盾构管片钢筋笼自动加工设备设计及应用技术研究

王百泉

(中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511458)

0 引言

近年来，随着盾构和TBM在隧道施工行业的广泛应用，钢筋混凝土管片作为盾构隧道施工的重要环节之一，其数量需求也随之快速增长。国内部分预制工厂实现了管片混凝土浇筑工作的设备自动作业，其效率、质量和安全生产都得到了保证。然而，管片钢筋骨架制作与安装作为盾构钢筋混凝土管片生产环节中一个重要工序，仍以人工操作简单机具的手工加工方式为主，人力投入量和劳动强度大，生产效率低，材料浪费大，安全隐患多且焊接质量受工人操作影响较大，易造成焊接热应力不均匀、变形不规则等问题[1]，因而加快推进钢筋加工的变革创新是必然趋势。

在盾构管片预制和钢筋加工方面，已有学者进行了相关方面的研究工作。秦汉礼[2]对盾构隧道钢筋混凝土管片制作技术进行了研究，详细论述了管片的设计与制作工艺、试验方法及运输中应注意的事项，重点介绍了管片生产的关键工序；张磊[3]对地铁盾构隧道预制管片施工技术进行了研究，通过工程案例分析，重点介绍了管片预制关键施工技术；王波[4]针对成都地铁盾构管片预制生产线设计及质量保证措施进行了研究，详细阐述了生产工艺的比选、确定和生产线的设计，并针对自动流水线法生产工艺的局限性提出了质量保证措施；禹海涛等[5]对考虑内部预制结构的盾构隧道的抗震性能进行了分析，介绍了预制结构具有生产效率高、产品质量好和工人劳动强度低等特点；杨绍斌等[6]对自动钢筋加工生产线在港珠澳大桥沉管预制中的运用进行了研究，重点阐述了自动化钢筋加工生产线的优势和未来发展趋势；邱荣祖等[7]分析了我国发展成型钢筋加工配送的重要意义、现状及存在的主要问题，并提出了发展对策；林雄[8]进行了混凝土结构用成型钢筋加工配送中心选址研究。由此可见，当前的研究大多集中在盾构管片预制和生产方法、钢筋自动加工线及其发展等方面，而对盾构管片钢筋笼成型自动化方面研究较少。虽然国内现有钢筋加工设备可以完成如钢筋折弯、剪切，简单的钢筋笼、平面网焊接等操作，但像管片钢筋这样结构复杂的钢筋笼，其整体加工设备及加工工艺在国内外仍处于空白，开发一套盾构管片钢筋自动加工设备已是迫在眉睫。

本文通过对盾构管片钢筋笼加工工艺和钢筋加工设备进行深入分析，结合长株潭城际铁路CZTZH-1标工程，完成棒材钢筋剪切模块、单片网成型模块、物料存储模块和立体网焊接成型模块等方案设计和设备制造，开发出一套盾构管片钢筋笼自动加工设备。经过工厂试验以及工程应用中对设备的不断优化和完善，实现了钢筋下料、单片弧形网焊接成型、物流储运、立体钢筋笼焊接成型等自动化流水线作业。

1 工程概况

长株潭城际铁路是长株潭城市群城际铁路网的核心部分，地处长沙、株洲、湘潭城市群中心地带。CZTZH-1标盾构段位于长沙市岳麓区和开福区，于德雅路前以隧道方式进入地下，沿开福寺路西行，设开福站并下穿过湘江后，沿杜鹃路向西，止于银杉路与杜鹃路交叉口的滨江新城站。盾构区间隧道设计为双线圆形隧道，盾构隧道断面开挖直径为9 380 mm。隧道采用预制钢筋混凝土管片衬砌，管片背后注浆回填，隧道衬砌管片外径为9 000 mm，内径为8 100 mm，厚450 mm，环宽1 800 mm。盾构区间长度为4 839 m，包括隧道进口—开福寺区间(长1 900 m)和开福寺—滨江新城盾构区间(长2 939 m)。具体标段位置如图1所示。

盾构隧道主要穿越白垩系上统泥质砂岩、砾岩，元古界冷家西群砂质板岩，〈9〉4-1全风化砂质板岩，〈9〉4-2强风化砂质板岩和〈9〉4-3弱风化砂质板岩。

图1 长株潭城际铁路CZTZH-1标标段位置示意图

Fig. 1 Sketch of position of CZTZH-1 project of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Intercity Railway

