充填混凝土防水板鋪掛技術(shù)及裝備研究

賀顯林

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隨著我國(guó)“中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃”“八縱八橫“和一帶一路等戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)鐵路建設(shè)飛速發(fā)展。截至2020年底，我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道約1.7萬(wàn)座，總長(zhǎng)接近2萬(wàn)km，現(xiàn)已成為世界隧道大國(guó)[1]。然而，由于我國(guó)鐵路隧道數(shù)量和長(zhǎng)度的不斷增長(zhǎng)，大量襯砌施工缺陷陸續(xù)暴露。例如，隧道防水板與初支之間的空洞[2]、二襯混凝土不密實(shí)[3]、強(qiáng)度及厚度不足、涌水、漏水等[4]。這些問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響隧道運(yùn)營(yíng)安全、降低隧道使用壽命。在隧道施工時(shí)，防排水系統(tǒng)施工不規(guī)范，漏焊和焊穿在防排水板破壞事故中占較大比例[5]。傳統(tǒng)的防排水板施工工藝已經(jīng)不能保證隧道襯砌防水質(zhì)量，因此研究新的襯砌防排水板施工技術(shù)成為保證隧道襯砌防水質(zhì)量的必然需求。

2 隧道防水板施工質(zhì)量問(wèn)題分析

在隧道初期支護(hù)施工中噴射混凝土表面往往凹凸不平，防水板鋪掛時(shí)必須保留適當(dāng)富余量。當(dāng)富余量過(guò)大會(huì)造成防水板的扭曲、折皺；而富余量不足會(huì)造成防水板拉伸甚至撕裂[6]，背后易形成空洞，這是隧道防水板破損的主因。此外，噴射混凝土面的凹凸約束了混凝土的收縮動(dòng)態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致二次襯砌產(chǎn)生有害裂縫[7]。隧道施工現(xiàn)場(chǎng)條件艱苦，噴射混凝土表面鋼筋頭外露時(shí)有發(fā)生，防水板直接鋪掛在噴射混凝土表面時(shí)容易被外露的鋼筋頭刺傷或刺穿[8]，因而造成滲漏，這也是防水板破損的主因之一。

由此可見(jiàn)，隧道防水板鋪設(shè)施工中，由于施工工藝的落后和現(xiàn)場(chǎng)管理不到位，易造成隧道防水系統(tǒng)施工出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。因此，必須改進(jìn)傳統(tǒng)防水板施工工藝，以工裝保工藝、工藝保質(zhì)量，更好地保證襯砌防排水施工質(zhì)量和二襯質(zhì)量。

3 充填混凝土防水板鋪掛技術(shù)及流程

為解決上述襯砌施工中存在的問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者對(duì)襯砌背面防水板平滑化的襯砌施工技術(shù)進(jìn)行了研究[9]。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了深入研究，提出新的防水板施工工藝——充填混凝土防水板鋪掛技術(shù)，并研制出配套施工的充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車。

3.1 充填混凝土防水板鋪掛技術(shù)

將防水板直接攤鋪在充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車(簡(jiǎn)稱防水板鋪掛臺(tái)車)模板外表面，然后向防水板和噴混凝土間的空隙充填輕質(zhì)混凝土，進(jìn)而將防水板粘接在混凝土表面。此工法鋪設(shè)的防水板表面平整、光滑、背后無(wú)空洞如圖1所示。施工流程如圖2所示。

圖1 防水板施工原理

圖2 防水板施工流程

3.2 充填混凝土厚度及材料要求

為了防止頂部充填混凝土在防水板重量作用下發(fā)生塌落，同時(shí)考慮防水板后隧道排水管布置，充填混凝土厚度不宜過(guò)薄并有足夠的強(qiáng)度。因二次襯砌厚度必須滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)盡量減少因充填混凝土厚度對(duì)開(kāi)挖斷面尺寸的影響，綜合測(cè)算后，充填混凝土厚度應(yīng)控制在8～10 cm。

為保證隧道圍巖內(nèi)的排水能順利滲出并沿防水板集中排出，充填混凝土應(yīng)有較好的憎水性能。因防水板后混凝土充填空間小，并且防水板外布置有環(huán)向排水管，混凝土需要從端頭注入，因此充填的混凝土需有較好的流動(dòng)性，并且采用帶壓泵送方式泵入。經(jīng)試驗(yàn)分析，充填材料配比見(jiàn)表1，材料表觀密度為2 055 kg/m3。

