近年来，我国铁路建设取得了长足发展，预计“十四五”时期，我国将新开工新建铁路规模约1.8万km，其中高铁将新增约1.3万km。高铁建设为我国带来巨大经济效益，成套技术与管理经验将进一步走向世界[1]。然而，面对庞大规模的建设任务，传统的铁路工程预制梁场建设生产方式制约了铁路预制梁场生产效益、产品质量及智能化发展。随着人工智能、电子信息等的发展，机械化、信息化、智能化、少人化的施工模式转型已成为必然趋势。为进一步落实习近平就推进新型工业化的重要指示精神[2]，把高质量发展的要求贯穿高速铁路建设新型工业化全过程，强化新时代交通强国铁路先行的科技创新支撑引领能力，高速铁路预制箱梁混凝土智能振捣相关研究应运而生。箱梁混凝土振捣是一项复杂、重要的工序，气泡、麻面、露筋或石子集中等病害均与振捣质量密切相关[3-4]。经实地调研，各施工单位的混凝土振捣技术在逐步优化，但依然难以摆脱工人经验为主导的施工模式，尚存在以下问题亟待解决：1) 规范中的振捣参数不明确，标准难落实。2) 工序复杂，施工凭经验控制，质量难把控。3) 施工条件差，工作艰苦，人力负担重。4) 机械化水平低，施工器械落后，效率难保障。本文将目前混凝土振捣施工现状与研究现状进行梳理与总结，并在此基础上对未来混凝土智能化振捣技术的发展进行总结与展望。旨在为混凝土振捣领域明确发展重难点，为相关学者开拓研究思路，促进高铁预制箱梁混凝土振捣智能化转型，为我国铁路行业创造新质生产力。
1 振捣施工现状
《铁路混凝土工程施工技术规程》(Q/CR 9207—2017)[5]、《高速铁路桥涵工程施工技术规程》(Q/CR 9603—2015)[6]对高铁箱梁混凝土振捣施工工艺和振捣参数做出规定。规范要求施工每一振点的振捣延续时间以混凝土不再显著沉落及出现气泡、表面泛浆为度。而在高铁预制箱梁振捣关键位置(腹板、底板梗斜处)通常难以观测，且主观的要求将导致主观化的施工行为，因此，以混凝土表观状态为标准的振捣要求不仅较难量化，而且较难落实，施工具有较强主观性。
目前，混凝土振捣施工通常以纵向分段、水平分层为原则，以先腹板底倒角、后腹板、再底板、最后顶板顺序施工，如图1中A～D所示。
常用的高铁箱梁振捣设备有插入式振捣棒及附着式振捣器，插入式振捣棒通常用于工人手持施工，施工位置不受局限，更加灵活，但振捣效果由工人施工能力决定。附着式振捣器通常布置于箱梁外模板侧壁，辅助下料、提浆效果明显，但目前附着式振捣器的能量传输机理不明，且容易导致混凝土翻浆、离析，使用频率相对较低。振捣过程通常以插入式振捣棒为主，附着式振捣器为辅。
腹板底倒角(区域A)为最先浇筑区域，此处混凝土需在底板倒角处堆积、初凝，防止区域B混凝土下滑、翻浆。若过振或物料偏稀，可能导致底板翻浆、混凝土超方。因此，通常控制减水剂的用量使该区域混凝土流动性降低。然而，该区域无机械装备辅助施工，振捣程度由底板倒角混凝土堆积情况控制，工人为防止混凝土翻浆，往往振捣不足，使得气泡在倒角处聚集，施工质量难以把控。
区域B施工应以不超过30 cm的高度分层浇筑、振捣，但实际施工中往往为提高效率，浇筑层高超限。另外，腹板钢筋密集且高度较高，混凝土落料困难且振捣棒难以插入(图2)。
由于内模撑杆系统结构复杂，可利用的施工空间狭小，区域C的振捣与收面施工需要施工人员在箱梁内部以半蹲的姿态完成(图3)，施工条件艰苦。为保障施工效率，区域B、C的振捣工序将有部分重叠，当腹板的附着式振捣器与振捣棒同时开启时噪声极大，长期从事相关工作将严重影响施工人员身体健康，人力负担重。由于尚无有效机械化设备辅助区域C的振捣、收面施工，工人往往采用较原始的施工工具，不仅底板标高控制精度不足，施工效率也相对有限。
区域D的施工机械化程度相对最高，一般使用振捣、整平一体机[7]对箱梁顶板进行振捣、整平一体化施工，如图4所示。然而，阵列式振捣棒易受钢筋绑扎精度影响，插入同步较差。另外，该设备整平收光效果一般，为达到表观验收标准通常尚需工人二次收面施工。
