空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)在仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉清泉

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)作為TBM施工中一項重要的配套施工手段，多是在預(yù)制工廠內(nèi)采用專業(yè)生產(chǎn)線模式進行流程化施工的。1997年西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道我國鐵路系統(tǒng)首次引進TBM進行機械化隧道施工并鋪設(shè)仰拱預(yù)制塊［1］，得益于預(yù)制塊生產(chǎn)與管片等預(yù)制結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的相似性和管片生產(chǎn)工藝的完備，仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)技術(shù)很快便成熟起來;但是，因為仰拱預(yù)制塊與管片的結(jié)構(gòu)差異，吸盤式翻轉(zhuǎn)機(臺)對預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)并不適用，國內(nèi)采用最普遍的地面翻轉(zhuǎn)法技術(shù)落后、弊端明顯。為了改善預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)工藝，新建吐庫二線鐵路中天山隧道率先引入仰拱預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)臺法，但遺憾的是經(jīng)過試生產(chǎn)階段的嘗試，終因機械化程度低、操作復(fù)雜、人工需求大、轉(zhuǎn)運量大被地面翻滾法替代。如何改變當前預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)技術(shù)的原始與落后的現(xiàn)狀，實現(xiàn)像管片生產(chǎn)一樣的結(jié)構(gòu)體無損翻轉(zhuǎn)成為一直困擾鐵路建設(shè)者的難題。

1 研究背景

1.1 工程概況

2008年9 月，新建蘭渝鐵路全線控制性工程、全長28.236 km的西秦嶺特長隧道開始開工建設(shè)，西秦嶺隧道是目前國內(nèi)鐵路建設(shè)史上的第二長隧道，也是國內(nèi)TBM施工斷面最大、距離最長的鐵路隧道。根據(jù)設(shè)計要求，西秦嶺隧道為左右線分設(shè)的2條單線隧道，分別采用鉆爆法和直徑10.23 m全斷面敞開式TBM掘進聯(lián)合施工［2］，其中:XQLS2標9 478 m的出口預(yù)備洞鉆爆段、羅家理斜井鉆爆段及12 934m的TBM掘進段需要鋪裝仰拱預(yù)制塊，總量達到12 452塊。本工程中仰拱預(yù)制塊不僅是施工運輸軌道的基礎(chǔ)，用于TBM施工期間后配套走行和有軌運輸，同時也是隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成部分［3］、后期整體道床的基礎(chǔ)，并作為中心水溝用于隧道施工期間及后續(xù)永久性排水。這就要求仰拱預(yù)制塊必須達到高強度、高質(zhì)量、高抗?jié)B性能和較好的外觀質(zhì)量。

1.2 真空吸吊翻轉(zhuǎn)機

目前國內(nèi)管片生產(chǎn)廠家大多數(shù)采用具備吸吊和翻轉(zhuǎn)功能的真空吸吊翻轉(zhuǎn)機，其結(jié)構(gòu)主要由真空系統(tǒng)、真空吸盤、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)及機架等組成。管片翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在機架上，真空吸盤活動地連接于管片翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的吊柱上。工作時整個吸吊機吊鉤在相應(yīng)的起重設(shè)備上，并依靠其自身重力使真空吸盤吸附在混凝土管片的外弧面上，真空系統(tǒng)啟動后，形成密封，管片被吸盤吸牢后脫模吊起;然后利用翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將吸吊的管片翻轉(zhuǎn)任意角度，以便于存放和安裝［4－5］。大型真空吸吊翻轉(zhuǎn)機的輸送能力可達8 t左右。

