林春剛,尚 偉,*
(1. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 511458;2. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511458)
隨著隧道及地下工程的蓬勃發(fā)展,地下空間開(kāi)發(fā)逐步從淺層進(jìn)入深部,規(guī)模從常規(guī)向超常規(guī)發(fā)展,相繼涌現(xiàn)了眾多大跨、巨跨隧道及超大型地下洞庫(kù)。這些大型隧道及洞庫(kù)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)超出了現(xiàn)有地下工程建設(shè)理論的應(yīng)用范疇,其被覆結(jié)構(gòu)(二次襯砌)的力學(xué)規(guī)律、穩(wěn)定性面臨諸多不確定性因素,給超大型地下空間開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的困擾,制約著國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施。被覆結(jié)構(gòu)是地下工程的永久性承載結(jié)構(gòu),對(duì)洞室的穩(wěn)定性具有決定性影響,通常采用混凝土現(xiàn)澆工藝修建。大型地下工程被覆結(jié)構(gòu)通常采用體型高大、結(jié)構(gòu)高強(qiáng)的支架模板體系澆筑,以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1-2],但施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。
徐州地鐵1號(hào)線(xiàn)站銅區(qū)間(跨度為16.26 m)[3]、長(zhǎng)沙市森林防火監(jiān)測(cè)站(跨度為17.2 m)[4]、深圳地鐵8號(hào)線(xiàn)深外站及連接線(xiàn)(跨度為21.56 m)[5]均為超大斷面隧道,二次襯砌澆筑時(shí)均采用臺(tái)架、腳手架聯(lián)合支撐鋼模板。青島地鐵2號(hào)線(xiàn)李村公園站及折返線(xiàn)區(qū)間(跨度分別為22.8、23.5 m)[6-7]、某儲(chǔ)備洞室穹頂(直徑27 m)[8],使用腳手架、支撐鋼模板進(jìn)行二次襯砌澆筑。營(yíng)盤(pán)路湘江隧道主線(xiàn)與匝道的分合流段(寬度為25.3 m)采用側(cè)壁臺(tái)車(chē)與中導(dǎo)坑鋼模聯(lián)合施工[9]。重慶地鐵3號(hào)線(xiàn)紅旗河溝車(chē)站(跨度為25.6 m)[10]、烏蒙山2號(hào)隧道(跨度為28.42 m)[11]均采用整體式模板臺(tái)車(chē)完成拱墻襯砌澆筑。深圳市蓮塘隧道分岔部(跨度為30 m)[12]、贛龍鐵路新考塘隧道(跨度為30.26 m)[13]、京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站(跨度為32.7 m)[14],均是在門(mén)架式襯砌臺(tái)車(chē)的基礎(chǔ)上,通過(guò)增設(shè)副門(mén)架、加長(zhǎng)模板,實(shí)現(xiàn)大跨段襯砌施工。海南某地下洞庫(kù)擴(kuò)建后凈跨為40 m、凈高為12 m,混凝土設(shè)計(jì)厚度為1~2 m,采用碗扣式腳手架支撐體系和整體自行式貝雷架支撐臺(tái)架完成了被覆施工[15]。綜上所述,目前大型地下工程二次襯砌施工裝備以襯砌臺(tái)車(chē)和滿(mǎn)堂架支撐鋼模為主,部分工程采用了兩者組合式結(jié)構(gòu);在跨度方面,襯砌臺(tái)車(chē)可達(dá)到32.7 m,滿(mǎn)堂架可達(dá)到40 m; 在作業(yè)方面,仍舊以人工操作為主,效率低、風(fēng)險(xiǎn)大。
某巨跨超扁平大型地下洞庫(kù)為罕見(jiàn)巨跨工程,現(xiàn)有大型地下洞庫(kù)施工裝備在結(jié)構(gòu)跨度、自動(dòng)化施工、風(fēng)險(xiǎn)控制等方面與本巨跨洞庫(kù)施工要求相距甚遠(yuǎn),難以滿(mǎn)足需求。成熟的施工裝備和配套施工技術(shù)是保障大型地下工程順利施工的先決條件。本課題以滿(mǎn)足國(guó)家重大地下工程需求為導(dǎo)向,依托某在建巨跨地下洞庫(kù),以實(shí)現(xiàn)被覆結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土安全、快速澆筑為目標(biāo),采用“貝雷架支撐體系+鋼模板”,集成鋼筋綁扎與混凝土澆筑功能,構(gòu)建巨跨地下洞庫(kù)被覆結(jié)構(gòu)施工一體化裝備及配套工藝,精準(zhǔn)、高效支撐巨跨超扁平大型地下洞庫(kù)工程機(jī)械化施工。
