2)采用盾構管片鋼筋籠自動加工設備，徹底改變了以往人工加工的常規作業方式，實現了鋼筋籠加工的機械化、自動化和可視化流水作業生產，整條生產線運行穩定、流暢，大大降低了工人勞動強度，提高了鋼筋籠加工質量。

3)設備研究涉及到機械、液壓、電氣等方面的內容，系統集成度高，并合理運用了電阻焊技術。

4)管片鋼筋籠自動加工設備相比人工操作方式，減少了人為因素差異引起的不穩定性，焊接質量穩定，操作過程安全可控。

在盾構管片鋼筋籠自動加工設備實際工程應用中也發現一些問題，分析和建議如下：

1)單片網成型部分橫筋人工擺放功效低下，定位不準導致焊接質量不穩定。經過優化改進，設計了橫筋自動落料裝置，并集成了電阻焊功能，效率和質量得到了有效提高。

2)立體網成型模塊單片網錯位、端頭不齊，導致抓取提升易發卡、焊接不順暢。通過將送料小車疊送裝置改為鏈傳動實現的升降結構，同時在送料小車端頭增加氣缸，對碼放的單片網進行端頭整齊，減少了網片提取時發卡現象。

3)立體網焊接時，存在箍筋表皮燒傷嚴重、脫焊、漏焊等現象，通過對焊接電極結構、焊接參數進行優化，使得焊接質量有了明顯提高。

4)通過對各模塊功效統計分析，單片網成型和立體網成型是關鍵工序，效率相對較低，導致整個自動化生產線管片生產效率是人工生產效率的50%左右，生產成本較人工生產成本高。因此，需通過持續的研究和不斷的優化升級，有效提高生產效率、降低綜合成本，再進行推廣應用，逐步形成規模化和產業化。

5)盾構管片鋼筋籠自動加工設備是探索性、開創性的研發設計，對推動行業進步具有重大意義。在整機穩定性、設備加工效率和不同規格管片鋼筋籠加工的通用性等方面需進一步深入研究，并努力解決外箍筋和預埋件自動安裝等問題，加快設備的推廣和應用。

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