随着地下综合管廊建设的全面展开, 管廊内缆线支架工程量大, 支架加工、安装面临加工场地不足、电力不足、产生大量有毒有害气体等因素, 影响现场施工进度、作业人员身体健康。本文以十堰市地下综合管廊PPP项目为例, 介绍地下综合管廊附属设施支架智能安装技术。

十堰市是全国首批城市地下综合管廊试点城市之一, 项目建设内容包括新建综合管廊共55.4km, 其中干线管廊21段, 主要缆沟5段, 同步建设2个控制中心。入廊管线包括给水、雨水、污水、中水、电力、通信、广播电视、燃气、热力、真空垃圾管、直饮水11类。管廊内使用的支架主要是为廊内电力电缆、电信电缆、附属设施自用缆线、直饮水等缆线和管道提供支撑, 项目使用支架形式包含3层、6层、7层、8层支架, 支架总计17.6万套 (见图1) 。

管廊内支架安装重难点包含以下5点。

现场施工峰值期间支架需用量可达4万套, 施工现场加工区域狭长, 作业区域分散, 如何统筹规划保证现场支架供应, 保证支架安装进度和质量, 严重影响工程履约。

地下管廊内环境潮湿, 选用何种防腐措施保证支架防腐性能, 延长支架使用寿命, 这影响后期运维成本, 深受业主和后期市政管线单位关注。

支架安装过程中支架固定时产生粉尘、焊接时产生有害气体, 极大地损害作业人员健康及影响周围环境, 饱受各方诟病。采取措施或者选择无害化施工方式, 保证现场作业人员健康, 同时降低作业对环境的影响是支架绿色施工变革中须首要解决的问题。

管廊内存在不同坡度, 如何保证支架安装顺应廊体坡度, 安装整齐美观, 是支架安装过程中很难控制但必须要确保的问题。

管廊内支架主要是预留给市政入廊管线单位安装使用, 而后期入廊管线需求未明确, 支架层间距需根据后期管线情况进行预留、调整。如何在施工过程中优化支架结构, 确保已安装支架满足后期多变的层间距需求, 支架层间距可调这一需求是管廊内支架施工必须解决的问题。

①为保证连接处受力可靠, 竖向立柱卷边内侧须有连续的三角形齿牙通过螺栓与托臂机械连接, 并能上、下任意距离调节;现场安装不得进行焊接作业, 避免产生火灾隐患。②支架系统及其配件采用热镀锌, 镀锌层厚度满足GB/T13912—2002《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层》要求。③固定支架系统须采用适应混凝土开裂区的螺栓, 同时需具备抗冲击性能、抗疲劳性能和3h防火时效。④深化设计结构安全分项系数为1.4, 横杆挠度不超过横杆跨度的1/200。

根据设计院电缆支架要求, 最终确定支架形式为:①支架材质采用国内大型钢铁企业生产的3mm厚Q235B冷轧钢材, 支架防腐采用热浸锌防腐, 锌层厚度为80μm;②支架安装方式为明装锚固, 包含整套热浸锌安装构件, 支架构件间采用机械连接, 无须焊接;③竖向立柱卷边内侧须有连续的三角形齿牙通过螺栓与托臂机械连接, 齿牙深度≥0.9mm, 并能上、下任意调节层间距离;④支架横担采用 41×52 (10kV电缆采用) 与41×62型带齿带筋冲孔C型钢 (弱电和110/220kV电缆使用) , 支架立杆采用41×72带齿带筋冲孔C型钢, 固定件采用72型槽钢扣件, 固定螺栓采用M12×160热浸锌化学螺栓;⑤支架立杆长度按照管廊断面图层间距, 在最上层和最下层横担的基础上伸出150mm。

支架制作安装有2种方式, 即现场制作安装的方式和预制成品支架的方式。2种方式分析如下。

该方式是采用型钢进行加工, 连接方式为焊接和预钻孔, 支架安装完成后很难再做调节。支架的防腐做法均在支架上涂以油漆进行防腐、防锈处理, 后期 (3年后) 维护工作量大, 且费时、费力、费材、费人工。施工过程也会受较多因素的影响, 如施工量大、加工场地不足、电力不足等原因致使误工误期。在施工过程中会产生很多诸如油漆、电焊、气割、紫外光等对人体有害的粉尘、异味及气体, 对安装人员及周围人员的健康有很大危害。