表1 充填材料配比 kg

4 充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車研究

4.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車不僅需要具備防水板自動(dòng)鋪掛功能，還應(yīng)具有帶壓澆筑襯砌臺(tái)車襯砌功能。此外，臺(tái)車在隧道內(nèi)施工作業(yè)時(shí)，施工車輛和設(shè)備能從其內(nèi)部穿行，內(nèi)凈空保證寬×高不小于3.5×4.5 m。

根據(jù)工況條件，防水板鋪掛臺(tái)車門架與普通襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)相近，走行系統(tǒng)由輪軌式改用輪胎式，方便移動(dòng)。臺(tái)車兩端布置有環(huán)向軌道，軌道上安裝有防水板鋪掛小車，用于鋪設(shè)寬幅防水板。其中，后鋪掛小車安裝有爬焊機(jī)，用于焊接防水板環(huán)縫。工作采用遙控控制或全自動(dòng)控制。

4.2 鋪掛臺(tái)車設(shè)計(jì)

4.2.1 結(jié)構(gòu)組成

充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車具有防水板鋪掛和混凝土灌注功能，結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由走行系統(tǒng)、升降橫移機(jī)構(gòu)、爬梯平臺(tái)、臺(tái)車模板、氣囊端模、掛布小車、掛布小車軌道、臺(tái)車門架、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、換向托滾等部分組成。臺(tái)車結(jié)構(gòu)輕便，總重量約35 t。

圖3 充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車斷面

臺(tái)車具有自動(dòng)行走、防水板自動(dòng)鋪設(shè)、環(huán)向防水板自動(dòng)焊接等功能。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)

4.2.2 臺(tái)車門架設(shè)計(jì)

門架結(jié)構(gòu)由上下縱梁、上下橫梁、斜支撐等組成，是防水板鋪掛臺(tái)車主要承力結(jié)構(gòu)。臺(tái)車在充填混凝施工時(shí)，混凝土壓力通過(guò)模板、絲杠等傳遞到門架上。

通過(guò)傳統(tǒng)襯砌臺(tái)車測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土灌注高度約到側(cè)模頂時(shí)，臺(tái)車應(yīng)力和變形最大[10－11]。

(1)臺(tái)車混凝土壓力分析計(jì)算

?建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范?(JGJ 162—2008)規(guī)定:混凝土側(cè)壓力以流體靜壓力原理為基礎(chǔ)，并結(jié)合澆筑速度與側(cè)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)而得出。新澆筑混凝土作用于模板的最大側(cè)壓力可按下列公式計(jì)算，取兩者的較小值。

式中:F為新澆混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力計(jì)算值(kN/m2)；γc為混凝土的重力密度(kN/m3)，取γc＝20.5；V為混凝土的澆筑速度(m/h)，取V＝1；to為新澆混凝土的初凝時(shí)間(h)，取to＝8；β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m)，取H＝3。β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于30 mm時(shí)，取0.85；坍落度為50～90 mm時(shí)，取1.00；坍落度為110～150 mm 時(shí)，取 1.15，本文取β2＝1.15。

按式(1)計(jì)算:

F1＝49.8 kN/m2

按式(2)計(jì)算:

F2＝γcH＝61.5 kN/m2

因F1

(2)臺(tái)車應(yīng)力分析

臺(tái)車計(jì)算模型前后、左右完全對(duì)稱。為減小建模工作量，提高分析效率，分析時(shí)取臺(tái)車1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其有限元分析模型如圖4所示。

圖4 臺(tái)車有限元模型

利用有限元分析計(jì)算臺(tái)車在側(cè)模50 kPa面荷載作用下的應(yīng)力和變形[12]，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 臺(tái)車受力應(yīng)力云圖

圖6 臺(tái)車受力變形云圖

經(jīng)分析，臺(tái)車的應(yīng)力除1個(gè)集中點(diǎn)達(dá)294.7 MPa外，整體最大應(yīng)力178 MPa，其余大部分應(yīng)力均小于100 MPa(見(jiàn)圖5)；臺(tái)車最大變形約4.63 mm(見(jiàn)圖6)。其應(yīng)力和形變均在許用范圍內(nèi)。

5 輕質(zhì)充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車應(yīng)用

5.1 臺(tái)車自動(dòng)走行技術(shù)

臺(tái)車具有自動(dòng)走行、升降和橫移功能，用于臺(tái)車移位和精調(diào)對(duì)中。

臺(tái)車走行系統(tǒng)由兩組主動(dòng)輪對(duì)和兩組從動(dòng)輪組組成，其分別布置在臺(tái)車的前后端，支撐臺(tái)車并驅(qū)動(dòng)臺(tái)車移動(dòng)。所有輪對(duì)都安裝有液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于控制主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組分別同步轉(zhuǎn)向，方便臺(tái)車通過(guò)曲線。主動(dòng)和從動(dòng)輪對(duì)均使用實(shí)心輪胎，不需鋪設(shè)軌道，減少鋪軌、移軌等環(huán)節(jié)，移動(dòng)更加靈活、方便。

