隧道12 m防水板鋼筋自動化安裝一體臺車施工技術(shù)研究

李雙將

（中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038）

1 引言

隧道施工如何在安全步距的要求下，既要保障開挖、支護、襯砌、防排水各工序有效銜接，減少干擾，又要保障機械化設(shè)備的作業(yè)空間，是保證隧道施工安全、質(zhì)量、進度的關(guān)鍵要點。在鄭萬高鐵楚烽隧道施工中，采用12 m防水板鋼筋自動化安裝一體臺車施工技術(shù)，可有效地解決一機多用，解決土工布鋪設(shè)、6 m寬幅防水板鋪設(shè)、二襯鋼筋安裝等工序，并節(jié)省作業(yè)空間，為其他工序施工提供了有利條件，減少了干擾，同時保證了施工安全及質(zhì)量，減少了工序所需時間，減少了工人勞動強度，減少了防水板搭接接縫，提高了防排水質(zhì)量，減少損耗，有效控制二襯鋼筋的層距、排距等問題，極大地提高了隧道襯砌混凝土的施工質(zhì)量與速度［1-2］。

2 工程概況

鄭萬高鐵湖北段楚烽隧道位于湖北省襄陽市?？悼h境內(nèi)，隧道長8 708 m，為單洞雙線隧道。隧道洞身主要通過志留系頁巖夾砂巖，奧陶系炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、寒武系白云巖、前震旦系編制砂巖夾礫巖、板巖、頁巖，斷層角礫巖、斷層壓碎巖等底層，隧址區(qū)發(fā)育3個背斜，通過5條斷層，隧址區(qū)巖溶中等～強烈發(fā)育。

為了保證施工工期、防災(zāi)救援、施工通風(fēng)及排水等要求，本隧道輔助坑道采用“兩橫洞+平導(dǎo)”模式，其中楚烽隧道橫洞工區(qū)承擔(dān)正洞1 450 m，Ⅲ級圍巖200 m，占13.8%；Ⅳ級圍巖400 m，占27.6%；Ⅴ級圍巖850 m，占59.6%。最大埋深約為215 m，最小埋深23 m。其中800 m范圍為淺埋和埋深較淺。

鄭萬高鐵隧道開挖斷面大，Ⅲ～Ⅴ級圍巖面積是139.9～155.05 m2。隧道土工布單幅寬3 m、單卷長60 m，重72 kg；防水板采用6 m寬幅防水板。單卷長30 m，重 360 kg；襯砌主筋主要為 HRB400φ25、HRB400φ22，設(shè)計間距20 cm，全環(huán)單根長26.5～27 m，重100～110 kg。

3 臺車研制

防水板鋼筋自動化安裝一體臺車實體如圖1所示，防水板施工效果如圖2所示。

圖1 防水板鋼筋自動化安裝一體臺車實體

圖2 防水板施工效果

3.1 臺車結(jié)構(gòu)

該防水板鋼筋自動化安裝一體臺車是在高速鐵路大斷面施工中一機多用的臺車，既能滿足一次12 m區(qū)段土工布、防水板鋪設(shè)，又能施工一個12 m區(qū)段二襯鋼筋安裝［3］。臺車正面圖如圖3a所示，側(cè)面圖如圖3b所示。

圖3 臺車結(jié)構(gòu)

3.2 臺車參數(shù)

臺車具體參數(shù)如表1所示。

表1 防水板鋼筋自動化安裝一體臺車

3.3 臺車主要系統(tǒng)組成

該防水板鋼筋自動化安裝一體臺車由臺車主體、行走系統(tǒng)、鋪設(shè)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、頂升系統(tǒng)等功能系統(tǒng)組成［4］。

3.3.1 臺車主體

臺車主體有鋼結(jié)構(gòu)框架焊接和螺栓連接等方式，結(jié)構(gòu)簡易，受力安全。受力桿件是由鋼結(jié)構(gòu)栓接而成，固定在行走系統(tǒng)上，主要用于安裝防水板鋪設(shè)系統(tǒng)和鋼筋提升系統(tǒng)等，其上設(shè)有可伸縮的工作平臺，方便工人安裝操作。