某在建工程為巨跨、矢跨比極小的地下洞庫(kù),圍巖為白云質(zhì)灰?guī)r,巖體整體性較好,局部存在斷層和節(jié)理,圍巖基本穩(wěn)定。地下洞庫(kù)被覆為單跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),邊墻以上部位一次澆筑成型。該洞庫(kù)跨度為現(xiàn)有常規(guī)洞室最大跨度的2~3倍,被覆混凝土厚度為常規(guī)隧道的4~5倍,多層鋼筋密集交叉,混凝土單循環(huán)澆筑量超千方、自重?cái)?shù)千噸,但被覆混凝土施工周期僅有5個(gè)月。
本工程地下洞庫(kù)被覆混凝土施工裝備體型巨大,拼裝、移動(dòng)、拆解、立模、脫模等均面臨巨大挑戰(zhàn)。單組混凝土澆筑長(zhǎng)度為12 m,襯砌施工裝備跨度大,縱向長(zhǎng)度相對(duì)較短,在千噸級(jí)現(xiàn)澆混凝土的巨大載荷下,襯砌施工裝備容易發(fā)生扭曲失穩(wěn),風(fēng)險(xiǎn)防控要求高。在保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的前提下,要求巨跨模板支撐體系具有快速拼裝、自主移動(dòng)、自動(dòng)化施工功能,快速實(shí)現(xiàn)洞庫(kù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成型。
被覆結(jié)構(gòu)施工主要包括鋼筋綁扎和混凝土澆筑,2大工序相繼進(jìn)行,且所需設(shè)備作業(yè)覆蓋面相近,因此可將鋼筋綁扎、混凝土澆筑裝備合二為一,形成一體化施工裝備。同時(shí),拓展縱向長(zhǎng)度,提高巨跨施工裝備的抗扭穩(wěn)定性,可實(shí)現(xiàn)一次定位,多工序同步施工,提高工效。
目前,全液壓鋼模板襯砌臺(tái)車(chē)施工技術(shù)較為成熟,而貝雷架強(qiáng)度高、通用性強(qiáng)、租賃成本低、可實(shí)現(xiàn)快速拼裝,因此,可將貝雷架支撐體系融入全液壓鋼模板襯砌臺(tái)車(chē),研制一體化施工裝備,從而實(shí)現(xiàn)巨跨地下洞庫(kù)被覆混凝土安全、優(yōu)質(zhì)、高效施工。
鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化施工裝備上部分為鋼筋綁扎區(qū)和混凝土澆筑區(qū),中部使用高強(qiáng)度組合式貝雷架支撐體系,底部采用多臺(tái)軌行式行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一體化施工裝備前、后移動(dòng);支撐體系底部預(yù)留行車(chē)門(mén)洞,用于施工設(shè)備、材料進(jìn)出。整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
鋼筋綁扎區(qū)位于前端,多臺(tái)鋼筋綁扎臺(tái)架布置在支撐體系頂部,并可在鋼筋綁扎區(qū)域內(nèi)前、后移動(dòng);鋼筋綁扎臺(tái)架上方布置有鋼筋定位卡具、升降平臺(tái)和鋼筋吊具,可輔助鋼筋綁扎,見(jiàn)圖1(a)。
混凝土澆筑區(qū)位于后端,巨跨弧形模板通過(guò)模板支架組成整體式結(jié)構(gòu),便于立模、脫模動(dòng)作協(xié)調(diào);模板頂升、橫移機(jī)構(gòu)設(shè)置在模板支架底部與貝雷架支撐體系之間,可用于模板精準(zhǔn)定位,見(jiàn)圖1(b)。模板支架上配置有混凝土澆筑系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)和人工作業(yè)平臺(tái),便于混凝土灌注、振搗施工。
(a) 鋼筋綁扎裝備主視圖
(b) 混凝土澆筑裝備主視圖
(c) 混凝土澆筑裝備側(cè)視圖
表1 主要技術(shù)參數(shù)
3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
貝雷架支撐體系(見(jiàn)圖1)為主要承載結(jié)構(gòu),由貝雷架基礎(chǔ)、貝雷架主架、工字鋼梁組成。貝雷架基礎(chǔ)底部設(shè)置行走機(jī)構(gòu),頂部承載貝雷架主架;貝雷架主架為支撐體系的中部桁架結(jié)構(gòu),用于傳遞載荷、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;工字鋼梁設(shè)置在貝雷架主架上方,用于搭建作業(yè)平臺(tái)、安裝輔助設(shè)備和支撐模板。
