大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用.pdf

大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024收稿日期：2023-09-10修回日期：2023-11-19基金项目：上海市科技创新行动计划社会发展科技攻关项目（21DZ1201105）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（21D111320）.作者简介：郇昊霖（1999-），男，硕士研究生，主要从事隧道与地下工程的理论与实践方面的研究工作，E-mail:.通讯作者：刘 俊（1982-），女，博士，副教授，主要从事隧道与地下工程的理论与实践方面的研究与教学工作，E-mail:.大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用郇昊霖1李培楠2刘 俊1宋兴宝3秦 元3寇晓勇3翟一欣3（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620；2.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；3.上海隧道工程有限公司，上海 200032）摘要：传统盾构隧道施工中存在内部预制构件施工工艺不先进、施工效率低等问题，通过分析盾构隧道预制装配式构件在安装过程中的运动特征，对智能化拼装机器人在隧道内部安装预制构件的路径进一步优化。结合隧道中隔墙安装工程实际情况，路径优化前需要根据构件的特点和拼装机的作业环境，提前规划好内部结构在运输车上的位姿，当构件运输到位后根据右手定则在预制构件上建立坐标系并建立相应的运动方程，选出构件最佳的运动路径，最后根据运动路径对安装机进行进一步优化控制。结果表明：（1）智能拼装机器人能够在隧道内部完成中隔墙和弧形件等预制构件的安装作业，拼装精度能够满足构件的安装需要，油缸的动作执行精度能够达到0.5 mm；（2）通过采用智能拼装机进行施工作业，安装误差由20 mm降低至1 mm，弧形件和中隔墙24 h安装数量分别提高到30块和35块；（3）结合中隔墙的位姿运动方程优化其安装路径，可以提高盾构隧道中隔墙的安装施工效率，提高装配式施工的控制精度。关键词：大直径盾构隧道；预制结构；安装路径优化；坐标变换；中隔墙拼装中图分类号：U455.43文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）01-0000-09DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.024引文格式：郇昊霖，李培楠，刘 俊，等.大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用J.现代隧道技术,2024,61(1):236-244.HUAN Haolin,LI Peinan,LIU Jun,et al.Optimization and Application of Installation Path of Prefabricated Structure inLarge-diameter Shield TunnelJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):236-244.1引 言盾构法是一种高效快速、安全可靠的隧道施工方法1，与传统隧道建造不同的是现代盾构隧道及其内部结构采用装配式预制结构，这避免了使用传统现浇方式建造盾构隧道内部结构过程中存在的项目时间难以控制及成本控制难度大等问题。装配式建造技术还在资源管理、生产管理、质量监控和环保施工等方面有着明显优势，同时由于构件制造和维护的标准更为严格，因而具有更好的结构质量，通常用于长距离、大直径的盾构隧道施工。预制拼装施工技术的诸多优势使得其在城市地铁建设中被广泛使用24。随着当前我国地下工程建造技术的飞速发展，有大量隧道工程如地铁车站、人行管廊及铁路隧道采用盾构法施工，并且部分隧道及其内部结构已采用预制装配的方法。上海诸光路工程项目中，预制装配方法在圆形隧道内部结构中得到了大量应用，除了型预制构件两侧填充、下层基座（包括下层防撞侧石）与上层预制车道板两侧的后浇梁采用现浇形式外，其余结构均采用了预制拼装的方式，圆形隧道段内部结构预制拼装率超过了90%（包含衬砌管片）5。此工艺的成功实施为后续的预制化拼装技术提供了新的思路和成功的案例。推动隧道内部结构的装配式建造已成为不可阻挡的趋势6。隧道内部大型预制件安装装备需要具备灵活简单的可操作性以及高水平的智能化程度。目前国内许多学者在隧道内部预制结构的安装应用上展开了大量研究。王德超等7通过对国内外预制装配式结236大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版构在地铁工程中的应用情况进行分析，总结出了预制装配式结构在地下工程应用中存在的一些问题，包括设计计算理论、构件形式选择及划分、接头构造受力、结构防水性能和抗震措施等方面面临的问题。