隧道拱頂管片運(yùn)輸拼裝設(shè)備及拼裝工藝研究

何海兵

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061）

1 前言

二次襯砌是相對(duì)初期支護(hù)而言，指在隧道完成初期支護(hù)條件下，在初期支護(hù)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(guó)內(nèi)隧道工程一般以礦山法［1－2］開(kāi)挖施工工藝為主，以礦山法中圍巖與支護(hù)相互變形、互相協(xié)調(diào)的原理指導(dǎo)施工，強(qiáng)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)同圍巖共同受力、變形。但在隧道施工過(guò)程中，采用這種傳統(tǒng)礦山法開(kāi)挖的施工工藝，尤其在二次襯砌作業(yè)時(shí)，主要存在如下缺陷：一是施工過(guò)程中以人工作業(yè)為主，機(jī)械施工占比小，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，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(hù)和二次襯砌背后脫空、二襯厚度不足、裂紋、滲漏水、施工縫錯(cuò)臺(tái)、混凝土強(qiáng)度不均或不足等問(wèn)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(tái)車(chē)配輸送泵澆筑二襯砼，增強(qiáng)了砼流動(dòng)性，但在澆筑拱部二襯砼時(shí)，因砼缺乏振搗，加上二襯砼澆筑至接近滿倉(cāng)狀態(tài)時(shí)，泵壓易破壞臺(tái)車(chē)面板引發(fā)事故，導(dǎo)致隧道拱部砼不密實(shí)、冷縫、砼離析、二襯接頭擠壓開(kāi)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(duì)隧道的運(yùn)營(yíng)安全造成很大影響，運(yùn)營(yíng)隧道二襯質(zhì)量缺陷整治工作量巨大且整改困難。

目前，國(guó)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(guó)外在日法聯(lián)合開(kāi)發(fā)大型拱形結(jié)構(gòu)，跨度達(dá)12 m，通過(guò)無(wú)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(guó)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(jìn)，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(duì)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(jì)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(lái)現(xiàn)場(chǎng)澆筑方法澆筑，待強(qiáng)度滿足要求后，利用拼裝設(shè)備對(duì)拱頂管片進(jìn)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(shí)現(xiàn)工廠化加工、機(jī)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(jì)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(jì)了預(yù)制管片運(yùn)輸、提升、拼裝專(zhuān)用設(shè)備，用于隧道拱頂預(yù)制管片拼裝施工，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高速鐵路山嶺隧道中拱部管片預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)、施工技術(shù)方面的空白。

2 設(shè)備方案

預(yù)制管片運(yùn)輸、拼裝設(shè)備主要由管片運(yùn)輸車(chē)、管片提升門(mén)吊、邊墻襯砌臺(tái)車(chē)及管片安裝機(jī)四個(gè)設(shè)備組成，如圖1所示。管片運(yùn)輸車(chē)用于將拱頂管片由預(yù)制場(chǎng)運(yùn)輸?shù)绞┕すの?；管片提升門(mén)吊用于將管片從運(yùn)輸車(chē)提升到安裝機(jī)上；安裝機(jī)與隧道邊墻襯砌臺(tái)車(chē)共用走行軌道，安裝機(jī)的安裝小車(chē)可在邊墻臺(tái)車(chē)門(mén)架上自行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管片對(duì)位安裝。

圖1 管片運(yùn)輸、拼裝設(shè)備

2.1 管片運(yùn)輸車(chē)

管片運(yùn)輸車(chē)為2軸運(yùn)輸車(chē)，該機(jī)額定載重量50 t。整機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)，微電控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，車(chē)輛能夠以較高的車(chē)速快速行走和較低的穩(wěn)定速度移動(dòng)對(duì)位。設(shè)計(jì)的液壓懸掛系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛整體升降或單點(diǎn)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(jī)構(gòu)可以保證實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過(guò)程中節(jié)段梁牢固不產(chǎn)生滑移。

管片運(yùn)輸車(chē)主要由車(chē)架、驅(qū)動(dòng)懸掛、制動(dòng)懸掛、管片旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、伸縮立柱、動(dòng)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(yùn)輸車(chē)

2.2 管片提升門(mén)吊

管片提升門(mén)吊是隧道內(nèi)拱頂管片施工專(zhuān)用門(mén)吊，配合管片運(yùn)輸車(chē)及管片安裝機(jī)進(jìn)行工作，主要功能是在隧道內(nèi)吊運(yùn)管片，滿足將管片從運(yùn)輸車(chē)取下并將吊裝到邊墻臺(tái)車(chē)管片頂升機(jī)構(gòu)上的要求。

管片門(mén)吊主要由門(mén)架結(jié)構(gòu)、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)葫蘆、專(zhuān)用吊具、電器系統(tǒng)等組成；門(mén)架結(jié)構(gòu)主要由主梁、支腿、下橫梁組成；大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)包含電機(jī)、減速機(jī)、車(chē)輪組，如圖3所示。

