大直徑隧道預制結構智能拼裝設備研發及應用

趙 旭/ZHAO Xu

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003）

近年來，隨著隧道施工技術的發展，大直徑、超大直徑隧道工程越來越多，隧道成型后，在隧道內利用墻板結構進行分隔，形成多層多跨結構，同時滿足行車、維護、管線布置等多種功能，節省空間、節約資源、降低成本。傳統的隧道內部結構施工多采用現澆模式，施工環境差、效率低、質量難以控制。隨著預制拼裝技術的不斷發展，越來越多的隧道內部結構也開始采用預制拼裝技術[1-7]。

本文依托上海軌道交通市域線機場聯絡線工程盾構隧道內部結構全預制拼裝施工需求，研發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、自動測量系統、自動識別系統、液壓系統、電氣控制系統、智能化及信息化系統等，實現了預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絡線工程JXCSG-11 標度假區站-凌空路轉換井區間位于浦東新區，區間隧道全長4 721m，管片外徑13.6m，內徑12.5m，采用1 臺直徑?14.04m 泥水平衡盾構施工。隧道內部結構采用全預制拼裝，包括下部結構（弧形件）、中隔墻、頂部連接件、疏散平臺和電纜溝槽。隧道內部結構見圖1。

圖1 隧道內部結構示意圖

2 拼裝設備設計方案研究

2.1 預制拼裝工藝要求

1）設備可靠性要求 弧形件單節重量36.35t，中隔墻單節重量22.65t。構件異形，尺寸、重量大，對拼裝設備的結構承重、平衡設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、中隔墻結構示意圖

2）高精度控制要求 全預制拼裝工藝對每塊預制構件的拼裝精度要求較高，防止因累積誤差導致后序預制構件無法拼裝或無法達到設計要求。弧形件和中隔墻的拼裝精度要求如表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

如此異形超重構件的拼裝精度要達到毫米級，對拼裝設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）設備尺寸的要求 由于在隧道內部有限空間進行作業，對設備的外形尺寸有一定限制。弧形件拼裝作業是在盾構機連接橋下部；中隔墻拼裝作業區在盾構機拖車尾部成型隧道內，隧道兩側布置有盾構施工用的管線和設備，這些都是設備外形設計時需要考慮的因素。

4）規避工序干擾的要求 弧形件和中隔墻的拼裝作業是與盾構掘進同步施工的，因此不能影響盾構掘進的正常施工工序。

5）設備穩定性要求 弧形件和中隔墻拼裝作業量大，施工周期長；隧道內作業環境相對較差，需要克服高溫、粉塵、污濁空氣、污水等的不利影響，對設備整體及元器件的工作穩定性和性能穩定性要求較高。

6）設備安全性要求 有限空間內的大型構件拼裝作業，且多工序交叉施工，人員車輛不斷通行，對設備自身的安全性能及對其他作業的安全保障具有較高的要求。

2.2 智能拼裝機設計方案

2.2.1 總體設計

1）弧形件智能拼裝機 基于弧形件拼裝工藝要求及現場實際條件，弧形件智能拼裝機總體上采用內部穿行式步進作業設計方案，設備主要由主機架、副機架、微調平臺、液壓系統及智能控制系統等組成。弧形件拼裝機結構示意圖見圖3。

圖3 弧形件拼裝機結構示意圖

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面抓取拼裝設計方案，設備主要由主架總成、抓取機構、伸縮機構、旋轉機構、平移機構、行走系統、液壓系統、智能控制系統及工作平臺等部分組成。在中隔墻運輸車上配置車載調節平臺，以配合拼裝機的智能化拼裝作業。中隔墻拼裝機結構示意圖見圖4。

圖4 中隔墻拼裝機結構示意圖

2.2.2 功能設計

1）弧形件智能拼裝機 弧形件智能拼裝機具有6 個自由度姿態調整、步進姿態自動調整、自動步進糾偏、微調平臺姿態調整、弧形件姿態調整與拼裝、拼裝機歸位姿態調整等功能；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 個自由度姿態調整，拼裝架縱向前后、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功能。

2.2.3 液壓系統設計

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，實現毫米級的精度控制，以及與負載無關的流量控制，并且可多缸復合動作，滿足拼裝機的各個動作需求。