林 志等8针对国内明挖隧道装配式结构发展不成熟问题，建立了适用于公路和市政的超大断面隧道装配式明挖结构体系。杨秀仁9结合实际工程应用情况，对明挖施工条件下的装配式隧道结构拼装设计方法及关键技术进行了全面总结和论述。吕 刚等10在京张高铁清华园隧道中提出了大直径双线铁路盾构隧道附属结构的预制拼装技术，采用拼装机器人对预制箱涵进行吊装，实现了隧道支护结构、轨下结构和附属结构的全预制拼装施工，但安装精度有待进一步提高。赵有明等11结合典型工程研究实践成果，总结了铁路隧道预制装配式建造技术的发展历程，分析了该技术尚需研究的问题和亟需开展的工作。殷明祥12研制了“吸盘式”中隔墙安装机，能够对墙体进行各方向的微调，实现了狭小空间内中隔墙的快速装配，提高了施工质量和作业效率。杨君华等13研制了新型智能中隔墙安装机，该设备采用自动化运算决策及定位与姿态控制等多种智能拼装技术，拼装精度高且施工效率有较大提升，在实际工程应用中取得了良好效果。王明斗14在隧道管片拼装中加入了串联机器人相关内容，采用改进D-H法建立了管片拼装设备的运动学模型，对安装设备轨迹规划控制等方面进行了深入分析。颜景润等15利用SolidWorks仿真软件进行装配式建筑翻转机运动学仿真，并根据仿真结果判断各个结构之间是否能够平稳运行。从上述研究内容可知，现阶段主要从预制构件的制作、安装设备对构件的姿态控制等方面进行研究，多数是从安装机对构件控制的角度进行分析，缺少从构件本身的运动路径进行考虑。本文从智能拼装机作业过程出发，为了更精准地把握构件的运动轨迹，建立构件在安装过程中的运动方程，对构件安装路径进行优化，并提出合理的安装运动路径及拼装机的控制方案，最后对拼装过程中的执行机构进行实时监测，以保证施工的效率，改善施工的机械智能化水平。2工程概况上海市轨道交通机场联络线工程从虹桥站出发，往南通过沪杭铁路隧道后向东转弯，跨过春申塘和黄浦江，途径外环线和迎客高速的南侧，后续途径三林、张江及迪士尼，最后到达上海东站，与虹桥机场、浦东机场、上海南站（铁路）、上海东站等主要交通枢纽衔接，总行线路全长68.6 km。本文以上海轨道交通市域线机场联络线（西段）3标为依托工程，标段内隧道为单洞双线，采用14 m级泥水平衡盾构机施工，管片的外径和内径分别为13.6 m和12.5 m。此次施工采用全预制拼装工艺，隧道内部结构均在工厂内制造完成。其中装配式结构包括下部弧形构件、中隔墙等预制构件。隧道内部预制结构整体安装效果如图1所示。图1 预制结构安装示意Fig.1 Schematic diagram for installation of prefabricatedstructure3整体方案设计3.1整体施工安排隧道内部预制构件尺寸一般较大，对安装精准度的要求高。在复杂的作业环境下，预制构件安装与其他作业存在工序交叉问题。为解决这些问题，本文结合预制构件的安装作业流程、结构特点和功能需求，采用了一种预制构件安装机来替代传统的吊装安装施工，实现预制构件的机械化和高精度定位安装。并通过深入分析预制构件在整个安装过程中的运动路径，来模拟优化内部结构的运动路径进而对安装设备进行控制。内部预制构件的安装操作界面如图2所示。隧道内部预制构件在施工安装时通常遵循以下步骤：（1）在盾构掘进施工时，内部预制构件同步进行安装，采用智能安装设备拼装弧形件与中隔墙。弧形件在安装到第8环时进行前3环底部回填层的回灌，以此类推，每3环为1组施工，同时进行打孔和安装螺栓锚杆。（2）中隔墙安装是在弧形件安装作业完成后进行，一般在盾构掘进约200 m后开始安装，此时首幅237大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图2 内部预制构件安装操作界面Fig.2 Operation interface for installation of internalprefabricated members中隔墙距离盾构机尾部拖车约80 m，中隔墙安装时其底垫层的安装也同步进行，每5幅中隔墙进行1次施工作业。（3）安装中隔墙时受隧道内部有限空间限制，且安装墙体时运动幅度较大，为避免在安装时触碰隧道管片，需要在中隔墙顶端留有一定空间。在墙体放置完毕后需要安装顶部连接部件，使用智能安装机托举顶部连接件，将螺杆等精确安装，使得连接件能够紧贴顶部管片，完成安装后对连接件内部进行填充。（4）根据设计要求完成弧形件与中隔墙的安装作业，再浇筑电缆沟槽，并调整线路坡度，完成线路浇筑后进行疏散平台的安装，安装过程中需借助相关设备同时配合人工操作。（5）施工完成后，需要对安装的弧形件和中隔墙进行验收，确保其符合设计和安全要求。如有需要，再进行补充和完善工作。3.2中隔墙安装设计隧道内部中隔墙属于大型预制构件，整体呈T形，对安装精度有较高的要求，中隔墙由运输车从隧道入口运送到安装位置，下端沿隧道前进方向摆放，墙体重心位置放在运输车支撑端，如图3所示。运输车的转向架可实现中隔墙的旋转动作，同时配合智能安装机可以对墙体进行安装作业，最后通过各项技术的配合完成中隔墙的运输、安装及调整。