地鐵隧道區(qū)間機電支架打孔及安裝技術研究

隨著城軌建設發(fā)展，需求量不斷增加，標準要求不斷提高，易發(fā)生區(qū)間人工打孔效率低、質量差、安全等隧道區(qū)間打孔施工的問題。地鐵隧道區(qū)間機電支架打孔及施工技術的研究，通過對智能打孔機器人及支架施工等相關技術的研究，實現(xiàn)了區(qū)間打孔的全自動化施工，形成了定位、打孔、清灰的流程化作業(yè)，可安全、高質、高效地完成區(qū)間作業(yè)。1

工程概況云南省某軌道交通4號線工程，是連接主城與呈貢西北到東南方向的輔助線。線路全長21.7?km，共設置車站13座，13個雙線區(qū)間以及廣衛(wèi)、白龍?zhí)锻＼噲?個出入線，平均站間距1.67?km，全部為地下線，使隧道區(qū)間打孔及支架安裝難度成倍提升。2

地鐵隧道區(qū)間智能機器人打孔技術研究傳統(tǒng)的區(qū)間支架打孔工作一般采用純人工方式，人工測量打孔需多人員、多工種配合，并且需要自帶施工電源。安全方面因為區(qū)間隧道空氣較渾濁灰塵較多，照明情況也較差，工作環(huán)境惡劣存在安全隱患：工人長時間高空鉆孔，容易因疲勞導致高空墜落摔傷事故；施工過程中當沖擊鉆鉆頭突然被卡死，會造成電錘機身旋轉導致作業(yè)人員擊傷事故；長時間近距離大量吸入粉塵，有可能導致職業(yè)病等。技術方面因為區(qū)間純人工打孔速度較慢，打孔質量也參差不齊，施工效率低導致人工成本偏高。區(qū)間支架打孔工作是區(qū)間機電安裝施工的第一步，支架打孔速度的快慢直接決定支架的安裝速度，進而影響區(qū)間水電管線的施工速度。支架打孔的質量好壞直接決定支架安裝完成后的平整度，進而影響區(qū)間水電管線施工完成后的整體觀感（圖1）。圖1??傳統(tǒng)區(qū)間人工打孔圖區(qū)間智能打孔機器人能很好地解決人工打孔的諸多弊端。首先智能打孔機器人是基于人工看護下完全自動化支架打孔設備，自帶發(fā)電系統(tǒng)無需人工外帶電源，大量取代人工，提高工作效率，理論效率可達人工的數(shù)倍，并且杜絕人工打孔導致的各種工傷事故，減少職業(yè)病。其次智能打孔機器人擁有恒定的電鉆推進力度及角度穩(wěn)定性，保證了孔洞的絕對孔深及孔徑，使安裝孔保持高度的一致性，其打孔作業(yè)標準是人工作業(yè)無法企及的，避免人工作業(yè)因疲勞等因素導致推進力度大小不一，推進角度無法保持，使孔洞外大內小等問題。然后智能打孔機器人整體伺服驅動，自帶激光定位系統(tǒng)，移動的重復定位精度理論誤差小于±5?mm,保證了標準的橫向支架間距。最后智能打孔機器人自帶吹灰工具，打孔完成可直接吹灰，無需單獨清理。對于地鐵區(qū)間機電安裝施工而言，區(qū)間打孔主要涉及2部分：一是區(qū)間給排水及消防支架打孔，打孔位置位于區(qū)間行車方向右側，高度距離軌面0.5?m左右，支架一般為上、中、下3個孔采用M16后擴底錨栓；二是區(qū)間正常及疏散照明線管支架打孔，打孔位置位于區(qū)間行車方向左側，高度距離軌面2.0?m左右，支架一般為上下2個孔采用M10不銹鋼膨脹錨栓。