圖3 管片提升門(mén)吊

2.3 邊墻襯砌臺(tái)車(chē)

邊墻臺(tái)車(chē)用于隧道邊墻二襯施工，其頂升機(jī)構(gòu)用于放置管片，輔助安裝小車(chē)完成拱頂管片安裝。

邊墻臺(tái)車(chē)基于傳統(tǒng)襯砌臺(tái)車(chē)［11－12］原理設(shè)計(jì)，由走行機(jī)構(gòu)、門(mén)架、安裝小車(chē)走行軌道、模板、頂升機(jī)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(tái)車(chē)

2.4 管片安裝機(jī)

管片安裝機(jī)由走行機(jī)構(gòu)、門(mén)架、小車(chē)走行軌道、安裝小車(chē)、管片壓緊機(jī)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(jī)

3 施工工藝

隧道邊墻通過(guò)邊墻臺(tái)車(chē)先完成施工，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化梁場(chǎng)的預(yù)制鐵路隧道拱頂管片，采用管片運(yùn)輸、安裝設(shè)備完成管片拼裝。每次運(yùn)輸1組管片，每組2片，完成6組管片安裝后，進(jìn)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(dá)到設(shè)計(jì)要求后，通過(guò)管片運(yùn)輸車(chē)馱運(yùn)管片至吊裝位置，將管片旋轉(zhuǎn)90°。

（2）門(mén)吊移動(dòng)至管片上方，通過(guò)專(zhuān)用吊具將管片吊起。

（3）門(mén)吊吊裝管片后，整機(jī)后退，將運(yùn)輸車(chē)上的第二組管片旋轉(zhuǎn)至裝運(yùn)狀態(tài)。

（4）門(mén)吊吊裝管片至邊墻臺(tái)車(chē)前段管片頂升機(jī)構(gòu)上，同時(shí)管片安裝設(shè)備與邊墻臺(tái)車(chē)進(jìn)行對(duì)軌。

（5）門(mén)吊后退，邊墻臺(tái)車(chē)頂升機(jī)構(gòu)將管片頂升1.6 m，安裝小車(chē)從安裝設(shè)備移動(dòng)至管片正下方，繼續(xù)頂升管片。

（6）安裝小車(chē)頂升管片距離洞頂5 cm，橫移機(jī)構(gòu)調(diào)整管片中心與隧道中心對(duì)齊后，安裝小車(chē)馱運(yùn)管片返回安裝設(shè)備。

（7）管片安裝設(shè)備整機(jī)后退至管片安裝位置附近，通過(guò)安裝小車(chē)將管片移動(dòng)到安裝位，安裝小車(chē)頂升機(jī)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(jī)構(gòu)通過(guò)油缸壓緊管片。

（9）收回管片壓緊機(jī)構(gòu)，安裝設(shè)備前行與邊墻臺(tái)車(chē)對(duì)位。

（10）運(yùn)輸車(chē)上第二組管片旋轉(zhuǎn)90°；門(mén)吊吊起第二組管片。

（11）運(yùn)輸車(chē)返回，繼續(xù)托運(yùn)管片，門(mén)吊將第二組管片放于邊墻臺(tái)車(chē)頂升機(jī)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(jìn)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(yùn)輸、拼裝專(zhuān)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(yáng)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(jì)速度120 km/h。隧道全長(zhǎng)228 m，最大埋深27 m，進(jìn)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(jì)縱坡為－3.6‰～1‰。

結(jié)合鐵路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)條件，進(jìn)行了拱頂管片拼裝工藝和工法試驗(yàn)（見(jiàn)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(jì)及施工工藝，解決目前礦山法施工鐵路隧道拱部襯砌強(qiáng)度不足、厚度不足、不密實(shí)、背后脫空、掉塊等質(zhì)量缺陷問(wèn)題。一是避免運(yùn)營(yíng)期間二襯掉塊危及行車(chē)安全和旅客生命財(cái)產(chǎn)安全，二是避免項(xiàng)目開(kāi)通發(fā)生病害后耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行整治，三是避免整治期間對(duì)運(yùn)輸組織和運(yùn)輸秩序的嚴(yán)重影響。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)管片拼裝施工

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了管片運(yùn)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(guò)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(qiáng)度不足、厚度不足、不密實(shí)、背后脫空、掉塊等質(zhì)量缺陷問(wèn)題，工程試用得到驗(yàn)證。該施工工藝的優(yōu)點(diǎn)及意義如下：

（1）避免運(yùn)營(yíng)期間二襯掉塊危及行車(chē)安全和旅客生命財(cái)產(chǎn)安全。

（2）避免項(xiàng)目開(kāi)通發(fā)生病害后耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行整治。

（3）避免整治期間對(duì)運(yùn)輸組織和運(yùn)輸秩序的嚴(yán)重影響。

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

（5）新裝備、新工藝的應(yīng)用實(shí)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(shí)用價(jià)值。