住建部发布 | 智能建造典型案例（七）地铁隧道打孔机器人在徐州市城市轨道交通3号线建设项目中的应用
小编语：近日住建部发布了智能建造新技术新产品创新服务典型案例，为推广智能建造可复制经验做法，我们将陆续对其中涉及到施工安全的案例进行推送，敬请关注
住房和城乡建设部办公厅关于发布
智能建造新技术新产品创新服务
典型案例（第一批）的通知
各省、自治区住房和城乡建设厅，直辖市住房和城乡建设（管）委，北京市规划和自然资源委，新疆生产建设兵团住房和城乡建设局：
按照《住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》（建市〔2020〕60号）要求，为总结推广智能建造可复制经验做法，指导各地住房和城乡建设主管部门和企业全面了解、科学选用智能建造技术和产品，经企业申报、地方推荐、专家评审，确定124个案例为第一批智能建造新技术新产品创新服务典型案例（案例集可在住房和城乡建设部门户网站上查询）。现予以发布，请结合实际学习借鉴。
住房和城乡建设部办公厅
2021年11月22日
（此件主动公开）
地铁隧道打孔机器人在徐州市城市轨道交通3号线建设项目中的应用中建安装集团有限公司
一、基本情况
（一）案例简介
中建安装集团有限公司基于智能化、自动化打孔需求，研发了地铁隧道打孔机器人，并在徐州市城市轨道交通3号线银山站至创业园站左线投入使用，进行了打孔精度、打孔位置、自动打孔等作业调试，同时对地铁隧道打孔机器人通过车站、盾构区间、马蹄形隧道、道岔等地段时的打孔准确性和作业姿态进行了修正和调整。地铁隧道打孔机器人不仅可对打孔位置进行全自动打孔，并且可根据走行线路状态对线路几何尺寸进行实时记录和检测，实现安全运行和位置记录，将传统人工打孔变为数据化、信息化的智能作业，平均单孔用时小于24s，顺利完成了全线打孔作业，提升了城市轨道交通建设中智能化打孔作业水平。
（二）申报单位简介
中建安装集团有限公司（以下简称中建安装）是世界500强企业中国建筑集团有限公司旗下专业公司，形成机电安装、能源化工及工业、城市发展更新、新型基础设施建设为核心的工程承包，以隧道装备、化工设备、新能源设备、金属装饰产品为核心的装备制造，以及投资运营三大业务板块。公司组建于2009年4月，注册资本金13.52亿元，拥有智能化、机械化桥梁构件预制基地，参建了雄安新区智能新城市建设，拥有自主生产制造土压平衡盾构机、地铁隧道打孔机器人、轮胎式铺轨机、轨排拼装辅助设备等智能装备的能力。
二、案例应用场景和技术产品特点
（一）技术方案要点
该案例整合隧道内壁打孔技术难点，全方位动态钻工模拟、管理体系流程，以BIM信息化建模技术为可视化手段，集成了零件、成本、质量、安全等方面的信息，结合大数据进行智慧化预测判断，基于建模模拟，实现区间隧道内隧道轨行式全向内壁打孔机械设备（即为地铁隧道打孔机器人）设计，减少资源投入。
地隧道打孔机器人将载运平板车、电源系统以及打孔机械臂有效统一控制，实现各子系统协调工作，本设备采用PLC（可编程逻辑控制器）自动化控制技术（如图1所示），通过程序设定，用以控制不同的子系统协调工作，以达到准确行走、准确找点、准确钻孔的要求。同时，本系统还采用了程序预植技术，通过改变预植程序内的某一项或者几项参数，用以改变钻孔机器人的程序化工作以满足不同专业不同打孔需求。
图1 地铁隧道打孔机器人PLC系统
（二）关键自主技术的难点和创新点
地铁隧道打孔机器人通过对不同孔径、不同高度、不同距离的安装孔以及不同形状的隧道等进行大数据采集、处理和分析，解决了打孔机器人在受限空间打孔无法有效定位、自动纠偏、数据处理、自动运行等关键技术难点。
1.通过测量与钻杆平行的激光束光斑与目标之间的距离及方位，引导伺服控制系统控制末端执行器准确定位。
2.使用抱轨器、弹性顶头等机构来增加系统的稳定性，在各个液压驱动机构上增加液压锁，并选择蜗轮蜗杆减速机等带自锁功能的传动机构。
3.定制机械臂，建立BIM数据库，采用软件控制。增加液压受力监控系统来判定是否钻到钢筋，在控制程序中增加规避程序。
4.设置多组激光测距传感器与拉线传感器来监控钢轨顶面偏差数值，通过折臂组件的蜗杆、打孔执行组件的升降油缸补偿角度和高度。
（三）关键技术经济指标
地铁隧道打孔机器人在徐州地铁3号线顺利投入使用，打孔效率与人工相比提升约6-10倍，各种安装孔约有620000个，使用该设备可以节约人工约1800个，为施工单位节约人工成本约25万元，且全线打孔施工精确度较高，确保了徐州地铁3号线的顺利试运行。
（四）应用场景
该设备适用于城市轨道交通全工况下的隧道环网电缆支架、弱电托臂支架、疏散平台支架以及刚性接触网悬挂安装打孔。
三、案例实施情况
（一）案例基本信息
