新型隧道防水卷材鋪設裝置的研制

張少華，趙 華，卓 越

(1.中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 451000;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

在現代隧道防水工程中，復合襯砌防水技術得到了普遍應用。其施工過程中需要在隧道斷面上先鋪設土工布和防水板等防水材料，以達到防止隧道內滲漏水的目的。文獻［1－6］主要介紹了防水施工技術，重點介紹了防水卷材的鋪設工藝，即采用傳統的腳手架人工棍棒托頂施工，但此種施工方法勞動強度大、鋪設效率低、搭接尺寸誤差大，難以滿足施工進度和施工質量的要求。圍繞這些問題，國內外的研究方向多集中于對鋪設機具的研究和鋪設材料及工藝的革新。目前，在日本和一些西方國家中，新的鋪設材料、工藝及鋪設機具在隧道防水施工中已得到一定程度地推廣應用。國外雖有類似的防水卷材鋪設機具，但在國內由于隧道施工工法、防水卷材鋪設工藝及防水材料的不同也不利于推廣應用。基于各種原因隧道防水卷材鋪設裝置的研究近乎空白，為此，在傳統襯砌臺車的基礎上研制了新型隧道防水卷材鋪設裝置，用于隧道施工中防水卷材的鋪設和支撐。

1 隧道防水鋪設施工現狀及存在問題

隧道防水卷材的鋪設包含土工布和防水板的鋪設，其中以防水板的鋪設施工為關鍵環節。防水板鋪設施工處于初期支護基礎工序之后，二次襯砌之前，初期支護盡管不屬于防排水系統施工范疇，但它們與防排水系統施工密切相關，初期支護表面平順(指表面凹凸部分的矢高/弦長≤1/6)時，就可減去掛防水板前局部找平這一環節，且能保證防水板與噴射混凝土表面密貼，同時射釘之間防水板松弛量的預留易得到合理控制。

以滬昆鐵路梨子坪隧道項目為例，防水板施工采用無釘鋪設工藝。施工采用傳統的簡易工作架人工進行鋪設，一般6～8人/組，3～4 h施工1個幅寬循環(寬度3m含土工布鋪設固定及防水板的鋪設焊接)，2幅防水板的搭接使用自動爬行焊機進行焊接。

施工時，首先用裝載機移動簡易工作架至合適位置，如圖1所示。

人工進行防水板鋪設施工關鍵工序可分為鋪設—支撐—焊接。各工序作業人員勞動強度大(見圖2)，鋪設速度慢，防水板鋪設質量主要依賴于工人的技術水平，隨意性大，防水板鋪設質量受到影響從而影響襯砌的質量，造成隧道滲、漏水等病害，縮短隧道的使用壽命。

基于以上因素，進行防水卷材鋪設裝置的研究是提高隧道機械化施工技術水平的有效途徑。

2 新型防水卷材鋪設裝置的工作原理

自動行走的鋪設作業臺車上設置有與隧道斷面相似的仿輪廓面鋪設軌道，以液壓馬達作為動力的鋪設裝置沿鋪設軌道行走的同時使防水卷材沿隧道輪廓面環向展開，后輻射狀的伸縮支撐油缸進行有效支撐，從而實現防水卷材的機械化自動鋪設和支撐。工人在作業平臺上進行固定或焊接，結束后縮回支撐油缸。

目前人工鋪設施工作業主要由土工布鋪設、固定—防水板鋪設—棍棒支撐—焊接等工序組成。土工布由工人在開挖輪廓面上射釘固定，射釘位置由于開挖輪廓面的不平整難以規則布置，造成防水板焊接時很難自動找正焊釘位置來實現自動焊接。

由于鋪設施工工藝的限制，新型防水卷材鋪設裝置主要解決了防水卷材在開挖輪廓面上的自動鋪設和自動支撐難題，還不能實現防水板的自動焊接。

3 新型防水卷材鋪設裝置

新型防水卷材鋪設裝置的設計在參考傳統模板臺車結構設計［7－8］的基礎上，對以下主體結構進行改進，詳見圖3。

圖3 新型防水卷材鋪設裝置Fig.3 New type of waterproofing coil laying equipment

3.1 自動行走系統①

原施工現場的簡易作業臺架移動工位時需要裝載機配合完成，鋪設臺車自動行走功能提高了設備的機動性?？紤]到二次襯砌模板臺車行走亦需鋪軌，鋪設臺車自動行走系統和模板臺車使用同一軌道(即相同軌距)，避免了重復鋪軌。

對于有特殊坡度需求的施工現場，要對自動行走系統進行牽引力核算，確保行走系統的安全可靠。

3.2 鋪設臺車②

鋪設臺車包括鋪設臺架、作業平臺、升降支腿、通風管道、爬梯、防水卷材安裝平臺等。

鋪設臺架是鋪設裝置的主要承重部分，因此臺架整體必須有足夠的強度和剛度及抗沖擊性能，以保證作業時的安全、平穩;臺架設計時須考慮最大車輛通過凈空和減小掌子面空氣回流的阻力。作業平臺供人工鋪設時土工布打射釘和防水板的焊接，必要時可設置翻轉平臺供作業人員接近超挖的輪廓面。升降支腿可在一定程度上適應超、欠挖的輪廓面。通風管道用于鋪設風管，設計時需要施工方對風管的鋪設位置、有效斷面直徑等進行詳細的技術交底。爬梯供作業人員上下臺架，且同側的爬梯用于連通上、中、下3層作業平臺。防水卷材安裝平臺用于防水卷材的放置和安裝。