2.2.4 控制系統設計

基于可編程序控制器PLC 開發，通過PLC豐富的數字、模擬量接口與相應的檢測終端通信，通過程序控制各個液壓油缸動作，實現拼裝機的各個動作執行。參與姿態調整及拼裝的傳感器精度<1mm，激光測距傳感器重復測量精度0.5mm。

電控總體設計包含PLC 主控、各類傳感器、工控機、液壓油缸、機械臂視覺定位系統以及人機交互的遙控器等部分。弧形件智能拼裝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

1）自動測量系統 針對弧形件智能拼裝機，開發自動測量系統，以實現拼裝機的自動化、智能化拼裝。自動測量系統采用高精度全站儀結合定制的精調標架實現對弧形件位置和姿態的精確測定。精調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；測量已拼裝弧形件姿態和成型隧道姿態，計算待拼裝弧形件目標位置和姿態，根據弧形件拼裝規則計算出待拼裝弧形件的調整量；建立拼裝機坐標系，采集自動測量系統數據信息，通過智能控制軟件運算與分析，向液壓控制系統發送弧形件頂部4 個角點及中心點位置信息，引導拼裝機進行精確位置調整。

2）多傳感信息融合定位系統 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）自動檢測與感知 弧形件智能拼裝機以自動測量系統數據為依據，利用高精度位移傳感器、激光測距儀、避障傳感器、接近開關、限位開關等檢測元件，自動測量并檢測相關實際數據，通過軟件運算與分析，控制液壓油缸執行動作。中隔墻智能拼裝機以多傳感信息融合數據為依據，利用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，自動測量并檢測實際相關數據，通過軟件運算與分析，控制液壓油缸執行動作。

4）自動運算與分析處理 通過獲取的相關信息，工控機實時自動計算并判斷、感知是否滿足工作條件，結合拼裝機坐標系分析信息，將采集的數據導入PLC 中解算出當前的控制量，從而使執行元件執行當前驅動量。

5）自動決策與動作執行 根據構件拼裝規則及要求開發算法，通過獲取的信息進行運算、對比并自動決策，PLC 控制程序發出指令，液壓控制系統自動完成拼裝機的各個動作。

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

3 工程應用

3.1 弧形件智能拼裝機應用

弧形件智能拼裝機內部穿行式設計使弧形件拼裝作業對盾構掘進施工零干擾；全自動作業，從弧形件擺放至待安裝位置到精調拼裝完成只需25min，不占用盾構掘進主線時間；結合自動測量系統，實現智能化一鍵拼裝作業，只需1 名操作人員便可完成所有拼裝作業，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 弧形件拼裝監視界面

3.2 中隔墻智能拼裝機應用

中隔墻智能拼裝機門架式設計使中隔墻拼裝作業對隧道水平運輸通行無干擾，實現了中隔墻拼裝與盾構掘進同步施工；自動抓取、自動旋轉、自動行走、自動精調與拼裝功能使大型預制構件拼裝 實現全自動作業，拼裝全程只需40min；智能化一鍵拼裝作業，只需1 名操作人員便可完成拼裝作業，真正實現減員增效；拼裝姿態偏差小于5mm，滿足拼裝精度要求，保證了施工質量，如圖9、圖10 所示。

圖9 中隔墻拼裝施工

圖10 中隔墻拼裝監視界面

4 結論與建議

弧形件智能拼裝機和中隔墻智能拼裝機的研發與成功應用，實現了盾構隧道大型、異型、重型預制構件的自動化、智能化、信息化施工，創新施工方法，提高了施工效率和施工質量。

1）基于可編程控制器PLC 控制系統和自動測量系統，通過方案設計與系統集成，實現了弧形件一鍵智能拼裝。

2）基于可編程控制器PLC 控制系統和機械臂視覺相機定位系統，通過方案設計與系統集成，實現了中隔墻一鍵智能拼裝。

3）實現了大直徑盾構隧道內部結構與盾構掘進無干擾同步施工，節省了工程建設工期。

4）實現了盾構隧道大型預制構件的自動化、高精度拼裝作業，提高了施工質量，降低了勞動作業強度，實現了減員增效的目的。

5）提高了地下隧道智能建造水平，促進了隧道建造技術的發展。

下一步可通過對施工效果和施工數據的深入總結分析，持續優化、完善自動控制系統和智能算法，提高設備的可靠性和穩定性；深入挖掘設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，形成全工序自動化、智能化拼裝作業。