盾构隧道管片智能化生产技术现状与展望

摘要 ： 通过查阅相关文献和现场调查,对当前国内外盾构隧道管片智能化生产的相关技术现状进行调查和分析，阐述盾构隧道管片生产流程信息化的关键内涵和当前的不足之处，系统总结生产主循环、钢筋加工与混凝土制备、管片与模具测量等方面的智能化关键技术,指出相关技术的发展需求和方向。根据盾构隧道管片智能化生产技术现状，指出应用和推广预制管片智能化生产线存在的难点，提出建立标准化的智能生产体系、建立数据库、构建数据端—生产端—施工端一体化生产循环体系的建议。

引言

在国家积极推动信息化和工业化深度融合的背景下，建筑工业化与智能建造成为土木工程行业转型升级的重要方向，由劳动密集型为主的现场作业方式转变为高科技、低消耗、低污染的智能建造作业方式，是当下土木工程发展的主要趋势[1]。一般而言，智能建造的内涵至少包含土木工程建造过程的信息化和自动化。对于预制构件的生产制造而言，本文将生产环节的信息化和自动化作为构件生产智能化的基本内涵。

随着我国大力推行区域协调发展、综合交通运输一体化融合发展等政策，基础设施建设步入高速发展阶段。在公路、铁路、地下空间的建设中，经常需要建造大型隧道、涵洞等，其中，盾构施工法在我国隧道建造中的应用越来越广泛。盾构隧道由预制管片逐一拼接而成，作为盾构隧道永久支护结构的基本单元，预制管片的生产效率和成型质量直接影响着隧道工程的建设工期、质量和服役寿命等[2-3]。盾构管片体积和质量较大，成型精度要求高，对生产设备和工艺水平的要求高，传统的管片生产依靠大量人工，投入大,管理和运行成本高[4-5]。近年来，盾构隧道管片生产技术发展迅速，智能化的生产设备和工艺有助于提高管片产量和质量，提高生产效率，减少人工依赖，进而提高盾构隧道的工程质量和服役寿命[6]；同时，能够节约管片模具数量，降低生产成本，一定程度上提升经济效益[7]。

目前，尚未见国外关于盾构隧道管片智能化生产系统化研究的文献，国内少数学者和工程师进行了系统研究和实践。胡云发等[8]介绍了大盾构隧道混凝土管片生产信息化技术的应用。曾光辉[9]分析了生产节拍、温湿度控制、蒸养时间等生产参数及设备的流转原理，开发了一套适用于管片生产的智能控制系统。

蔡清程[10]介绍了“物联网”和自动温控系统相结合的管片预制智能化控制技术。周国超[11]分析了自动流水线管片预制的特点和优势，强调了信息化技术的意义。由此可见，目前对于盾构隧道管片智能化生产的认识普遍还处在信息化阶段，对整个系统和各个环节工艺的自动化和智能化认识与理解还不足。

本文通过文献调研、国内大型预制管片生产企业实地调查的方式，总结和分析目前预制管片生产智能化的相关关键技术和方法，指出存在的难点，提出建立标准化的智能生产体系、建立数据库、构建数据端—生产端—施工端一体化生产循环体系的建议，以期为构建更加完善的预制管片智能化工厂体系提供借鉴。

1   预制管片生产流程信息化

目前，预制管片流水生产线多基于模具流转循环，结合混凝土制备和钢筋笼制作等环节，完成预制管片的生产，预制管片生产工艺流程如图1所示。国内外许多预制盾构管片构件厂针对大部分工序进行了数据集成、感知与交互升级,实现了生产循环的全过程实时监控[12-13]，构建起生产线、数据、网络传输、管理终端一体化的信息化管理系统[14]，提升了管片的生产和信息传递共享效率[15]。预制管片工厂一般基于PLC控制系统，集成电源、CPU处理器、储存器和输入输出端口组件，通过预设程序、数据采集、数据处理、反馈调节等步骤，实现生产线的最优生产、实时监控、异常问题报警处理等功能。

1.1　生产计划制定

生产前需要综合考虑施工需求、施工顺序、管片型号、计划产量、材料供应、存储场地、工人数量和设备运转状态等各方面的因素，综合制定生产计划。生产前的准备环节一般需要人工根据经验决策，管理人员可将其输入中央控制系统，系统应用智能算法，如鲸鱼优化算法、时间Petri网等[16-18]，根据生产计划自动进行排产，可以根据需求数据自动生成最优的生产顺序、生产路径、材料配置和人工调度方案等，实现最优库存，提高生产效益。

