赵 旭/ZHAO Xu

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450003）

近年来，随着隧道施工技术的发展，大直径、超大直径隧道工程越来越多，隧道成型后，在隧道内利用墙板结构进行分隔，形成多层多跨结构，同时满足行车、维护、管线布置等多种功能，节省空间、节约资源、降低成本。传统的隧道内部结构施工多采用现浇模式，施工环境差、效率低、质量难以控制。随着预制拼装技术的不断发展，越来越多的隧道内部结构也开始采用预制拼装技术[1-7]。

本文依托上海轨道交通市域线机场联络线工程盾构隧道内部结构全预制拼装施工需求，研发了弧形件智能拼装机和中隔墙智能拼装机，集成了行走控制系统、自动测量系统、自动识别系统、液压系统、电气控制系统、智能化及信息化系统等，实现了预制弧形件和中隔墙的高精度、自动化、智能化拼装，极大提高了施工效率和施工质量，降低了工人劳动强度。

1 工程概况

上海轨道交通市域线机场联络线工程JXCSG-11 标度假区站-凌空路转换井区间位于浦东新区，区间隧道全长4 721m，管片外径13.6m，内径12.5m，采用1 台直径∅14.04m 泥水平衡盾构施工。隧道内部结构采用全预制拼装，包括下部结构（弧形件）、中隔墙、顶部连接件、疏散平台和电缆沟槽。隧道内部结构见图1。

图1 隧道内部结构示意图

2 拼装设备设计方案研究

2.1 预制拼装工艺要求

1）设备可靠性要求 弧形件单节重量36.35t，中隔墙单节重量22.65t。构件异形，尺寸、重量大，对拼装设备的结构承重、平衡设计及耐用程度等的可靠性要求较高，如图2 所示。

图2 弧形件、中隔墙结构示意图

2）高精度控制要求 全预制拼装工艺对每块预制构件的拼装精度要求较高，防止因累积误差导致后序预制构件无法拼装或无法达到设计要求。弧形件和中隔墙的拼装精度要求如表1、表2 所示。

表1 弧形件拼装精度要求

表2 中隔墙拼装精度要求

如此异形超重构件的拼装精度要达到毫米级，对拼装设备元器件的选型要求极高，要满足承重和高精度动作的双重要求。

3）设备尺寸的要求 由于在隧道内部有限空间进行作业，对设备的外形尺寸有一定限制。弧形件拼装作业是在盾构机连接桥下部；中隔墙拼装作业区在盾构机拖车尾部成型隧道内，隧道两侧布置有盾构施工用的管线和设备，这些都是设备外形设计时需要考虑的因素。

4）规避工序干扰的要求 弧形件和中隔墙的拼装作业是与盾构掘进同步施工的，因此不能影响盾构掘进的正常施工工序。

5）设备稳定性要求 弧形件和中隔墙拼装作业量大，施工周期长；隧道内作业环境相对较差，需要克服高温、粉尘、污浊空气、污水等的不利影响，对设备整体及元器件的工作稳定性和性能稳定性要求较高。

6）设备安全性要求 有限空间内的大型构件拼装作业，且多工序交叉施工，人员车辆不断通行，对设备自身的安全性能及对其他作业的安全保障具有较高的要求。

2.2 智能拼装机设计方案

2.2.1 总体设计

1）弧形件智能拼装机 基于弧形件拼装工艺要求及现场实际条件，弧形件智能拼装机总体上采用内部穿行式步进作业设计方案，设备主要由主机架、副机架、微调平台、液压系统及智能控制系统等组成。弧形件拼装机结构示意图见图3。

图3 弧形件拼装机结构示意图

2）中隔墙智能拼装机 基于中隔墙拼装工艺要求及现场实际条件，中隔墙智能拼装机总体上采用大净空轨行式侧面抓取拼装设计方案，设备主要由主架总成、抓取机构、伸缩机构、旋转机构、平移机构、行走系统、液压系统、智能控制系统及工作平台等部分组成。在中隔墙运输车上配置车载调节平台，以配合拼装机的智能化拼装作业。中隔墙拼装机结构示意图见图4。

图4 中隔墙拼装机结构示意图

2.2.2 功能设计

1）弧形件智能拼装机 弧形件智能拼装机具有6 个自由度姿态调整、步进姿态自动调整、自动步进纠偏、微调平台姿态调整、弧形件姿态调整与拼装、拼装机归位姿态调整等功能；具有自动检测与感知、自动运算与分析处理、自动决策与动作执行、人机交互与信息存储等智能化功能。

2）中隔墙智能拼装机 中隔墙智能拼装机具有6 个自由度姿态调整，拼装架纵向前后、横向前后、上下伸缩、旋转、摆动等微调功能，整机自动行走定位功能；具有自动检测与感知、自动运算与分析处理、自动决策与动作执行、人机交互与信息存储等智能化功能。

2.2.3 液压系统设计

采用负载敏感泵与比例多路阀的组合，配合带位移传感器油缸，实现毫米级的精度控制，以及与负载无关的流量控制，并且可多缸复合动作，满足拼装机的各个动作需求。

2.2.4 控制系统设计

基于可编程序控制器PLC 开发，通过PLC丰富的数字、模拟量接口与相应的检测终端通信，通过程序控制各个液压油缸动作，实现拼装机的各个动作执行。参与姿态调整及拼装的传感器精度<1mm，激光测距传感器重复测量精度0.5mm。