图3 中隔墙运输Fig.3 Center diaphragm transportation智能安装机在中隔墙旋转完毕后开始抓取和安装作业，具体流程如下：（1）智能安装机夹取中隔墙，对墙体进行抬升，如图4（a）所示。（2）中隔墙抬升到达一定高度后再进行旋转翻身，如图4（b）所示，其旋转方向为沿隧道前进方向逆时针旋转，为避免中隔墙下部在旋转时与弧形件发图4 中隔墙运动示意Fig.4Schematic diagram for motion of center diaphragm238大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版生碰撞，将其提高一定距离使其与弧形件之间保留一定的安全旋转高度，墙体在旋转完毕后需要与地面留有一定距离。4内部结构拼装规划及应用4.1作业流程（1）中隔墙安装流程在开始安装前对中隔墙的运动路径进行规划，按照预先规划的运动路径对墙体进行安装，在安装过程中实时观察墙体是否偏离路径，使用高精度的测量设备和传感器，确保测量位置的数据精度。具体的安装流程如下：在中隔墙安装过程中，操作员启动安装机将中隔墙抓取机构与中隔墙对齐并锁紧。然后，通过升高主架的方式将中隔墙提升到隧道水平中心位置，并等待运输车离开。检测确认运输车离开后，操作安装机的横向油缸使中隔墙移动到隧道中心线位置，利用中隔墙翻身架翻转中隔墙。然后，安装机开始行走，同时通过机械臂上加装的激光测距仪在200 mm左右的范围内进行距离测量。根据测量数据进行中隔墙的姿态精调和拼装，自动拧紧螺栓并发出复位信号。完成这一位置的安装后，重复上述流程直至所有中隔墙安装完毕。最后操作员按下结束按钮，整个安装过程结束。（2）弧形件安装流程在弧形件安装过程中，操作员按下启动按钮后，预制构件安装机会进行步进避障检测。如果存在阻碍物，安装机会发出声光报警提示偏差过大，并调整弧形件的位置。重新摆正后，再次进行吊装并启动安装机。没有偏差问题时安装机会进行步进姿态和平台姿态的调整，确保弧形件的准确安装。接着，精调测量系统将检查各工作面的契合度并进行复测。如果存在问题，进一步调整弧形件的姿态，直至问题解决后再进行安装。这个过程将循环往复地进行，直到所有的构件都安装完毕。最后，操作员按下停止按钮以结束整个安装过程。4.2基于姿态变换分析墙体运动路径4.2.1墙体运动路径计算中隔墙由运输车运送到指定地点，在运输过程中墙体下部沿隧道前进方向摆放，在到达位置后需要先将墙体逆时针旋转90，如图5所示。随后安装机会根据墙体重心下侧留有的抓取位置进行抓取与安装。中隔墙的安装作业流程主要分为旋转平移和最后的精调，对墙体在安装过程中的运动路径进行具体的矩阵运算，以分析墙体的安装效率。图5 中隔墙旋转示意Fig.5 Schematic diagram for rotation of center diaphragm在隧道空间中，物体的位置信息可以通过这个物体的基准点坐标系Oi和参考坐标系Oj之间的相对关系来表达。若这两个坐标系只有平移没有转动，便是坐标系的平移变换（图6）；当一个坐标系绕其x、y和z轴进行转动时，可以通过两坐标系之间的坐标旋转变换矩阵来表示。输入x、y、z、roll、pitch、yaw，其中roll、pitch、yaw分别表示绕x、y、z轴的旋转角度，得到姿态变换矩阵分别为Rot（x，roll）、Rot（y，pitch）、Rot（z，yaw）。中隔墙在开始安装时首先需要建立三维笛卡尔坐标系来表示其在空间中的位置，图6 坐标平移变换Fig.6 Coordinate translation transformation239大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024通过坐标系的变换计算出相应的位姿。在变换计算时中墙体的旋转与平移分别以旋转矩阵和平移矩阵表示，以中隔墙的基准点O作为参考，利用Oi和Oj之间的相对关系，平移矩阵Pij可以表示为：Pij=pxpypz（1）式中，Px、Py和Pz分别表示坐标系Oj在Oi中的位置。如图7所示，当坐标系有旋转角度时，需要用到旋转变换，坐标系绕不同的轴进行旋转时对应不同的旋转矩阵，绕x、y、z轴的旋转变换为：Rot(x,)=1000cos-sin0sincos（2）Rot(y,)=cos0sin010-sin0cos（3）Rot(z,)=cos-sin0sincos0001（4）图7 坐标旋转变换Fig.7 Coordinate rotation transformation若坐标系绕x、y、z轴同时都有平移和转动角度，三轴的姿态变换矩阵分别为 Rot（x，roll）、Rot（y，pitch）、Rot（z，yaw），3个矩阵相乘便能得到总的坐标变换，如图8所示。最后根据初始位置i到j的变换矩阵，可以得到坐标系在空间中的位姿变化矩阵ijT：ijT=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001（5）式中：n、o、a所在位置分别表示x、y、z坐标轴在基准点坐标系中的方向矢量，表示坐标系的姿态；p表示坐标系的位置。