微型盾構(gòu)半自動(dòng)管片拼裝技術(shù)研究及應(yīng)用

程永龍，賈興民，葉 蕾，李龍飛，高 博

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著城市化發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，地下空間開(kāi)發(fā)強(qiáng)度不斷提升，地下綜合管廊、地鐵出入通道、檢修井等工程建設(shè)如火如荼。傳統(tǒng)工法主要通過(guò)地面開(kāi)挖或者人工暗挖，施工成本高，影響交通且安全隱患大。盾構(gòu)法以其安全、快速高效等優(yōu)點(diǎn)，已成為地下空間開(kāi)挖的主要施工工法[1]。管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)法施工管片拼裝的關(guān)鍵裝備，其工作效率、安全性及穩(wěn)定性直接影響盾構(gòu)施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。針對(duì)管片拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了相關(guān)研究，韓亞麗等針對(duì)南京地鐵玄許區(qū)間的應(yīng)用實(shí)踐；論述了?6.2m直徑管片的拼裝技術(shù)[2]；李飛宇等針對(duì)馬蹄形盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片拼裝技術(shù)進(jìn)行研究[3]；賈興民等對(duì)土壓敞開(kāi)雙模式盾構(gòu)管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究[4]。

以上研究雖對(duì)管片拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)和選型提供了一定的理論依據(jù)，但主要集中在6m及以上直徑盾構(gòu)。隨著盾構(gòu)法在水利、電力、市政綜合管廊及聯(lián)絡(luò)通道等地下工程不斷應(yīng)用，盾構(gòu)直徑不斷向小微直徑、智能化方向發(fā)展，管片拼裝技術(shù)成為微小直徑盾構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。本文結(jié)合寧波地鐵聯(lián)絡(luò)通項(xiàng)目對(duì)微小直徑盾構(gòu)管片拼裝技術(shù)進(jìn)行深入研究，并結(jié)合應(yīng)用情況，提出了適用于狹小空間內(nèi)管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)及控制方法。

1 項(xiàng)目應(yīng)用背景及難點(diǎn)分析

隧道聯(lián)絡(luò)通道是雙線隧道之間的橫向連接通道，用于緊急情況下的消防疏散。傳統(tǒng)施工時(shí)主要在對(duì)地層加固后采用礦山法開(kāi)挖，現(xiàn)澆通道的襯砌結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)通道安全高效施工，引入盾構(gòu)法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工，通道襯砌采用拼裝式管片。綜合消防疏散功能要求及設(shè)備在隧道內(nèi)布置的空間需求，聯(lián)絡(luò)通道采用外徑?3 150mm、內(nèi)徑?2 650mm管片，盾構(gòu)屬微小型直徑，管片拼裝空間十分狹小。

此外，盾構(gòu)采用土壓平衡模式掘進(jìn)，螺旋輸送機(jī)出渣，螺旋輸送機(jī)需穿過(guò)管片拼裝機(jī)中心，伸至尾盾區(qū)域出渣，主機(jī)內(nèi)布置如圖1所示，為了避免旋轉(zhuǎn)時(shí)與螺旋輸送機(jī)干涉，管片拼裝機(jī)需具備足夠大的中心空間，為管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)提出了新的難題。

圖1 主機(jī)內(nèi)布置示意

2 狹小空間管片拼裝關(guān)鍵技術(shù)

為了適應(yīng)聯(lián)絡(luò)通道狹小空間現(xiàn)狀，對(duì)管片拼裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、電氣控制、數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行深入研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 主梁回轉(zhuǎn)式管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)管片規(guī)格、施工要求及主機(jī)布置等因素，目前常用的管片拼裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要有主梁式、環(huán)式、搖臂式等型式，其特點(diǎn)如表1。

表1 各類型拼裝機(jī)特點(diǎn)

對(duì)于微小直徑盾構(gòu)，上述形式管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)形式均存在一定的局限性，為了適應(yīng)主機(jī)內(nèi)狹小空間的現(xiàn)狀，同時(shí)滿足中心螺旋輸送機(jī)的布置需求，設(shè)計(jì)了主梁回轉(zhuǎn)式管片拼裝機(jī)（圖2）。

圖2 主梁回轉(zhuǎn)式拼裝機(jī)