该工程隧道管片设计为3种基本型式，分别为标准环、左转弯环和右转弯环，管片厚度为450 mm。每环管片采用“5+1+1+1”型式，即每环由封顶块(F)、临接块(L1)、临接块(L2)及标准块(B1—B5)共8块管片组成，8块管片为不等分块。最大块为标准块(B1—B5)，外弧长为3 855.6 mm，内弧长为4 470 mm，外弦长为3 734.8 mm，最大单块质量为8 t。管片宽度为1 800 mm，楔形量为32 mm，采用双面楔形。根据隧道沿线地形、地质条件、埋深和地表建筑物情况的不同，管片配筋型式分为A、B、C、D 4种，管片钢筋笼的钢筋采用HPB235、HRB335级。盾构管片结构设计如图2所示。

图2 盾构区间隧道设计断面图(单位: mm)Fig. 2 Design of shield tunnel cross-section (unit: mm)

2 总体设计方案研究

2.1 方案设计

结合依托工程施工现场条件和管片设计相关要求，从安全性、实用性、技术先进性和经济性等方面综合考虑，盾构管片钢筋笼自动加工设备主要由4大模块组成，分别为棒材钢筋剪切模块、单片网成型模块、物料存储模块和立体网焊接成型模块。总体设计方案如图3所示。

1—棒材钢筋剪切模块； 2—单片网成型模块； 3—物料存储模块； 4—立体网焊接成型模块。

图3盾构管片钢筋笼自动加工总体设计方案示意图
Fig. 3 Overall design scheme of automatic processing equipment for shield segment steel reinforcement cage

设计特点： 1)各模块的生产可实现手动及自动控制； 2)具有自动统计物料消耗功能，根据配筋的理论值对物料的理论消耗进行计算，并在此基础上对物料的实际消耗进行统计； 3)具有自动存储记忆功能，对生产的笼型、数量及物料可自动存储，在生产中可随时读取，当不同配筋生产超量时自动报警； 4)可利用“自动统计物料消耗”和“存储记忆功能”，根据预定的生产计划进行类比，自动对储料小车提出钢筋规格要求，调度半成品位置，进行预生产准备； 5)在安全方面，各设备及模块联接处设置急停装置，非人工工作及重点部位采用“门禁制”防护。总体方案设计立体效果如图4所示。

图4 盾构管片钢筋笼自动加工总体方案设计立体效果图

Fig. 4 Three-dimensional model of overall scheme of automatic processing equipment for shield segment steel reinforcement cage

2.2 盾构管片钢筋笼加工流程

盾构管片钢筋笼加工作业流程如图5所示。具体工艺流程为：

1)将成捆钢筋料吊放到钢筋自动上料机平台上，之后依次通过喂料辊道、钢筋剪切主机、钢筋输出辊道完成钢筋的剪切下料，收入到收料仓。

2)通过物流机构将主筋单根钢筋料吊送到单根输送轨道上，再通过输送轨道将其输送到单片网成型机上。

3)单片网成型机完成主筋弯弧成型，先由2台焊接机器人完成主筋之间的焊接工作，再通过伺服定位横筋位置，横筋储料仓机构自动落横筋。采用电阻焊方式，将横筋和主筋焊接牢固形成单片网片。

图5 盾构管片钢筋笼加工作业流程

Fig. 5 Processing flowchart of shield segment steel reinforcement cage

4)物流机构吊装单片网片到输送轨道，再分类吊装到单片网储存仓库。

5)通过物流机构将单片网片按照焊接钢筋笼的要求，依次从仓库取出吊装到单片网片输送装置上。

6)焊接输送小车按规定叠放好单片网片后，人工放置外箍筋，焊接输送小车将码放好的平面网一次输送到立体网自动焊接机上，完成自动焊接工作。

7)立体网成型，之后将其吊运至指定位置进行码放，人工完成外箍筋搭接焊及预埋件安装。

2.3 主要技术参数

盾构管片钢筋笼加工生产线主要技术参数见表1。

表1 盾构管片钢筋笼加工生产线主要技术参数Table 1 Main technical parameters of production line of shield segment steel reinforcement cage

3 棒材钢筋剪切模块设计研究

棒材钢筋剪切模块设计由钢筋自动上料机、喂料辊道、钢筋剪切主机、钢筋出料架、钢筋输出辊道、成品料仓、操作台和收料仓等组成，如图6所示。根据设备总体方案设计产量需求，结合管片钢筋笼设计方案，经过计算，选用XQ120数控钢筋剪切设备，该设备可将热轧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级带肋钢筋进行高质量定尺剪切、输送、存储及加工。