图8 总的坐标变换Fig.8 Overall coordinate transformation根据上述坐标系的变换流程，可以构建中隔墙的位姿变换矩阵。4.2.2实例计算本文所述中隔墙采用C40混凝土，高9.116 m，厚0.4 m，宽2 m。安装机在中隔墙上的抓取位置距离底部约4.064 m，墙体下部结构的中点到两端距离为 0.95 m，墙体抓取位置到下部两端点的距离约4.174 m，墙体顶部距离管片0.340 m，如图9所示。为了避免中隔墙在安装过程中与隧道管片发生碰撞，同时减少墙体放置后的调整次数，提高安装效率。墙体在旋转过程中需要与隧道上部和下部留有一定的安全距离，所以拼装机的抓取位置和隧道地面的距离需要超过与墙体下部端点的距离4.174 m，但不能超过4.4 m。因此本文中墙体在旋转时与隧道下部结构的距离为4.185 m。图9 中隔墙尺寸Fig.9 Size of center diaphragm240大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版在中隔墙运输到安装位置后，采用运动学中的姿态和坐标等位置变换来描述中隔墙在三维空间中的位置。建立坐标系来计算墙体位置，选取中隔墙的重心点为原点O进行坐标系的建立，隧道前进方向取为x轴正方向，垂直于中隔墙侧面向上方向取为z轴正方向，最后由右手定则取出y轴，如图10所示。图10 中隔墙坐标系Fig.10 Center diaphragm coordinate system将中隔墙的安装过程简化成三维坐标系之间的位置和姿态的变换，进而分析中隔墙的整体安装运动流程，其大致的姿态变换流程如图11所示。由测量系统得到坐标系最初的位置和目标坐标系姿态矩阵，通过对中隔墙初始位置进行矩阵运算得到最终位置，再根据始末位置来研究中隔墙的运动路径。具体的运算过程如下：从初始位置（图11（a）进行坐标旋转变换，绕z轴逆时针旋转90到图11（b）的位置，此过程旋转矩阵为：Rot(z,)=0-10100001（6）从图11（b）到图11（c）的平移变换矩阵为：Pij=pxpypz=001838（7）图11 中隔墙墙体三维坐标系变换及其对应实体对象安装施工过程示意Fig.11 Schematic diagram for 3D coordinate system transformation of center diaphragm and installation process of the correspondingphysical object从图11（c）到图11（d）的旋转矩阵为：Rot(y,)=001010-100（8）从图11（d）到图11（e）的平移变换矩阵为：Pij=pxpypz=-12100（9）结合式（5）可以得出，中隔墙始末位置的位姿变换矩阵为：aeT=0-10-1210010-10018380001（10）5应用效果盾构隧道内部预制构件的智能机械化安装应用效果如图12所示。与传统的人工施工安装相比，采用智能安装机安装且规划运动路径后，具有较多优势：弧形件和中隔墙24 h内的安装效率分别提高到30块和35块，同时施工的精度也能达到毫米级别。241大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图12 预制构件安装效果Fig.12 Result of prefabricated members installation其中，中隔墙在安装时，通过对智能拼装机进行实时监控，防止执行机构的实际运行路径与设定路线产生较大偏差，这一过程需要使用PID控制器对速度进行优化，同时为了减少运动速度波动对行程造成的影响，还需要再加入一个控制器对行程进行优化，具体控制流程如图13（a）所示。安装过程中拼装机在伸缩和回转时的实际位置与目标位置的偏差如图13（b）、图13（c）所示。由图13可知，拼装过程中拼装机执行机构实际与目标位置的角度和位置偏差都能控制在0.05和0.5 mm内，具体的数值变化见表1和表2。根据实测结果反馈，中隔墙的实际运动位置与目标位置之间的误差很小，最终墙体都能安装在目标位置。智能拼装机通过采用优化后的路径，大大降低隧道施工中现场安装作业人员的数量。盾构隧道内部弧形件和中隔墙安装的路径优化，减少了隧道内物料对公共区域范围的过度占用，使得隧道内部的整体施工效率进一步提升。