3.3.2 行走系統(tǒng)

臺車采用輪軌式行走裝置。兩側(cè)各有4臺2.2 kW帶有滾輪的電機，兩臺用于臺車在軌道上行走，行走速度3.4m／min，剩余兩臺電機用于頂升臺車，方便軌道前移。軌道兩端設(shè)置有雙向液壓鎖，當(dāng)臺車到位后自動鎖牢，防止臺架在外力下自由移動，避免溜車事故。行走系統(tǒng)如圖4所示。

3.3.3 鋪設(shè)系統(tǒng)

鋪設(shè)裝置與臺車長度一致，是由2臺2.2 kW的電機系統(tǒng)控制可裝鋪設(shè)卷材的滑座實現(xiàn)在弧形軌道走梁上自由移動，滑座可控制卷材鋪設(shè)方向，保證鋪設(shè)面平整、到位［5］。

（1）在臺車一側(cè)的底層平臺上沿臺車縱向設(shè)置土工布防水板盛具（在夾具夾持通過傳動鏈拉展時能滾動出布，起減小摩擦，防止布磨損，同時起限位作用）。

（2）在盛具上一層平臺下方適當(dāng)位置設(shè)置卷揚機。

（3）在盛具另一側(cè)臺車底層平臺設(shè)置一組往復(fù)式鏈?zhǔn)絺鲃友b置，其多股傳動鏈沿隧道縱向均布且與隧道環(huán)向平行，傳動鏈外側(cè)穿行于臺車組合式頂出裝置與洞壁間間隙，內(nèi)側(cè)從組合式頂出裝置頂出桿內(nèi)或下穿行，從而形成閉合式傳動鏈。

（4）在臺車環(huán)向適當(dāng)位置設(shè)置若干組二襯環(huán)向鋼筋組合式頂出裝置。

（5）設(shè)置夾持土工布、防水板夾具（將土工布、防水板拉展時，避免布與組合式頂出裝置及臺車臺架刮蹭）。

3.3.4 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)在臺車兩端，由4根管桁架剛性連接而成，為凹槽形式，是鋪設(shè)二襯鋼筋的吊升作業(yè)平臺，平臺可沿隧道縱向旋轉(zhuǎn)90°，可一次性容納提升15根二襯環(huán)向鋼筋［6］。鋼筋提升裝置如圖5所示。

圖4 行走系統(tǒng)

圖5 鋼筋提升裝置

（1）在防水板鋼筋自動化安裝一體臺車環(huán)向設(shè)置同二襯弧形軌道（半徑小于二襯半徑），并可沿臺車縱向移動。

（2）設(shè)置驅(qū)動弧形軌道沿臺車行走的往復(fù)式驅(qū)動裝置。

（3）設(shè)置在弧形軌道上往復(fù)行走的縱向鋼筋拉拽小車。

（4）設(shè)置驅(qū)動鋼筋拉拽小車的往復(fù)式驅(qū)動裝置。

（5）設(shè)置鋼筋由地面到入軌點的拉拽裝置。

（6）弧形軌道的適當(dāng)位置設(shè)置鋼筋的入軌點（高度適當(dāng)，太靠地面，鋼筋入軌后會變形；太靠上，末端鋼筋不易歸位）。

（7）入軌點設(shè)（可調(diào)）導(dǎo)向輪使鋼筋入軌，沿途在適當(dāng)位置設(shè)置一定數(shù)量的限位輪。鋼筋拉拽端到位后，將末端歸置至所需處位置。

（8）盛裝縱向鋼筋的盛具在機械拉拽布置裝置鋪設(shè)好后，將縱向鋼筋裝入縱向鋼筋盛具，用傳動鏈將縱向鋼筋沿隧洞環(huán)向拉拽提升，經(jīng)人工取出，按位置逐一綁扎。

3.3.5 頂升系統(tǒng)