1—钢筋输出辊道； 2—振动收料装置； 3—成品料仓； 4—钢筋剪切主机； 5—操作台； 6—喂料辊道； 7—钢筋自动上料机。

图6棒材剪切模块总装图
Fig. 6 General assembly diagram of steel bar shearing module

钢筋自动上料机和钢筋的喂料轨道位于机器的前端，剪切机位于设备的中部，剪切机后部为带翻转机构的定尺机构传输辊道。钢筋的定尺传输辊道可以在气缸的控制下根据剪切机的动作进行上升或下沉动作。在传输辊道侧安装有收料仓，用以收集、储存成品钢筋。设备运行完全由系统程序自动控制，可以进行编程并记录所有工作订单。通过自我识别系统可以对工作循环中的每个单独的工作步骤进行操作和检查，并可与TJKMES系统软件配合使用。

该设备用于钢筋的定尺切断，采用自动工作循环，在放好需要加工的钢筋后，即可启动设备。该设备具有自动上料功能，因此为了确保原材在下料过程中有序顺畅地排料，在把每捆原材钢筋吊放到储料架上时，应尽可能做到规整，不应有缠绕和重叠的现象，且原材钢筋应摆放于原材储料槽中间位置。

4 单片网成型模块设计研究

4.1 总体设计

单片网成型模块作为本设备的核心部分之一，可实现单片网的成形弯曲、成型焊接、原料与成品的转运等工作。盾构管片钢筋笼自动加工设备共配备4台单片网成型机，每2台对称布置，上料由对称布置于成型机之间的单根输送机完成，通过单根输送机的正反转实现左右送料。成型机将成品加工完成后再由物流系统吊运至平面网输送轨道上，输送至下一工序。单片网成型模块如图7所示。

1—平面输送轨道； 2—平面网成型机； 3—单根输送轨道。

图7单片网成型模块总装图

Fig. 7 General assembly diagram of monolithic net molding module

4.2 单根输送轨道

单根输送轨道设计专用于振动收料仓与单片网成型机之间，起到连接作用。本设备共使用4套单根输送轨道，每2套为一组，分别输送网片内弧筋与外弧筋。

该输送轨道为自动输送轨道，采用链条传动，由机架、输送辊、输送电机和防护罩等构成，如图8所示。输送辊装置及输送电机等安装于由型材焊接的机架上。该轨道特点为输送平稳，输送能力强，可输送大直径单根钢筋。

1—机架； 2—输送电机； 3—输送辊。

图8单根钢筋输送轨道
Fig. 8 Track for single steel reinforcement transportation

4.3 单片网成型机

单片网成型机主要由主机架、弯弧装置、焊接装置、牵引装置、移动夹紧机构、固定夹紧机构、弯曲装置和定尺检测装置等组成，如图9所示。

1—弯弧机； 2—横筋焊接装置； 3—焊接机械手； 4—牵引机构； 5—焊接机械手； 6、7—弯曲装置。

图9单片网成型机
Fig. 9 Monolithic net molding machine

管片钢筋笼自动生产设备共配套单片网成型机4套，每套配置2台焊接机械手。该设备特点为采用液压系统、电阻焊系统及焊接机器人，弯曲尺寸控制精确，焊接效率高且质量可靠。

4.4 平面网输送轨道

平面网输送轨道主要作用为将单片网成型机焊接成型的单片网片输送到指定位置，通过辊道将单片网成型机与出料小车进行衔接，本处辊道主要起调度、转运作用。

该输送轨道为自动输送轨道，采用链条传动，由输送辊轮、输送架和电机等组成，如图10所示。

1—输送辊； 2—输送电机； 3—机架。

图10平面网输送轨道(单位： mm)

Fig. 10 Transport track for plane net (unit: mm)

4.5 平面网物流吊装机构

平面网物流吊装机构由升降电机减速机、行走电机减速机、立柱支撑、输送装置、网片抓料机构和输送轨道等组成，如图11所示。单片网片成型后由吊装机构将其抓起，经电机减速机带动完成吊起动作，再由伺服电机带动链轮、链条完成横向移动，放入输送轨道上。

1—升降电机减速机； 2—行走电机减速机； 3—立柱支撑； 4—输送装置； 5—网片抓料机构； 6—输送轨道。

图11平面网物流吊装机构
Fig. 11 Logistics hoisting mechanism of plane net

5 物料存储模块

物料存储模块由物流吊装a、立体仓库、物流吊装b和单片网输送轨道4部分组成，如图12所示。单片网片成型后由其输送轨道运至物料存储区域，再由物流吊装机构将单片网片吊运至立体仓库进行分类存储。根据系统的综合控制，在焊接不同形式的钢筋笼时，由物流吊运机构将单片网片吊运至单片网输送轨道上，再运至立体网自动焊接成型机构。

