隧道初支型鋼鋼架智能加工技術研究

中圖分類號：U455.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0181-04

Abstract：Toaddress theshortcomingsof tunnel stee frames，whichrequireextensivebendingandwelding，resultinhigh laborintensityforworkers，andpresentchalengesinensuringthequalityofthefinishedproductBasedontheHangzhouJinhua-QuzhoutoHangzhou-Shaoxing-TaizhouExpressayconnectionproject，andconsideringthehighvolume，dispersed locations，andsubstantialdemandforinitialsupportsteelframesacrosstunels，theauthorsdevelopedintellgentprocesing technologyforinitialsupportstelframesusedintunnelsThisincludesestablishingamechanizedandautomatedproductionline tominimizetheimpactofmanualoperationerorsonprocessng quality.Coupledwithadigitalmanagementsystemfor warehouse-styledistribution，thisapproachoptiizedprojectscheduling，ehancedconstructionefiiencyandenabledtracability throughoutproductiondistributionandinstalltion.Tisincreasesproducttransparencyandmanagementconvenience，providinga new approach and a valuable reference for processing steel frames in tunnel construction.

Keywords： tunnel; primary steel frame; assembly line; intelligent processing; processing quality

隨著勞動力成本的上升及綠色施工的要求，現代建筑行業的生產方式逐漸由人工化向機械化、智能化發展。隧道型鋼鋼架是常用的鋼架形式之一，作為初期支護的重要部分，起到限制洞身圍巖變形、提高圍巖自穩能力的作用2。目前針對軟弱隧道建設的研究多聚焦于軟巖隧道鋼架的力學效應研究，涉及鋼架的生產加工技術方面的研究較少[3-4]。隧道鋼架彎制、焊接普遍采用人工為主、機械為輔的加工方式，加工質量主要取決于工人的熟練程度，存在工作量大、工人勞動強度大、成品質量難以保證的問題，隧道初支型鋼鋼架智能加工技術的研究對于提高施工效率及產品的透明性和管理的便捷性有著重要意義。

本項目依托杭金衢高速至杭紹臺高速聯絡線工程，結合項目隧道具有數量多、分散、初支鋼架需求量大等特點，對隧道初支型鋼鋼架智能加工技術進行研究。一方面，開發隧道初支型鋼鋼架智能加工技術，通過自動化冷彎成型系統、自動裁剪沖孔系統、自動定位與焊接系統，將型鋼鋼架的生產加工進行模塊化劃分，構建機械化自動加工生產流水線，減少人工操作誤差對加工質量的影響，以期提高成品質量。另一方面，開發數字化管理系統，成品鋼架采用倉儲式配送，優化工期結構，提高施工效率，使生產、配送、安裝全過程可追溯，提高產品的透明性和管理的便捷性，為隧道型鋼鋼架加工提供新思路和可借鑒案例。

1智能加工流水線的構建

依托自主研發的智能化設備，將初支型鋼鋼架的生產加工劃分為工字鋼自動化冷彎成型模塊、連接板自動化加工模塊、接板自動定位焊接模塊，構建了一種新型隧道初支型鋼鋼架智能化加工生產流水線，如圖1所示。

1.1工字鋼自動化冷彎成型模塊

研發了自動化冷彎成型系統，該系統由工字鋼自動上料平臺、工字鋼運輸平臺、自動冷彎成型平臺組成，實現了工字鋼原材料的自動上料、彎曲、鋸切等操作。

1.2連接板自動化加工模塊

研發了自動裁剪沖孔系統，該系統由連接板自動上料平臺、液壓閘式剪板機、連接板運輸平臺和剪板機組成，實現了原材料鋼板的自動化上料、運輸、裁剪和沖孔作業。

1.3接板自動定位焊接模塊

研發了自動定位焊接系統，該系統由2個運輸機器人、2個翻轉裝置和2個焊接機器人組成。實現了連接板的自動化運輸及自動化雙面焊接。

1.4數字化倉儲配送

加工完成后的鋼架被吊放至指定位置分類存放，通過數字化管理系統，進行成品鋼架的倉儲式配送，最大程度地實現了資源最優配置，形成了高效快捷的鋼架生產、運輸體系，以滿足多條隧道同時施工對初支鋼架的大量需求。

