地铁隧道区间机电支架打孔及安装技术研究

随着城轨建设发展，需求量不断增加，标准要求不断提高，易发生区间人工打孔效率低、质量差、安全等隧道区间打孔施工的问题。地铁隧道区间机电支架打孔及施工技术的研究，通过对智能打孔机器人及支架施工等相关技术的研究，实现了区间打孔的全自动化施工，形成了定位、打孔、清灰的流程化作业，可安全、高质、高效地完成区间作业。

1 工程概况

云南省某轨道交通4号线工程，是连接主城与呈贡西北到东南方向的辅助线。线路全长21.7 km，共设置车站13座，13个双线区间以及广卫、白龙潭停车场2个出入线，平均站间距1.67 km，全部为地下线，使隧道区间打孔及支架安装难度成倍提升。

2 地铁隧道区间智能机器人打孔技术研究

传统的区间支架打孔工作一般采用纯人工方式，人工测量打孔需多人员、多工种配合，并且需要自带施工电源。安全方面因为区间隧道空气较浑浊灰尘较多，照明情况也较差，工作环境恶劣存在安全隐患：工人长时间高空钻孔，容易因疲劳导致高空坠落摔伤事故;施工过程中当冲击钻钻头突然被卡死，会造成电锤机身旋转导致作业人员击伤事故;长时间近距离大量吸入粉尘，有可能导致职业病等。技术方面因为区间纯人工打孔速度较慢，打孔质量也参差不齐，施工效率低导致人工成本偏高。

区间支架打孔工作是区间机电安装施工的第一步，支架打孔速度的快慢直接决定支架的安装速度，进而影响区间水电管线的施工速度。支架打孔的质量好坏直接决定支架安装完成后的平整度，进而影响区间水电管线施工完成后的整体观感(图1)。

图1  传统区间人工打孔图

区间智能打孔机器人能很好地解决人工打孔的诸多弊端。首先智能打孔机器人是基于人工看护下完全自动化支架打孔设备，自带发电系统无需人工外带电源，大量取代人工，提高工作效率，理论效率可达人工的数倍，并且杜绝人工打孔导致的各种工伤事故，减少职业病。其次智能打孔机器人拥有恒定的电钻推进力度及角度稳定性，保证了孔洞的绝对孔深及孔径，使安装孔保持高度的一致性，其打孔作业标准是人工作业无法企及的，避免人工作业因疲劳等因素导致推进力度大小不一，推进角度无法保持，使孔洞外大内小等问题。然后智能打孔机器人整体伺服驱动，自带激光定位系统，移动的重复定位精度理论误差小于±5 mm,保证了标准的横向支架间距。最后智能打孔机器人自带吹灰工具，打孔完成可直接吹灰，无需单独清理。

对于地铁区间机电安装施工而言，区间打孔主要涉及2部分：一是区间给排水及消防支架打孔，打孔位置位于区间行车方向右侧，高度距离轨面0.5 m左右，支架一般为上、中、下3个孔采用M16后扩底锚栓;二是区间正常及疏散照明线管支架打孔，打孔位置位于区间行车方向左侧，高度距离轨面2.0 m左右，支架一般为上下2个孔采用M10不锈钢膨胀锚栓。

区间智能打孔机器人基本参数：设备整体高度2.7 m，总重量2 t，行驶速度0.5 m/s，外形尺寸3000 mm×1600 mm×1700 mm。区间智能打孔机器人自带发电系统，区间施工时无需额外引入外部电源。自动升降系统，打孔高度自动调节无需人工操作。自动推进系统，打完一处支架孔洞自动开始下一处，无需人工驾驶。多头同钻系统，可根据支架孔洞数量灵活调节钻头数量，多孔同钻一次成型。自智能轨道底盘系统，可以适应区间轨道各种复杂环境，上坡有力下坡平稳。

区间打孔施工前：检查智能打孔机器人的设备状况是否良好，发电系统和自动升降系统运转是否正常，钻头磨损情况是否符合要求，钻头之间间距是否符合规定，平板电脑中各项参数是否正确。区间打孔施工中：打孔过程中是否碰到钢筋，打孔高度和深度是否符合规范且保持一致，打孔横向间距是否符合要求。区间打孔施工后：打孔结束后的总体观感是否良好，孔洞内的灰尘是否清理干净。

以区间给排水及消防支架打孔为例进行介绍：

首先轨道铺完后，根据设计图纸确定水管安装高度同时确定好支架横向间距，进行放样。以轨面为基准，采用天宝机器人进行测量放样。

区间作业时采用了一种地铁建设施工用防尘、除尘工具，因为现在市场上的防尘口罩，仅具有挡尘功能，不能很好地过滤气体，而且在佩戴过程中，会产生哈气，而哈气中的水汽会粘在口罩内，使用起来，舒适感较低。一种地铁建设施工用防尘除尘工具设置有两个安插包，第一安插包内装设有活性炭粉末，施工时，通过第一安插包内活性炭粉末的作用，可以吸附空气中的有害物质，达到了过滤气体的目的，使得在佩戴口罩时，能够更好地进行防尘与除尘。第二安插包内干燥剂的作用，可以吸附哈气时产生的水汽，不会使水汽产生聚集，提高了口罩使用的舒适度。

