大直徑盾構隧道中隔墻智能安裝機研制與應用技術

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. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司, 廣東 廣州 511458; 4. 廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室, 廣東 廣州 511458; 5. 盾構及掘進技術國家重點實驗室, 河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來,隨著我國交通建設的快速發展,盾構法因具有高效快速、安全可靠等優勢,成為隧道及地下工程修建的一種重要工法。大直徑盾構隧道內部結構的施工技術也受到了越來越多的關注,其內部結構通常采用現澆及預制2種施工方式,而內部結構施工時機則根據施工組織方式,采取與盾構掘進同步施工或盾構貫通后施工2種形式。一般情況下,隧道內部結構中隔墻為半預制半現澆結構,采用底座現澆、部分墻體預制施工,待盾構推進結束后施工;口型預制構件隨盾構推進同步安裝,弓形底板、承軌板為現澆結構形式,待盾構推進一段距離后同步施工。因此,針對隧道內部結構施工呈現的多樣性,急需研究標準化、先進化、智能化的內部結構預制拼裝技術,以期提升大直徑盾構隧道的施工質量與施工進度。

目前,針對大直徑盾構隧道內部結構中隔墻預制拼裝技術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,研究了內部中隔墻結構采用預制與現澆相結合形式,即上部墻板預制、下部T型底座現澆以及中部連接墻板后澆的結構形式。周均立[2]結合施工進度要求和現場環境條件,首創了特制機械拼裝預制中隔墻技術,如預制件吊裝施工技術、預制中隔墻安裝臨時支撐技術、預制件頂部傳力桿安裝技術,可大幅度提高施工效率和工程質量。姜文星等[3]從設計計算、工裝設備、拼裝工藝等方面對上海機場聯絡線弧形件及中隔墻全預制拼裝技術進行了闡述,得到內部結構全預制拼裝最不利的設計參數依據,根據內部結構預制拼裝施工的重難點,有針對性地研制新設備、提出新工藝,確保預制構件滿足施工質量與精度的要求。楊成龍[4]進行了超重預制中隔墻拼裝工裝設計,確定了可行的拼裝工裝設備,研究了有限空間內超重預制中隔墻精準定位拼裝技術及應用。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部結構同步施工關鍵技術。張中杰等[6]通過采用彈性鉸圓環法、彈性地基梁法和連續介質有限元法,分別對管片在自身重力、地層荷載和地層長期固結沉降作用下的豎向變形進行了計算分析,據此在中隔墻與隧道管片之間設置了120 mm間隙和相應的連接構造。沈永平[7]安裝預制中隔墻時,選用了專用機械臂來完成中隔墻的銜起、提升、旋轉90°、平移、6方位微調完成安裝等動作。吳奎[8]以南京地鐵10號線過江地鐵為例,研究了大直徑盾構隧道內部結構同步施工技術。晏勝榮[9]結合揚州瘦西湖隧道工程,對單管雙層盾構隧道內部結構的方案優化設計、同步施工難點及施工技術進行了介紹。殷明祥[10]結合工程實際,通過模擬計算和分析,制訂了相應的工法,并研制了專用吸盤式預制中隔墻起吊機,實現了在狹小隧道空間內預制中隔墻的快捷拼裝。

由上述研究可知,我國隧道內部結構中隔墻預制拼裝施工存在以下問題: 1)未能完全預制化,尚屬半預制化階段,許多構件仍采用現澆形式; 2)未能完全同步施工,部分中隔墻采用上部墻板預制、下部T型底座現澆的結構形式,施工干擾大; 3)自動化程度低,尚未實現智能化,拼裝設備采用專用機械臂改造或專用吸盤式起吊機,依靠人工操作完成,設備的性能、結構、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構中隔墻施工技術還沒有形成相應的體系和規范,應用范圍相對單一,拼裝技術不成體系,施工工藝及施工技術不夠成熟;在拼裝設備方面,盾構隧道內部構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。