主梁回轉(zhuǎn)式管片拼裝機(jī)包括驅(qū)動(dòng)單元、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)架、滑動(dòng)架、移動(dòng)油缸、提升油缸、導(dǎo)向梁、提升油缸、抓舉系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。整體結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，具備6自由度；具有較大的中心空間，滿足其他部件的順利布置；具備較大的軸向移動(dòng)行程，方便抓舉管片。該型式管片拼裝機(jī)很好地滿足了本項(xiàng)目狹小空間的要求，各動(dòng)作采用液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)，便于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

其中，回轉(zhuǎn)架一方面與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)齒圈螺栓聯(lián)接，作為回轉(zhuǎn)動(dòng)作的執(zhí)行元件，一方面其主梁結(jié)構(gòu)為軸向移動(dòng)提供滑動(dòng)軌道。其主梁結(jié)構(gòu)要求具有較高的強(qiáng)度和剛度，保證運(yùn)動(dòng)的安全平穩(wěn)性。借助有限元分析方法，對(duì)回轉(zhuǎn)架主梁(材質(zhì)Q345B)分別在0°位置和90度位置進(jìn)行強(qiáng)度和變形分析，如圖3、圖4所示，結(jié)果顯示主梁最大變形為0.6mm，遠(yuǎn)小于懸臂梁變形相關(guān)準(zhǔn)則值；最大應(yīng)力僅為10.6MPa，完全滿足強(qiáng)度要求。

圖3 0°位置回轉(zhuǎn)架變形、應(yīng)力云圖

圖4 90°位置回轉(zhuǎn)架變形、應(yīng)力云圖

抓舉系統(tǒng)（圖5）進(jìn)行了微型緊湊設(shè)計(jì)，其具備3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即θx、θy、θz，用于管片拼裝時(shí)的±2.5°轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)需要。其中θx、θy由調(diào)整油缸分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，而提升缸非同步伸縮作用下使伸縮節(jié)被動(dòng)伸縮，實(shí)現(xiàn)θz轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。

圖5 抓舉系統(tǒng)系統(tǒng)

2.2 拼裝機(jī)高精度運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

拼裝機(jī)運(yùn)動(dòng)精度直接關(guān)系到半自動(dòng)化拼裝和管片微調(diào)精確性，拼裝機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)精度主要與液壓液壓執(zhí)行元件和比例控制閥決定。

2.2.1 回轉(zhuǎn)精度設(shè)計(jì)

拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)選用的液壓馬達(dá)最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為nmin=50rpm，故最小穩(wěn)定流量Qmin為

式中，qp——液壓馬達(dá)排量，qp=80cm3；

ηvp——液壓系統(tǒng)容積效率，ηvp=0.97。

選用的K*DG5V-7-2C200型比例方向控制閥的推薦最小流量為Qmin=2.5L/min，該值小于上述最小穩(wěn)定流量，故該控制閥滿足流量需要；該控制閥在Δp=5bar時(shí)，從+90%至-90%階躍所需時(shí)間為75ms，考慮運(yùn)動(dòng)慣性和其他部件誤差，取2倍遲滯系數(shù)，即在t=150ms時(shí)間內(nèi)，拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)角度為

式中：i1—減速機(jī)減速比，i1=47.309；i2—大齒圈小齒輪齒數(shù)比，i2=10.56；即回轉(zhuǎn)動(dòng)作控制精度可達(dá)0.1°級(jí)別，滿足半自動(dòng)化系統(tǒng)和準(zhǔn)確微調(diào)要求。

2.2.2 移動(dòng)精度設(shè)計(jì)

軸向移動(dòng)最小伸縮速度按比例多路閥的推薦最小流量為Qmin=2L/min進(jìn)行計(jì)算。

1）油缸最小回收位移

式中：D——油缸缸徑D=63cm；

d——油缸桿徑，d=45cm。

在t=150ms時(shí)間內(nèi)，油缸運(yùn)動(dòng)位移為

2）油缸最小伸出位移

最小伸出速度

在t=150ms時(shí)間內(nèi)，油缸運(yùn)動(dòng)位移為

綜上所述，移動(dòng)油缸伸出運(yùn)動(dòng)精度＜1mm，回收運(yùn)動(dòng)精度＜2mm，能夠很好滿足實(shí)際拼裝的精確性要求。

