裝配式隧道仰拱拼裝技術研究及裝備研制

田殿軍

（中鐵長安重工有限公司 陜西西安 710032）

1 引言

仰拱是一種設置在隧道底部的反向拱形結構，能夠改善隧道結構受力條件，對隧道的長期穩定性和運營安全性有重要影響［1］。

在鐵路隧道運營中，由于列車長期振動作用，導致仰拱開裂、變形等病害，產生安全隱患，影響列車正常通行，甚至造成安全事故［2］。究其原因，是現澆仰拱施工質量受混凝土、施工工序、施工環境等因素影響所致。大力推進裝配式建筑是國家建筑行業的重要發展方向，但山嶺隧道往往地質條件復雜多變，完全借鑒綜合管廊、地鐵、山嶺隧道的TBM法預制裝配式經驗，難以實現隧道襯砌斷面整體裝配［3－5］。因此在鉆爆法隧道施工中優先實現仰拱的裝配式施工，研究裝配式仰拱拼裝工藝技術，研制鉆爆法隧道仰拱拼裝配套裝備，成為最迫切的需求［6－7］。

2 裝配式仰拱

2.1 工況特點

傳統現澆仰拱采用仰拱棧橋和模板實現仰拱開挖、澆筑施工。仰拱棧橋保證掌子面施工不中斷，在棧橋下部進行仰拱施工。但開挖面長、施工時間長、澆筑后等強時間長，不能及時實現封閉成環，尤其對于軟弱破碎圍巖隧道，易造成隧道斷面變形進一步增大，給隧道施工帶來安全隱患。同時大多數隧道施工使用簡易棧橋，施工安全性沒有保障［8－11］。

裝配式仰拱采用仰拱塊工廠預制、現場拼裝的建造方式，具有工程質量易控制、施工速度快、作業環境好、標準化程度高、占用施工人員少等諸多優點。但與現澆仰拱施工對比具有以下難點：一是仰拱塊尺寸大、重量重，在隧道內運輸、拼裝難度大；二是取消仰拱棧橋，會在一段時間內中斷交通；三是采用裝配式仰拱后隧道施工工序及物流運輸需重新組織。因此需要對裝配式仰拱預制塊的結構形式及施工工藝進行深入研究。

2.2 仰拱塊結構形式

（1）分塊

考慮運輸超限，方便吊運、拼裝，結合施工工藝，研究仰拱分塊方案。以單線隧道為例，仰拱塊有2種分塊方案：一是橫向不分塊，縱向以1.5 m為一塊，如圖1a所示；另一種是橫向分塊，縱向以3 m為一塊，如圖1b所示。

圖1 單線隧道仰拱塊設計

（2）結構

現澆仰拱一般分為仰拱層和填充層，上部填充層為素混凝土，底部仰拱層為鋼筋混凝土，仰拱鋼筋和二襯鋼筋連成整體，二次襯砌混凝土施作完成后隧道結構形成閉環。

為了滿足仰拱強度和剛性要求，根據仰拱的作用，研究裝配式仰拱塊的結構。單塊為一個整體，外形為上表面和傳統現澆仰拱填充頂面相同，底面和仰拱開挖面弧形一致，內部預埋排水管道，設置起吊、張拉、定位、連接、注漿和防水等功能元素。

3 仰拱塊拼裝工藝研究

3.1 拼裝工藝

根據仰拱塊的結構特點，裝配式仰拱拼裝施工工序包括準備工作、拼裝施工、后期處理等。準備工作主要有仰拱開挖、基底處理、仰拱塊運輸等；拼裝工作主要有吊裝、對位、拼裝、擠緊等；后期處理主要有基底注漿、連接等。施工流程如圖2所示。

