钢壳混凝土沉管管节智能浇筑技术应用实践

嵇廷，张文森，陈志军

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230;2.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510290）

0 引言

我国自20世纪90年代开始采用沉管隧道技术，目前已建或在建的沉管隧道工程中仅深圳至中山跨江通道（简称“深中通道”）海底隧道采用钢壳混凝土沉管结构形式[1]。钢壳混凝土沉管是一种重要的沉管结构形式，采用钢壳外包于混凝土的内外表面[2]，也称为“三明治结构”[3]，并在结构体内采用自密实混凝土填充。世界上已建成的钢壳混凝土沉管隧道，管节预制工序很长一段时间都占用在关键路径上，原因之一是需要进行高流动性混凝土质量控制，每个90～100 m长的钢壳混凝土管节预制时间约需要17个月[4]，未见采用智能浇筑技术相关报告。在国内关于钢壳自密实混凝土沉管预制的研究和应用较少，仅港珠澳大桥工程沉管隧道最终接头采用钢壳混凝土结构，总混凝土方量约1280 m3，大部分采用免振捣混凝土，采用常规的混凝土拖泵+泵管输送布料方式进行施工[5]。为保障深中通道海底沉管隧道全过程高质量建设，提出了“标准化、工业化、装配化、智能化、精细化”建设理念[6]。

深中通道管节数量多、混凝土体量大、工期紧，依靠传统的施工方法和设备难以达到预期目标。预制关键在钢壳自密实混凝土浇筑，自密实混凝土具有高流动、免振捣的优点，但是自密实混凝土对原材料、施工环境条件、设备、参数和施工时间等敏感性更强，施工质量控制难度更大。正亦如此，对深中通道沉管提出了智能浇筑的应用需求。

1 工程概况

深中通道沉管隧道是世界上最宽的超长海底沉管隧道工程，是国内首次采用钢壳混凝土沉管隧道方案，工程设计使用年限为100 a，沉管段长5035 m，由32个管节和1个最终接头组成，其中22个管节在桂山岛沉管预制场浇筑。预制场设置生活区、办公区和生产区，生产区又分为卸驳码头、卸驳区、搅拌站及堆场、浇筑（厂房）区、浅坞区、深坞区和坞口区，预制场平面布置如图1所示。总体工艺流程：钢壳沉管整体上岸，纵移到浇筑区进行自密实混凝土浇筑，浇筑完成后的管节整体纵移至浅坞区进行一次舾装，再进行灌水横移至深坞区进行二次舾装，最后运抵隧址附近进行安装。其中，标准管节长165 m，其横断面尺寸为46 m×10.6 m。标准管节划分为2255个独立仓格，方量在3.4～23.7 m3不等。标准管节钢壳重12000 t，自密实混凝土方量约29000 m3，预制完成后管节重约80000 t。

图1 预制场平面布置示意图Fig.1 Plan layout of prefabrication yard

2 智能浇筑体系架构

智能工厂不仅要在生产过程实现自动化、透明化、可视化、精益化，而且要在产品检测、质量检验和分析、生产物流等环节与生产过程实现闭环集成。钢壳混凝土管节浇筑作业主要工序有自密实混凝土生产、运输、检测和浇筑，钢壳混凝土沉管智能浇筑体系架构主要分为设备端、数据采集端、智能控制端、网络通信端和用户展示端，实现全过程的智能化生产。智能浇筑体系如图2所示。

图2 自密实混凝土智能浇筑体系示意图Fig.2 Sketch map of intelligent casting system of self-compacting concrete

设备端主要包括搅拌站、搅拌车、智能浇筑装备和泵送设备及泵送管道等；数据采集端主要是通过多种传感器把现场作业数据实时传送至管理系统，主要包括搅拌站数据、浇筑机数据、拖泵数据、液位仪数据、搅拌车数据以及辅助视频监控系统等；智能控制端包括各类监控系统软硬件，主要有搅拌站操作系统、浇筑工控系统、搅拌车监控系统、视频监控系统等；网络通信端涵盖全过程的数据传送和通讯，包括内部网络通信和对外网络通信；展示客户端针对不同用户指定不同的展示需求，根据需求展示浇筑全过程的动态施工数据；涉及到诸多施工人员，包括搅拌站操作人员、搅拌站试验专业人员、搅拌车司机，拖泵操作人员、卸料工人、混凝土性能检测人员、浇筑机操作人员、管理人员、调度员及其他辅助工种等。