為解決傳統盾構隧道中隔墻在洞內預制拼裝施工中存在的施工干擾大、施工工序復雜、施工技術手段落后、施工質量難以保障等問題,急需對隧道內部結構中隔墻的拼裝方案、技術、裝備進行系統深入研究,提高施工技術與裝備智能化水平,從而保障裝配式預制構件成品拼裝質量可控,改善施工環境,實現快速與綠色施工。

1 技術背景

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絡線JCXSG-11標隧道工程。該工程位于上海市浦東新區,工程內容包括一轉換井和一區間。凌空路轉換井為盾構始發井,長209 m,寬15.6～30.5 m,深26.4～28.5 m,地下2層箱型框架結構;度假區站—凌空路轉換井區間全長4 721.099 m,區間隧道為單洞雙線布置型式,采用一臺大直徑泥水盾構施工,配備隧道中隔墻同步拼裝系統。中隔墻底座與墻體采用整體預制后拼裝,預制件尺寸和質量非常大,隧道內施工空間狹小,對吊運、安裝設備及配套工裝的可靠性、安裝精度提出了更高要求。隧道內部結構橫截面設計示意見圖1,隧道內部結構整體設計示意見圖2。

圖1 隧道內部結構橫截面設計示意圖Fig. 1 Cross-section design of tunnel internal structure

圖2 隧道內部結構整體設計示意圖Fig. 2 Overall design of tunnel internal structure

1.2 中隔墻設計方案

充分利用隧道大直徑、長距離的特點,組織隧道內部結構施工流水化作業,在盾構掘進過程中采取構件預制方式組織內部結構施工。下部結構施工完成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,每節質量為22.65 t。

下部結構與中隔墻連接示意如圖3所示。由圖可知,中隔墻與下部結構間設30 mm厚墊層,平整度不小于3 mm,該間隙在后續施工中用細石砂漿填充密實,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 下部結構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埋的螺栓孔,采用螺栓進行固定。中隔墻之間設計有密封條以堵塞縫隙防止漏風,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、車輛調頭等作業區施工要求合理組織,中隔墻安裝與主線盾構掘進要求同步施工,多作業面協同作業的施工效率及資源配置要求匹配。

2)交通運輸矛盾突出。由于盾構掘進和下結構同步施工,兩者所需的盾構管片、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)構件安裝精度高、吊運難度大。中隔墻結構體積大、質量大,吊裝與運輸要求高,安全風險高;有限空間內進行預制拼裝,安裝精度要求高、難度大,要求實現構件無人智能化一鍵安裝。

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

1.3.2 施工要求

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

2)中隔墻姿態精調具備6自由度微調功能,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計

2.1 設計思路

門架式中隔墻安裝機總體設計應實現中隔墻抓取、旋轉、行走、微調、拼裝等工序穩定作業的基本功能,并保證拼裝高精度、智能化控制等方面的技術創新。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計,滿足施工車輛通行空間要求;具備各種姿態6自由度微調功能,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個自由度姿態調整,安裝小車具備縱向前后、橫向前后、上下伸縮、旋轉、擺動等微調功能,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主要設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、限位開關等檢測元件,配合主動雙目視覺相機模塊,采取結構光的視覺引導方式,將結構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控制,為后續的中隔墻精調提供依據;通過軟件運算與分析,最終控制執行液壓油缸與驅動電機,完成隔墻平行姿態調整、中隔墻抓取及翻轉、中隔墻姿態精調及拼裝、安裝機歸位姿態調整4步工序。

2.2 主要結構組成及參數

2.2.1 安裝機主要結構

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

(a) 正視圖

2.2.2 安裝機技術參數

根據拼裝要求,門架式中隔墻智能安裝機的主要技術參數見表1。

表1 門架式中隔墻智能安裝機主要技術參數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

2.3.1 主要結構組成

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

2.3.2 門架立柱內套

門架立柱內套如圖7所示。門架立柱內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構,分別布置在其4個頂角位置。門架立柱內套的功能結構主要包含矩形架體、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構,其四周外表面焊接多個滑板,作為與門架立柱外套的導向塊和耐磨塊。