1.2　数据 采集和载体

将各个环节的生产活动数据化，进行监督和调控，对于预制管片的高质量生产至关重要。利用RFID技术、二维码技术、图像识别技术、生物识别技术等，将条形码或文字标识、传感芯片等附在加工设备或管片上，对数据信息进行识别和采集[19]，使各生产环节的参数和状态可视、可编辑，再集合至中控系统进行处理和决策。中交第三航务工程局在管片生产线中采用RFID电子标签射频技术[19]，通过无线射频的方式进行非接触双向数据通信，在RFID卡内建档，监控从钢筋绑扎至管片出厂过程中的生产信息。德国VMT公司采用条形码作为预制管片的ID标识，采集和监控从模具、钢筋笼到成型构件的所有信息，汇总到ID中，形成专门的生产文档；同时，通过手持扫描仪辅助，在相应的工作环节中可以给出指示,提升工作质量[20]。日本横滨湘南道路工程施工中采用了OCR图像识别技术(如图2所示)[21]，关联管片成型、堆放地点、拼装顺序等信息，实现施工进展和管片库存状态的信息共享。

1.3调度与储存

工厂中管片的流转是一个复杂的动态过程。许多工厂为了提高空间利用率和设备运行效率，采用智能仓储、智能调度系统制定调度与储存的最优方案[22-24]。盾构管片智能调度系统根据管片生产信息和储存空间寻找最优调度方案,通过配备传感器和控制元件的吊装设备进行运输作业。德国VMT公司[20]使用大型龙门吊车将指定的管片从预制构件场区转移至运输车上并运输到盾构作业区，减少了储存环节，提升了管片预制和施工一体化作业水平。堆场与施工区域间的管片运输示意如图3所示。

1.4　发展分析

目前，我国一些具有一定管片预制规模的生产厂商建立了管片生产管理的信息化系统，以适应当下智能制造、智能建造等发展趋势。常见的预制管片厂信息化系统主要包含设备运转、人员、管片流转和储存等信息，对预制管片生产和管理起到一定的提升作用。随着传感技术的发展，这些系统在数据采集和载体方面应用较好，形成了较多的生产过程数据。然而，如何采取智能化方法处理、分析和利用这些数据,提升生产计划制定、调度与储存等环节的效率，进而提高预制管片的生产效能，目前还未有成熟的办法，有待进一步研究和实践。

2　预制管片生产主循环智能化关键技术

早期的预制管片生产一般采用“模具固定、工序转换”的模式，如今主流管片生产企业多采用“模具移动、工序固定”的模式实现流水线生产，相关的智能化技术也多基于后者而发展。管片模具是预制管片生产的核心部件，模具流转成为生产主循环的核心。

2.1　清理模具、喷脱模剂

流水化生产主循环一般从清理模具开始，传统的人工方式采用铲刀、钢丝球、拖布等工具清理，随后人工喷刷脱模剂。中铁十四局房桥公司智能化生产线采用5~7轴机械臂，装载自动高压水枪、气枪、刷头、吸尘等设备，自动识别流水线上模具的位置及型号，通过预设清理程序来判断清理位置、路径、强度等信息，并进行清理、吸尘和喷涂脱模剂。自动清模和喷涂机械臂如图4所示[25]。

2.2　模板拼合、脱模

传统生产线工人通过紧固或放松模具上的螺栓实现模具的合模或拆模，可能产生螺栓紧固不到位影响成型尺寸、螺栓损坏无法拆模等问题。人工拆模时经常还需用大锤锤击，使钢模震动以便管片顺利脱出，对模具影响较大。智能化生产线中的合模、拆模、盖板过程由自动化机械实现模板的开合与松紧，例如：德国CPTechnology公司[26]利用电机、油缸、气缸供能,驱动模具上的液压设备，使合模、拆模过程更加稳定可靠，消除了人工加固可能导致的转矩不足、丝杠打滑等安全隐患，作业效率更高，模具周转次数更多。

