新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車在隧道施工中的應(yīng)用

■劉偉鋒

（福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，福州 350000）

隧道的防排水工程是隧道施工的重要環(huán)節(jié)，防水板施工質(zhì)量直接影響隧道工程整體的質(zhì)量。 隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工鋪設(shè)方法已無法滿足施工標(biāo)準(zhǔn)化的要求。 本項(xiàng)目對(duì)傳統(tǒng)簡(jiǎn)易臺(tái)架進(jìn)行了技術(shù)革新、反復(fù)計(jì)算論證，應(yīng)用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電纜卷線機(jī)構(gòu)、卷材提升機(jī)構(gòu)、安全制動(dòng)和防護(hù)機(jī)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)，提高隧道防水板鋪設(shè)的自動(dòng)化和機(jī)械化水平，可以大大減少人工操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)，提高施工效率和質(zhì)量，降低施工成本和風(fēng)險(xiǎn)，為項(xiàng)目施工帶來了更多的便利和效益。

1 工程概況

國(guó)道G324 線南安水頭新營(yíng)至廈門界段公路工程系省級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目總投資12.68 億元，建安費(fèi)8.56 億元，建設(shè)工期36 個(gè)月。 項(xiàng)目起點(diǎn)位于南安市水頭鎮(zhèn)新營(yíng)村西側(cè)，終點(diǎn)位于勞光水庫(kù)北側(cè)，道路全長(zhǎng)6.704 km，路寬55 m/33 m，采用雙向六/八車道一級(jí)公路兼城市道路功能標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。其中福鼎山隧道為雙洞三車道隧道， 隧道單洞長(zhǎng)3.453 km，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，橫坡為單向坡，縱坡主要為人字坡，最大縱坡為1.2%，最小縱坡為-0.5%，最大埋深370 m。 本隧道為特長(zhǎng)隧道單向掘進(jìn)，且反坡排水、通風(fēng)除塵難度大，是本項(xiàng)目的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2 新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目引用的新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1，主要由走行系統(tǒng)、臺(tái)車主體、牽引系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

圖1 新型防水板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 走行系統(tǒng)

走行系統(tǒng)分臺(tái)車主體和提升系統(tǒng)的爬行小車兩部分構(gòu)成。 臺(tái)車主體部分行走系統(tǒng)由行走輪箱、實(shí)心胎、 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、 電機(jī)減速機(jī)等部分組成走行裝置，分別置于臺(tái)車立柱下端，主要為實(shí)現(xiàn)臺(tái)車主體自動(dòng)行走。 軌道爬行小車部分由電機(jī)減速機(jī)、鋼絲繩、傳動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)向鋼輪、鋼絲繩及拉緊系統(tǒng)等部分組成走行裝置，主要為實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)防水板環(huán)向移動(dòng)和定位。

2.1.2 臺(tái)車主體

臺(tái)車主體由門架、弧形軌道、軌道支撐、操作平臺(tái)、爬梯及防護(hù)欄桿等部分構(gòu)成。 臺(tái)車長(zhǎng)度最大值為13.9 m，工作平臺(tái)長(zhǎng)度12 m，防水板鋪設(shè)寬度6 m，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮過車凈空高度≥4.5 m，寬度≥3.5 m。 各構(gòu)件為鋼板及型材而成，將不同的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件通過螺栓連接組裝成臺(tái)車主體。

2.1.3 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)分防水板伸縮定位裝置、臺(tái)車頂升裝置及防水板吊裝裝置三部分構(gòu)成。 防水板伸縮定位由液壓油缸、液壓系統(tǒng)、內(nèi)外伸縮滑套等組成，安裝于爬行小車上，主要為實(shí)現(xiàn)不同二襯厚度自由切換。臺(tái)車頂升裝置由液壓油缸、內(nèi)外伸縮滑套、液壓系統(tǒng)等組成，主要為實(shí)現(xiàn)臺(tái)車整體高程控制，可使工人在不同的工況下始終處于合理的工作環(huán)境。 防水板吊裝裝置由旋轉(zhuǎn)臂、小車軌道、葫蘆跑車及電動(dòng)葫蘆等組成，主要是將防水板等施工用品及機(jī)具吊裝至工作平臺(tái)上。

2.1.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、變量泵、液壓油箱、液壓油缸、冷卻器、控制閥等部分組成，液壓系統(tǒng)分頂升油缸和防水伸縮胎架兩部分。 在防水板鋪設(shè)過程中，液壓系統(tǒng)主要用于驅(qū)動(dòng)鋪掛臺(tái)車的移動(dòng)，以及控制鋪設(shè)機(jī)的各種動(dòng)作，如頂升、展開、對(duì)齊等。

2.2 工作原理

新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車工作原理是在傳統(tǒng)鋼筋臺(tái)車的基礎(chǔ)上，增加了弧形軌道、液壓系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。 首先，牽引系統(tǒng)以液壓馬達(dá)作為動(dòng)力，卷揚(yáng)機(jī)通過弧形軌道牽引防水卷材沿隧道輪廓面環(huán)向展開，防水卷材初步就位后，通過液壓系統(tǒng)的伸縮支撐將防水卷材精確就位并進(jìn)行有效支撐，從而實(shí)現(xiàn)防水卷材的機(jī)械化自動(dòng)鋪設(shè)和支撐[1]，新型防水板臺(tái)車實(shí)體見圖2。

