隧道拱頂管片運輸拼裝設(shè)備及拼裝工藝研究

何海兵

（中鐵十一局集團有限公司 湖北武漢 430061）

1 前言

二次襯砌是相對初期支護而言，指在隧道完成初期支護條件下，在初期支護內(nèi)側(cè)施作模筑混凝土或鋼筋混凝土的內(nèi)層襯砌，不僅保證隧道結(jié)構(gòu)使用安全，又能起到優(yōu)化路線防排水系統(tǒng)、美化外觀等作用。目前，國內(nèi)隧道工程一般以礦山法［1－2］開挖施工工藝為主，以礦山法中圍巖與支護相互變形、互相協(xié)調(diào)的原理指導(dǎo)施工，強調(diào)支護結(jié)構(gòu)同圍巖共同受力、變形。但在隧道施工過程中，采用這種傳統(tǒng)礦山法開挖的施工工藝，尤其在二次襯砌作業(yè)時，主要存在如下缺陷：一是施工過程中以人工作業(yè)為主，機械施工占比小，作業(yè)時間長，加上洞內(nèi)作業(yè)條件差，造成隧道工序質(zhì)量控制困難；二是在隧道拱部二次襯砌施工，存在初期支護和二次襯砌背后脫空、二襯厚度不足、裂紋、滲漏水、施工縫錯臺、混凝土強度不均或不足等問題［3－6］。

上述質(zhì)量缺陷主要集中在隧道拱部，由于砼存在干縮，頂部砼出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疏松、空洞等質(zhì)量缺陷為必然現(xiàn)象。即使采用整體式液壓模板臺車配輸送泵澆筑二襯砼，增強了砼流動性，但在澆筑拱部二襯砼時，因砼缺乏振搗，加上二襯砼澆筑至接近滿倉狀態(tài)時，泵壓易破壞臺車面板引發(fā)事故，導(dǎo)致隧道拱部砼不密實、冷縫、砼離析、二襯接頭擠壓開裂、隧頂與防水板之間存在空隙等二襯質(zhì)量缺陷成為常態(tài)。這些質(zhì)量缺陷對隧道的運營安全造成很大影響，運營隧道二襯質(zhì)量缺陷整治工作量巨大且整改困難。

目前，國內(nèi)外拼裝式襯砌主要應(yīng)用于盾構(gòu)法、TBM施工隧道，在城市地鐵建設(shè)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟［7－10］。國外在日法聯(lián)合開發(fā)大型拱形結(jié)構(gòu)，跨度達12 m，通過無收縮砂漿與邊墻形成剛性連接；俄羅斯采用單拱結(jié)構(gòu)基本原理，修建了圣彼得堡和奧林匹克地鐵站。國內(nèi)鐵路山嶺隧道建設(shè)中，西康鐵路秦嶺I線隧道采用TBM掘進，仰拱采用預(yù)制構(gòu)件，提高了隧道施工安全性。資料分析表明，裝配式襯砌能夠有效控制施工質(zhì)量，針對其研究已較為成熟，但是全環(huán)裝配式襯砌投資較礦山法隧道投資增加較多，礦山法鐵路隧道應(yīng)用裝配式襯砌經(jīng)濟性較差。

基于上述原因，本文提出了隧道拱部采用預(yù)制管片拼裝的施工工藝，即邊墻采用原來現(xiàn)場澆筑方法澆筑，待強度滿足要求后，利用拼裝設(shè)備對拱頂管片進行安裝，然后張拉成形，最后注漿完成施工。該工藝所采用管片為裝配式結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)工廠化加工、機械化安裝，不僅能提高施工質(zhì)量，還能降低成本、改善隧道施工環(huán)境。因此，從施工質(zhì)量和經(jīng)濟性綜合考慮，采用拱部局部預(yù)制管片拼裝工藝是必要的。為滿足施工工藝要求，研發(fā)設(shè)計了預(yù)制管片運輸、提升、拼裝專用設(shè)備，用于隧道拱頂預(yù)制管片拼裝施工，填補了國內(nèi)高速鐵路山嶺隧道中拱部管片預(yù)制拼裝設(shè)計、施工技術(shù)方面的空白。

2 設(shè)備方案

預(yù)制管片運輸、拼裝設(shè)備主要由管片運輸車、管片提升門吊、邊墻襯砌臺車及管片安裝機四個設(shè)備組成，如圖1所示。管片運輸車用于將拱頂管片由預(yù)制場運輸?shù)绞┕すの唬还芷嵘T吊用于將管片從運輸車提升到安裝機上；安裝機與隧道邊墻襯砌臺車共用走行軌道，安裝機的安裝小車可在邊墻臺車門架上自行移動，實現(xiàn)管片對位安裝。

圖1 管片運輸、拼裝設(shè)備

2.1 管片運輸車

管片運輸車為2軸運輸車，該機額定載重量50 t。整機采用液壓驅(qū)動，微電控制，可以實現(xiàn)無極調(diào)速，車輛能夠以較高的車速快速行走和較低的穩(wěn)定速度移動對位。設(shè)計的液壓懸掛系統(tǒng)，可以實現(xiàn)車輛整體升降或單點升降，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多種轉(zhuǎn)向模式；設(shè)置的調(diào)節(jié)機構(gòu)可以保證實現(xiàn)運輸過程中節(jié)段梁牢固不產(chǎn)生滑移。

管片運輸車主要由車架、驅(qū)動懸掛、制動懸掛、管片旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、伸縮立柱、動力模塊、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、駕駛室等組成，如圖2所示。