臺(tái)車兩端都安裝有升降橫移系統(tǒng)，用于保證臺(tái)車中心在鋪設(shè)防水板時(shí)與隧道中心精確對(duì)中。

5.2 防水板自動(dòng)鋪掛技術(shù)

防水板采用掛布系統(tǒng)自動(dòng)鋪掛(見(jiàn)圖7)，防水板環(huán)縫由后掛布小車帶動(dòng)爬焊機(jī)自動(dòng)焊接。

圖7 掛布系統(tǒng)

掛布系統(tǒng)是鋪設(shè)臺(tái)車的主要工作機(jī)構(gòu)，主要由前掛布小車、后掛布小車和防水板牽引軸、軌道等組成。前后掛布小車均安裝有減速電機(jī)，減速電機(jī)輸出軸上安裝有齒輪，與軌道頂面的大齒圈嚙合，驅(qū)動(dòng)掛布小車沿軌道爬行。工作時(shí)，防水板牽引軸夾持防水板，前后掛布小車的減速電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)掛布小車、牽引軸一起拖拽防水板沿臺(tái)車模板表面移動(dòng)，將防水板整體覆蓋在臺(tái)車模板外表面。

(1)前掛布小車

前掛布小車由走行輪、輪箱、減速電機(jī)、帶立式座軸承、支座和電動(dòng)卷筒等組成。車輪成對(duì)布置卡在弧形軌道內(nèi)，導(dǎo)引掛布小車沿軌道運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)卷筒給減速電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)輸出端的小齒輪與軌道頂部的齒圈相嚙合，沿軌道運(yùn)動(dòng)。

(2)后掛布小車

后掛布小車(見(jiàn)圖8)由走行輪、減速電機(jī)、導(dǎo)柱、電動(dòng)卷筒、帶立式座軸承、爬焊機(jī)、連桿、電動(dòng)推桿和輪箱等組成，具有掛布和帶爬焊機(jī)自動(dòng)焊接兩種功能。

圖8 后掛布小車

走行輪成對(duì)布置，卡在弧形軌道內(nèi)，導(dǎo)引掛布小車沿軌道運(yùn)動(dòng)。

掛布工作時(shí)，功能類似前掛布小車。防水板牽引軸穿過(guò)帶立式座軸承，前后掛布小車共同前進(jìn)，拖拽防水板沿臺(tái)車模板表面移動(dòng)，將防水板整體覆蓋在臺(tái)車模板外表面，完成防水板攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。

焊接防水板時(shí)，后掛布小車上的傳感器自動(dòng)檢測(cè)爬焊機(jī)與模板表面的距離，控制電動(dòng)推桿伸縮，自動(dòng)調(diào)節(jié)爬焊機(jī)的高度，保證爬焊機(jī)焊接面與臺(tái)車模板面齊平，確保防水板在焊接時(shí)無(wú)扯皺。后掛布小車沿軌道一周，爬焊機(jī)完成與上一模防水板之間的環(huán)縫焊接。

5.3 防水板自動(dòng)鋪掛技術(shù)特性

(1)防水板自動(dòng)鋪掛，不需人工拖拉，自動(dòng)焊接固定防水板，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高。

(2)防水板鋪掛表面平整、光滑，無(wú)褶皺、無(wú)撕裂頂穿等質(zhì)量問(wèn)題。

(3)防水板背后密實(shí)、無(wú)空洞。

5.4 樣機(jī)試制

防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車樣機(jī)已完成加工、裝配和基本功能試驗(yàn)，后期計(jì)劃在廠內(nèi)隧道模型完成防水板鋪設(shè)試驗(yàn)和混凝土充填灌注模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證防水板自動(dòng)鋪掛技術(shù)和臺(tái)車是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)理論研究，充填混凝土防水板鋪掛技術(shù)能夠保證防水板鋪設(shè)平順，無(wú)褶皺、無(wú)撕裂和頂穿等現(xiàn)象，可以有效提高隧道二襯防水質(zhì)量。配套的充填混凝土防水板鋪掛臺(tái)車可以實(shí)現(xiàn)防水板自動(dòng)鋪掛、自動(dòng)焊接，確保充填混凝土防水板鋪掛技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。充填混凝土防水板鋪掛技術(shù)和裝備具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。