單個(gè)貝雷片外形尺寸為3 115 mm×176 mm×1 500 mm,拼裝長(zhǎng)度為3 m,主要由上下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成。上下弦桿一端為陰頭,另一端為陽(yáng)頭,均設(shè)置有銷(xiāo)孔。縱向拼裝時(shí),將2個(gè)貝雷片上下弦桿的陰頭、陽(yáng)頭銷(xiāo)孔對(duì)齊后,將銷(xiāo)子插入即可;多排拼裝時(shí),采用斜撐連接對(duì)應(yīng)的豎桿、弦桿,螺栓鎖緊;多層拼裝時(shí)將多個(gè)貼合弦桿對(duì)齊,螺栓鎖緊。采用多排多層貝雷片結(jié)構(gòu),可提高支撐體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
貝雷架基礎(chǔ)為2組3排單層加強(qiáng)型粱形結(jié)構(gòu),縱向長(zhǎng)度為30 m,共4組。貝雷架主架底層采用貝雷片箱形組合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2),提高抗彎抗扭剛度;上層混凝土澆筑區(qū)采用2組3排單層加強(qiáng)型梁形結(jié)構(gòu),如圖3所示。鋼筋綁扎區(qū)采用單組3排單層加強(qiáng)型梁形結(jié)構(gòu),貝雷架主架層與層之間為縱橫交錯(cuò)布置,采用螺栓鎖緊,橫向結(jié)構(gòu)可根據(jù)層高分段配置,縱向均勻布置5組。
鋼筋綁扎區(qū)載荷相對(duì)較小,貝雷架主架布置1層單排雙層貝雷片箱形結(jié)構(gòu),頂部采用型鋼搭建鋼筋綁扎作業(yè)平臺(tái)。
圖2 貝雷片箱形組合結(jié)構(gòu)
圖3 3排單層組合結(jié)構(gòu)
3.1.2 力學(xué)分析
根據(jù)貝雷架支撐體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷分布規(guī)律,貝雷架基礎(chǔ)的跨度、載荷最大,可確定為危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。按混凝土澆筑過(guò)程中最不利載荷作用于支撐體系,采用有限元分析法進(jìn)行危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)力學(xué)驗(yàn)算。有限元模型中,模板面板采用虛梁模擬荷載,支撐螺桿、螺桿、貝雷架間斜撐均采用桁架單元,其余均采用梁?jiǎn)卧X惱准芎凸ぷ咒摿旱牟牧闲吞?hào)、力學(xué)參數(shù)及驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。由結(jié)果可知,貝雷架、工字鋼梁的正應(yīng)力、切應(yīng)力在容許值范圍內(nèi),危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的變形撓度小于容許值,因此貝雷架支撐體系可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性需求。
表2 支撐體系部件主要力學(xué)參數(shù)及驗(yàn)算結(jié)果
3.2.1 方案設(shè)計(jì)
被覆配筋設(shè)計(jì)為多層鋼筋立體網(wǎng),完成綁扎后整體頂升到位,隨后通過(guò)錨桿懸吊固定。鋼筋綁扎的主要步驟有鋼筋提升、定位、固定、單片網(wǎng)綁扎、接頭焊接、立體網(wǎng)成形等步驟。施工中主要面臨定位精度要求高、豎向作業(yè)距離遠(yuǎn)、鋼筋綁扎量巨大等難題。為此,設(shè)計(jì)了鋼筋綁扎臺(tái)架,以型鋼焊接的空間桁架作為主架,配置鋼筋吊具、升降平臺(tái)、鋼筋定位卡具、軌行式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等功能結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖4。
圖4 鋼筋綁扎臺(tái)架
具體施工時(shí),可將鋼筋綁扎臺(tái)架預(yù)先移至施工區(qū)域,使用鋼筋吊具將所需鋼筋吊運(yùn)至鋼筋綁扎臺(tái)架頂部,通過(guò)鋼筋定位卡具使鋼筋精確定位,隨后綁扎牢固。當(dāng)作業(yè)距離較高,超出人手作業(yè)范圍時(shí),可啟動(dòng)升降平臺(tái),增大人工作業(yè)范圍。通過(guò)底部行走機(jī)構(gòu),往復(fù)移動(dòng)鋼筋綁扎臺(tái)架,可覆蓋全域鋼筋綁扎需求。
3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.2.1 主架
主架為鋼筋綁扎臺(tái)架的基礎(chǔ)構(gòu)件,是由型鋼焊接而成的門(mén)架式結(jié)構(gòu),上部承載鋼筋吊具、升降平臺(tái)、鋼筋定位卡具等,兼做工作平臺(tái),下部為行走機(jī)構(gòu),使其具有較大的作業(yè)范圍。