區(qū)間智能打孔機器人基本參數(shù)：設備整體高度2.7?m，總重量2?t，行駛速度0.5?m/s，外形尺寸3000?mm×1600?mm×1700?mm。區(qū)間智能打孔機器人自帶發(fā)電系統(tǒng)，區(qū)間施工時無需額外引入外部電源。自動升降系統(tǒng)，打孔高度自動調節(jié)無需人工操作。自動推進系統(tǒng)，打完一處支架孔洞自動開始下一處，無需人工駕駛。多頭同鉆系統(tǒng)，可根據(jù)支架孔洞數(shù)量靈活調節(jié)鉆頭數(shù)量，多孔同鉆一次成型。自智能軌道底盤系統(tǒng)，可以適應區(qū)間軌道各種復雜環(huán)境，上坡有力下坡平穩(wěn)。區(qū)間打孔施工前：檢查智能打孔機器人的設備狀況是否良好，發(fā)電系統(tǒng)和自動升降系統(tǒng)運轉是否正常，鉆頭磨損情況是否符合要求，鉆頭之間間距是否符合規(guī)定，平板電腦中各項參數(shù)是否正確。區(qū)間打孔施工中：打孔過程中是否碰到鋼筋，打孔高度和深度是否符合規(guī)范且保持一致，打孔橫向間距是否符合要求。區(qū)間打孔施工后：打孔結束后的總體觀感是否良好，孔洞內的灰塵是否清理干凈。以區(qū)間給排水及消防支架打孔為例進行介紹：首先軌道鋪完后，根據(jù)設計圖紙確定水管安裝高度同時確定好支架橫向間距，進行放樣。以軌面為基準，采用天寶機器人進行測量放樣。區(qū)間作業(yè)時采用了一種地鐵建設施工用防塵、除塵工具，因為現(xiàn)在市場上的防塵口罩，僅具有擋塵功能，不能很好地過濾氣體，而且在佩戴過程中，會產生哈氣，而哈氣中的水汽會粘在口罩內，使用起來，舒適感較低。一種地鐵建設施工用防塵除塵工具設置有兩個安插包，第一安插包內裝設有活性炭粉末，施工時，通過第一安插包內活性炭粉末的作用，可以吸附空氣中的有害物質，達到了過濾氣體的目的，使得在佩戴口罩時，能夠更好地進行防塵與除塵。第二安插包內干燥劑的作用，可以吸附哈氣時產生的水汽，不會使水汽產生聚集，提高了口罩使用的舒適度。操作人員利用手持平板中等距放線功能，天寶機器人RTS771在隧道內放線，其主機集成獨立無線電功能，最大使用范圍同棱鏡模式最遠放線距離相同為3km，可破除地下區(qū)間內無線信號傳輸?shù)恼系K。天寶機器人可在手持平板內設置放線高度，即便放線點位在曲面和坡度的情況下也可自動校核和調整使其保持在同一直線上，與傳統(tǒng)人工放線相比，天寶機器人放線精度高和誤差顯著降低。根據(jù)支架樣式，確定底部錨栓打孔高度及錨栓間縱向距離。再根據(jù)水管支架錨栓型號選用相應鉆頭，根據(jù)錨栓間縱向間距調整好鉆頭間距。然后人工向智能打孔機器人程序中自定義打孔深度、打孔高度和打孔間距。最后人工定位區(qū)間第一個支架安裝位置后打孔機器人即可正常開始區(qū)間打孔作業(yè)（圖2、圖3）。圖2??盾構區(qū)間給排水及消防支架機器人打孔圖圖3??盾構區(qū)間動照線管支架機器人打孔圖3