表1是管片與仰拱預(yù)制塊的區(qū)別。由表1顯示:在敞開式TBM施工中，仰拱預(yù)制塊較管片結(jié)構(gòu)尺寸要大得多，其質(zhì)量約為同直徑開挖斷面所需管片的7倍，明顯超出真空吸吊翻轉(zhuǎn)機的輸送能力，且由于外弧面被搓毛處理，很難滿足真空吸吊翻轉(zhuǎn)機對結(jié)構(gòu)表面平整度的要求。真空吸吊翻轉(zhuǎn)機通常以預(yù)制件弧長方向為中心軸進行翻轉(zhuǎn)作業(yè)，占用空間過大，此外，如果遇到吸盤下面的膠條破損或突然停電，吸盤內(nèi)真空就會逐漸釋放而導(dǎo)致管片墜落;因此，一旦發(fā)生突發(fā)事件，必須在很短的時間內(nèi)將預(yù)制件與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行捆綁固定，以免發(fā)生重大安全事故。

表1 管片、仰拱預(yù)制塊的區(qū)別Table 1 Difference between segment and precast invert block

1.3 傳統(tǒng)地面翻滾法

傳統(tǒng)地面翻滾法主要依靠一塊與預(yù)制塊尺寸相配套的砂坑(也有的工地用廢舊輪胎滿鋪代替砂坑)來緩沖預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)時的沖擊力，其基本流程是:仰拱預(yù)制塊脫模(R脫=20 MPa)—室內(nèi)靜養(yǎng)3 d—轉(zhuǎn)運至臨時存放場—預(yù)制塊邊角防護及鋼絲繩固定—行吊小車走行將預(yù)制塊單側(cè)提起、側(cè)翻—采用吊具將預(yù)制塊轉(zhuǎn)運至存放區(qū)存放。由于翻滾時混凝土尚遠未達到設(shè)計強度，且整體呈“U”型的預(yù)制塊中心水溝位置混凝土厚度只有40 cm，就如同一個巨大的啞鈴，翻滾落地的瞬間巨大的沖擊力容易對結(jié)構(gòu)體造成較大損傷(尤其是水溝位置)，即便這些損傷是肉眼不可見的，對結(jié)構(gòu)整體的抗?jié)B性還是會造成很大的影響;而且此方法行吊占用時間較長，必須經(jīng)過二次轉(zhuǎn)運。

2 液壓起吊翻轉(zhuǎn)機

2.1 機械構(gòu)造與作業(yè)原理

液壓起吊翻轉(zhuǎn)機主要由液壓系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)及機架等幾部分組成，主要構(gòu)造如圖1所示。預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)機應(yīng)用杠桿原理，利用液壓系統(tǒng)提供動力來實現(xiàn)預(yù)制塊的夾緊和翻轉(zhuǎn)［9］。

圖1 仰拱預(yù)制塊液壓翻轉(zhuǎn)機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of hydraulic type invert block overturning machine

2.2 在預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)中的優(yōu)勢

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡捷輕便，造價低廉，輸送能力可達25 t，有充足的安全富余量。

2)預(yù)制塊夾緊與翻轉(zhuǎn)的動力均來源于安裝在機架橫梁頂部的液壓泵站，通過控制夾緊油缸的伸縮借助夾緊連桿傳力帶動立柱張合，通過控制翻轉(zhuǎn)油缸的伸縮借助翻轉(zhuǎn)連桿傳力帶動夾緊頭轉(zhuǎn)動，翻轉(zhuǎn)油缸伸縮一次可帶動夾緊頭旋轉(zhuǎn)180°，脫模平移后即可進行翻轉(zhuǎn)作業(yè)，操作簡便。

3)充分發(fā)揮仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)尺寸相一致、中心位置厚度較大的特點，在預(yù)制塊上前后兩側(cè)各預(yù)留2個夾緊用翻轉(zhuǎn)孔來抵抗預(yù)制塊脫模、翻轉(zhuǎn)期間的剪力，有效防止預(yù)制塊松脫。

4)以仰拱預(yù)制塊1.8 m長度方向為中心軸進行翻轉(zhuǎn)作業(yè)，作業(yè)空間小。

真空吸吊翻轉(zhuǎn)機和液壓起吊翻轉(zhuǎn)機脫模和翻轉(zhuǎn)工藝對比如圖2所示。

圖2 真空吸吊翻轉(zhuǎn)機和液壓起吊翻轉(zhuǎn)機脫模、翻轉(zhuǎn)工藝對比Fig.2 Comparison and contrast between vacuum suction type overturning machine and hydraulic type overturning machine in terms of formwork removing and segment(invert block)overturning