圖2 管片運輸車

2.2 管片提升門吊

管片提升門吊是隧道內(nèi)拱頂管片施工專用門吊，配合管片運輸車及管片安裝機進行工作，主要功能是在隧道內(nèi)吊運管片，滿足將管片從運輸車取下并將吊裝到邊墻臺車管片頂升機構(gòu)上的要求。

管片門吊主要由門架結(jié)構(gòu)、大車運行機構(gòu)、電動葫蘆、專用吊具、電器系統(tǒng)等組成；門架結(jié)構(gòu)主要由主梁、支腿、下橫梁組成；大車運行機構(gòu)包含電機、減速機、車輪組，如圖3所示。

圖3 管片提升門吊

2.3 邊墻襯砌臺車

邊墻臺車用于隧道邊墻二襯施工，其頂升機構(gòu)用于放置管片，輔助安裝小車完成拱頂管片安裝。

邊墻臺車基于傳統(tǒng)襯砌臺車［11－12］原理設(shè)計，由走行機構(gòu)、門架、安裝小車走行軌道、模板、頂升機構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等主要部分組成，如圖4所示。

圖4 邊墻襯砌臺車

2.4 管片安裝機

管片安裝機由走行機構(gòu)、門架、小車走行軌道、安裝小車、管片壓緊機構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等主要部分組成，如圖5所示。

圖5 管片安裝機

3 施工工藝

隧道邊墻通過邊墻臺車先完成施工，通過標準化梁場的預(yù)制鐵路隧道拱頂管片，采用管片運輸、安裝設(shè)備完成管片拼裝。每次運輸1組管片，每組2片，完成6組管片安裝后，進行拱部注漿，從而完成12 m隧道施工，具體施工流程如下：

（1）管片預(yù)制完成，達到設(shè)計要求后，通過管片運輸車馱運管片至吊裝位置，將管片旋轉(zhuǎn)90°。

（2）門吊移動至管片上方，通過專用吊具將管片吊起。

（3）門吊吊裝管片后，整機后退，將運輸車上的第二組管片旋轉(zhuǎn)至裝運狀態(tài)。

（4）門吊吊裝管片至邊墻臺車前段管片頂升機構(gòu)上，同時管片安裝設(shè)備與邊墻臺車進行對軌。

（5）門吊后退，邊墻臺車頂升機構(gòu)將管片頂升1.6 m，安裝小車從安裝設(shè)備移動至管片正下方，繼續(xù)頂升管片。

（6）安裝小車頂升管片距離洞頂5 cm，橫移機構(gòu)調(diào)整管片中心與隧道中心對齊后，安裝小車馱運管片返回安裝設(shè)備。

（7）管片安裝設(shè)備整機后退至管片安裝位置附近，通過安裝小車將管片移動到安裝位，安裝小車頂升機構(gòu)回落，管片落在安裝位置。

（8）管片安裝設(shè)備上管片壓緊機構(gòu)通過油缸壓緊管片。

（9）收回管片壓緊機構(gòu)，安裝設(shè)備前行與邊墻臺車對位。

（10）運輸車上第二組管片旋轉(zhuǎn)90°；門吊吊起第二組管片。

（11）運輸車返回，繼續(xù)托運管片，門吊將第二組管片放于邊墻臺車頂升機構(gòu)上。

（12）重復(fù)4～9步完成第二組管片安裝。

（13）按以上步驟完成剩余4組管片安裝，再進行拱部張拉，最后隧道拱部注漿，完成12 m隧道施工。

4 工程應(yīng)用

該預(yù)制管片運輸、拼裝專用設(shè)備及施工工藝已在重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道試用。胡家溝隧道位于重慶市北碚區(qū)東陽鎮(zhèn)境內(nèi)重慶東環(huán)線襄渝聯(lián)絡(luò)線上，為單洞雙線隧道，設(shè)計速度120 km/h。隧道全長228 m，最大埋深27 m，進口段87 m位于半徑為R＝400 m的左偏曲線上，出口段5 m位于R＝1 200的左偏曲線上，中間136 m為直線，設(shè)計縱坡為－3.6‰～1‰。

結(jié)合鐵路隧道施工現(xiàn)場條件，進行了拱頂管片拼裝工藝和工法試驗（見圖6），形成一整套合理可行的礦山法施工鐵路隧道襯砌拱部預(yù)制拼裝設(shè)計及施工工藝，解決目前礦山法施工鐵路隧道拱部襯砌強度不足、厚度不足、不密實、背后脫空、掉塊等質(zhì)量缺陷問題。一是避免運營期間二襯掉塊危及行車安全和旅客生命財產(chǎn)安全，二是避免項目開通發(fā)生病害后耗費大量的人力物力進行整治，三是避免整治期間對運輸組織和運輸秩序的嚴重影響。

圖6 現(xiàn)場管片拼裝施工

5 結(jié)論

本文詳細介紹了管片運輸、拼裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成及施工工藝，為隧道裝配式施工提供了新的裝備和思路。通過隧道拱部預(yù)制拼裝工藝，解決目前礦山法施工鐵路隧道拱部襯砌強度不足、厚度不足、不密實、背后脫空、掉塊等質(zhì)量缺陷問題，工程試用得到驗證。該施工工藝的優(yōu)點及意義如下：

（1）避免運營期間二襯掉塊危及行車安全和旅客生命財產(chǎn)安全。

（2）避免項目開通發(fā)生病害后耗費大量的人力物力進行整治。

（3）避免整治期間對運輸組織和運輸秩序的嚴重影響。

（4）在國內(nèi)高速鐵路山嶺隧道中，填補了拱部管片預(yù)制拼裝設(shè)計、施工技術(shù)方面研究空白。

（5）新裝備、新工藝的應(yīng)用實施有助于隧道施工質(zhì)量的提高，具有很好的應(yīng)用前景與實用價值。