2.3　混凝土振捣

对于预制管片的混凝土振捣，传统的施工方式是人工手持插入式振捣棒进行振捣，受人工操作水平、素质、责任心等影响较大[27]，欠振可能造成气泡无法排出，过振可能造成钢筋笼损伤或混凝土离析[28]。目前，许多预制工厂采用振动台整体振动法[29]，将浇筑与振捣工艺集成，模具位于振动平台上进行浇筑，边浇筑边振捣，在振捣前后,通过自动插拔管装置控制接通和断开压缩空气管，实现振捣全过程的自动化。与此同时，智能化控制系统可针对不同强度、体积的混凝土调节振幅、频率和时间，混凝土内气泡在整体震动的影响下向上排出，振捣效果更加均匀、混凝土表面更加平整，有助于提高施工效率。

2.4　抹面收光

预制管片外弧面基本通过人工使用刮板、打磨盘等手持工具进行打磨收光，完全依赖人工。目前，国内已有部分企业研发和应用了自动化抹面装置，其采用紧贴模具外弧边缘的自动刮板刮平表面浆液,再使用机械臂装配叶片圆盘、抛光机等设备进行打磨收光，并由智能化系统控制打磨范围、角度、速度、次数等参数，成型的外弧面平整度和弧度精度高，一致性好[30-31]。

2.5　蒸汽养护和标准养护

传统预制管片生产线在养护环节往往采用人工的方式观察温度、湿度等参数,通过调节空调、加湿器等方式控制养护室温、湿度，时效性低，管片表面易产生裂纹[33]。目前，许多预制工厂采用了智能化养护系统，通过温、湿度传感器实时反馈养护室内的环境参数，并连通升温降温、加湿祛湿设备，其主要的控制设备如养护窑门、蒸汽阀门、降温阀门，温差管理具备全自动控制功能，智能蒸养控制系统架构如图6所示[34-36]。该系统对温湿度的记录可以为管理者提供数据参考，了解管片养护历史状态。与人工调节方式相比，智能温湿度调节更加灵活、可靠[37]。经过智能蒸养系统生产的管片能源利用效率更高，有助于减少碳排放，生产出的管片表面裂缝也有所减少[38]。

2.6　管片吊装

预制管片的抓取吊装设备一般由桥式起重机和抓臂组成，主要有真空吸盘式(如图7所示)和抓斗式2种。真空吸盘式抓取机可将管片从模具中直接吸出，一般用于管片刚刚脱模后的短距离运输。夹具式提升机通过夹持方式提升管片，由于正在生产的管片强度不高，可能会对管片造成一定的损坏，所以夹具式提升机一般用于已脱模的成型管片在预制厂内或室外的长距离运输。

预制管片一般采用内弧面朝上的方式进行储存或运输，而生产时模具中的管片外弧面朝上，因此脱模后需要进行管片翻转。传统的翻转方式是将管片吊运至固定于地面上的翻转机上进行翻转。国外预制工厂研发出了抓取、吊装和翻转一体的机器设备，可以实现管片空中翻转，生产效率大大提高。例如：德国CPTechnology公司[26]研发的管片空中翻转机，从两侧夹持管片内外弧面，以纵向为轴空中翻转180°；法国ACIMEX公司[39]采用真空吸盘从外弧面抓取管片，以横向为轴空中翻转180°，如图8所示。

2.7　发展分析

针对目前预制管片的生产工艺而言，预制管片生产主循环的主要环节基本固定，其智能化的主要目标在于实现设备的自动化，从而达到生产环节的少人化乃至无人化。其中，混凝土振捣、养护环节通过传感技术和机械控制技术集成，针对不同配比混凝土进行关键参数设置，在技术上已经达到了自动化振捣和智能养护的目标。然而，由于管片规格和相关预埋件参数的变化，其他环节的自动化工艺和设备还不够成熟，对不同管片的适应性还不足。因此，发展具有较高适用性和可变性的预制管片生产主循环关键环节自动化工艺和设备，将成为智能化生产预制管片技术的研发重点。

3　钢筋加工与混凝土制备

预制管片最主要的材料是钢筋和混凝土，钢筋加工和混凝土制备往往作为附属生产环节集成在流水生产线中，智能化管片生产线需要更高的钢筋与混凝土供应配合度，避免材料供应和生产装配节奏不匹配导致的长时间等待或工作流混乱[40]。在预制管片生产线智能化升级的背景下，预制管片钢筋加工和混凝土制备呈现出新的特点。

3.1　钢筋笼加工

对于预制管片钢筋笼的加工，目前国内外已有钢筋自动加工生产线、钢材加工机器人等，可根据管片生产线的需求生产钢筋笼。与传统的人工作业相比，自动加工作业质量和安全性更高，在大批量标准化生产时能够实现经济性提升[41-43]。