为解决上述问题，相关研究人员开展了智能化振捣系列研究。
2 智能化振捣研究进展
智能化振捣是指通过机械化、信息化的技术手段实现高铁预制箱梁混凝土标准化、智能化、少人化施工。随着行业需求不断提高，在国家政策的引导下，智能化振捣研究已受到学者广泛关注，特别是《智能高速铁路2.0科技攻关方案》[8]进一步明确深化高铁桥梁智能施工技术，持续推进少人化工厂建设。传统手工、劳动密集型、艰苦性振捣施工正在逐步向少人化、自动化方向转型。
目前，部分学者通过研究自密实混凝土解决复杂区域的振捣难题[9]，但自密实混凝土成本较高，且流动性较强，在当前工艺中容易翻浆。从经济和施工情况上看，自密实混凝土尚难以应用至预制箱梁的混凝土建设中。因此，笔者认为目前具有较大发展前景的箱梁混凝土智能振捣技术研究可分为2个研究方向，振捣参数研究和智能化振捣方法研究[10]。混凝土振捣参数研究从混凝土材料特性出发，研究影响混凝土振捣效果的因素以及最佳振捣状态下的最优振捣参数，进而优化工艺工法，解决标准难落实、质量难把控的问题。智能化振捣方法研究主要从施工设备与方法出发，根据施工难点针对性研究解决方法与对应机械化设备，解决人力负担重、效率难保障的问题。
2.1 振捣参数研究
混凝土拌合物是一种多相多尺度的混合流体，混凝土拌合物流变特性的研究将对振捣参数的定量化有重要意义。水泥浆体的流变特征可通过屈服应力与塑性黏度等参数表达，Bingham模型[11]最早描述了混凝土流体的运动规律。其认为，剪切力是驱使混凝土运动的主要因素，当剪切力超过屈服应力时，混凝土将发生流动。但在后续的研究过程中表明，屈服应力在外部激励下将发生变化，为此，研究人员总结了修正Bingham模型、Herchel-Bulkley模型、Casson模型等多种流变模型描述水泥浆体流动过程，PAPO[12]对其进行了综述。简单来讲，在振捣过程中，振源附近的物料受振剪切力足够克服颗粒间嵌挤力与介质内摩擦阻力时，骨料逐渐下沉，气泡被振碎并上浮，使混凝土逐渐密实[13]。PENG等[14-15]分别采用不同方法研究各种水泥浆体所适用的流变模型。但种种研究表明，水泥浆体的流变特性受材料颗粒尺寸、水分变化等多因素影响，新拌混凝土流变性能有较高不确定性，较难根据材料级配来推测。
从宏观上看，使混凝土受振密实的影响参数包括振捣时间、位置、频率等。由于施工方式粗犷，难以提出一套全面的标准将施工规范化，为此，科研人员开展了混凝土振捣参数研究，试图建立新拌混凝土流变特征与振捣参数间的映射关系。为更好地将研究结果指导施工与后续的科研工作，本文将近年来的研究成果分为振捣频率、振捣作用半径与振捣时间3项研究内容分别进行综述。
2.1.1 振捣频率
振捣频率是插入式振捣棒与附着式振捣器的重要参数，由其本身内部机械装置决定，代表了能量输出密度。
YAN等[16]提出了一种基于离散单元法(Discrete Element Method，DEM)的新拌混凝土受振响应的数值模拟方法，研究结果表明，振捣频率和振幅的增加将增加振捣能量，有助于混凝土迅速密实，但过高的振捣能量会导致过度的振动，破坏材料系统的稳定。胡骏等[17]通过振捣试验得到了相似的结论：振捣频率越高，振捣能量越大，振捣工效越高，且高频率对混凝土内部气泡分布有较大影响，具体表现为大气泡被振碎，小气泡明显增多。
通常为避免底板翻浆、超方，高铁箱梁施工一般选用流动性较小的混凝土。为提高施工效率，目前施工单位普遍选用200 Hz的高频振捣棒及150 Hz的高频附着式振捣器。然而，振捣频率越高，混凝土内部骨料下沉、浆体上浮越快，导致混凝土强度的分层匀质性越差。而且，在高频振捣下，水灰比较大的混凝土将引起抗冻性的下降[18]。因此，研究人员宜进行试验验证，确保混凝土在高频振捣下的质量，如需采用高频振捣器施工，应严格控制振捣时间。
2.1.2 振捣作用半径