2.3 管片半自動(dòng)拼裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，管片拼裝一般為人工操作，拼裝效率低下并且存在誤操作的可能，同時(shí)消耗大量人力。為提高拼裝效率，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了管片半自動(dòng)拼裝系統(tǒng)，除管片拼裝微調(diào)和螺栓聯(lián)接工作需要人工操作，其他拼裝動(dòng)作可自動(dòng)完成。

系統(tǒng)選用PLC作為控制核心，利用PLC運(yùn)算速高速的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)接收的傳感器反饋信息和運(yùn)算的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷，如圖6所示。傳感器反饋信息主要包括，各油缸的壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)。

圖6 半自動(dòng)拼裝控制系統(tǒng)示意圖

半自動(dòng)化拼裝控制系統(tǒng)集成于上位機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)、控制，如圖7所示。

圖7 半自動(dòng)拼裝系統(tǒng)操作界面圖

操作人員首先在控制室工業(yè)電腦上輸入封頂塊“F塊”的目標(biāo)角度，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算其他管片的拼裝位置，并匹配出需要收回的推進(jìn)油缸序號(hào)。隨后，抓舉頭自動(dòng)移動(dòng)至管片存放區(qū)，抓取管片后，旋轉(zhuǎn)至預(yù)定角度，推進(jìn)油缸自動(dòng)收回，進(jìn)入人工微調(diào)階段，管片拼裝到位后，推進(jìn)油缸頂緊管片，最后人工完成螺栓聯(lián)接工作，自此一塊管片拼裝機(jī)拼裝完成；按照系統(tǒng)計(jì)算的管片拼裝順序，依次完成其他管片的拼裝。如果當(dāng)前管片為最后一塊管片，則拼裝過(guò)程完成，控制系統(tǒng)自動(dòng)退出拼裝模式；否則，控制系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入下一塊管片的半自動(dòng)拼裝過(guò)程中，周而復(fù)始直到所有管片均拼裝到位再退出拼裝模式。半自動(dòng)拼裝系統(tǒng)的成功應(yīng)用大大提高了管片的拼裝效率。

2.4 無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

聯(lián)絡(luò)通道設(shè)備內(nèi)空間十分狹小，管線布置較為困難，保養(yǎng)維修不便。液壓管路、電氣線纜較多，在狹小空間內(nèi)管線布置困難，檢修維護(hù)不便，為此設(shè)計(jì)了無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)通訊模塊，其數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖8所示。

圖8 無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)通訊示意圖

藍(lán)牙發(fā)送模塊與PCL系統(tǒng)CPU模塊相連，藍(lán)牙接收模塊與拼裝機(jī)電氣控制盒連接，拼裝機(jī)所有傳感器和液壓控制閥的信號(hào)全部依靠藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，大大減少了電氣線纜的用量。有線數(shù)據(jù)通訊需使用一根36芯的電纜連接，而使用藍(lán)牙模塊后，僅需要一根4芯電纜連接，同時(shí)電纜卷筒規(guī)格可大幅降低，大大節(jié)省洞內(nèi)空間。

3 應(yīng)用情況

依托國(guó)內(nèi)首個(gè)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目，半自動(dòng)化管片拼裝機(jī)成功應(yīng)用，管片拼裝效果如圖9所示。管片機(jī)高效、安全、精確的工作性能得到了用戶一致好評(píng)。

圖9 半自動(dòng)化拼裝機(jī)成功應(yīng)用

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)微型盾構(gòu)狹小的拼裝空間，進(jìn)行了半自動(dòng)拼裝機(jī)技術(shù)的研究及應(yīng)用，獲得以下成果。

1)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了主梁回轉(zhuǎn)式管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，滿足微型盾構(gòu)狹小空間的拼裝要求。

2)該拼裝機(jī)具有高精度的回轉(zhuǎn)精度、和移動(dòng)精度性能，使管片拼裝更加精確。

3)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了半自動(dòng)拼裝控制系統(tǒng)，并采用無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，大大提高了管片拼裝效率，并節(jié)約了洞內(nèi)空間。

半自動(dòng)管片拼裝機(jī)成功應(yīng)用聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)微型盾構(gòu)管片拼裝領(lǐng)域的技術(shù)空白，具有廣闊了應(yīng)用前景和很高的推廣價(jià)值。