图13 执行机构运行控制与位置偏差Fig.13 Operation control and positional deviation of actuator表1 拼装机伸缩位置数值变化Table 1 Numerical change of telescopic position of erector时间/s位置/mm5799.84411131517目标位置332.166332.306332.355332.380332.455332.555332.655332.755实际位置322.160332.160332.160332.180332.280332.440332.600332.740差值0.0060.1460.1950.2000.1750.1150.0550.015表2 拼装机旋转位置数值变化Table 2 Numerical change of rotating position of erector时间/s位置/（）195197199200.912201203205207目标位置-25.660-25.680-25.666-25.647-25.646-25.626-25.606-25.586实际位置-25.662-25.680-25.690-25.690-25.685-25.610-25.592-25.583差值0.00200.0240.0430.0390.0160.0140.003242大直径盾构隧道内部装配式预制结构安装路径优化及应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版6结 论本文从大直径盾构隧道预制构件施工面临的问题入手，分析目前隧道预制构件的拼装工艺，对中隔墙在隧道内的运动路径优化进行了研究，并总结出了拼装机的优化控制流程。主要的结论如下：（1）采用中隔墙智能拼装机，具有较大的承重能力，实现了隧道预制构件的位姿调整，能够在狭小空间内完成弧形件和中隔墙等预制构件的高精度机械化拼装，其油缸的动作执行精度能够达到0.5 mm。（2）以中隔墙的位姿为核心进行坐标变换，结合运动方程来规划墙体在空间中的运动路径，并通过监测系统及时了解中隔墙在安装过程中的位置姿态，同时也能及时了解执行机构的运行偏差，若偏离预定计算路径，及时对其进行精确调整，使得安装误差缩小到1 mm。（3）通过研究中隔墙的位姿调整方案，结合工程实际进行验证，表明位姿调整方案能够实现中隔墙施工效率和质量的提升，同时降低了施工人员的劳动强度，提高了隧道内装配式施工的智能化和机械化水平。（4）从预制构件运动的角度出发，对中隔墙和弧形件提出了合适的安装流程，使得预制构件在施工时提高了作业效率，根据构件的施工作业流程，可以进一步对安装设备的智能控制进行调整。参考文献References1 陈湘生，喻益亮，包小华，等.基于韧性理论的盾构隧道智能建造J.现代隧道技术,2022,59(1):14-28.CHEN Xiangsheng,YU Yiliang,BAO Xiaohua,et al.Intelligent Construction of Shield Tunnels Based on Resilience 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prefabricated members of shield tunnel in the installation process,the path of intelligent erection robot during installation of prefabricated members in the tunnel has been further optimized.According to practical installation of centerdiaphragms in actual tunnel projects,it is determined that the position and orientation of the internal structure onthe transport vehicle must be planned according to the characteristics of the members and the working environmentof the erector before path optimization is done.After the member is transported to its position,coordinate systemmust be created on the prefabricated member by using the right hand rule and the corresponding equation of motionmust be established,to select the optimal motion path.At last,the erector control is further optimized according tothe motion path.As the results indicate:(1)The intelligent center diaphragm erection robot can accomplish installation of the prefabricated members such as center diaphragm and arcuate member in a tunnel,its erection accuracycan meet the member installation requirements,and the motion execution accurac