预制成品支架是由专业化生产设备直接加工, 生产出定型槽钢以及各种连接件, 交由专业镀锌厂专业镀锌, 涂层厚度可达65μm以上, 加工标准精确, 质量整齐美观;预制成品支架无须焊接和钻孔, 省去切割机、电焊机及打磨机等大功率用电机具, 降低现场施工成本;现场为半成品或成品支架进场, 施工人员进行现场组装施工时, 只需通过不同配件的组装, 可灵活搭配成各种应生产需求的式样, 满足各种施工环境。现场主要安装工作只是拼接和螺栓固定工作, 在符合管理规范的前提下, 各施工班组可交叉作业, 大大提高工效、缩短支吊架的安装工期。

地下综合管廊项目因项目场地沿线长, 施工现场用地和用电供给困难, 廊内结构空间狭小, 若在现场采用常规型钢焊接施工, 需在施工沿线添加供电设备, 投入大量加工机具, 增加现场机具管理工作, 也增加现场危险源;现场支架除锈防腐工作对周边环境污染严重, 对作业人员的健康危害大;人工加工的支架质量难免精度控制不足, 支架加工质量无法保证。

在综合比选常规支架和成品支架的加工及安装方式后, 项目确定采用预制成品支架的安装方式进行现场施工。

十堰市地下综合管廊PPP项目附属设施安装工程施工的一个特点是工期要求紧, 电缆支架需用量大, 项目施工高峰期每月支架需用量达4万套。考虑到现场施工进度、质量控制和成本控制要求, 现场成立专用支吊架智能装配中心 (见图2) 。

支吊架智能装配中心占地1 600m², 厂内目前设置2条成品支架生产线, 生产线包含2台智能放料架、2台高性能冲床、2台数控剪板机、2台数控折弯机、2台智能定位切断机、8台自动焊接机器人等高性能数控设备, 日常单日支架加工量可达35t。生产线为智能联动系统, 智能放料架引进投料红外监控装置, 可根据所投放钢材与冲床之间距离, 控制投料速率, 防止因过快或过慢投料造成后面工序产生误差;高性能冲床配置联动控制装置, 在型材移动过程中对所打的孔进行计数, 在同批次孔洞通过后再进行后续打孔, 避免出现重叠打孔影响支架质量;在后续的折弯、咬齿、修齿、二次折弯过程中, 生产线配置保护液自动供应系统, 在每个设备构件与型材接触处喷洒保护液, 防止型材因摩擦造成高温而被氧化, 保证加工过程中的质量;在生产线最后一段, 配备跟踪切断定位装置, 原理与投料红外监控装置一致, 能够联动切割装置和型钢输送装置, 根据移动距离联动控制2台设备, 保证每次切割长度均一致, 严格控制钢材生产线加工精度, 支架加工精确度可达1mm。

焊接工序在支架加工阶段是非常关键但不好处理的工序, 一方面焊接岗位是非常不稳定的岗位, 因为焊接的强光和辐射对眼睛和身体的伤害非常大;另一方面, 支架生产存在焊接构件量大、构件小、焊缝短、焊缝要求饱满均匀、焊缝形式统一的要求。

考虑到以上因素, 装配中心引入智能型焊接机器人, 焊接机器人的主要工作便是替代焊接岗位的工人。焊接机器人工作不管是质量还是效率都会远高于人工:①保证焊接产品质量稳定, 保证各构件的焊接质量均一;②提高生产效率, 机器人可24h不间断生产, 不存在疲惫情况;③改善工人作业强度和作业环境, 焊接机器人可在有害环境下工作;④将焊接操作简化为固定和开机, 减少专业焊工投入, 降低焊接成本。

目前主要的施工方式分为C型槽暗埋施工和支架立杆明装化学螺栓固定方式, 前期项目各选取30m样板段进行实施总结。

1) 采用C型槽暗埋安装虽然避免后期安装时在墙体打孔固定化学螺栓的情况, 由于暗埋时C型槽需结构单位配合施工, 而C型槽和模板的贴合度、垂直度要求十分严格, 必须保证C型槽与模板严密贴合且垂直, 才能保证横担安装平直。暗埋过程中任何一个C型槽出问题, 都会影响支架整体使用功能, 预埋完成后想要再做调整几乎不可能 (见图3) 。