电控总体设计包含PLC 主控、各类传感器、工控机、液压油缸、机械臂视觉定位系统以及人机交互的遥控器等部分。弧形件智能拼装机动作控制逻辑如图5 所示。

中隔墙拼装机动作控制逻辑如图6 所示。

图6 中隔墙拼装机动作控制逻辑

2.2.5 智能化及信息化系统

1）自动测量系统 针对弧形件智能拼装机，开发自动测量系统，以实现拼装机的自动化、智能化拼装。自动测量系统采用高精度全站仪结合定制的精调标架实现对弧形件位置和姿态的精确测定。精调标架包含两个精密棱镜和高精度倾角传感器，可精确测量出待拼装弧形件初始位置和姿态；测量已拼装弧形件姿态和成型隧道姿态，计算待拼装弧形件目标位置和姿态，根据弧形件拼装规则计算出待拼装弧形件的调整量；建立拼装机坐标系，采集自动测量系统数据信息，通过智能控制软件运算与分析，向液压控制系统发送弧形件顶部4 个角点及中心点位置信息，引导拼装机进行精确位置调整。

2）多传感信息融合定位系统 针对中隔墙智能拼装机，建立拼装机坐标系，以机械臂视觉定位系统为核心进行坐标变换，结合视觉伺服闭环控制，辅以激光测距冗余信息，通过强鲁棒的视觉特征选取，实现安装过程中中隔墙的实时定位，以进行精确位置姿态调整。

3）自动检测与感知 弧形件智能拼装机以自动测量系统数据为依据，利用高精度位移传感器、激光测距仪、避障传感器、接近开关、限位开关等检测元件，自动测量并检测相关实际数据，通过软件运算与分析，控制液压油缸执行动作。中隔墙智能拼装机以多传感信息融合数据为依据，利用机械臂视觉定位系统，结合强鲁棒的视觉特征、高精度位移传感器、激光测距仪、光学传感器等检测元件，自动测量并检测实际相关数据，通过软件运算与分析，控制液压油缸执行动作。

4）自动运算与分析处理 通过获取的相关信息，工控机实时自动计算并判断、感知是否满足工作条件，结合拼装机坐标系分析信息，将采集的数据导入PLC 中解算出当前的控制量，从而使执行元件执行当前驱动量。

5）自动决策与动作执行 根据构件拼装规则及要求开发算法，通过获取的信息进行运算、对比并自动决策，PLC 控制程序发出指令，液压控制系统自动完成拼装机的各个动作。

6）人机交互与信息存储 根据采集信息、运算信息、执行信息储存记录，将整机分系统进行人机交互与信息存储，相关工作信息与参数通过人机交换界面展现，每完成一个循环作业，自动生成报表并进行存储，方便查阅与分析。

3 工程应用

3.1 弧形件智能拼装机应用

弧形件智能拼装机内部穿行式设计使弧形件拼装作业对盾构掘进施工零干扰；全自动作业，从弧形件摆放至待安装位置到精调拼装完成只需25min，不占用盾构掘进主线时间；结合自动测量系统，实现智能化一键拼装作业，只需1 名操作人员便可完成所有拼装作业，拼装时间缩短至20min，大大提高施工效率；拼装精度小于3mm，大幅度提高拼装质量，如图7、图8 所示。

图7 弧形件拼装施工

图8 弧形件拼装监视界面

3.2 中隔墙智能拼装机应用

中隔墙智能拼装机门架式设计使中隔墙拼装作业对隧道水平运输通行无干扰，实现了中隔墙拼装与盾构掘进同步施工；自动抓取、自动旋转、自动行走、自动精调与拼装功能使大型预制构件拼装 实现全自动作业，拼装全程只需40min；智能化一键拼装作业，只需1 名操作人员便可完成拼装作业，真正实现减员增效；拼装姿态偏差小于5mm，满足拼装精度要求，保证了施工质量，如图9、图10 所示。

图9 中隔墙拼装施工

图10 中隔墙拼装监视界面

4 结论与建议

弧形件智能拼装机和中隔墙智能拼装机的研发与成功应用，实现了盾构隧道大型、异型、重型预制构件的自动化、智能化、信息化施工，创新施工方法，提高了施工效率和施工质量。

1）基于可编程控制器PLC 控制系统和自动测量系统，通过方案设计与系统集成，实现了弧形件一键智能拼装。

2）基于可编程控制器PLC 控制系统和机械臂视觉相机定位系统，通过方案设计与系统集成，实现了中隔墙一键智能拼装。

3）实现了大直径盾构隧道内部结构与盾构掘进无干扰同步施工，节省了工程建设工期。

4）实现了盾构隧道大型预制构件的自动化、高精度拼装作业，提高了施工质量，降低了劳动作业强度，实现了减员增效的目的。

5）提高了地下隧道智能建造水平，促进了隧道建造技术的发展。

下一步可通过对施工效果和施工数据的深入总结分析，持续优化、完善自动控制系统和智能算法，提高设备的可靠性和稳定性；深入挖掘设备的智能化施工功能，研究螺栓自动穿入、自动紧固等智能系统，形成全工序自动化、智能化拼装作业。