地鐵區(qū)間支架優(yōu)化安裝技術研究傳統(tǒng)的區(qū)間照明線管支架一般采用托架樣式，立柱加三層托臂，線管放置在托臂上，通過托臂孔用卡箍固定好線管。此類區(qū)間線管支架托臂外凸影響人員行走，所以一般安裝在疏散平臺側的最上方，安裝位置導致放線打孔、支架安裝、線管安裝及穿線等均涉及高處作業(yè)，并且區(qū)間搭設的腳手架需要每日重新組裝再拆除搬離區(qū)間，而且區(qū)間施工過程中時不時有運輸材料的平板車和軌道車通過，嚴重影響施工效率。區(qū)間疏散指示通常都是單回路，線管通過離墻卡固定在區(qū)間側壁上，安裝高度在疏散平臺與扶手之間。區(qū)間正常照明及疏散照明線管也可采用這種方式，但是照明回路太多，如果采用離墻卡需要頻繁打孔很不美觀，車站綜合支吊架上的C形鋼正好可以完美解決此痛點。區(qū)間正常照明及疏散照明配管支架選用21單拼C形鋼，每隔1.2?m使用2顆M8不銹鋼膨脹螺栓固定在區(qū)間側壁上，底邊安裝高度距疏散平臺1.25?m，然后用P形管卡將電氣配管固定在C形槽鋼上。水平配管之間考慮防爆盒及燈具接線的要求，配管之間凈間距不小于10?cm，根據(jù)需要配管的數(shù)量來確定每根C形鋼的下料長度。這種做法有諸多好處，首先是21單拼C形鋼通過車站綜合支吊架廠家采購，成品現(xiàn)貨有合同無需額外招標，并且外鍍鋅槽鋼質量有保證，區(qū)間潮濕也不會生銹，整根C形鋼為6?m/根，下料切口位置涂刷防銹漆即可使用。其次21單拼C形鋼易加工，通過中間切小槽可以滿足不同區(qū)間不同弧度管片的適配。最后支架緊貼隧道墻壁無突出，安裝高度不需高處作業(yè)，人員站在疏散平臺上即可輕松施工，大幅提高了施工效率（圖4）。圖4??盾構區(qū)間動照線管支架圖4

支架定位描點技術研究區(qū)間施工各種突發(fā)因素多，難免出現(xiàn)交叉施工或個別部位甩項施工的情況，區(qū)間智能打孔機器人不可能長期待機。此時，我們研發(fā)了一種隧道內支架定位描點裝置，在土建施工滯后部位運用，替代智能打孔機器人施工。在隧道區(qū)間內，有強電、弱電、排水、消防等專業(yè)，這些專業(yè)在區(qū)間進行電纜、電線管安裝時，需用型鋼制作成成品支架，再根據(jù)設計單位出具的設計圖紙內位置，進行定位安裝。目前在隧道內為支架放線定位有兩種常用方式：（1）用激光放線儀進行放線定位，但在隧道內施工有顯著缺點，因為隧道既有坡度又有曲度，光沿直線傳播，用激光放線儀在此種空間內進行放線定位，在隧道有坡度時，標高會出現(xiàn)較大偏差，在隧道有曲度時，需要重新架設激光放線儀；（2）施工人員通過傳統(tǒng)米尺進行測量定位。這兩種施工方法有共同的缺點，測量偏差大，工作效率低。支架定位描點技術適用于隧道內使用的隧道內支架定位描點裝置，可在隧道這一環(huán)境下保持測量精度和工作效率。支架定位描點技術以軌面行進輪為底標高，以帶刻度噴槍導軌來調整定位標高，可以解決在隧道區(qū)間有坡度及彎度的時候，傳統(tǒng)紅外放線儀無法準確定位的問題。通過設置描點模塊，實現(xiàn)描點自動化，控制器收集信息并反饋控制，實現(xiàn)描點根據(jù)行進模塊的移動參數(shù)進行，在確保行進模塊精確操作的前提下，可以保障描點的精度。解決了現(xiàn)有技術中激光放線儀進行放線定位，在隧道有坡度時，標高會出現(xiàn)較大偏差，在隧道有曲度時，需要重新架設激光放線儀，現(xiàn)有的放線裝置測量偏差大，工作效率低的問題，提供了一種隧道內支架定位描點裝置，采用控制器統(tǒng)一控制行進和噴墨，解決了難題。5

結束語

地鐵隧道區(qū)間機電支架打孔及安裝技術研究打破了傳統(tǒng)施工工藝的行業(yè)壁壘，使工業(yè)機器人可