2) 采用化学螺栓明装施工, 虽然会有墙体打孔的工作内容, 但后期施工时现场易把控, 易于调节, 安装完成后效果良好 (见图4) 。

因此, 根据样板段的施工试验, 项目决定采用化学螺栓明装固定的方式进行支架安装。

投料→校平→冲孔→折弯→咬齿→修齿→二次折弯→跟踪切断→定制切割→浸锌。

定制切割→横担组装→自动焊接→横担成型→浸锌。

①原材料采用一级热轧钢板, 从源头保证质量;②冲孔前采用专业设备进行校平, 确保钢板平整, 保证孔位质量;③选用进口纵剪生产线, 产品一次成型, 同时配合伺服送料系统, 自动控制原材料移动速度, 确保冲孔间距和冲孔尺寸。

选用成套流水线, 设置34道坎, 在构件逐渐成型后, 反转扩大构件角度, 再二次成型, 避免钢材急速形变过程中造成结构损伤, 避免构件成型后的角度回弹问题。

①定制切割时应采用高强度锯片, 保证C型槽断面切割平整, 避免影响后期的焊接和浸锌工作;②定制切割配合伺服跟踪系统, 确保切割做到尺寸无偏差, 同时采用后切断, 切割时不影响设备的正常运行, 提高生产效率。

①焊接采用氩气和二氧化碳混合气体保护焊, 焊接气体气压应保持在10～15MPa;②采用气体保护实心焊丝, 焊丝材质必须根据焊接材质和厚度进行选取;③焊接作业中, 焊接电压需保持在20～21V, 焊接电流需保持在200～201A;④焊接角度要控制在45°～55°。

①浸锌前进行构件焊缝和端口处打磨处理, 保证构件平滑, 避免后期挂锌形成毛刺;②浸锌前根据构件尺寸分别进行装笼, 装笼前需保证构件之间存在间隙;③酸洗时间30～60min, 直至构件表面为灰白色方为合格, 酸洗时可用起重机吊件在池中晃动2～3次, 加快酸洗速度;④浸锌温度控制在440～460℃, 时间保持在70～120s, 保证镀锌层厚度达到国家标准。

施工准备→测量放线→打孔→化学螺栓安装→支架安装→质量检查。

根据测量放线确定立杆位置后, 将立杆放样, 画出打孔位置, 然后利用电钻进行打孔, 孔径为14mm, 打孔深度为11cm, 保证化学螺栓与结构的搭接长度。

安装支架锚栓规格为 M12×160 高强化学螺栓。将胶水注入孔内, 注入量为孔深1/2为宜, 然后将化学螺栓插入孔中, 等待胶水凝固。保证化学螺栓露出长度一致, 长度为5cm满足支架安装完毕后露出2～3个丝长。

将组合式成品支架立杆与成品马鞍件固定, 马鞍件可滑动为宜, 然后将立杆放在预先完成放线的管廊墙面上, 调整马鞍件位置与化学螺栓对齐, 安装螺栓拧紧固定。检查立杆垂直度<5‰, 如不符合进行调整。

组合式成品支架立杆完毕后进行横担组装。横担采用M12×25高强螺栓与组合式支架立杆固定牢固, 不得上、下滑移和左、右摇动。横担按图纸要求间距设置, 排布均匀, 位置误差在±0.5cm。

1) 支架应按照设计要求的受力情况进行分析和选型。

2) 支架浸锌处理的周期为4d, 现场做进度计划时要注意考虑时间。

3) 支架固定方式和安装间距应根据设计要求结合现场情况。

4) 支架安装应保证铅垂, 支架固定整齐牢固, 无歪斜现象。

5) 支架安装时应在整体调整合格后再进行固定。

作为一种智能化线缆预制支架, 由于其模块化组装方式, 安装速度是传统工艺的6～8倍, 能有效保证施工进度;无焊接、无切割的施工特点, 对现场施工人员健康和环境造成的影响可忽略不计, 即使在地下狭窄空间内安装作业也无须采取防尘、防烟、防毒及强制通风等额外的附加措施;层间距可按需进行调整, 组件可方便地进行拆改组装, 即使后期进行管线规划调整, 拆卸下的配件和槽钢均可重复使用, 对材料造成浪费极小;锌层厚度可达75μm以上, 可在潮湿环境下使用30年以上, 极大地降低后期维护费用;同时, 智能化流水加工方式保证支架成型及安装整体效果均匀、整齐、美观, 适用于地下综合管廊内市政管线支架安装施工。