3 仰拱預(yù)制塊空中翻轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 前期準備

3.1.1 模具配套設(shè)計

為了增加翻轉(zhuǎn)機夾緊頭與預(yù)制塊的連接，使仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)模具與預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)機配套設(shè)計，通過改造模具，在預(yù)制塊前后兩側(cè)各預(yù)留2個夾緊用翻轉(zhuǎn)孔(見圖3)，其尺寸與翻轉(zhuǎn)機夾緊探頭的尺寸相一致;此外，模具側(cè)模打開的幅度也需要滿足翻轉(zhuǎn)機在張開模式下伸入模具內(nèi)作業(yè)的要求。西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線模具側(cè)模打開幅度，可充分滿足翻轉(zhuǎn)機作業(yè)需求。

3.1.2 廠房建設(shè)要求

西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)主要采用1部25 t天車配合生產(chǎn)施工，預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)機在作業(yè)時通過鋼絲繩懸掛在天車吊鉤上，通過吊鉤的提升從而帶動翻轉(zhuǎn)機上升來完成預(yù)制塊的脫模。在廠房建設(shè)時必須保證其建設(shè)高度能夠滿足翻轉(zhuǎn)機作業(yè)的空間需要。

圖3 模具翻轉(zhuǎn)孔設(shè)計及脫模后成型效果Fig.3 Overturning hole on the mould and final shape of invert block

對于采用空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)進行仰拱預(yù)制塊脫模和翻轉(zhuǎn)的仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線廠房(見圖4)，其建設(shè)高度應(yīng)滿足

式中:H為廠房高度;h1為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機作業(yè)高度;h2為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機高度;h3為天車吊鉤及連接翻轉(zhuǎn)機用鋼絲繩可活動高度范圍;h4為天車高度;h5為天車距廠房頂棚安全高度。

同時，液壓起吊翻轉(zhuǎn)機作業(yè)高度h1還應(yīng)滿足

式中:W為仰拱預(yù)制塊寬度;Δh為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機作業(yè)距地面安全高度;h1'為模具高出地面部分高度;h2'為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機脫模后距模具頂部安全高度;h3'為1/2仰拱預(yù)制塊厚度。

綜合考慮上述因素，西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線廠房高11.5 m。由于吊裝鋼筋籠對天車軌道立柱的要求基本可以滿足翻轉(zhuǎn)機作業(yè)所需要空間，很多時候并不需要刻意增加廠房高度。

3.1.3 翻轉(zhuǎn)機托架設(shè)計

在天車不使用翻轉(zhuǎn)機進行脫模和翻轉(zhuǎn)作業(yè)時，由于翻轉(zhuǎn)機本身并不帶有安放裝置(在使用時會極大地干擾施工)，為防止翻轉(zhuǎn)機安放時傾斜導(dǎo)致液壓油的泄露和零部件的損壞，需要單獨制作翻轉(zhuǎn)機安放托架，安放托架尺寸除能夠滿足翻轉(zhuǎn)機的正常安放外，還應(yīng)設(shè)置上下爬梯，供操作人員上下及掛、取吊鉤作業(yè)。安放托架應(yīng)安設(shè)在天車可吊裝區(qū)域內(nèi)。

圖4 廠房建設(shè)高度示意Fig.4 Height of manufacture plant

3.2 工藝流程

仰拱預(yù)制塊空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)具體施工流程如下:

1)將天車吊鉤與翻轉(zhuǎn)機頂部的起吊孔用鋼絲繩相連接，連通電力線并將操作手柄吊至天車操作室，由天車司機負責完成翻轉(zhuǎn)機的各項操作。

2)檢查翻轉(zhuǎn)機各動作完成是否正常。

3)25 t天車起吊液壓翻轉(zhuǎn)機至已打開側(cè)邊模的模具正上方，與模具對中就位。

4)伸長夾緊油缸，張開兩邊立柱，調(diào)整翻轉(zhuǎn)機位置至夾緊探頭與預(yù)制塊預(yù)留翻轉(zhuǎn)孔對齊，收縮夾緊油缸，夾緊仰拱預(yù)制塊。

5)先行試吊，確認天車就位準確且設(shè)備安全。

6)提升天車吊鉤完成脫模作業(yè)，走行天車小車至翻轉(zhuǎn)位置。

7)收縮翻轉(zhuǎn)油缸，帶動夾緊頭180°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)預(yù)制塊的空中翻轉(zhuǎn)。

8)將仰拱預(yù)制塊吊至臨時存放區(qū)存放，翻轉(zhuǎn)油缸復(fù)位，開始下一循環(huán)。

4 注意事項

1)因為翻轉(zhuǎn)機與25 t天車之間完全靠鋼絲繩進行連接，如果鋼絲繩在纏繞時2個吊裝環(huán)方向不一致(見圖5(b))，在起吊作業(yè)時因為鋼絲繩受力拉緊就會形成扭曲帶動翻轉(zhuǎn)機偏轉(zhuǎn)一定的角度，在有限的空間里進行晃動性的翻轉(zhuǎn)不僅容易損壞設(shè)備，而且極易破壞廠房建筑。為防止天車吊鉤本身的旋轉(zhuǎn)影響，可在吊鉤中心軸與兩面的鋼板間用一弧面楔鐵進行固定，對于吊鉤的控制可以起到非常好的效果。

圖5 鋼絲繩吊裝環(huán)纏繞示意Fig.5 Looping of cable rope

2)預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)要選擇相對寬敞的場地(例如車行道或者室內(nèi)臨時存放區(qū))，切忌在模具范圍內(nèi)進行翻轉(zhuǎn)，以免發(fā)生意外墜落造成模具損傷甚至報廢。翻轉(zhuǎn)時，由天車司機在地面輔助人員的指揮下完成各種操作，地面輔助人員必須站在安全區(qū)域(翻轉(zhuǎn)機工作范圍2 m外)以內(nèi)，即便發(fā)生翻轉(zhuǎn)機側(cè)扭也應(yīng)通過天車司機走行小車、控制翻轉(zhuǎn)等進行調(diào)整，嚴禁地面人員手動校正。180°翻轉(zhuǎn)完成并下落至距地面30 cm以內(nèi)時方可允許地面人員手工輔助矯正擺放位置。

3)液壓翻轉(zhuǎn)機作為空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)的核心輔助工具，在實際應(yīng)用中起著舉足輕重的作用。由于是國內(nèi)首家應(yīng)用該翻轉(zhuǎn)機，新設(shè)備的投產(chǎn)對操作、保養(yǎng)、維修人員都提出了更高的要求，在沒有相應(yīng)經(jīng)驗且大部分專用零部件都缺少普遍性的情況下，一旦使用不當或超過設(shè)計使用壽命造成零部件的損毀都可能會直接影響到施工生產(chǎn);因此，從確保生產(chǎn)進度的角度出發(fā)，對所有專用零部件都進行了備份，以便損壞時能夠及時修復(fù)。隨著空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)的越來越成熟、廣泛，作業(yè)工人操作、保養(yǎng)、維修經(jīng)驗和水平的不斷提高以及對設(shè)備本身的不斷改造和完善，該問題可逐步得到解決。