建科机械(天津)股份有限公司研发的智能化盾构管片钢筋生产线，能够集钢筋剪切、网片成型、钢筋笼焊接等功能于一体，大大减少了工人的工作量。意大利ProgressMaschinen&Automation公司根据不同的设计图纸和模型，利用控制系统和加工机械进行钢筋机械化整流、切割、弯折、焊接等，实现盾构管片钢筋笼的流水线式生产，智能化钢筋生产线如图9所示[44]。

首先，根据钢筋笼设计图纸进行钢筋放样，拆解为外弧面网格、内弧面网格、侧面网格、箍筋；然后，使用钢筋调直机、切割机等将钢筋切成对应小段，通过焊接机组合成符合设计要求的盾构管片钢筋笼；最后，吊运至预制盾构管片模具中进行后续生产。

3.2　混凝土制备

在预制管片智能化生产线上，根据生产节拍制定混凝土供应计划，对生产线上各型号管片的浇筑工作进行合理安排，信息化管理覆盖混凝土生产和物流层面，各级管理者能实时掌握混凝土生产的上下游物流信息以及生产状态，混凝土生产节拍更为协调，生产能源消耗大大降低[45]，模具和材料利用率更高，同时可防止因混凝土供应不足造成的生产线运转受滞甚至停工。

目前，国内外预制管片工厂中往往自建混凝土搅拌站，混凝土运输系统一般由料斗、轨道、控制系统等附加设备组成,自动化程度高。根据每日混凝土浇筑计划，智能化调配系统控制装载混凝土的轨道式料斗移动至模具处浇筑，空料斗经自动清洗浇筑仓后进入下一工作循环。自动化混凝土运输装置如图10所示。

3.3　发展分析

由于预制管片的钢筋通常规格大、型号多，且钢筋受力和不受力状态下的焊接点位具有差异,相对于装配式建筑，预制管片钢筋笼加工需要更大的动力、精度控制能力以及自适应、自调整能力，难度较大。因此，虽然已有众多厂商进行了相关研发，但是技术成熟且成本相对可接纳的预制管片钢筋笼自动化加工设备仍然需要进一步研发。总体而言,混凝土材料的自动化制备技术相对较为成熟，但需进一步提升辅助设备的自动化程度，如运输、清洗装置等。

4　自动化测量技术

4.1　现状

随着超大直径盾构隧道的发展，预制管片生产精度要求越来越高。现阶段主要按照规范采用钢尺和较大的游标卡尺对管片进行测量，模具主要通过靠具、内径千分尺等工具进行测量,速度慢、难度大、精度难以保证。相比之下，采用自动检测设备进行质量检查更加快捷、准确，高精度的数字化检验技术比人工检验更加客观、细致、高效[46]。

为了提高模具制造以及使用过程中的精度控制，常用激光跟踪测量系统(lasertrackersystem)进行验收或者抽检，其是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器,可对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。实际测量过程中，需要专业人士进行操作，耗时长、费用高、效率低，,当前还不能作为经常性检测手段。

中铁十四局房桥公司基于固定靶点技术的校准系统，设计适用于盾构隧道管片或模具的最优扫描路径，其采用龙门架，通过工业机器人搭载三维激光扫描仪，对空模具或成型管片进行扫描(如图11(a)所示)，收集管片点云数据并传输至计算机软件(如GeomagicDesign等)进行逆建模；然后，将受检构件与原设计图纸模型进行拟合比较，进行损伤鉴定与差异区域提取，计算得出损伤的形状、轮廓、损伤体积及损伤程度，输出构件损伤可视化模型(如图11(b)所示)，自动识别出管片表面的裂缝、边角破损、尺寸偏差等[47]。质检后生成可视化的损伤情况，再根据损伤大小进行质量分级。对于较小损伤管片可进行表面修补，对于质量缺陷较大的管片，将触发不合格品警报，产品脱出生产线并作废处理。

4.2　发展分析

随着盾构隧道直径的不断增大，对预制管片的精度要求越来越高，测量和检验的环节也越来越多。智能建造相关技术发展中，重要的环节在于利用现代先进的测量技术进行工程结构的检测和监测。因此，预制管片的自动化测量技术具有较高的应用前景。然而，目前的先进测量技术与预制管片的特点和精度要求还不能完全匹配，研发适应预制管片生产环境和测量要求的自动化测量技术，将是预制管片智能化生产技术发展的重点之一。

