微型盾構半自動管片拼裝技術研究及應用

程永龍，賈興民，葉 蕾，李龍飛，高 博

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著城市化發展與城鎮化建設的推進，地下空間開發強度不斷提升，地下綜合管廊、地鐵出入通道、檢修井等工程建設如火如荼。傳統工法主要通過地面開挖或者人工暗挖，施工成本高，影響交通且安全隱患大。盾構法以其安全、快速高效等優點，已成為地下空間開挖的主要施工工法[1]。管片拼裝機是盾構法施工管片拼裝的關鍵裝備，其工作效率、安全性及穩定性直接影響盾構施工進度及施工質量。針對管片拼裝機的設計國內外均開展了相關研究，韓亞麗等針對南京地鐵玄許區間的應用實踐；論述了?6.2m直徑管片的拼裝技術[2]；李飛宇等針對馬蹄形盾構負環管片拼裝技術進行研究[3]；賈興民等對土壓敞開雙模式盾構管片拼裝機設計進行研究[4]。

以上研究雖對管片拼裝機的設計和選型提供了一定的理論依據，但主要集中在6m及以上直徑盾構。隨著盾構法在水利、電力、市政綜合管廊及聯絡通道等地下工程不斷應用，盾構直徑不斷向小微直徑、智能化方向發展，管片拼裝技術成為微小直徑盾構設計的技術難點。本文結合寧波地鐵聯絡通項目對微小直徑盾構管片拼裝技術進行深入研究，并結合應用情況，提出了適用于狹小空間內管片拼裝機設計及控制方法。

1 項目應用背景及難點分析

隧道聯絡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。傳統施工時主要在對地層加固后采用礦山法開挖，現澆通道的襯砌結構。為了實現聯絡通道安全高效施工，引入盾構法進行聯絡通道施工，通道襯砌采用拼裝式管片。綜合消防疏散功能要求及設備在隧道內布置的空間需求，聯絡通道采用外徑?3 150mm、內徑?2 650mm管片，盾構屬微小型直徑，管片拼裝空間十分狹小。

此外，盾構采用土壓平衡模式掘進，螺旋輸送機出渣，螺旋輸送機需穿過管片拼裝機中心，伸至尾盾區域出渣，主機內布置如圖1所示，為了避免旋轉時與螺旋輸送機干涉，管片拼裝機需具備足夠大的中心空間，為管片拼裝機設計提出了新的難題。

圖1 主機內布置示意

2 狹小空間管片拼裝關鍵技術

為了適應聯絡通道狹小空間現狀，對管片拼裝機的整體結構、電氣控制、數據傳輸進行深入研究和創新設計。

2.1 主梁回轉式管片拼裝機結構設計

根據管片規格、施工要求及主機布置等因素，目前常用的管片拼裝機整體結構主要有主梁式、環式、搖臂式等型式，其特點如表1。

表1 各類型拼裝機特點

對于微小直徑盾構，上述形式管片拼裝機結構形式均存在一定的局限性，為了適應主機內狹小空間的現狀，同時滿足中心螺旋輸送機的布置需求，設計了主梁回轉式管片拼裝機（圖2）。

圖2 主梁回轉式拼裝機

主梁回轉式管片拼裝機包括驅動單元、回轉支承、回轉架、滑動架、移動油缸、提升油缸、導向梁、提升油缸、抓舉系統等結構組成。整體結構緊湊，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行程，方便抓舉管片。該型式管片拼裝機很好地滿足了本項目狹小空間的要求，各動作采用液壓執行元件驅動，便于數據監測。

其中，回轉架一方面與回轉支承的內齒圈螺栓聯接，作為回轉動作的執行元件，一方面其主梁結構為軸向移動提供滑動軌道。其主梁結構要求具有較高的強度和剛度，保證運動的安全平穩性。借助有限元分析方法，對回轉架主梁(材質Q345B)分別在0°位置和90度位置進行強度和變形分析，如圖3、圖4所示，結果顯示主梁最大變形為0.6mm，遠小于懸臂梁變形相關準則值；最大應力僅為10.6MPa，完全滿足強度要求。

圖3 0°位置回轉架變形、應力云圖

圖4 90°位置回轉架變形、應力云圖

抓舉系統（圖5）進行了微型緊湊設計，其具備3個方向的轉動自由度，即θx、θy、θz，用于管片拼裝時的±2.5°轉動微調需要。其中θx、θy由調整油缸分別單獨驅動，而提升缸非同步伸縮作用下使伸縮節被動伸縮，實現θz轉動動作。