圖2 新型防水板臺(tái)車實(shí)體

3 新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車施工工藝

本項(xiàng)目隧道起訖樁號(hào)為ZK232＋393～ZK235＋846，隧道單洞長(zhǎng)3 453 m。 隧道的防水層按設(shè)計(jì)要求采用400 g/m2的無紡布作為基層、厚度1.5 mm、寬度為5 m 的EVA 防水板作為面層，環(huán)向搭接寬度不小于10 cm。施工中采用12 m 長(zhǎng)的新型防水板臺(tái)車進(jìn)行土工布和防水板的掛設(shè)，采用系帶懸吊法固定，縱向搭接處用爬焊機(jī)進(jìn)行焊接施工，工藝流程圖見圖3。

圖3 防水板施工工藝流程

3.1 準(zhǔn)備工作

在施工前根據(jù)隧道輪廓線，設(shè)計(jì)組裝臺(tái)車并調(diào)試驗(yàn)收。 驗(yàn)收合格后，做好人員、材料、機(jī)具等各方面資源的準(zhǔn)備工作， 特別是防水卷材在進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，其物理力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。 同時(shí)，防水層鋪設(shè)前應(yīng)保證初期支護(hù)表面平整， 不得有鼓包、凹坑或者系統(tǒng)錨桿突出的情況，發(fā)現(xiàn)堅(jiān)硬物和不平整的地方應(yīng)立即處理。

3.2 鋪設(shè)土工布

作業(yè)臺(tái)車就位后，將整捆土工布放置于連接卷揚(yáng)機(jī)的軸心管上，其鋪設(shè)原理是通過卷揚(yáng)機(jī)的提升，由軸心管帶動(dòng)土工布環(huán)向展開并及時(shí)固定，實(shí)現(xiàn)邊鋪設(shè)邊固定。 鋪設(shè)作業(yè)應(yīng)從下往上進(jìn)行，先將土工布下邊緣反包在縱向排水管上，并安裝第一排固定器，用以固定土工布初始位置。 隨后，卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)軸心管每上升1.5～2 m 需停頓1 次， 便于固定土工布，依次類推直至完成整環(huán)土工布的鋪設(shè)。

3.3 鋪設(shè)防水板

土工布鋪設(shè)好后，開始鋪掛防水板，防水板的鋪設(shè)原理與鋪掛土工布原理一致，先將防水板放置于連接卷揚(yáng)機(jī)的軸心管上，通過卷揚(yáng)機(jī)的上升，帶動(dòng)防水板的環(huán)向展開。 卷揚(yáng)機(jī)提升的過程中，防水板的鋪設(shè)與錨固作業(yè)也是同時(shí)且交叉進(jìn)行，邊鋪設(shè)邊固定。 本項(xiàng)目防水板的固定采用系帶懸吊法，即由生產(chǎn)廠家定制掛繩，在防水板固定點(diǎn)的背面鋪設(shè)，到固定點(diǎn)時(shí)通過掛繩與土工布上的固定器相連，即完成了單點(diǎn)的固定。 與傳統(tǒng)的熱熔焊接相比，該方法具有操作簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)低、錨固質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。 防水板完成2 環(huán)鋪掛后，使用爬焊機(jī)由下向上將兩幅防水板搭接處焊接牢固，形成整體。

4 新舊防水板臺(tái)車工藝對(duì)比分析

4.1 施工質(zhì)量

與傳統(tǒng)的人工鋪設(shè)法相比， 新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車可實(shí)現(xiàn)防水卷材的自動(dòng)鋪掛， 減少了防水板因工人拖拉拽導(dǎo)致破損現(xiàn)象， 同時(shí)新型臺(tái)車單次鋪設(shè)寬度可達(dá)6 m，與傳統(tǒng)的3 m 板相比減少了防水板焊接接縫的數(shù)量，可以提高防水板整體的防水效果。

4.2 安全風(fēng)險(xiǎn)

新型防水板臺(tái)車主體框架由專業(yè)廠家加工制作并經(jīng)過荷載驗(yàn)算，其剛度滿足規(guī)范要求，施工中能保證臺(tái)車結(jié)構(gòu)安全可靠。 同時(shí)臺(tái)車的操作平臺(tái)為電動(dòng)控制可伸縮式，可將平臺(tái)伸出靠近初支面，避免操作人員高處墜落[2]。

4.3 進(jìn)度

采用新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車，因每循環(huán)的鋪掛寬度達(dá)6 m，與傳統(tǒng)的3 m 板相比，其施工效率高出近1 倍，在特長(zhǎng)隧道的施工中，可大幅度降低防水板的鋪設(shè)和搭接時(shí)間。 同時(shí)，臺(tái)車可通過走行系統(tǒng)自動(dòng)行走，解決了傳統(tǒng)臺(tái)車需要使用機(jī)械設(shè)備輔助移動(dòng)的問題，施工中具有更加靈活方便的優(yōu)點(diǎn)[2]。