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構的外圍結構,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構。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構,內部焊接有C型滑板,與門架立柱內套滑板配套使用,具有導向塊、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,組建成框架結構,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構;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構;前(后)側面與門架縱梁連接,形成中隔墻智能安裝機的頂部水平框架結構。橫梁架體是門架橫梁的主體結構,采用鋼板焊接成箱體結構。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 安裝機旋轉系統

2.4.1 主要結構組成

安裝機旋轉系統位于安裝機隧道中線的一側,是中隔墻精準定位的末端執行機構,集成了中隔墻的抓取、旋轉和左右擺動調姿功能。安裝機旋轉系統主要由旋轉盤總成和旋轉驅動總成組成。

2.4.2 旋轉盤總成

旋轉盤總成如圖12所示。旋轉盤總成為矩形板狀結構,采用鋼板縱橫交叉焊接成型,靠近中隔墻一側的表面覆蓋鋼板,構成旋轉盤架體。旋轉盤架體靠近中隔墻一側的面板上開設4個矩形布置的銷軸安裝孔,孔內焊接銷軸基座。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,末端采用法蘭連接,前端為錐形設計,便于插入中隔墻抓取孔內。

1—旋轉盤架體; 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—視覺識別系統安裝孔。圖12 旋轉盤總成Fig. 12 Rotating disc assembly

2.4.3 旋轉驅動總成

旋轉驅動總成為旋轉盤總成提供旋轉轉矩,并具有橫向移動、驅動旋轉盤總成靠近中隔墻的功能。根據功能劃分,旋轉驅動總成可分為旋轉驅動和橫向移動2部分,其中承擔橫向移動功能的橫移架體為基礎鋼結構,其橫梁上設置旋轉和驅動2部分結構。

2.5 安裝機橫移系統

2.5.1 主要結構組成

中隔墻臥式穿孔抓取、立式調整姿態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。安裝機橫移系統主要由縱向移動系統和橫向移動系統組成。

2.5.2 橫向移動系統總成

橫向移動系統總成如圖13所示。橫向移動系統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構,中部鏤空,兩側橫截面為箱體式結構,構成擺動外套架體。

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 橫向移動系統總成Fig. 13 Lateral movement system assembly

2.5.3 縱向移動系統總成

縱向移動系統總成如圖14所示。縱向移動系統總成主要由滑塊架體、鉸接基座、擺動油缸耳板、吊裝耳板、導向耐磨塊和縱移油缸耳板等結構組成。滑塊架體是由鋼板焊接成的矩形板式結構,結構橫截面為箱體式結構。滑塊架體下表面的左側設置鉸接基座,右側設置擺動油缸耳板,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—導向耐磨塊; 6—縱移油缸耳板。圖14 縱向移動系統總成Fig. 14 Vertical movement system assembly

2.6 安裝機行走系統

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、可靠的功能需求,可采用軌行式機構。行走機構采用電機驅動,三級鏈條傳動。一級、二級鏈傳動增大驅動力,三級鏈傳動保持同步,力矩均勻分配。行走系統總成見圖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 行走系統總成Fig. 15 Travel system assembly

2.7 安裝機電控系統

中隔墻智能安裝機電控系統主要由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電控架構見圖16。

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

2.8 安裝機液壓系統

液壓系統主要為隧道中隔墻智能安裝機執行機構提供所需的壓力和流量,執行機構包括主架升降油缸、橫移油缸、縱移油缸、橫向角度調節油缸、縱向角度調節油缸、翻轉油缸。

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

1)高度自動化,最大限度地減少人力成本的支出;

2)流量穩定,輸出流量與負載變化無關;

3)提高液壓系統效率,減少系統耗能及發熱量;

4)較高的集成性,節約安裝空間,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)比例閥可根據需求調節油缸速度曲線,保證動作平穩。