3 智能浇筑体系建立

3.1 智能浇筑装备研发

传统的土木行业的产品复杂多样，钢壳混凝土浇筑在国内和国际上也未采用工业机器人以及智能装备的先例，本项目进行了针对性地研发。根据前期研究成果[7]，钢壳自密实混凝土浇筑需精确控制浇筑速度、下落高度和停止时机，混凝土液面距离顶板20 cm之前，浇筑速度30 m3/h左右，仓格浇筑接近完成时，需适当地降低浇筑速度，如表1所示。

表1 浇筑速度表Table 1 Casting speed

研发首例智能浇筑装备，见图3，实现的浇筑功能有：1）智能浇筑参数控制，浇筑机与拖泵联动，利用无线模块实现双向信息互通，实现一键浇筑的功能，根据自密实混凝土液面反馈回来的信息及时精准调整浇筑速度、下落高度，浇筑完成后自动停止作业，待工位作业结束后还可自动行走到下一工位；2）自动寻孔，智能浇筑顺序集成通过浇筑顺序导入及三点示教确认后，经过内网传输给智能浇筑设备进行智能浇筑，在自动寻孔的任务界面上，实时显示每个仓格的浇筑顺序。在一个仓格浇筑结束后自动寻址到下一个预设的仓格；3）实时监控功能，封闭空间浇筑过程可视化、施工参数数字化，将数据实时反馈回中控电脑，同时具备辅助功能如行走、定位、报表功能，将液位高度、浇筑高度、浇筑速度、浇筑时间、已浇筑方量、待浇筑方量等反馈至智能浇筑系统，并根据管节模型内的数据包括仓格方量、尺寸、仓格编号等形成演示二维动画，能根据浇筑高度实时编号，生成下落高度、浇筑速度曲线，将所有关键参数实时显示在界面中；4）预警功能，包括自身设备作业安全预警以及施工参数异常的预警。设有电子围栏，可以防止臂架碰撞到周边物体，当浇筑机距离障碍物过近时可自动触发急停装置并发出报警信号。

图3 智能浇筑装备Fig.3 The intelligent casting equipment

3.2 搅拌站升级改造

为适应智慧工厂建设需求，搅拌站进行了硬件和信息化建设升级，实现全过程数字化，对原材料、配合比、称量数据及混凝土质量等方面进行全过程监控。为保障混凝土的生产精准，生产前专业人员会对原材进行检测及混凝土试配工作，决定当班的生产配合比，只有精准地按照配合比的要求进行拌和才能保障混凝土质量稳定可控。系统对拌合站每一盘混合料生产数据实时采集，混凝土原材一旦超标，实时信息将发送给现场管理人员，有助于及时采取针对性措施。

系统集成采集了混凝土的生产信息、完成情况、温度监测、库存情况等信息，实现拌合站操作系统与生产系统的数据互通，加强混凝土生产过程控制。通过混凝土全过程监控管理系统，实现“事前预控、事中监控、事后提升”全过程管控。

3.3 混凝土智能检测设备研发

自密实混凝土生产后经历2次检测，分别在出机后和入仓前，共需检测7个指标，其中坍落扩展度是最核心指标，一般采用人工检测钢尺测量。研发的智能混凝土检测设备见图4，混凝土扩展度识别系统采用摄像头拍摄试验过程，利用人工智能识别模型来检测自密实混凝土工作性能，同时及时传送检测结果，实现数据的及时分享及记录，减少人因误差，提高检测精度和信息传递时效性。