4)當翻轉(zhuǎn)機夾緊仰拱預(yù)制塊后，在油缸不進行任何伸縮變化的情況下，翻轉(zhuǎn)機與仰拱預(yù)制塊為剛性接觸，這種接觸方式可以視二者為一個整體，而預(yù)制塊生產(chǎn)模具自身加工偏差僅0.2 mm、脫模強度20 MPa，如果模具不水平、翻轉(zhuǎn)機翻轉(zhuǎn)油缸伸縮不到位、天車位置定位不準確都會造成起吊作用力與仰拱預(yù)制塊停放位置水平中心線不垂直，引發(fā)仰拱預(yù)制塊在模具內(nèi)因偏拉向一側(cè)擠壓形成掉塊(見圖6)。

只要日常加強模具水平度檢查，模具不水平的問題便可以有效解決。為便于天車停車定位，現(xiàn)場采用“三線重合歸一法”［9］，即:當天車操作室玻璃上豎向刻線a、天車中部倒懸等腰三角形定位板垂線b、天車軌道鋼架梁正立等腰三角形定位板垂線c三線位于同一條豎線上時則表明天車恰好停在仰拱塊中間位置。翻轉(zhuǎn)機每次脫模前應(yīng)先檢查翻轉(zhuǎn)油缸伸縮是否到位并及時作出調(diào)整。每循環(huán)使用一段時間后對翻轉(zhuǎn)油缸進行檢查，以便重新確定伸縮限位。

圖6 掉塊原因分析Fig.6 Analysis on causes for defects of invert block

5 應(yīng)用效果

截至2011年6月1日，仰拱預(yù)制塊空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)在西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線使用已經(jīng)10個月，翻轉(zhuǎn)預(yù)制塊5 548塊，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，操作人員能夠較好地完成各項操作、規(guī)避各類風險。通過實踐的檢驗，空中翻轉(zhuǎn)法無論是在人員配置、作業(yè)時間、外觀質(zhì)量控制等方面都明顯優(yōu)于地面翻滾法(見表2);而且由于空中翻轉(zhuǎn)法預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)與脫模同步完成，不需要像地面翻滾法一樣在室外存放場內(nèi)進行，無需額外占用掘進所需預(yù)制塊、鋼軌、拱架、網(wǎng)片等材料裝卸門吊的作業(yè)時間，可以確保掘進材料的及時供應(yīng)。

表2 方法對比Table 2 Comparison and contrast between method of overturning on ground and that of overturning in air

6 結(jié)論與建議

1)鑒于對仰拱預(yù)制塊的結(jié)構(gòu)特點以及真空吸吊翻轉(zhuǎn)機在預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)中不適用性和缺點的充分研究，液壓吸吊翻轉(zhuǎn)機規(guī)避了前者的使用缺陷，通過空中無損翻轉(zhuǎn)消除了地面翻滾法對結(jié)構(gòu)體的損傷。

2)脫模夾緊與預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)動力一體化，減小了設(shè)備自身的體積，更加輕便、靈巧。

3)通過夾緊頭與預(yù)制塊之間的剪力和摩擦力代替真空吸盤的吸力，連接更牢靠，對于突發(fā)事件應(yīng)變能力更強。

4)空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)機械化程度高、操作簡便，只需1人輔助天車司機作業(yè)便可實現(xiàn)預(yù)制塊脫模、翻轉(zhuǎn)同步完成，極大地減輕了人員勞動強度、減少了轉(zhuǎn)運次數(shù)及對行吊的占用時間。

5)雖然空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)中由于液壓翻轉(zhuǎn)機的引入增加了項目的初始設(shè)備成本支出，但是該技術(shù)的長遠效益不可低估，對于預(yù)制塊的生產(chǎn)進度和產(chǎn)量提高進而確保TBM的順利掘進與快速步進起到了非常積極的作用。

6)由于新技術(shù)的應(yīng)用所產(chǎn)生的各類潛在風險可以通過經(jīng)驗的不斷積累和對技術(shù)的充分掌握有效規(guī)避，不會產(chǎn)生長遠的影響。

7)隨著敞開式TBM掘進機的應(yīng)用空間越來越廣闊，空中翻轉(zhuǎn)法也將逐漸取代地面翻滾法，成來未來的行業(yè)發(fā)展趨勢。

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