4.4 工效

傳統(tǒng)的防水板簡(jiǎn)易臺(tái)架施工需要8 人及裝載機(jī)、挖機(jī)等機(jī)械共同協(xié)作，方可完成鋪設(shè)工作。 采用新型防水板自動(dòng)掛鋪掛臺(tái)車， 每次作業(yè)僅需4 人，且鋪設(shè)過程防水板可通過卷揚(yáng)機(jī)自動(dòng)提升，不需要輔助設(shè)備轉(zhuǎn)移臺(tái)車和起吊防水板，本項(xiàng)創(chuàng)新不僅可以節(jié)約大量的人力物力，還可以最大化地減輕工人的工作強(qiáng)度。 新舊防水板臺(tái)車每循環(huán)的工效對(duì)比見表1。

表1 新舊防水板臺(tái)車每循環(huán)工效對(duì)比

4.4.1 人工費(fèi)用

傳統(tǒng)的防水板簡(jiǎn)易臺(tái)架施工需要8 人協(xié)作方能完成防水板的鋪設(shè)工作，采用使用新型臺(tái)車僅需4 人即可完成。 本項(xiàng)目防水板每循環(huán)鋪設(shè)寬度為12 m，隧道總長(zhǎng)3 453 m×2，當(dāng)?shù)毓と嗽缕骄べY按6 000 元計(jì)算，本項(xiàng)目雙洞隧道可節(jié)約人工費(fèi)用為（1 190÷60÷8）×（3453×2÷12）×200=28.53 萬元。即在本項(xiàng)目采用新型臺(tái)車在人工費(fèi)上至少可以節(jié)約28.53 萬元。

4.4.2 材料費(fèi)用

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目防水板設(shè)計(jì)搭接寬度需大于10 cm，因傳統(tǒng)工藝人工鋪設(shè)寬度有限且生產(chǎn)廠家常規(guī)的防水板鋪設(shè)寬度為3 m，簡(jiǎn)化后搭接寬度約3.33 cm/延米，新型防水板臺(tái)車每循環(huán)可鋪6 m 寬，簡(jiǎn)化后搭接寬度約1.67 cm/延米。 新舊臺(tái)車在防水板的搭接寬度可節(jié)約1.66 cm/延米。 本項(xiàng)目隧道單洞長(zhǎng)為3 453 m，則可節(jié)約防水板2×3 453×1.66/100=114.64 m，本項(xiàng)目隧道單洞每延米防水板環(huán)向面積為42 m2，目前防水板的市場(chǎng)價(jià)格約35 元/m2，簡(jiǎn)化計(jì)算本項(xiàng)目采用新型臺(tái)車在材料費(fèi)上至少可節(jié)約費(fèi)用約：114.64×42×35=16.85 萬元。

4.4.3 機(jī)械費(fèi)用

傳統(tǒng)人工鋪設(shè)工藝需用裝載機(jī)、挖機(jī)等設(shè)備輔助配合臺(tái)車定位及上料工作，新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車可實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化、機(jī)械化，無需裝載機(jī)等設(shè)備配合。 本項(xiàng)目工期3 年，采用傳統(tǒng)人工鋪設(shè)每天需1 部裝載機(jī)、1 部挖機(jī)輔助工作3 h，按自有設(shè)備單價(jià)200 元/h 簡(jiǎn)化計(jì)算，本項(xiàng)目采用新型臺(tái)車在機(jī)械費(fèi)上至少可節(jié)約費(fèi)用約（1+1）×3×200×365×3=131.4 萬元。

綜上，本項(xiàng)目在采用新型防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車后，在人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)上的節(jié)約可達(dá)176.78 萬元，與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易臺(tái)車人工鋪設(shè)法相比，在特長(zhǎng)隧道中使用新型防水板自動(dòng)鋪設(shè)臺(tái)車的施工經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

本項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)在福鼎山隧道上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了土工布、防水板機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)，保障了防水卷材的鋪設(shè)質(zhì)量，較好地預(yù)防了以往隧道二襯表面滲漏水病害的出現(xiàn)；通過采用新型防水板臺(tái)車，本項(xiàng)目在人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)上產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，為項(xiàng)目的建設(shè)起到了促進(jìn)作用，其顯著優(yōu)勢(shì)如下：（1）以機(jī)械化作業(yè)代替體力勞動(dòng)，省時(shí)省力，并且提高了安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；（2）該設(shè)備操作簡(jiǎn)單、方便，操控性強(qiáng)；（3）防水板鋪設(shè)寬度大，施工進(jìn)度快，從而加快了隧道施工進(jìn)度；（4）消除了防水層縱向接縫，減少了環(huán)向接縫，保證防水板平整，達(dá)到防水的目的。 該創(chuàng)新技術(shù)在工期、效益、質(zhì)量、安全均得到了有效保證，符合“四節(jié)一環(huán)保”的要求，具有很高的推廣價(jià)值[3]。