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(zhì)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(shù)的研究，通過對智能打孔機器人及支架施工等相關(guān)技術(shù)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(zhì)、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(shù)研究

傳統(tǒng)的區(qū)間支架打孔工作一般采用純?nèi)斯し绞剑斯y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(zhuǎn)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(shù)方面因為區(qū)間純?nèi)斯ご蚩姿俣容^慢，打孔質(zhì)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(zhì)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(nèi)小等問題。然后智能打孔機器人整體伺服驅(qū)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(cè)，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(cè)，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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(jié)束后的總體觀感是否良好，孔洞內(nèi)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(chǎn)生哈氣，而哈氣中的水汽會粘在口罩內(nèi)，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(nèi)裝設有活性炭粉末，施工時，通過第一安插包內(nèi)活性炭粉末的作用，可以吸附空氣中的有害物質(zhì)，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(nèi)干燥劑的作用，可以吸附哈氣時產(chǎn)生的水汽，不會使水汽產(chǎn)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(nèi)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(nèi)無線信號傳輸?shù)恼系K。天寶機器人可在手持平板內(nèi)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(diào)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(diào)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(gòu)區(qū)間給排水及消防支架機器人打孔圖

圖3  盾構(gòu)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(shù)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(cè)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(cè)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(cè)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(zhì)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(gòu)區(qū)間動照線管支架圖

4 支架定位描點技術(shù)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)位置，進行定位安裝。

目前在隧道內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)適用于隧道內(nèi)使用的隧道內(nèi)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(shù)以軌面行進輪為底標高，以帶刻度噴槍導軌來調(diào)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(shù)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(nèi)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(jié)束語

地鐵隧道區(qū)間機電支架打孔及安裝技術(shù)研究打破了傳統(tǒng)施工工藝的行業(yè)壁壘，使工業(yè)機器人可以更好地服務建筑行業(yè)，解決了人工隧道區(qū)間支架打孔和安裝的痛點，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)化、信息化的智能作業(yè)，在盾構(gòu)區(qū)間、馬蹄形區(qū)間、矩形區(qū)間、道岔等地段時準確的打孔，適時修正和調(diào)整作業(yè)姿態(tài)，提高了打孔的質(zhì)量和精度，提升了城市軌道交通建設中智能化打孔及支架安裝作業(yè)水平。隨著城市軌道交通建設蓬勃發(fā)展，我國當前的城市軌道交通工程建設規(guī)模不斷擴大，地鐵隧道區(qū)間機電支架打孔及安裝技術(shù)擁有很好推廣前景。

摘自《建筑工人》2024年4月，劉偉峰，許貴生，李建偉