2 技術特點

第一，技術先進。該技術構建了一種新型的隧道初支型鋼鋼架智能化加工生產流水線，通過模塊化智能設備，實現了鋼架自動彎曲和連接板自動裁剪、加工，通過數字化管理系統實現倉儲式配送，最大程度地實現了資源最優配置，形成了高效快捷的鋼架生產、運輸體系。

第二，焊接質量高。鋼架與連接板的焊接全程由智能機器人操作。焊接機器人擁有6個自由度，配合焊接翻轉架，可實現焊縫全部水平焊接，消除了人為因素造成的質量問題，保證了焊接強度，提高了初支型鋼鋼架的成品質量。

第三，經濟社會效益顯著。該技術人工成本低，勞動強度小，安全性好，生產效率高，優化了工期結構，降低了生產成本。并且生產、配送、安裝全程可追溯，提高了產品的透明性和管理的便捷性，為隧道型鋼鋼架加工提供了新模式，經濟和社會效益顯著。

3工藝流程和操作要點

3.1 工藝流程

隧道初支型鋼鋼架智能加工技術工藝流程如圖2所示。

3.2 操作要點

施工準備：根據工程需求，將隧道初支鋼架所需不同型號工字鋼及連接板原材料在指定原材料堆放區就位。

3.2.1工字鋼自動化冷彎成型模塊操作要點

1）工字鋼自動送料、上料。用5t單梁桁吊起重機將工字鋼原材料吊裝至自動上料平臺，通過上料平臺將其平移至自動送料平臺。工字鋼原材料到達送料平臺后，通過自制自動送料平臺上的滾軸系統將工字鋼

運送至預彎位置。

2）機器人自動焊接（根據需求）。當平臺上工字鋼原材料長度不足以滿足下一榀工字鋼加工長度時，根據實際需求進行接長，采用焊接機器人將兩節工字鋼拼接后對焊。

3）冷彎成型。將同批次鋼架總長度、彎曲內弧長度、曲率等參數輸入智能彎料機控制臺，根據預設參數控制冷彎機將工字鋼彎曲成型，采用智能彎料機運行監視系統實時觀測。

4）等離子切割及平臺運輸。待冷彎工序完成后，采用CNC等離子切割設備根據編制的程序對工字鋼進行精準切割。切割完成后，檢查切割面的質量，如有毛邊、切口不齊等問題需要對切口進行人工打磨。切割后的工字鋼前進至傳送平臺處，由傳送平臺的運輸機器人將工字鋼傳送至連接板自動焊接位置

3.2.2連接板自動化加工模塊操作要點

1）鋼板自動上料。用5t單梁桁吊起重機將連接板所用Q235鋼板原材料（尺寸為 ，厚度為 1 6 m m 吊裝至自動上料平臺，通過上料平臺的運輸輪控制鋼板前進至液壓閘式剪板機位置，

2）第一次剪板及運輸。根據連接板實際寬度，采用QC11Y/K-2500型液壓閘式剪板機將鋼板原材料裁剪成與設計連接板尺寸寬度一致的 （以楊家山隧道為例）的長條形半成品連接板材。剪好的連接板半成品板材通過自制連接板運輸平臺運送至沖剪機位置。

3）第二次剪板。根據設計長度用Q35Y-20型沖剪機將半成品連接板材裁剪成 的連接板（以楊家山隧道為例），成型后的連接板滑落至剪板機的連接板出料口。通過出料口側壁的液壓油缸及安裝的紅外感應裝置對連接板的位置及姿態進行調整，使連接板規則放置在出料口右下角位置。