2.9 安裝機智能控制系統

本研究設計的目的是實現對中隔墻安裝機目前工作狀態的實時監測,便于操作員根據目前的數據進行人工估計與決策。在整個作業過程中,操作員可以根據終端顯示窗口,實時掌握中隔墻安裝機的姿態信息、運動速度信息、工作距離、通信等狀態信息。根據監控平臺,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定安全工作。

安裝機智能控制系統軟件界面如圖17所示。傳感數據監控與人機交互平臺設計實際上是為了更方便操作和觀測中隔墻安裝機的狀態,該界面采用模塊化的編程方法,人機交互界面采用Qt5 Creator軟件進行界面設計,開發語言C#進行函數的調用,實現GUI頁面的事件互動。

圖17 安裝機智能控制系統軟件界面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 主要技術參數

中隔墻安裝機主架主要由門架立柱,門架橫梁,縱向主梁,旋轉伸縮內、外套等組成,材料為Q235B,安裝機自身質量為100 t。安裝機計算模型主要技術參數如下: 1)模板材料為Q235B; 2)屈服強度[σs]=235 MPa; 3)容許拉壓應力[σ]=215 MPa; 4)容許彎曲應力[σ]=215 MPa; 5)容許剪應力[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 結構各構件計算結果

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,剪切應力達到最大39.28 MPa。最大剪切應力為39.28 MPa<125 MPa,滿足使用要求。梁單元組合應力云圖見圖20。

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

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

圖21 梁單元剪應力云圖(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鍵技術

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: 中隔墻平行姿態調整、中隔墻抓舉及翻轉、中隔墻姿態精調及拼裝、安裝機歸位姿態調整。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 中隔墻平行姿態調整

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: 中隔墻平行姿態調整工作循環及動作工序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

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: 中隔墻抓舉及翻轉調整工作循環及動作工序Table 3 Stage 2: Middle partition wall snatch and flip adjustment working cycle and operation procedure

3.1.3 中隔墻姿態精調及拼裝

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: 中隔墻姿態精調及拼裝工作循環及動作工序Table 4 Stage 3: Fine adjustment of attitude of middle partition wall and assembling work cycle and operation procedure

3.1.4 安裝機歸位姿態調整

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: 安裝機歸位姿態工作循環及動作工序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

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

中隔墻智能控制系統如圖23所示。結合激光測距、視覺、油缸行程及設備機構化信息等多傳感信息,提取關鍵信息數據;并通過點云相機發生器產生結構光,視覺相機提取點云數據信息,形成目標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框圖Fig. 23 Structure of middle partition wall intelligent control system

建立安裝機坐標系,以機械臂視覺定位系統為核心進行坐標變換,結合視覺伺服閉環控制,輔以激光測距冗余信息,通過強魯棒的視覺特征選取,實現安裝過程中中隔墻的實時定位,以進行精確位置姿態調整。

3.3 視覺相機識別中心孔定位技術

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

當前抓取孔與標準位姿的識別結果和調整量如圖24所示。抓取銷軸與中隔墻孔位對中,采用工業視覺相機定位技術,視覺相機內置偏轉角度,將拍攝孔位圖像坐標信息與標準圖像對比,反饋得出圓心坐標位置,用于調整安裝機抓取機構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、圖像預處理、中心孔邊緣檢測、霍夫圓變換、輸出擬合圓與圓心坐標,從而得出旋轉角度、高度差、水平差值,控制安裝機旋轉油缸、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控制技術

中隔墻到達微調位置后,通過2套攜帶主動視覺相機的機械臂系統(見圖26和圖27),分別投射結構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,然后通過閉環控制,調整中隔墻的姿態位置。

圖26 上部主動視覺相機和結構光發生器工作Fig. 26 Upper active vision camera and structured light generator working

圖27 下部主動視覺相機和結構光發生器工作Fig. 27 Lower active vision camera and structured light generator working

雙六軸機械臂引導相機精確獲取中隔墻的位置和姿態坐標,并將圖像坐標轉換為安裝機能識別的安裝機坐標。根據安裝機坐標系運算和PLC計算發出指令,液壓控制系統采用負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90°、安裝機自動行走到安裝位置、中隔墻精調、中隔墻安裝等工序,進而引導安裝機液壓油缸完成中隔墻的定位抓取和姿態調整。