3.2.2.2 行走機(jī)構(gòu)
行走機(jī)構(gòu)用于鋼筋綁扎臺(tái)架往復(fù)移動(dòng),采用軌行式結(jié)構(gòu),由電機(jī)同步驅(qū)動(dòng),一端主動(dòng),另一端從動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)與主架之間采用鉸接連接,具有良好的力學(xué)傳遞性能。鋼筋綁扎臺(tái)架靜止時(shí)應(yīng)采用鎖軌器固定,防止滑動(dòng)。
3.2.2.3 鋼筋吊具
鋼筋吊具用于提升鋼筋,該設(shè)備主要由驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)器、鋼絲繩、定滑輪、吊鉤、放料倉(cāng)、支架等組成,固定在鋼筋綁扎臺(tái)架的主架上,見(jiàn)圖5。吊鉤掛載鋼筋后,啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器,在鋼絲繩的牽引力作用下,可將鋼筋提升至鋼筋綁扎臺(tái)架頂部;隨后在人工輔助牽引的作用下,緩慢放置在放料倉(cāng)內(nèi),便于后續(xù)鋼筋綁扎取用。根據(jù)施工需求,鋼筋吊具可布置在鋼筋綁扎臺(tái)架和支撐體系的邊緣,成對(duì)布置、使用。
圖5 鋼筋吊具
3.2.2.4 升降平臺(tái)
巨跨洞庫(kù)被覆混凝土厚度較大,超出人工作業(yè)范圍,需借助升降平臺(tái)輔助施工。升降平臺(tái)主要選用單極固定式剪叉升降臺(tái),采用液壓驅(qū)動(dòng),升降行程較低,結(jié)構(gòu)緊湊,具有良好的操控性和安全性。
3.2.2.5 鋼筋定位卡具
超大跨洞庫(kù)被覆鋼筋網(wǎng)通過(guò)拱部錨桿接頭固定,自上而下逐層綁扎。作業(yè)過(guò)程中采用鋼筋定位卡具精準(zhǔn)定位。鋼筋定位卡具分為縱向和環(huán)向2種,均采用小型化、輕便化設(shè)計(jì),便于重復(fù)使用,示意圖見(jiàn)圖6。
1—縱向鋼筋; 2—環(huán)向鋼筋; 3—環(huán)向鋼筋定位卡具; 4—縱向鋼筋定位卡具。
1)環(huán)向鋼筋定位卡具。環(huán)向鋼筋定位卡具用于定位和支撐環(huán)向多層鋼筋,沿洞庫(kù)斷面弧形設(shè)置在鋼筋綁扎臺(tái)架上。鋼筋綁扎臺(tái)架上沿縱向預(yù)留定位銷(xiāo)孔,環(huán)向鋼筋定位卡具采用定位銷(xiāo)軸放置在鋼筋綁扎臺(tái)架上。環(huán)向鋼筋定位卡具主要由面板和面板上的多個(gè)分層“L”型卡槽組成?!癓”型卡槽數(shù)量和間距取決與鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)層數(shù)和層距。環(huán)向鋼筋定位卡具與鋼筋綁扎臺(tái)車(chē)之間采用定位銷(xiāo)軸連接,定位銷(xiāo)孔需預(yù)先制作,具有位置可調(diào)、定位準(zhǔn)確的功能。使用時(shí)可預(yù)先將環(huán)向鋼筋定位卡具布置在施工位置,然后將環(huán)向鋼筋放置在“L”型卡槽內(nèi),實(shí)現(xiàn)環(huán)向鋼筋定位與臨時(shí)支撐,與上層鋼筋完成綁扎后即可拆除,并移動(dòng)到下一位置繼續(xù)使用。
2)縱向鋼筋定位卡具。縱向鋼筋定位卡具用于定位縱向鋼筋,與環(huán)向鋼筋定位卡具配套使用,其橫斷面為與隧道斷面弧形同心的弧形板狀結(jié)構(gòu),其頂部設(shè)置有多個(gè)“U”型槽,其間距符合縱向鋼筋間距設(shè)計(jì)要求。使用時(shí)可將縱向鋼筋定位卡具放置在多組縱向鋼筋之間,并與環(huán)向定位鋼筋卡具密貼,保持與縱向垂直,并使其“U”型槽卡在鋼筋上,沿縱向設(shè)置多個(gè)縱向鋼筋定位卡具,即可實(shí)現(xiàn)縱向鋼筋精準(zhǔn)定位。
被覆混凝土澆筑“先墻后拱”,拱部一次澆筑成型。洞庫(kù)被覆厚度大、載荷重、質(zhì)量要求高,因而拱部模板采用鋼制弧形模板。為提高模板的整體力學(xué)穩(wěn)定性,便于立模、脫模等,模板系統(tǒng)整體固定在模板支架上,經(jīng)模板支架傳遞混凝土載荷以及完成立模、脫模等功能(見(jiàn)圖1(b))。
拱部模板主體結(jié)構(gòu)為弧形,兩側(cè)末端為直墻模板。弧形模板環(huán)向共11塊,環(huán)向采用鉸接連接,并使用連桿鎖死,保證弧形模板的精度。直墻模板環(huán)向共2塊,分置弧形模板左、右兩端,采用鉸接結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng)液壓油缸可使直墻模板搭接邊墻(見(jiàn)圖7)。