圖2 裝配式仰拱拼裝施工流程

結合隧道掌子面掘進速度（每天掘進約3 m），仰拱拼裝施工應緊跟掌子面掘進，每天拼裝3 m。

3.2 關鍵工序

（1）仰拱開挖

裝配式仰拱不允許有欠挖，需在仰拱開挖之后進行開挖面檢測，確保仰拱開挖尺寸滿足拼裝要求。

（2）定位處理

實現仰拱塊精確、牢固、可靠定位才能保證形成穩定受力結構，實現仰拱的功能，需采用合理、有效、快速的仰拱塊定位方法，在保證施工質量的同時提高施工效率。

（3）拼裝

根據施工工藝，仰拱拼裝包含多個步驟，如吊裝、旋轉、對位等。

3.3 仰拱塊定位方法

鉆爆法隧道施工仰拱開挖面，是一個與設計值有差別凹凸不平的弧面，如果直接在開挖面上拼裝仰拱塊，無法滿足仰拱塊的拼裝定位、精度、平整度等要求，必須在底部增加墊層或支撐塊。如果采用支撐墊塊定位法，除先固定支撐塊以外，還須在仰拱塊底部充填物料以穩定仰拱塊。充填方法受設備、材料及環境等因素的影響，難以實施。因此采用在仰拱開挖面上鋪設基礎墊層，調整弧面形狀和尺寸的定位方法。

3.4 墊層材料

和傳統仰拱的基底相同［12］，墊層材料應能形成穩定結構、滿足承載要求、便于快速鋪設等。借鑒有砟軌道施工經驗，選擇碎石作為墊層材料。對各種材料進行對比分析，見表1。

表1 各種墊層材料對比分析

3.5 墊層鋪設技術

采用碎石墊層，主要是解決設備問題，需研究幾個關鍵技術難題：一是如何運輸、存儲碎石；二是如何攤鋪成滿足要求的弧面；三是如何消除超挖帶來的厚度誤差；四是如何解決墊層鋪設裝置通車時放置問題。

根據仰拱底部墊層厚度10～15 cm，每塊縱向1.5 m，弧長7 m，加上超挖量，底部所需碎石約為1.5～2 m3。

采用人工縱橫向鋪設碎石，費時費力，難以鋪設成標準的弧形，應考慮機械鋪設。兼顧墊層鋪設和仰拱塊拼裝兩個方面，可用軌道運輸裝置方案，但受空間、重量、設備通行的限制，難以實現；如采用空中運輸，機械臂抓取拼裝鋪設，受隧道斷面和車輛通行限制，機械臂結構龐大，仍不可行。只能采用吊運拼裝鋪設方案，采用一種工裝，共用仰拱拼裝機起吊，完成墊層鋪設。

采用一種布料斗盛裝、運輸、鋪設碎石，布料斗用汽車運輸，仰拱拼裝裝備起吊、鋪設。布料斗底部為和仰拱塊底面相同的弧面，當做碎石鋪設的模具，確定標高后采用漏料填充底部間隙的方式鋪設碎石，配合料斗縱向平移，實現墊層鋪設。

4 拼裝裝備研制

目前完成了單線鐵路隧道仰拱拼裝裝備——YGPD30仰拱拼裝機的研制，并進入試驗階段。

4.1 總體設計

（1）工況條件

根據仰拱塊設計，仰拱拼裝機首先必須滿足起重量需求；其次在隧道內施工作業，施工設備必須能夠穿行，內部凈空間保證寬×高不小于3.5 m×4.5 m。

如圖1中方案a所示，仰拱塊橫向不分塊，縱向長度1.5 m，無需橫移，拼裝時需旋轉90°；方案b所示，仰拱塊橫向分兩塊，縱向長度3 m，需橫移，拼裝時不需要旋轉。

（2）總體方案

根據工況條件和仰拱塊拼裝工藝，仰拱拼裝機采用門式框架結構，輪軌式行走；起重量30 t，具有縱向、橫向、高度三個方向位置調節及角度調整功能；采用懸臂式結構，仰拱拼裝機行走在已拼裝好的仰拱塊上，前端伸出懸臂，在懸臂下方完成拼裝施工；設計專用的自動掛鉤、脫鉤的吊具，能夠360°旋轉；采用遙控控制或全自動控制；仰拱拼裝機應能滿足兩種仰拱塊的拼裝作業。