振捣作用半径指振捣棒单次插入后所能振实的浆体范围，通常由振捣棒的振捣频率以及物料的流通性决定。若振捣棒插入间距过小，可能导致振捣范围重叠，局部过振、离析；若插入间距过大，可能导致局部未经振捣，气泡未排出，混凝土不密实。《高速铁路桥涵工程施工技术规程》(Q\CR 9603-2015)[6]中给出了振捣棒插入位置示意图，但振捣作用半径需依据试验测得。
为此，BANFILL等[19]从材料特性出发，研究了一种基于物料自身的流变特征的振捣作用半径的预测方法，研究表明作用半径与塑性黏度成正比，与屈服应力成反比。ZHANG等[20]在此基础上，使用流变参数各异的多种混凝土物料采取不同的振捣方式进行振捣试验，研究物料流变特性对振捣结果的影响。研究发现，插入式振捣棒引起的混凝土密实范围在很大程度上取决于物料的塑性黏度。另外，较高屈服应力的物料可以适应长时振捣，而高振幅的振捣可以使高塑性黏度物料快速离析。
以上研究均从定性的角度分析评价了决定振捣作用半径的因素，尚未进行定量试验实测。
2.1.3 振捣时间
振捣时间指振捣棒单次插入后使振捣作用半径内的混凝土被振实所需的持续时间。振捣时间受制因素最复杂，振捣频率、振捣作用半径、环境温度、流场边界条件均会影响振捣时间。振捣时间较短将导致气泡尚未完全排出，产生蜂窝麻面；而振捣时间过长将导致骨料下沉，混凝土密度不均，强度降低。
ACHALU等[21]开展了振捣时间对混凝土抗压强度影响的试验研究，通过试验发现随振捣时间的延长，混凝土试块在不同龄期的抗压强度均先增长后下降，说明为提高混凝土的强度，应基于适当的振捣时间。LI等[22]结合振捣棒的工作机理以及振动能量理论，提出了一种能量传递模型，研究表明，混凝土的能量吸收率与振捣棒加速度的平方成正比，且流动性高的混凝土不利于剪力的传递，因此能量吸收率较低。另外，开发了一套随时间变化的能量传递可视化系统，该系统在中大型混凝土结构的振捣质量评价中有较好的适用性。
2.1.4 振捣参数试验
振捣参数的优化是个复杂的平衡关系，例如，提高振捣频率或振幅可以一定程度上增加振捣作用范围，但一味地延长振捣时间或提高振捣能量，不一定能够扩大振捣作用半径，反而可能导致振源附近混凝土快速离析。
因此，在研究振捣策略时需要根据混凝土振捣场景、材料特性，组织振捣试验，尽量控制可控参数(如振捣频率、振捣作用半径)，灵活调整振捣时间。振捣参数的研究应选取综合性指标(如孔隙率)[23]作为激振参数的优化目标，以达到最优的混凝土振捣状态。目前，混凝土密实性研究依旧不能较好地阐明振捣参数与混凝土最佳振捣状态的耦合匹配关系[24]，为拟定更精细化的振捣策略依旧需要基于大量理论与试验研究。
2.2 智能化振捣方法研究
在高铁箱梁预制施工过程中，混凝土振捣长期以来都是自动化、智能化水平最低的施工步骤之一。但混凝土振捣施工复杂程度大、施工干扰多、施工空间小，智能化设备的研发具有极大困难。另外，如2.1节所述，由于混凝土材料的特殊性，混凝土振捣参数相关研究成果偏向于定性化、概念化，并无充分的试验研究将振捣参数具体化、规范化。
为此，研究人员从施工设备与方法的机械化、智能化改造入手，提高施工效率。另针对振捣参数不确定的问题开展施工过程的振捣状态感知研究，通过信号反馈精细化施工。
2.2.1 机械化装备研发
目前，可行走式预制箱梁模板[25-26]已被广泛应用于各大梁场，如图5所示。其中，箱梁内模由纵梁、上下动模、中部托架及撑杆组组成，具备自动行走、快速拆装等功能。但主梁和撑杆组作为内模的主要受力结构占据了箱梁内部的大部分空间，导致施工空间狭小，阻碍了内模内部机械化施工设备的研发。
振捣棒是箱梁混凝土最主要的振捣工具，研究人员对其进行了各类适应性改良。如搭载升降驱动机构、编码机构、控制箱等[27]，然而相关研究依然无法避免由工人施工经验决定的主观化施工，有待进行振捣密实度感知与反馈的智能化振捣棒研究。
大型振捣机械可搭载振捣棒在箱梁的不同区域以不同的姿态实施振捣，顶板区域如振捣、整平一体机[7]和基于BIM自主导航与控制系统的振捣机器人[28](图6)。然而相关研究受钢筋绑扎精度限制，振捣棒插入受阻，因此大型振捣机械在钢筋网片智能化绑扎[29]的前提下进行将更具可行性。