徐州市城市轨道交通3号线一期工程北端起于下淀站，止于连霍高速公路北侧的规划安科园，如图2所示。线路长约18.13km，设站17座，最大站间距2039m，最小站间距747m，线路平均站间距为1.19km。结合徐州地铁3号线实际长度，需要各种不同深度不同大小的安装孔约62万个，如表1所示。
图2 徐州市城市轨道交通3号线线路图
徐州市城市轨道交通3号线打孔统计表 表1
1.设计阶段。2019年1月开始进行本设备的策划研制工作，开展在地铁施工应用的可行性分析，组织机械结构和控制系统的初步设计，确定初设方案及参数，进行机械结构与控制系统计算机仿真，并依据策划进行样机制造工作，依据打孔极限孔位，对设备各个部件进行模块化生产，并完成整机组装，通过BIM模型及仿真试验，在设备试制过程中解决了机械机构和运行的问题，减少了现场反复调整工程量。
（二）应用过程
图3 孔位模拟机组装制造
2.调试阶段。2019年8月地铁隧道打孔机器人运输至郑州地铁3号线出入段线进行现场调试试验，根据现场在力矩控制、自动走行、姿态反馈等方面出现的不稳定因素进行调整，并将调试过程中存在的问题进行返厂改进，如图4所示。
图4 现场试验及返厂调试图
3.应用阶段。2020年6月6日，地铁隧道打孔机器人在徐州市城市轨道交通3号线银山站至创业园站左线投入使用，进行了打孔精度、打孔位置、自动打孔的调试，同时对地铁隧道打孔机器人通过车站、盾构区间、马蹄形隧道、道岔等地段时的打孔准确性和作业姿态进行了修正和调整，确保了打孔器人在全断面和各道床类型的顺利安全运行，如图5所示。经调试及现场试验，地铁隧道打孔机器人技术水平达到：钻孔位置与目标位置偏差2mm，孔间距的相对为位置5mm，方向偏差1o，钻孔直径8-30mm，适应的隧洞直径为5m-8m，平均单孔作业时间小于24秒（传统人工打孔时间约100秒）。
图5 现场应用图
图6 打孔位置及精度图
四、应用成效
（一）解决的实际问题
城市轨道交通需在隧道区间敷设环网电缆，通信、信号光电缆及漏缆，刚性接触网悬挂安装以及疏散平台搭设等工作，为完成以上工作，需安装大量环网电缆支架、弱电托臂支架、疏散平台支架以及刚性接触网悬挂，以满足地铁安全运营的要求。根据各专业支架安装要求，需根据现场实际情况在隧道区间大量钻孔用以安装各类支架，目前如此庞大的工程量全靠人工完成。
本设备解决了地铁施工过程中的打孔问题，该设备综合先进检测、视觉跟踪与闭环控制技术实现钻孔作业的机械自动化：一是车载测量与标识系统能够自主快速、精确地标记孔位和孔姿；二是执行机构能够平稳、快速、准确抵达目标位置，本设备可以考虑惯性、动载荷、传动间隙、弹性变形、摩擦等复杂因素的影响，解决目前智能化精准作业面临的机构优化难度大与高精度控制不稳定等方面的技术难题。
下一步将通过传感装置在受限空间的应用、高精度三维视觉技术攻关，使研发的设备在工程实施效率及施工成本等方面得到改善，实现多设备协同作业。
（二）应用成效
1.经济效益
徐州市城市轨道交通3号线工程通过应用地铁隧道打孔机器人，总共节约了253.2万元，主要包括人员成本、机械设备投入、能源节约等方面。
地铁隧道打孔机器人经济效益统计表 表2
本案例通过应用地铁隧道打孔机器人，对传统施工工艺进行革新，提高了施工效率，降低了项目人工和材料成本，同时自动化打孔作业避免了人员登高作业的安全风险，提高了打孔精度和质量，从而无反复打孔及孔位错位情况的发生，为装备制造提供了新场景。2.社会效益
（三）市场推广价值
本设备的成功研发与应用将直接降低施工建设人员的投入，形成地铁站后机电工程的自动化、智能化打孔作业，且打孔效率与人工相比提升约6-10倍.本设备也将在中建安装参建的多条地铁线路进行推广应用，并根据中标参建情况，批量生产并进一步研制改进，扩大影响力，实现地铁站后工程的智能高效建造。
据中国铁路总公司工程设计鉴定中心统计的全国铁路隧道情况汇总，截止到2021年底，全国在建铁路隧道3784座，总长8692km；规划隧道4384座，总长9345km，再加上40多个城市的地铁建设，本项目研发的产品获得推广后将会形成一定的市场规模，预计年市场需求不低于50台，按10台计算，则年销售额400万元，新增利税80万元，为施工企业节约人工成本200万元。本设备将在中建安装参建的天津地铁7号线、长春地铁2号线、长春地铁9号线等工程中持续改进推广，以形成良好的示范推广效益。
执笔人：
中建安装集团有限公司（刘福建、王宏杰、张志轶、张睿航、李政）
审核专家：
宋晓刚（中国机械工业联合会，执行副会长、教授级高级工程师）
袁烽（同济大学建筑与城市规划学院副院长、教授）
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