鋼筋頂升裝置由二襯鋼筋縱向卡具和二襯鋼筋環(huán)向支撐組成。鋼筋頂升定位，豎向3排卡距，橫向4排（左右各2排）。頂升裝置如圖6所示。

圖6 頂升裝置

4 施工方案、方法

4.1 施工方案

根據(jù)楚烽隧道現(xiàn)場施工實際安排進行防水層鋪設(shè)，防水板鋼筋自動化安裝一體臺車之后仰拱填充12 m，考慮到仰拱棧橋引橋的作業(yè)空間，同時下方可以滿足其他工序設(shè)備和人員正常通過。當(dāng)臺車就位后，就可以進行土工布鋪設(shè)、防水板鋪設(shè)、二襯鋼筋安裝等流水工序作業(yè)。當(dāng)下一板12 m區(qū)段，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)已穩(wěn)定，仰拱填充強度已達到≥70%。然后就可以向前移動進行下一個12 m的循環(huán)施工［7-8］。

4.2 施工方法

4.2.1 土工布（防水板）鋪設(shè)

（1）將待鋪設(shè)的土工布（防水板）運送至臺車旁，放置到盛具所在平臺，用卷揚機將其吊入盛具中。

（2）用夾具將土工布（防水板）卷外漏端夾住，同時將夾具多點固定到往復(fù)式鏈?zhǔn)絺鲃友b置的傳動鏈上。

（3）啟動往復(fù)式鏈?zhǔn)絺鲃友b置，土工布（防水板）被閉合式傳動鏈內(nèi)側(cè)托住，同時外側(cè)將其沿隧道洞壁拖拽至臺車另一端，將整個臺車外部覆蓋，土工布（防水板）出布長度適中［9］。

（4）啟動組合式頂出裝置，將鋪展開的土工布（防水板）沿洞壁頂升到位。

圖7 土工布鋪設(shè)

（5）人工將土工布（防水板）與已鋪覆好土工布（防水板）邊沿對齊，并留足搭接寬度，從洞頂往兩側(cè)固定土工布（防水板）。

土工布鋪設(shè)現(xiàn)場如圖7所示。

4.2.2 二襯鋼筋安裝

（1）將加工好的多節(jié)鋼筋采用套筒連接成環(huán)向鋼筋交底長度。

（2）二襯環(huán)向鋼筋鋪設(shè)準(zhǔn)備：將弧形軌道?？吭谂_車主體前進一端，通過人工或鋼筋入軌輔助裝置將待鋪設(shè)的至少一根二襯環(huán)向鋼筋的前端拉拽至鋼筋入軌導(dǎo)向裝置處；一次可裝入15根鋼筋。

（3）二襯環(huán)向鋼筋拉拽就位：將一端已拉拽至鋼筋入軌導(dǎo)向裝置處的至少一根待鋪設(shè)二襯環(huán)向鋼筋與拉拽小車固定連接；通過牽引驅(qū)動裝置和柔性牽引構(gòu)件拉拽該待鋪設(shè)的二襯環(huán)向鋼筋，以使該二襯環(huán)向鋼筋在弧形軌道上彎曲成弧拱形。

裝好環(huán)向鋼筋的弧形盛具，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)中的動力裝置（電動轆轤和鋼絲繩）的牽引下圍繞其轉(zhuǎn)軸90°旋轉(zhuǎn)由地面轉(zhuǎn)至臺車前端立面。如圖8所示。

圖8 鋼筋提升軌跡

（4）鋼筋末端限位：通過端部限位裝置對鋼筋的兩個端部進行限位，并解除二襯環(huán)向鋼筋與拉拽小車的固定連接狀態(tài)。

（5）鋼筋排布及一端固定：將弧形軌道從臺車主體一端移動到另一端或設(shè)定距離后向原位返回；在弧形軌道前行或返回的連續(xù)移動或間斷停頓過程中，按縱向分布位置和數(shù)量從弧形軌道上將二襯環(huán)向鋼筋取下，并將取下的二襯環(huán)向鋼筋一端與對應(yīng)側(cè)隧道矮墻中伸出的預(yù)留鋼筋焊接固定，其拱頂上部由多個頂出裝置支撐，鋼筋的另一端與另一側(cè)隧道矮墻中伸出的預(yù)留鋼筋滑動套接。

