吸附式植筋鉆孔自動化設備的探索與研究

陳 琦（1.上海隧道工程有限公司，上海 200082；2.上海盾構設計試驗研究中心有限公司，上海 200137）

目前，超大直徑盾構隧道內部結構施工中，需要大量人力施工的項目有管片襯砌結構螺栓安裝、管片襯砌及道路板接頭植筋鉆孔。為提高項目整體的機械化施工程度，需要進行“管片襯砌及道路板接頭植筋鉆孔”的施工機械化，使現場施工人員通過植筋鉆孔機械設備進行鉆孔操作。而“管片襯砌及道路板接頭植筋鉆孔”在隧道管片的內弧面（圖1），植筋鉆孔設備若要替代人力施工，就需要滿足不同角度的鉆孔方向。盾構機推進及隧道內部結構同步施工，隧道空間結構有限，植筋鉆孔設備需要便攜小巧。

圖1 植筋鉆孔的位置及其施工環境

1 現有設備調查研究

根據論文及專利搜索調研現有的一些植筋鉆孔設備，發現目前國內植筋鉆孔機械普遍采用 2 種方法。

(1) 杠桿機械臂式。該原理是制作一個手扶控制的機械臂（圖2），用長條形木方拼接成一個平行四邊形，平行四邊形 4 個角的關節點均采用螺栓連接，可以通過控制操作架下端部位扶手，利用杠桿原理讓力的方向發生改變，使固定在操作架頂端的沖擊鉆進行有效的鉆孔作業[1]。

圖2 杠桿機械臂式植筋鉆孔裝置

(2) 移動車架式。移動車架式植筋鉆孔設備是將移動機構、植筋鉆孔機構以及一些輔助機構集成在車架上（圖3），可移動且自動化程度高，能夠快速地進行橋面或地面植筋鉆孔，適用于橋面或地面加固改造時進行大面積植筋。

圖3 移動車架式植筋鉆孔裝置

根據上述的調研結構，發現現有的植筋鉆孔設備體積較大，自動化程度不高，且需要多人配合。并且在隧道中植筋鉆孔時，隧道管片成弧形，無法簡單有效地固定設備，所以在設計中需要考慮到植筋鉆孔設備在隧道中的適應性。

2 研究設計方向

在設計研究吸附式植筋鉆孔自動化設備時，需要滿足以下要求：① 適應隧道中的植筋鉆孔環境；② 自動化施工；③ 便攜靈巧。

根據上述的要求，設計研究了吸附式植筋鉆孔機，其采用了真空吸盤、電動缸及沖擊鉆的集成形式（圖4）。

圖4 吸附式植筋鉆孔機

真空吸盤是為了滿足整個設備臨時固定在隧道管片內部表面上，適應隧道中的植筋鉆孔環境。沖擊鉆一般情況下振動反力約為 400～500 kN，而單個真空吸盤能達到 980 kN的吸附力，不僅滿足吸附在管片之上提供支座反力，同時真空吸盤其橡膠的柔性材質，能夠在鉆孔過程中減小震動，并且不會破壞被吸附表面。考慮到隧道管片表面的粗糙程度不一致，可能對真空吸盤的氣密性有些許影響，在氣路設計中，對每個真空吸盤分開控制及監測（圖5），使得設備吸附在管片上時具有安全性、可靠性。

圖5 真空吸盤氣路設計

電動缸作為執行元件，給沖擊鉆提供進給力，同時電動缸作為一種新穎的機電一體化產品，具有諸多方面的優點，例如傳動效率高、定位精確、響應快、控制精確[2]。在植筋鉆孔過程中能夠實時檢測鉆孔的進給力以及鉆孔深度，再通過 PLC 進行控制，能夠行程自動化控制。

在框架的設計上采用高強度鋁合金，在強度的允許下盡可能地減小重量。在制造裝備之后對該設備進行稱重，其自重為 31.5 kg（包括沖擊鉆），能夠滿足單人攜帶及操作。

3 現場試驗

在吸附式植筋鉆孔機制造裝配完成之后，對該設備進行最不利工況下模擬試驗。測試真空吸盤的可靠性以及植筋鉆孔的效率。

通過模擬試驗共計鉆孔 10 個，花費時間 27 min，鉆孔合格率 90%，合格孔洞的深度精度達到 ±1mm。其中未合格原因為：植筋鉆孔過程中檢測遇到鋼筋，電動缸自行復位，未達到指定鉆孔深度。產品性能穩定，具備施工現場試驗基礎。

4 結 語

通過對吸附式植筋鉆孔自動化設備的探索與研究，開拓了一條新的植筋鉆孔設計思路：利用真空吸盤吸附在被鉆孔物體表面作為一種臨時固定的方式，并使用電動缸作為執行元件同時能夠實時反饋各項鉆孔數據，再通過 PLC 檢測控制實現自動化控制。吸附式植筋鉆孔機作為本課題的產物，不僅使用與隧道結構施工，同樣可以使用于建筑物墻面、橋梁以及高空作業中的植筋鉆孔施工中，減輕施工工人的工作強度，加強施工工人們的作業安全，提高了植筋鉆孔的機械化程度。