圖7 直墻模板
模板系統(tǒng)分層預(yù)留多個(gè)工作窗口,可用于混凝土澆筑、振搗、觀察澆筑狀況等。拱頂留混凝土灌注孔,用于布置拱頂混凝土泵送管路。模板系統(tǒng)工作窗布置如圖8所示。
圖8 模板系統(tǒng)工作窗布置圖
被覆模筑混凝土施工時(shí),模板應(yīng)具備立模、脫模的功能。支撐體系定位后,立模時(shí)僅需要上下、左右精準(zhǔn)調(diào)控模板。因此,模板液壓系統(tǒng)應(yīng)具備模板頂升、橫移、直墻模板擴(kuò)展的功能。3.3節(jié)提到模板系統(tǒng)固定在模板支架上,因而模板液壓系統(tǒng)均作用在模板支架上,底部設(shè)置在支撐體系上,具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。模板頂升、橫移液壓系統(tǒng)前后設(shè)置2排,單排設(shè)置12套,設(shè)備中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置,布置位置見(jiàn)圖1(b)。模板定位時(shí),需采用液壓同步驅(qū)動(dòng)技術(shù),確保多套液壓系統(tǒng)動(dòng)作協(xié)調(diào)。
圖9 模板頂升、橫移系統(tǒng)原理
3.4.1 頂升功能
頂升功能由頂升油缸、伸縮套筒和螺旋絲杠實(shí)現(xiàn),其中,頂升油缸提供驅(qū)動(dòng)力,伸縮套筒用于導(dǎo)向,螺旋絲杠用于定位后的鎖定并提供支撐力。
3.4.2 橫移功能
橫移功能由橫移油缸與頂升、橫移基座實(shí)現(xiàn),橫移油缸提供驅(qū)動(dòng)力,頂升、橫移基座可相對(duì)支撐體系左右滑動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)頂升結(jié)構(gòu)、模板支架整體橫向移動(dòng)。
3.4.3 直墻模板擴(kuò)展
直墻模板采用液壓驅(qū)動(dòng)到位后,使用螺旋絲杠鎖緊,具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。由于模板系統(tǒng)跨度、自重均較大,需在多處設(shè)置模板頂升、橫移系統(tǒng),前、后2排,共24套,均勻分?jǐn)偰0遑Q向載荷。直墻模板擴(kuò)展前、后2排,共4套,承載邊墻段部分載荷。模板液壓系統(tǒng)采用同步控制技術(shù)以保證驅(qū)動(dòng)模板時(shí)的動(dòng)作協(xié)調(diào)性。
地下洞庫(kù)被覆拱部混凝土澆筑按照左右對(duì)稱(chēng)、自下向上、分層澆筑的工藝原則,連續(xù)澆筑、一次成型。被覆跨度大、坡度小、輸送距離長(zhǎng),單循環(huán)澆筑量極大,適合采用封閉管路泵送混凝土,確?;炷寥肽Y|(zhì)量。為提高工效,兩側(cè)可分別設(shè)置一套獨(dú)立的澆筑管路,同時(shí)澆筑混凝土,并嚴(yán)格控制澆筑速度和兩側(cè)混凝土的高度差?;炷翝仓到y(tǒng)見(jiàn)圖10。
圖10 混凝土澆筑系統(tǒng)
混凝土澆筑采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接澆筑系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)混凝土管路快捷變換,其結(jié)構(gòu)主要包括主管路、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和分管路。主管路前端接泵車(chē),后端接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);多套分管路以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的圓心為中心,呈環(huán)形布置,其前端用于對(duì)接伸縮機(jī)構(gòu),后端放置于各個(gè)工作窗內(nèi)或接通拱部澆筑孔。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)接通主管路,以液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),可回轉(zhuǎn)。伸縮機(jī)構(gòu)布置在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的末端,以液壓油缸驅(qū)動(dòng),可伸縮、對(duì)接分管路,管路接口處使用管箍鎖緊。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與伸縮機(jī)構(gòu)配套使用,可實(shí)現(xiàn)主管路與分管路逐次對(duì)接,自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接原理見(jiàn)圖11。