4）機器手沖孔。連接板姿態調整好以后，RH06A3-1490型機械手通過其手臂端部的電磁鐵拾取連接板，將其放置在沖剪機的沖孔平臺上進行沖孔作業，沖孔完成后的連接板由機械手放置在RH06A3-1490型運輸機器人的連接板存放平臺。

5）機器手運輸連接板。RH06A3-1490型運輸機器人將連接板運輸至焊接位置，到達指定位置后，通過其手臂端部的電磁鐵拾取連接板，將其固定在連接板

焊接翻轉裝置上。

3.2.3 鋼架自動定位焊接模塊操作要點

1）機器人一次焊接。兩側連接板就位后，通過自制工字鋼運輸平臺將工字鋼運送至焊接位置，調整連接板姿態，兩側RH06A3-1490型焊接機器人同時進行焊接。

2）翻轉焊接。工字鋼和連接板上部焊縫焊接完畢后，將翻轉裝置進行 翻轉，下部未焊接部位翻轉至上部，繼續采用兩側同時焊接的方式進行操作。

3）鋼架成品。同規格鋼架首次焊接完成后，進行試拼，檢驗合格后，采用桁吊系統將加工好的鋼架在指定堆放區堆放，通過數字化管理系統，根據需求進行初支鋼架倉儲式配送。

4實施效果分析

4.1 經濟效益對比分析

該技術構建了一種新型的隧道初支型鋼鋼架智能化加工生產流水線，通過模塊化智能設備，搭配數字化管理系統，消除了人為因素造成的質量問題，保證了焊接質量，提高了初支鋼架的成品質量，并實現了鋼架的集約化生產和倉儲式配送，最大程度地實現資源最優配置，形成了高效快捷的鋼架生產、運輸體系，優化了工期結構，降低了工程成本。工程項目隧道鋼架智能化自動加工生產流水線已基本完成，目前已正式投產，后續全標段鋼架集中加工、配送，既可降低臨建投入成本也能提高生產效率。臨建成本投入方面預計可減少80萬元。人工成本方面預計可減少58.9萬元，設備成本方面預計增加26.67萬元，共計可節約112.22萬元，取得了較好的經濟效益，具有良好的應用推廣價值。具體效益分析見表1一表3。

4.2社會效益對比分析

第一，該技術構建了一種新型的隧道初支型鋼鋼架智能化加工生產流水線，通過模塊化智能設備，搭配數字化管理系統，提高了初支鋼架的成品質量，并實現了鋼架的集約化生產和倉儲式配送，最大程度地實現資源最優配置，形成了高效快捷的鋼架生產、運輸體系，符合國家大力倡導的綠色工程施工理念，社會效益顯著。

第二，開發了隧道初支型鋼鋼架智能加工工法，鋼架與連接板的焊接全程由智能機器人操作，人工需求少，勞動強度小，安全性好，生產效率高，優化了工期結構，降低了生產成本。且生產、配送、安裝全程可追溯，提高了產品的透明性和管理的便捷性，為隧道型鋼鋼架加工提供了新模式，具有良

5結論

本項目依托杭金衢高速至杭紹臺高速聯絡線工程，對隧道初支型鋼鋼架智能加工技術進行研究，主要結論如下。

1）依托自主研發的智能化設備，將初支型鋼鋼架的生產加工劃分為工字鋼自動化冷彎成型模、連接板自動化加工模塊、接板自動定位焊接模塊，構建了一種新型隧道初支型鋼鋼架智能化加工生產流水線，實現了隧道初支鋼架的高質高效加工。

2）通過數字化管理系統實現成品鋼架采用倉儲式配送，最大程度地實現了資源最優配置，提高配送效率，有效縮短了工期，全過程追溯提高了產品的透明性和管理的便捷性，為隧道型鋼鋼架加工提供新思

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