混凝土整平收面装置有转筒式[30]与抹盘式[31]。转筒式整平效果一般，往往需要人工二次收面，抹盘式机械结构复杂，尚处于研发阶段，未被广泛应用。
2.2.2 振捣过程信息化调控
箱梁底板倒角是振捣施工质量控制的关键点，使用传统的插入式振捣棒施工时会遇到“看不清、够不着”的问题。为辅助下料，提高振捣效率，部分施工单位使用了附着式振捣器辅助施工，如图7所示。为进一步提高施工质量，邓娜等[32]研发了振捣器信息化控制系统，实现了基于PLC控制器的振捣时间、频率自定义精确化控制。
MOON等[33]针对箱梁模板进行优化设计，通过基于遍布式传感器网络的模板施工安全监测系统对模板工作状态进行监测，该系统将模板挠度、荷载重量和倾斜实时发送至监控主机，以确保施工安全。
2.2.3 基于传感器的振捣状态感知方法
当理论所需的振捣参数不明确时，感知当前的振捣状态实时调控振捣策略是另一有效的解决方法。研究人员基于不同类型的传感器开展了振捣状态感知研究。
随着机器视觉与深度学习等领域的发展，机器视觉理论上可以较好地代替人工对混凝土表观状态进行观察。WANG等[34]采用ResNet-50网络对自行构建的大规模混凝土表观图像数据集进行学习训练，通过图像分类实现了对振捣程度的判断。随着深度学习网络的进一步优化，数据集的不断完善，基于机器视觉的振捣状态感知方法将有更大的使用前景。
振捣覆盖范围的确定是判断振捣区域漏振、重叠的重要指标。为感知已振捣的覆盖范围，需要对振捣位置、振捣时间联合监测。目前高精度定位方法有很多，如GPS(全球定位系统)、GNSS(全球导航卫星系统)、UWB(超宽带定位技术)等。田正宏等[35]采用基于GPS的人体定位方法对振捣位置进行定位，另外自研发了电位测量传感器，根据振捣棒振捣与闲置状态之间的电位差计算振捣时间，以此形成了一套动态可视化振捣监测系统。为了降低人体定位标签与振捣点位间的误差，TIAN等[36]在此基础上采用了基于GNSS的双标签定位系统，并根据双手佩戴标签与振捣棒尖端的几何姿态实现了更精确的振捣点定位，同时将振捣棒搭载了压力传感器，实现了振捣棒三维空间工作状态感知。王栋等[37]使用了基于Kalman滤波的GNSS定位信息降噪、改进Faster R-CNN的视频信息解析等技术，建立了空天地一体化的混凝土振捣施工信息智能感知体系，实现混凝土浇筑过程中多源、多维度、多模态施工信息的立体感知。
感知骨料的运动变化是感知振捣是否充分的另一研究思路，分布式光纤传感技术可根据骨料对光纤的压迫程度实现混凝土密实度感知[38]。另外，WANG等[39]研发了一种骨料形状的三轴姿态及振动无线传感器——“智慧石头”，并成功应用于道路的铺设施工中，实现对道路碾压充分程度的感知。该方法使小尺度上追踪骨料运动成为可能，有可能在未来的混凝土振捣施工中适应性引入。
3 研究展望
基于振捣施工现状的调研结果与智能化振捣研究进展，作者团队建议应从混凝土材料特性研究入手，建立基于物料流变参数的振捣参数施工标准；其次，开展多学科研究团队联合攻关，将走行系统、控制系统、感知系统集成于一体，形成一套可实现混凝土浇筑、振捣、收面施工的系统化装备；最后应用基于传感器的振捣状态感知方法实现振捣施工状态的感知与信息化管理。
3.1 振捣参数研究
振捣参数本质上由物料自身的流变特性决定，但通常各批物料由于标号、配比甚至环境因素而导致流变参数各异，从而难以确定振捣参数。因此，有必要提出一种能够描述混凝土流变性能的综合化指标。通过大量试验研究该流变指标与振捣参数的关系，通过制定相应振捣施工规程解决标准难落实、质量难把控等问题。