操作人员利用手持平板中等距放线功能，天宝机器人RTS771在隧道内放线，其主机集成独立无线电功能，最大使用范围同棱镜模式最远放线距离相同为3km，可破除地下区间内无线信号传输的障碍。天宝机器人可在手持平板内设置放线高度，即便放线点位在曲面和坡度的情况下也可自动校核和调整使其保持在同一直线上，与传统人工放线相比，天宝机器人放线精度高和误差显著降低。

根据支架样式，确定底部锚栓打孔高度及锚栓间纵向距离。再根据水管支架锚栓型号选用相应钻头，根据锚栓间纵向间距调整好钻头间距。然后人工向智能打孔机器人程序中自定义打孔深度、打孔高度和打孔间距。最后人工定位区间第一个支架安装位置后打孔机器人即可正常开始区间打孔作业(图2、图3)。

图2  盾构区间给排水及消防支架机器人打孔图

图3  盾构区间动照线管支架机器人打孔图

3 地铁区间支架优化安装技术研究

传统的区间照明线管支架一般采用托架样式，立柱加三层托臂，线管放置在托臂上，通过托臂孔用卡箍固定好线管。此类区间线管支架托臂外凸影响人员行走，所以一般安装在疏散平台侧的最上方，安装位置导致放线打孔、支架安装、线管安装及穿线等均涉及高处作业，并且区间搭设的脚手架需要每日重新组装再拆除搬离区间，而且区间施工过程中时不时有运输材料的平板车和轨道车通过，严重影响施工效率。

区间疏散指示通常都是单回路，线管通过离墙卡固定在区间侧壁上，安装高度在疏散平台与扶手之间。区间正常照明及疏散照明线管也可采用这种方式，但是照明回路太多，如果采用离墙卡需要频繁打孔很不美观，车站综合支吊架上的C形钢正好可以完美解决此痛点。

区间正常照明及疏散照明配管支架选用21单拼C形钢，每隔1.2 m使用2颗M8不锈钢膨胀螺栓固定在区间侧壁上，底边安装高度距疏散平台1.25 m，然后用P形管卡将电气配管固定在C形槽钢上。水平配管之间考虑防爆盒及灯具接线的要求，配管之间净间距不小于10 cm，根据需要配管的数量来确定每根C形钢的下料长度。这种做法有诸多好处，首先是21单拼C形钢通过车站综合支吊架厂家采购，成品现货有合同无需额外招标，并且外镀锌槽钢质量有保证，区间潮湿也不会生锈，整根C形钢为6 m/根，下料切口位置涂刷防锈漆即可使用。其次21单拼C形钢易加工，通过中间切小槽可以满足不同区间不同弧度管片的适配。最后支架紧贴隧道墙壁无突出，安装高度不需高处作业，人员站在疏散平台上即可轻松施工，大幅提高了施工效率(图4)。

图4  盾构区间动照线管支架图

4 支架定位描点技术研究

区间施工各种突发因素多，难免出现交叉施工或个别部位甩项施工的情况，区间智能打孔机器人不可能长期待机。此时，我们研发了一种隧道内支架定位描点装置，在土建施工滞后部位运用，替代智能打孔机器人施工。

在隧道区间内，有强电、弱电、排水、消防等专业，这些专业在区间进行电缆、电线管安装时，需用型钢制作成成品支架，再根据设计单位出具的设计图纸内位置，进行定位安装。

目前在隧道内为支架放线定位有两种常用方式：(1)用激光放线仪进行放线定位，但在隧道内施工有显著缺点，因为隧道既有坡度又有曲度，光沿直线传播，用激光放线仪在此种空间内进行放线定位，在隧道有坡度时，标高会出现较大偏差，在隧道有曲度时，需要重新架设激光放线仪;(2)施工人员通过传统米尺进行测量定位。这两种施工方法有共同的缺点，测量偏差大，工作效率低。

支架定位描点技术适用于隧道内使用的隧道内支架定位描点装置，可在隧道这一环境下保持测量精度和工作效率。支架定位描点技术以轨面行进轮为底标高，以带刻度喷枪导轨来调整定位标高，可以解决在隧道区间有坡度及弯度的时候，传统红外放线仪无法准确定位的问题。通过设置描点模块，实现描点自动化，控制器收集信息并反馈控制，实现描点根据行进模块的移动参数进行，在确保行进模块精确操作的前提下，可以保障描点的精度。解决了现有技术中激光放线仪进行放线定位，在隧道有坡度时，标高会出现较大偏差，在隧道有曲度时，需要重新架设激光放线仪，现有的放线装置测量偏差大，工作效率低的问题，提供了一种隧道内支架定位描点装置，采用控制器统一控制行进和喷墨，解决了难题。

5 结束语

地铁隧道区间机电支架打孔及安装技术研究打破了传统施工工艺的行业壁垒，使工业机器人可以更好地服务建筑行业，解决了人工隧道区间支架打孔和安装的痛点，实现了数据化、信息化的智能作业，在盾构区间、马蹄形区间、矩形区间、道岔等地段时准确的打孔，适时修正和调整作业姿态，提高了打孔的质量和精度，提升了城市轨道交通建设中智能化打孔及支架安装作业水平。随着城市轨道交通建设蓬勃发展，我国当前的城市轨道交通工程建设规模不断扩大，地铁隧道区间机电支架打孔及安装技术拥有很好推广前景。

摘自《建筑工人》2024年4月，刘伟峰，许贵生，李建伟