5　技术难点

目前，国际上技术水平较高的预制盾构管片工厂中，对于灵活度、精度要求较高的复杂工序环节，如设备操控、钢筋笼绑扎等，仍需要人工配合完成，因此，存在生产效率、质量、安全问题[48]。智能化预制管片生产线的发展受到多种条件制约，目前上下游产业尚不成熟，还未形成完整的产业链条，智能化预制管片生产线的应用和推广仍存在着许多问题。

5.1　设备精确度低

由于智能化生产系统中所有工序都依赖于轨道及自动化设备运行，设备精确度将直接影响各个生产环节，如模板清理、钢筋笼下放定位、收光抹面等工序；图像识别设备精确度也将直接影响模型的精确度以及成型质量。由于管片成型精度要求较高，如裂缝最大宽度误差要求为0.01mm，虽然目前较为先进的三维激光扫描技术设备可达到0.01mm的精确度，但对于超大直径的预制管片来说，随机误差和设备性能误差较大,扫描过程中也有很多扰动因素[49-50]，并且工程现场环境差，会产生如扫描角度受限、对比度较低、空气粉尘影响光线反射等多方面的问题，这些都将导致管片扫描检测的难度较高[51]，因此提高设备精度是保证智能化生产线生产质量和效率的关键。

5.2　设备型号多

由于不同隧道工程中管径、厚度、材质设计情况不同，且同一环内的管片分为标准块和邻接块，因此盾构管片有很多型号规格，对于预制管片生产来说需要配备不同的模具。在智能化生产线中，对于不同的管片型号，需要进行单独的系统设计，每个环节的操作时间以及机械臂行程等均需要根据管片型号进行预设和调整，若涉及到设备改造，将会产生较大成本。因此，智能化生产线对于不同预制管片型号的适应性需进一步提升。

5.3　投入成本高

预制管片生产线所需的智能化设备及关键技术研发成本较高，进行智能化生产线研究或实际项目应用多为大型企业进行的创新尝试，并未形成较为完整的产业结构和市场红利。因此，经济实力较弱的厂商或施工单位很难采用智能化生产线进行生产，智能化生产线的推广较为困难。

6　总结与建议

智能化盾构隧道管片生产技术对于大型隧道工程的发展至关重要，目前我国相关理论研究和技术正逐步进行。总体而言，生产流程信息化是盾构隧道管片智能化生产线成立的基础，对整个系统的运行起到决定性作用；各生产环节的自动化和智能化生产工艺和设备是管片生产线智能化水平的体现，也是提高生产效率和管片质量的关键。现阶段,对于管片模具循环的主生产流程，其各个关键环节的智能化水平，特别是自执行水平，仍需要大幅提高；基于激光高精度测量技术的管片自动化检测设备仍需要结合管片生产特点进一步研发,以提高其适用性。

面对目前盾构隧道管片智能化生产线存在的设备精度低、设备型号多、投入成本高等问题，可从以下3个方面进一步推进。

1)建立标准化生产体系。 预制管片设计尺寸的标准化整合，不仅能够推动智能化应用的发展,还能够提升盾构使用效率。同时,预制管片生产线中的信息化系统、自动化设备等构成部分的标准化，将有利于将生产成本分摊进而降低生产成本。

2)建立数据库。 通过建立管片生产的信息化系统数据族库，将生产参数、管片信息、模型数据等汇集形成企业甚至行业族库。通过族库数据分析能够进行生产前规划设计、生产中及时纠偏，同类工程、同种管片的生产管理工作量和成本将大幅减少，对于企业管理和整个行业的发展，都能够起到推动作用。

3)上下游协同发展。 管片生产环节的智能化应用应考虑上游的生产需求、原材料供应和下游的施工追踪、隧道运维等环节，形成智能一体化系统，高效率进行生产协调和预警。一体化的智能化生产体系应包含数据端、生产端、施工端。数据端由企业管理平台和数据库组成，为项目运行和企业决策提供数据支持。生产端主要收集项目生产状态信息，并进行控制和监督，同时将生产端信息反馈给企业管理平台和施工端。施工端与生产端则紧密结合，根据施工状态及时调整管片生产计划，通过智能化系统实时协调反馈，提高管片生产和盾构施工的配合度。