在试验中建议以控制变量的方式开展研究，如统一振捣棒规格，进而统一振捣频率。基于材料特性研究寻找可以表征混凝土流动性，且与振捣参数具有强相关性的流变参数。通过理论研究或试验研究的方法确定振捣作用半径，并在相同振捣频率及振捣点间距的前提下，建立混凝土流变参数与振捣时间的一一映射关系。基于此研究结果，可在实际施工中提前测定每批物料的流变参数，对照对应的试验结果调整振捣策略。
由于真实的浇筑环境钢筋错综复杂，模板内部物料流动空间形状复杂，流场内边界条件对振捣参数的影响难以量化。因此，为确保振捣参数的准确性，应合理规划试验方法。建议开展模拟真实浇筑空间的小型振捣试验或标准尺寸的箱梁节段振捣试验。
3.2 智能化振捣策略
目前，振捣施工中的部分工序仍以大量消耗人力的方式进行，施工方式有待转变，为此可从以下几方面开展研究。
首先，增加箱梁内模内部的施工有效空间是解放人力的根本。目前，箱梁模板设计制造与施工工艺脱节，模板的结构形式无法为智能化施工提供便利条件。为增加内模内部施工空间，供工人及智能化设备使用，应充分发挥EPC(Engineering，Procurement，Construction)项目的优势，在设计单位的牵头下，协调施工单位与机械研发单位进一步开展箱梁内模的结构分析与优化设计。在模板的研发过程中充分考虑施工的便利性以及设计与施工工艺的适配性，为振捣施工奠定基础。内模支撑结构的优化应考虑随之带来的模板刚度不足而导致的混凝土超方、模板局部变形等问题。
其次，机械化施工装备是提高工作效率、实现振捣施工少人化的有效保证。机械化振捣装备的研发尚处于探索阶段，箱梁顶板振捣、整平设备可在现有机具设备基础上改良升级，开展自动化盲插研究，以及在整平效果提升方面开展研究；适用于箱梁腹板以及内模内部的振捣设备依旧有待研发，设备应搭载智能振捣棒或自动化机械臂，并以铺设轨道的方式搭建机械设备行走系统，从而满足箱梁底板、梗斜及腹板的施工需求。新型机械化、智能化振捣装备应统筹考虑各施工工序，使浇筑、振捣、收面等工序有机结合，协同施工。
新型工艺工法的设计是提高施工质量的关键因素。针对梁体关键位置(如梁端腹板处)的振捣可采用预先埋入振捣棒，也可预留螺旋钢筋从而形成振捣孔位，使振捣棒便于插入至指定位置。为提高混凝土浇筑效率，控制混凝土振捣质量，可在模板局部(如腹板外模处)进行开窗设计，辅助混凝土下料与振捣。另外，可设计可掀起式压浆板解决底板翻浆、底板倒角振捣质量欠佳的问题。
最后，振捣施工状态的感知与管理是实现智能化振捣的重要途径。基于传感器信号反馈的箱梁混凝土振捣状态感知方法研究可在2.2.3节所述的基础上进一步展开，搭建基于BIM(Building Information Modeling)技术的振捣施工感控一体化数字孪生智能系统。
3.3 其他重难点攻克
随着对混凝土内部能量传输机理的理论研究不断明晰，附着式振捣未来可能成为重要施工设备，因此，可进行基于附着式振捣器的振捣策略优化调控以及变频式振捣方案设计。但附着式振捣器噪声极大，模板内部施工条件恶劣，应开展振捣施工降噪研究。
由于箱梁支座处钢筋排列紧密，骨料下落困难而导致的支座板空鼓是施工中一大痛点，需要从钢筋图设计、模板构造、施工工艺方法等多方面开展多学科综合优化研究。
4 结论
1) 经调研，目前高铁预制箱梁混凝土振捣施工水平低下，具体表现为标准难落实、质量难把控、人力负担重、效率难保障。高铁预制箱梁混凝土智能化振捣研究具有较大科研价值与现实意义。
2) 目前虽已从混凝土材料特性、振捣参数研究、机械化施工装备研发、振捣状态感知等多领域实现了技术突破，但总体尚处于探索阶段，距离实现可工程化落地的智能化振捣仍然任重道远。
3) 混凝土振捣是复杂、庞大的系统，智能化振捣策略需要基于标准化振捣参数、机械化振捣设备、智能化感知系统得以实施，单一方向的技术攻关难以形成可靠的实施路径。相关科研机构需进一步开展产学研用联合攻关，从人力成本降低、产品质量把控、预制混凝土梁产业化建设等领域全面提高工程建设水平。
深入理解推进新型工业化
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