（6）鋼筋另一端固定：通過多個頂出裝置將縱向分布的多根二襯環(huán)向鋼筋向上頂起至設(shè)定高度，并逐個將二襯環(huán)向鋼筋的另一端與對應(yīng)的預(yù)留鋼筋焊接固定。

5 綜合效果

防水板鋼筋自動化安裝一體臺車與傳統(tǒng)工效對比如表2所示。

表2 防水板鋼筋自動化安裝一體臺車與傳統(tǒng)工效對比

（1）降低工人勞動強度，與簡易臺車相比能顯著減少勞動強度。臺車上設(shè)有防水板自動鋪設(shè)裝置，無需輔助工具可輕松實現(xiàn)鋪裝，安裝二襯鋼筋時，利用定位桿上的鋼筋卡槽可將數(shù)根長達26 m的環(huán)向鋼筋一次性提升至拱頂，一次性安裝。

（2）提高了施工質(zhì)量。相比傳統(tǒng)工法，防水板和土工布鋪設(shè)過程中能及時調(diào)整鋪設(shè)位置，土工布的固定和防水板的焊接也比較方便，杜絕出現(xiàn)防水板局部焊穿、漏焊的現(xiàn)象，保證了焊接質(zhì)量，利用提升裝置能輕松將整環(huán)二襯鋼筋提升至相應(yīng)位置，保證了鋼筋間距的要求。

（3）提高了施工效率，每個班次作業(yè)人數(shù)減少。臺車自帶的鋪敷行走驅(qū)動裝置實現(xiàn)了土工布、二襯鋼筋自動上料，從表2可以看出，使用該臺車后，安裝一板防水板、土工布從4人減少至2人，安裝鋼筋從12人減少至8人，時間也大幅縮短，工作效率明顯提高［10］。

（4）工作安全系數(shù)高。臺車有規(guī)范的操作規(guī)程和完整的液壓和電路系統(tǒng)，油電互不干擾，電路系統(tǒng)安裝有安全保護裝置，可以避免漏電、觸電事故發(fā)生。臺車的固定平臺設(shè)有護欄、護梯，方便施工人員上下，保證了施工人員安全。

（5）作業(yè)平臺豐富。臺車上設(shè)有兩層推拉式工作平臺，拉出平臺，加寬工作面，回收平臺，不影響臺車移動。

6 下一步需研究改進思路

（1）鋼筋提升過程中，要將通風(fēng)管彎轉(zhuǎn)到地面以上穿過臺車，對通風(fēng)效果有所影響，下一步要進行研究改善。

（2）目前鋪設(shè)土工布、防水板盛具長6 m，下一步探索一板12 m長盛具，探索研究鋪設(shè)12 m寬土工布、防水板施工。

（3）一段12 m范圍有兩種圍巖級別情況，由于初支斷面大小不同，需要下一步進行研究改進。

（4）研究在臺車上增設(shè)激光定位裝置，輔助準(zhǔn)確布置熱熔墊圈位置［11］。

（5）目前該臺車為軌道行走方式，下一步探索研究輪胎式行走，并融入自動定位裝置。

7 總結(jié)

防水板鋼筋自動化安裝一體臺車是在長大隧道、大斷面隧道施工中具有自動行走，自動鋪設(shè)土工布、防水板，自動提升并安裝鋼筋的一種新型臺車，實現(xiàn)隧道施工快速安全，“以工裝保證工藝，以工藝保證質(zhì)量”的目標(biāo)。臺車操控簡便，行走靈活，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全可控。能更好地加快工序銜接，加快施工進度，保證施工質(zhì)量，減少勞動強度，降低安全風(fēng)險，提高了隧道施工的綜合工效，進一步提升了高速鐵路大斷面隧道機械化配套施工水平，提高了隧道施工的綜合能力［12］。