圖5 抓舉系統系統

2.2 拼裝機高精度運動設計

拼裝機運動精度直接關系到半自動化拼裝和管片微調精確性，拼裝機運動系統由液壓系統驅動，所以運動精度主要與液壓液壓執行元件和比例控制閥決定。

2.2.1 回轉精度設計

拼裝機回轉選用的液壓馬達最小穩定轉速為nmin=50rpm，故最小穩定流量Qmin為

式中，qp——液壓馬達排量，qp=80cm3；

ηvp——液壓系統容積效率，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定流量，故該控制閥滿足流量需要；該控制閥在Δp=5bar時，從+90%至-90%階躍所需時間為75ms，考慮運動慣性和其他部件誤差，取2倍遲滯系數，即在t=150ms時間內，拼裝機回轉角度為

式中：i1—減速機減速比，i1=47.309；i2—大齒圈小齒輪齒數比，i2=10.56；即回轉動作控制精度可達0.1°級別，滿足半自動化系統和準確微調要求。

2.2.2 移動精度設計

軸向移動最小伸縮速度按比例多路閥的推薦最小流量為Qmin=2L/min進行計算。

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時間內，油缸運動位移為

2）油缸最小伸出位移

最小伸出速度

在t=150ms時間內，油缸運動位移為

綜上所述，移動油缸伸出運動精度＜1mm，回收運動精度＜2mm，能夠很好滿足實際拼裝的精確性要求。

2.3 管片半自動拼裝系統設計

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，同時消耗大量人力。為提高拼裝效率，創新設計了管片半自動拼裝系統，除管片拼裝微調和螺栓聯接工作需要人工操作，其他拼裝動作可自動完成。

系統選用PLC作為控制核心，利用PLC運算速高速的特點，對系統接收的傳感器反饋信息和運算的指令數據進行綜合判斷，如圖6所示。傳感器反饋信息主要包括，各油缸的壓力監測數據、位移數據、旋轉編碼器數據。

圖6 半自動拼裝控制系統示意圖

半自動化拼裝控制系統集成于上位機系統，進行可視化監測、控制，如圖7所示。

圖7 半自動拼裝系統操作界面圖

操作人員首先在控制室工業電腦上輸入封頂塊“F塊”的目標角度，系統自動計算其他管片的拼裝位置，并匹配出需要收回的推進油缸序號。隨后，抓舉頭自動移動至管片存放區，抓取管片后，旋轉至預定角度，推進油缸自動收回，進入人工微調階段，管片拼裝到位后，推進油缸頂緊管片，最后人工完成螺栓聯接工作，自此一塊管片拼裝機拼裝完成；按照系統計算的管片拼裝順序，依次完成其他管片的拼裝。如果當前管片為最后一塊管片，則拼裝過程完成，控制系統自動退出拼裝模式；否則，控制系統將自動進入下一塊管片的半自動拼裝過程中，周而復始直到所有管片均拼裝到位再退出拼裝模式。半自動拼裝系統的成功應用大大提高了管片的拼裝效率。

2.4 無線藍牙數據通訊設計

聯絡通道設備內空間十分狹小，管線布置較為困難，保養維修不便。液壓管路、電氣線纜較多，在狹小空間內管線布置困難，檢修維護不便，為此設計了無線藍牙數據通訊模塊，其數據傳輸示意圖如圖8所示。

圖8 無線藍牙數據通訊示意圖

藍牙發送模塊與PCL系統CPU模塊相連，藍牙接收模塊與拼裝機電氣控制盒連接，拼裝機所有傳感器和液壓控制閥的信號全部依靠藍牙模塊進行無線傳輸，大大減少了電氣線纜的用量。有線數據通訊需使用一根36芯的電纜連接，而使用藍牙模塊后，僅需要一根4芯電纜連接，同時電纜卷筒規格可大幅降低，大大節省洞內空間。

3 應用情況

依托國內首個盾構法聯絡通道項目，半自動化管片拼裝機成功應用，管片拼裝效果如圖9所示。管片機高效、安全、精確的工作性能得到了用戶一致好評。

圖9 半自動化拼裝機成功應用

4 結 語

針對微型盾構狹小的拼裝空間，進行了半自動拼裝機技術的研究及應用，獲得以下成果。

1)創新設計了主梁回轉式管片拼裝機結構系統，滿足微型盾構狹小空間的拼裝要求。

2)該拼裝機具有高精度的回轉精度、和移動精度性能，使管片拼裝更加精確。

3)創新設計了半自動拼裝控制系統，并采用無線藍牙數據傳輸技術，大大提高了管片拼裝效率，并節約了洞內空間。

半自動管片拼裝機成功應用聯絡通道項目，填補了國內微型盾構管片拼裝領域的技術空白，具有廣闊了應用前景和很高的推廣價值。