3.3 鋪設軌道③

鋪設軌道(見圖4)是鋪設裝置鋪設時的仿輪廓面行走軌道，可以保證防水板和開挖面鋪設的貼合度。為便于運輸和裝配，鋪設軌道一般設計分割為可互換的數段。

圖4 鋪設軌道Fig.4 Track laying

鋪設軌道連接鋪設裝置和鋪設臺架，在鋪設和支撐作業時承重較大，其本身的剛度和強度應該能夠滿足使用要求。

3.4 鋪設裝置④

鋪設裝置(見圖5)是實現防水卷材沿輪廓面展開的裝置，其進行往復運動的牽引動力是液壓馬達。鋪設裝置依靠行走輪使其沿鋪設軌道行走，為了避免兩側馬達不同步，在軌道的側部設置了側導向輪。

圖5 鋪設裝置Fig.5 Waterproofing coil laying device

鋪設臂用來安裝、固定防水卷材;調整油缸用于鋪設半徑的微調;車架為鋪設裝置的主框架，是承載主體。

3.5 支撐裝置⑤

支撐裝置(見圖6)是防水卷材沿輪廓面的動力支撐，沿鋪設軌道圓周呈輻射狀分布，由液壓油缸、球鉸橡膠撐靴、安裝座等組成。球鉸橡膠撐靴適用于凹凸不平的隧道毛輪廓面，有效地避免了在支撐過程中對防水卷材的硬損傷。

圖6 支撐裝置Fig.6 Waterproofing coil supporting device

3.6 液壓系統⑥

液壓系統是完成鋪設臺車支腿升降和實現防水卷材支撐的關鍵系統，液壓系統的設計類比了二次襯砌用鋼模板臺車的液壓系統。需要說明的是:為了保護防水卷材支撐油路，所需工作壓力較小，而支腿油路所需的工作壓力較高些。在滿足使用要求的情況下，綜合考慮各種因素，液壓系統的額定壓力調定為6.3 MPa，支腿分系統工作壓力調定為5.5 MPa，支撐分系統工作壓力調定為2 MPa，鋪設分系統工作壓力調定為6.3 MPa，鋪設行走牽引采用靜液壓雙制動，確保鋪設作業的安全性。

3.7 電氣系統⑦

電氣系統采用PLC控制，較繼電器控制方式更穩定、可靠，查找故障更加方便、準確。

設置本地或無線遙控操作模式，更適應復雜工況下的隧道作業。

4 需注意的幾個問題

4.1 設計與制造

4.1.1 設計要求

進行方案設計前務求技術交底正確、詳盡，再考慮加工制作、運輸及安裝的可行性。需要確認的邊界條件有:1)隧道斷面輪廓尺寸;2)防水卷材的幅寬;3)通風管道的位置;4)最大車輛通過凈空;5)鋪設臺車行走路況及二次襯砌模板臺車行走軌距;6)洞內其他邊界條件。

4.1.2 制造要求

在進行鋪設軌道的加工時，應注意單段軌道焊接時的變形控制;在軌道預裝配時，確保軌道連接處臺階控制在2 mm以內，否則會造成鋪設裝置行走阻力增大。

4.2 鋪設施工

1)測量放中線鋪軌時，要求軌道對中誤差控制在10 mm內。

2)鋪設時及時支撐可使防水卷材和隧道毛輪廓的貼合度較好。

3)支撐時在超、欠挖地段注意控制支撐油缸的伸縮量，以保護防水卷材的完好性。

4)整圈鋪設、整圈多人同時焊接，可提高鋪設速度。

5)支撐油缸可單獨或聯動動作，提高工效。

6)在鋪設施工時，可根據毛輪廓面的超、欠挖程度適時微調鋪設調整油缸，以提高鋪設裝置的通過率。

5 工業性試驗

新型防水卷材鋪設裝置工業性試驗在滬昆鐵路湖南段梨子坪隧道出口進行。工業性試驗按照隧道邊墻—拱頂—邊墻鋪設順序，采用新型防水卷材鋪設裝置鋪設土工布和防水板。新型防水卷材鋪設裝置樣機如圖7所示。

圖7 新型防水卷材鋪設裝置樣機Fig.7 Prototype of new type of waterproofing coil laying equipment

結合工程的施工情況，新型防水卷材鋪設裝置能夠滿足防水卷材在開挖輪廓面上的自動鋪設和自動支撐。表1和表2為機械鋪設和人工鋪設方式對比。

表1 土工布2種鋪設方式對比表Table 1 Comparison and contrast between 2 kinds of geo-textile laying methods

表2 防水板2種鋪設方式對比表Table 2 Comparison and contrast between 2 kinds of waterproofing membrane laying methods

6 結論與討論

1)采用新型防水卷材鋪設裝置進行防水卷材的鋪設，減少了人員投入，節約了人工成本，大大降低了工人勞動強度，安全性能高，同時又提高了鋪設的效率和質量，具有良好的社會經濟效益。

2)由于鉆爆法開挖面的凹凸不平及射釘位置的不規則，目前本方案暫不能實現防水板的自動焊接。

3)本方案雖實現了防水卷材的自動鋪設和支撐，但未必是最優的方案，還有待于驗證。

新型防水卷材鋪設裝置的研制是對隧道鋪設大幅寬防水材料機械化施工的一個探索，對提高我國鐵路隧道快速施工技術水平和施工裝備國產化具有重要的意義。

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