圖11 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接原理圖
被覆混凝土厚度較大,多層鋼筋網(wǎng)較為密集,拱頂近似水平段從底部泵入混凝土?xí)r難以完全填充模板艙,為此需將管路插入模板艙內(nèi)。泵送管路向上穿過(guò)模板、鋼筋網(wǎng),頂部出口距離初期支護(hù)20 cm?;炷帘盟凸芸v向布置3排、每排設(shè)置5個(gè),縱向間距3 m,橫向間距5 m,靠近已澆筑段混凝土的間距為0.75~1.00 m,布置方式見(jiàn)圖12和圖13。
圖12 拱頂混凝土泵送管側(cè)向視圖
圖13 拱頂混凝土泵送管端部視圖
模板定位后布置混凝土泵送管路,上穿沿途干涉鋼筋網(wǎng)需切斷處置。脫模時(shí),在模板處切斷混凝土泵送管,模板外側(cè)管路滯留在混凝土內(nèi)。
被覆混凝土厚度較大,外部附著式振搗器無(wú)法有效完成混凝土振搗施工。為滿(mǎn)足現(xiàn)澆混凝土密實(shí)度要求,拱墻混凝土采用高頻插入式振搗器搗固,具體施工時(shí)采用直插或斜插方式。插入式振搗器采用輕量化設(shè)計(jì),便于人工手持振搗棒穿過(guò)鋼筋網(wǎng)間隙,振搗時(shí)不接觸鋼筋網(wǎng)。振搗棒采用低壓變頻驅(qū)動(dòng),接通電源即可啟動(dòng)振搗。振搗時(shí)間可預(yù)先設(shè)置,防止混凝土過(guò)度振搗而發(fā)生離析。針對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的插入式振搗器參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 插入式振搗棒設(shè)計(jì)參數(shù)
被覆混凝土結(jié)構(gòu)分段逐次澆筑,施工裝備應(yīng)具備自行走功能。本裝備自重較大,采用軌行式結(jié)構(gòu),設(shè)置在支撐體系底部的一體式鋼結(jié)構(gòu)上。每套設(shè)備配置2個(gè)行走輪。行走機(jī)構(gòu)以電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng),鏈條式傳動(dòng),可適應(yīng)重載、粉塵等不良環(huán)境。
行走系統(tǒng)以12根重型鋼軌為軌道,左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置,每根軌道前后分別布置1套行走機(jī)構(gòu),均配置電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng),共24套行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)采用多電機(jī)速度偏差耦合同步控制,嚴(yán)格控制各個(gè)行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度,保證支撐系統(tǒng)底部的一體式鋼結(jié)構(gòu)整體沿軌道直線(xiàn)行走,從而承載整個(gè)支撐體系移動(dòng),防止架體失穩(wěn)。軌行式行走機(jī)構(gòu)如圖14所示。
圖14 軌行式行走機(jī)構(gòu)
鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化裝備可實(shí)現(xiàn)一次定位,同步完成相鄰2個(gè)循環(huán)的鋼筋綁扎和混凝土澆筑,工藝流程見(jiàn)圖15。
圖15 鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化裝備工藝流程圖
鋼筋綁扎以鋼筋綁扎平臺(tái)為主要施工裝備,主要有鋼筋吊裝、定位、錨固、綁扎等工序,所完成的鋼筋網(wǎng)應(yīng)滿(mǎn)足布筋準(zhǔn)確、綁扎牢固,不因混凝土澆筑、振搗而引起變形。具體方法如下:
1)使用鋼筋吊具將所用鋼筋分批吊裝至鋼筋綁扎平臺(tái)上,并將表面處理干凈,按照配筋設(shè)計(jì)搭配不同長(zhǎng)度、數(shù)量、直徑的鋼筋,以備取用;
2)將縱向鋼筋放入縱向鋼筋定位卡具的“U”型槽內(nèi),環(huán)向鋼筋從最后端開(kāi)始布置在環(huán)向鋼筋定位卡具的“L”型卡槽內(nèi),并將頂層的鋼筋與錨桿連接,徑向連接筋布置在縱向鋼筋與環(huán)向鋼筋的交點(diǎn)處,完成首個(gè)環(huán)向單片網(wǎng)。左、右兩側(cè)可同步布置縱向鋼筋與環(huán)向鋼筋,并將接茬處連接牢固;