4.2 仰拱拼裝機設計

4.2.1 結構組成

仰拱拼裝機結構組成如圖3所示。仰拱拼裝機主要由門式車架、軌式走行系統、液壓支腿、縱移小車、橫移小車、起吊系統、液壓系統、電氣系統等組成。

圖3 仰拱拼裝機結構組成

（1）門架：門式框架結構，是整機主體結構；門架內部可保證施工設備通行。

（2）縱移、橫移小車：小車采用輪軌式走行，變頻電機驅動，保證在吊裝移動過程中仰拱塊穩定。

（3）起吊系統：2組電動葫蘆，1個吊具。吊具具有旋轉功能，實現仰拱塊360°旋轉；2組電動葫蘆可聯動也可單動，可實現仰拱塊角度調整。

（4）液壓系統：包含泵站、閥、管路及液壓支腿。

（5）電氣控制系統：控制整機所有動作，可實現人工遙控操作和全自動兩種控制模式。

（6）走行系統：采用輪軌式走行，三合一減速電機驅動，外接電源動力。

（7）液壓支腿：工作時支腿支撐地面，增加整機穩定性，同時實現整機調平。

4.2.2 設計計算

（1）整機平衡計算

仰拱拼裝機采用懸臂式結構，應保證仰拱拼裝機不會傾覆。以最前端支腿為支點計算力矩，防傾覆系數取s＝1.5，采用在后端立柱、橫梁內部填充混凝土的方式實現平衡。

（2）門架計算

門架作為仰拱拼裝機的主結構，主要由底梁、支腿、上縱梁、橫梁等組成。采用有限元分析計算門架，其計算結果如圖4～圖5所示。

圖4 仰拱拼裝機門架受力變形云圖

圖5 仰拱拼裝機門架應力云圖

（3）吊具計算

吊具分為上下兩層，上吊架通過滑輪和鋼絲繩與起吊葫蘆連接，下吊架裝有純機械自動掛鉤，實現仰拱塊的自動掛取和脫鉤，在降低勞動強度的同時提高了效率。兩層吊架之間設計有回轉支撐，實現吊具360°回轉。采用有限元分析計算吊具，下吊架計算結果如圖6所示。

圖6 下吊架受力分析應力云圖

4.2.3 技術特性及先進性

（1）機械化、自動化程度高，人員少、勞動強度低。只需1～2人，同時沒有高強度勞動。

（2）實現快速施工，提高施工安全系數。裝配式仰拱一個工作循環只需2～4 h，及時閉環，大幅提升了仰拱施工安全系數。

（3）保證內部車輛通行，減少對掌子面施工的影響。仰拱拼裝機采用門架式結構，隧道內所有施工設備可以從內部通過，不影響掌子面作業所需裝備通過。

（4）自動掛取仰拱塊，降低人員勞動強度。采用純機械全自動掛鉤，自動掛取仰拱塊，人工勞動量小，強度低、效率高。

（5）仰拱開挖面及墊層鋪設結果掃描，采用專業的激光掃描儀，形成三維可視化掃描結果，控制隧道超欠挖及仰拱預制件鋪設質量。

4.3 樣機試制

仰拱拼裝機樣機已完成試制，樣機如圖7所示。在工廠內搭建隧道模型，按照隧道設計開挖仰拱，預制仰拱塊，模擬隧道施工過程，驗證仰拱拼裝機是否達到設計要求。

圖7 仰拱拼裝機樣機

5 結束語

經過深入研究，裝配式仰拱施工對隧道掌子面施工影響很小，能夠實現裝配式仰拱在隧道內的應用，解決傳統仰拱施工存在的問題。

目前的試驗結果表明，仰拱拼裝機性能達到了設計要求，各項功能滿足施工需求，能夠實現仰拱塊自動掛取、起吊、旋轉、移動、拼裝等功能。