3.5 重載伺服位移反饋控制智能拼裝技術

液壓系統控制方式示意如圖28所示。液壓系統采用負載敏感泵與比例多路閥的組合方式,實現系統流量恒定輸出并與負載變化無關的流量控制技術。比例閥根據需求調節油缸速度曲線,保證動作平穩;配合集成位移傳感器的油缸,實現精度毫米級的多缸復合動作控制,滿足安裝機的動作精度需求。

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

中隔墻安裝機基于構件當前位置與目標位置測量數據與分析,通過多傳感信息融合定位系統獲取外界信息。高性能工控機實時計算并判斷感知是否滿足工作條件,結合安裝機坐標系分析信息,通過采集的位姿誤差量導入PLC中解算出當前的控制量,從而使液壓缸等執行元件執行當前驅動量,解算各執行元件的位移量并發送至液壓控制系統,進而達到要求的工況。

4 現場應用效果

4.1 安裝機拼裝效率

2022年6月至2023年2月,經過工廠測試及現場應用,中隔墻現場應用累計拼裝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)。中隔墻安裝機現場應用效果見圖29和圖30。

圖29 中隔墻安裝機現場應用效果Fig. 29 Middle partition wall installation machine field application effect

圖30 中隔墻現場拼裝效果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計要求。通過大量現場測試及優化,并結合執行機構工況要求,突破了比例系統超低流量控制技術,實現了油缸的高精度控制及同步控制,控制精度可達到0.5～1 mm。

1)中隔墻安裝機油缸同步控制精度: 主架升降達到1.5 mm;橫向角度調節達到0.5 mm;縱向角度調節達到0.5 mm,同步精度效果準確可靠。

2)中隔墻安裝機油缸位置控制精度: 主架升降油缸達到1.5 mm;縱向縱移油缸和橫向橫移油缸達到1 mm;翻轉油缸、橫向角度調節、縱向角度調節達到0.5 mm,位置精度效果準確可靠。

4.3 安裝機拼裝質量

中隔墻安裝機拼裝質量主要體現在拼裝精度控制,拼裝精度指與上一塊中隔墻的相對偏值,結合毫米級液壓系統精度控制、亞毫米級機器視覺與激光測距傳感器等精度控制,中隔墻拼裝精度達到±2 mm,實現高精度拼裝。中隔墻安裝質量控制指標見表6。

表6 中隔墻安裝質量控制指標Table 6 Middle partition wall installation quality control indice

5 結論與討論

本文從當前隧道預制拼裝目前急需解決的問題入手,分析了構件預制程度、結構設計、拼裝工藝、裝備智能化程度、資源組織方式的施工現狀。從革新配套裝備方面入手,分析了當前中隔墻安裝機的結構形式,制定了門架式中隔墻智能安裝機設計方案。在借鑒先進結構設計方法的基礎上,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、設備智能化控制技術、預制構件精確安裝技術等相關實用技術。

1)中隔墻安裝機智能控制系統方案設計,通過建立安裝機坐標系,以機械臂視覺定位系統為核心進行坐標變換,結合雙面視覺相機模塊伺服閉環控制,輔以激光測距冗余信息,通過強魯棒的視覺特征選取,實現了安裝過程中中隔墻的實時定位,精確位置姿態調整,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的中隔墻姿態測量技術,通過視覺相機識別結構光圖像,算法識別計算2個中隔墻之間的位置差異,實現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調整,較傳統現澆工藝提高施工效率10倍以上。

3)盾構隧道內部結構全預制拼裝技術與智能化裝備應用,具有重大技術實踐意義,對全預制拼裝領域施工技術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、中隔墻墻體設計形式、中隔墻與頂部牛腿連接、智能化拼裝應用功能集成與環縱向螺栓智能化緊固等方面,進行系統深入研究,形成標準化施工,提高施工效率。