3)首個(gè)環(huán)向鋼筋單片網(wǎng)完成后,將環(huán)向鋼筋定位卡具向前端移動(dòng)一個(gè)環(huán)向鋼筋間距,隨后再次布置環(huán)向鋼筋、徑向連接筋,并連接牢固,完成第2個(gè)環(huán)向鋼筋單片網(wǎng)。隨后使用縱向連接筋,將首片和第2片鋼筋單片網(wǎng)綁扎為整體;
4)重復(fù)第2個(gè)鋼筋單片網(wǎng)和縱向連接筋綁扎流程,直至所有鋼筋單片網(wǎng)綁扎完成,鋼筋立體網(wǎng)已基本完成。
被覆混凝土采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接裝置泵送入模。為避免產(chǎn)生施工縫,采用6輛混凝土攪拌車(chē)、2臺(tái)拖泵從左、右兩側(cè)同時(shí)施工,采用先墻后拱的順序,自下而上、分層、對(duì)稱(chēng)澆筑,兩側(cè)高度差不超過(guò)30 cm,分層高度30 cm,澆筑速度控制在0.75 m/h以?xún)?nèi),拱頂澆筑時(shí)可適當(dāng)提高速度。
拱頂近水平段采用先快后慢的澆筑方式,混凝土的澆筑總時(shí)長(zhǎng)等分成3段,混凝土泵送速度每次降低20%,橫向由邊緣向中間對(duì)稱(chēng)澆筑,縱向由內(nèi)向外依次澆筑,可最大限度緩解水化熱的不利影響。
封頂階段采用帶壓灌注,在泵送壓力作用下,混凝土先填充縱向內(nèi)側(cè),然后向外側(cè)涌動(dòng)。根據(jù)拱頂空洞檢測(cè)結(jié)果,填充密實(shí)后逐次使用中部、端部泵送管路輸送混凝土,直至完成封頂。為便于封頂混凝土澆筑并提高施工質(zhì)量,封頂階段應(yīng)慢速灌注,并使封頂區(qū)域盡可能小。
混凝土入模后應(yīng)及時(shí)振搗均勻、密實(shí)。插入式振搗器通過(guò)模板作業(yè)窗直插或斜插入現(xiàn)澆混凝土,一般情況下應(yīng)連續(xù)振搗25~30 s,每次振動(dòng)時(shí)間不宜少于10 s,不得超過(guò)60 s。插入式振搗器應(yīng)按照“快插慢拔”的原則,逐層逐窗振搗,各振搗點(diǎn)間距不宜超過(guò)1.5倍振搗半徑,防止漏振。當(dāng)模板內(nèi)的混凝土不再下陷、不再出現(xiàn)氣泡、泛漿流動(dòng)或成水平狀時(shí)即可停止振搗。
采用二次振搗技術(shù),對(duì)失去坍落度但仍處于塑性狀態(tài)的混凝土進(jìn)行二次振搗,提高混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)度和抗?jié)B性能,降低混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。初凝后的混凝土不得再次振搗?;炷琳駬v時(shí)應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量檢查,產(chǎn)生偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù),確?;炷琳駬v效果。被覆拱頂近水平段采用自密實(shí)混凝土澆筑,無(wú)需振搗。
拱頂混凝土灌注不飽滿(mǎn)或者不密實(shí)的情況下,被覆混凝土背后容易產(chǎn)生空洞,從而對(duì)整個(gè)被覆結(jié)構(gòu)的耐久性造成不利影響。拱頂混凝土灌注期間采用分布式觸壓傳感器檢測(cè)拱部混凝土壓力狀態(tài),判斷是否存在脫空,并作為拱部混凝土封頂終止的判據(jù)。
分布式觸壓傳感器縱向密貼于拱頂初期支護(hù)表面,帶狀結(jié)構(gòu)上設(shè)置有多個(gè)檢測(cè)單元,對(duì)應(yīng)顯示終端多個(gè)指示燈。當(dāng)檢測(cè)單元采集到混凝土壓力時(shí),對(duì)應(yīng)的指示燈亮起,表示檢測(cè)位置的混凝土為“密實(shí)”狀態(tài)。借助拱頂混凝土脫空檢測(cè),實(shí)現(xiàn)拱頂混凝土封頂全過(guò)程信息化檢測(cè),可避免僅憑經(jīng)驗(yàn)或目測(cè)判斷封頂結(jié)束時(shí)機(jī)而導(dǎo)致的拱頂混凝土脫空。拱頂混凝土脫空檢測(cè)原理見(jiàn)圖16。
圖16 拱頂混凝土脫空檢測(cè)原理圖