1—物流吊装a； 2—立体仓库； 3—物流吊装b； 4—单片网输送轨道。

图12物料存储模块
Fig. 12 Material storage module

6 立体网自动焊接成型系统研究

6.1 立体网自动焊接成型机构

立体网自动焊接机是将单片网和箍筋焊接成整体立体网的设备，也是该设备最核心的部分，通过一系列气动控制将箍筋、单片网进行定位，然后通过焊接电极实现焊接工作，完成立体网的成型。

立体网自动焊接机主要结构包括箍筋组装模具、箍筋升降机构、伺服提升网片机构、焊接变压器、焊接电极及导线和辅助平台等，如图13所示。

1—设备底座； 2—箍筋组装模具行走座； 3—辅助平台； 4—伺服提升网片机构； 5—焊接电极及导线； 6—箍筋组装模具； 7—箍筋升降机构； 8—焊接变压器； 9—抓起提升平面网机。

图13立体网自动焊接机结构示意图
Fig. 13 Sketch of automatic welding machine for stereoscopic net

6.2 立体网自动焊接主要工作步骤

立体网自动焊接主要工作步骤为： 1)物流系统气动夹具按顺序分拣单片网，自动码放至组装模具中； 2)外箍筋由弯箍机自动加工后，存放至码料小车； 3)人工操作将外箍筋插入箍筋组装模具中； 4)将码垛后的单片网通过组装模具行走座进入焊接中心； 5)由焊接中心部分的单片网提升装置，提升至焊接电极部位开始进行焊接，然后经立体网整体抬升装置抬起至指定高度，此动作循环至最后一片单片网和箍筋焊接完成； 6)整片盾构钢筋管片焊接完成后由吊装系统吊运至存放区； 7)人工操作搭接焊实现外箍筋下口封闭成环； 8)人工焊接管片预埋件。

7 结论与建议

盾构管片钢筋笼自动加工设备具有机械化与自动化程度高、劳动强度低、安全性高、焊接质量稳定可控等特点。通过在长株潭城际铁路CZTZH-1标盾构管片加工中进行工程应用，并经过多次改进和完善，设备运行稳定。本文主要结论如下：

1)盾构管片钢筋笼自动加工设备整体采用数字化PLC控制，各子单元采用工业电脑控制的交流伺服闭环控制系统，实现将盾构管片钢筋骨架从单筋到组合体一次成型,保证了加工的质量和精度，实现了操控的智能化。

2)采用盾构管片钢筋笼自动加工设备，彻底改变了以往人工加工的常规作业方式，实现了钢筋笼加工的机械化、自动化和可视化流水作业生产，整条生产线运行稳定、流畅，大大降低了工人劳动强度，提高了钢筋笼加工质量。

3)设备研究涉及到机械、液压、电气等方面的内容，系统集成度高，并合理运用了电阻焊技术。

4)管片钢筋笼自动加工设备相比人工操作方式，减少了人为因素差异引起的不稳定性，焊接质量稳定，操作过程安全可控。

在盾构管片钢筋笼自动加工设备实际工程应用中也发现一些问题，分析和建议如下：

1)单片网成型部分横筋人工摆放功效低下，定位不准导致焊接质量不稳定。经过优化改进，设计了横筋自动落料装置，并集成了电阻焊功能，效率和质量得到了有效提高。

2)立体网成型模块单片网错位、端头不齐，导致抓取提升易发卡、焊接不顺畅。通过将送料小车叠送装置改为链传动实现的升降结构，同时在送料小车端头增加气缸，对码放的单片网进行端头整齐，减少了网片提取时发卡现象。

3)立体网焊接时，存在箍筋表皮烧伤严重、脱焊、漏焊等现象，通过对焊接电极结构、焊接参数进行优化，使得焊接质量有了明显提高。

4)通过对各模块功效统计分析，单片网成型和立体网成型是关键工序，效率相对较低，导致整个自动化生产线管片生产效率是人工生产效率的50%左右，生产成本较人工生产成本高。因此，需通过持续的研究和不断的优化升级，有效提高生产效率、降低综合成本，再进行推广应用，逐步形成规模化和产业化。

5)盾构管片钢筋笼自动加工设备是探索性、开创性的研发设计，对推动行业进步具有重大意义。在整机稳定性、设备加工效率和不同规格管片钢筋笼加工的通用性等方面需进一步深入研究，并努力解决外箍筋和预埋件自动安装等问题，加快设备的推广和应用。

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