图4 混凝土扩展度智能检测系统Fig.4 Intelligent testing system of concrete extensibility

3.4 调度系统开发

调度系统开发是基于自密实混凝土浇筑过程中每天繁杂的调度信息工作量，因为现场场地较大、设备多且连续作业，自密实混凝土理论浇筑速度为60 m3/h，意味着调度员要进行约6～12次/h频率调度工作，而且要合理调配，还需要实时掌握现场12台罐车、4座搅拌站、6套浇筑机和拖泵的实时信息，信息接受、交互和处理工作量巨大，工作内容单一且枯燥，对调度员的能力和体力都是严峻考验。

调度系统开发目的是形成一套监控管理平台，将各个功能统一分类，将已有的相关管理平台数据汇集整理，实现统筹调度。调度系统集成主要内容包括：1）构建预制厂地图模型，通过有效的定位手段，显示主要设备位置及状态的变化；2）通过与其他供应商系统的数据集成，在监控示意图中图形化展示包含浇筑机、搅拌站生产信息、拖泵、搅拌车辆位置及出车时间等实时数据，为实时调度提供直观参考。

3.5 5G网络建设

项目新建了5G基站，利用其低时延的特点，与公网业务完全隔离，传输链路不经过运营商核心网，距离更短，有效降低时延，保障数据不出园区，大幅提升网络安全。MEC边缘节点下沉至企业内部，具有本地服务、本地计算的特点，同时终端、基站、MEC之间和LTE系统的安全机制相同。终端和MEC双向认证，确保安全性。解决现有网络安全性低、容量低以及以太网移动性差的难题。MEC部署在企业机房，作为网络边缘计算平台，将智能中控大厅系统整体上MEC云，构建云端的统一数据平台。

4 智能浇筑的成效

基于智能浇筑技术，深中通道钢壳混凝土沉管浇筑主要取得了以下成效：

1）有效地提高了浇筑质量。钢壳混凝土沉管预制完成后，采用冲击映像法和中子法相结合的检测方式进行检测，已浇筑完成的E1～E12管节，共约36万m3自密实混凝土，约27060个仓格，检测出超过脱空标准需要补强的测点为2个，占比不到万分之一，质量保障率达到99.99%。

2）极大地提高了工效。深中通道沉管浇筑中首次采用智能化设备和系统，极大地提高了施工工效，浇筑作业工效稳定在28～32 d/节，管节预制工效约45 d/节，使得自密实混凝土浇筑作业已不是工期控制关键因素。

3）节省了现场操作人员。采用钢壳自密实混凝土智能浇筑装备，节省操作工人约40%，减少现场管理人员约20%，极大降低了人员的工作强度，提升了工作效率；

4）降低了废料率。钢壳混凝土沉管全过程管控信息系统应用后，提升了自密实混凝土品质，提高了浇筑效率和质量，降低了废料率，因为混凝土生产和调度原因造成的混凝土损耗减少了约57%。

5 结语

本文通过深中通道沉管智慧工厂建设实践，遵循以需求为导向的原则，服务一线生产管理人员，切实利用信息化手段辅助施工、智能装备替代或部分替代繁杂的人工操作。将原混凝土浇筑的人工和半自动化控制提升为智能化设备和系统进行自动监测和控制，有效地降低人工干预可能引起的施工偏差，提高了施工质量。智能装备的使用也提高了整个施工工效，精准地控制降低了混凝土的损耗。提高了工效和质量，从而加快了工作流程运转速度，便于现场控制、统计、分析，提升项目管理水平，取得较好的经济效益，具有较高的社会效益和推广应用价值。建设过程中经验总结如下：

1）钢壳沉管预制在国内属于首例，预制智慧工场建设没有先例，需结合项目特点和需求进行开发；

2）需加强智慧工厂总体建设规划，各系统的建立相对较为独立，系统之间贯通工作量和难度较大；

3）智能设备和监测元器件的大量使用，减少了人工、提高了工效，但也增加了后续的维护工作量，应尽量采用自动监测元器件，保证足够的维护资源；

4）智慧工厂内部以及对外传送数据信息量较大且频繁，需要同步考虑网络建设的稳定和网络风险。