被覆施工一體化裝備已完成被覆混凝土施工,累計(jì)施工5個(gè)月,完成混凝土澆筑20余組。所用貝雷架運(yùn)輸方便,可實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)快速組裝,形成穩(wěn)固的支撐體系。通過(guò)整合鋼筋綁扎與混凝土澆筑裝備,使一體化貝雷架支撐體系縱向長(zhǎng)度達(dá)到30 m,提高了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,在千噸級(jí)現(xiàn)澆混凝土的巨大載荷下,保證了立模精度和施工安全。頂部分設(shè)鋼筋綁扎與混凝土澆筑工區(qū),通過(guò)優(yōu)化施工組織,可實(shí)現(xiàn)工序協(xié)調(diào)并進(jìn),充分調(diào)用人工,實(shí)現(xiàn)人工、設(shè)備最優(yōu)配置,從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
鋼筋綁扎臺(tái)架、鋼筋吊具、鋼筋綁扎定位卡具等工裝有利于提高多層鋼筋網(wǎng)綁扎效率。整體式鋼模板及其液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿(mǎn)足了超大跨度條件下立模、脫模施工需求。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接灌注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量混凝土快速入模,同時(shí)降低了狹小空間內(nèi)頻繁換管的難度。自主行走系統(tǒng)解決了超大型被覆施工裝備縱向移動(dòng)的難題。拱頂混凝土脫空監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)時(shí)反映混凝土飽滿(mǎn)狀態(tài),可為封頂施工提供信息參考,避免盲目施工。脫模后混凝土表面光滑,未見(jiàn)蜂窩、麻面、錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量缺陷,襯砌強(qiáng)度、密實(shí)度、背后脫空率等均滿(mǎn)足襯砌施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。
被覆施工一體化裝備主要工序作業(yè)時(shí)間見(jiàn)表4,除混凝土硬化要求的時(shí)間較長(zhǎng)外,表中各工序均滿(mǎn)足施工進(jìn)度要求。此外,組織施工時(shí)可充分利用混凝土硬化時(shí)間,提高綜合施工效益。
表4 主要工序作業(yè)時(shí)間
本設(shè)備所需施工人員和配套設(shè)備均為常見(jiàn)配置,見(jiàn)表5和表6。
表5 襯砌施工勞動(dòng)力配置
表6 襯砌施工主要設(shè)備配置
本裝備跨度大、載荷大,應(yīng)用中軌道鋪設(shè)精度和人工協(xié)作是主要問(wèn)題。行走機(jī)構(gòu)采用速度同步控制,軌道鋪設(shè)精度較差時(shí),行走輪容易發(fā)生偏載,導(dǎo)致局部載荷過(guò)重,無(wú)法順利行走。同時(shí)在行走過(guò)程中,應(yīng)時(shí)刻關(guān)注行走的直線(xiàn)度,出現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)速度。
巨跨地下洞室被覆施工是地下工程裝備技術(shù)面臨的行業(yè)難題,采用安全、可靠、高效的施工裝備,是保證襯砌施工質(zhì)量,提高施工效率的必備條件。以高強(qiáng)度模塊化貝雷架組建支撐體系,借鑒全液壓鋼模板襯砌施工技術(shù),研制了集鋼筋綁扎與混凝土澆筑功能于一體的巨跨被覆施工裝備,取得的主要結(jié)論如下:
1)以貝雷架為基本構(gòu)件的支撐體系通用性強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,組裝方便,便于運(yùn)輸,適用于洞內(nèi)快速組裝巨跨被覆施工裝備,可承受巨跨被覆混凝土載荷。
2)采用鋼筋綁扎與混凝土澆筑裝備一體化形式,可顯著增加縱向尺寸,對(duì)于提高巨跨被覆施工裝備的穩(wěn)定性效果顯著,可滿(mǎn)足降低施工風(fēng)險(xiǎn)的需求。
3)巨跨被覆施工裝備一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋼筋綁扎和混凝土澆筑一體化施工,能夠?qū)崿F(xiàn)多工序協(xié)同并進(jìn),配置多種自動(dòng)化、信息化工裝可簡(jiǎn)化設(shè)備操作難度,降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度,從而提高施工效率,確保按期完成巨跨被覆施工。
巨跨地下洞庫(kù)被覆施工一體化裝備為巨跨被覆施工提供了全套裝備、工藝解決方案,但在施工中需要投入較多的施工人員和設(shè)備,施工組織難度大、風(fēng)險(xiǎn)管控壓力大。下一步可研究采用自動(dòng)化、信息化施工技術(shù),提高施工裝備的自動(dòng)化程度,實(shí)現(xiàn)少人化施工。