空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)在仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉清泉

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)作為TBM施工中一項(xiàng)重要的配套施工手段，多是在預(yù)制工廠內(nèi)采用專業(yè)生產(chǎn)線模式進(jìn)行流程化施工的。1997年西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道我國(guó)鐵路系統(tǒng)首次引進(jìn)TBM進(jìn)行機(jī)械化隧道施工并鋪設(shè)仰拱預(yù)制塊［1］，得益于預(yù)制塊生產(chǎn)與管片等預(yù)制結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的相似性和管片生產(chǎn)工藝的完備，仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)技術(shù)很快便成熟起來(lái);但是，因?yàn)檠龉邦A(yù)制塊與管片的結(jié)構(gòu)差異，吸盤式翻轉(zhuǎn)機(jī)(臺(tái))對(duì)預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)并不適用，國(guó)內(nèi)采用最普遍的地面翻轉(zhuǎn)法技術(shù)落后、弊端明顯。為了改善預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)工藝，新建吐庫(kù)二線鐵路中天山隧道率先引入仰拱預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)臺(tái)法，但遺憾的是經(jīng)過試生產(chǎn)階段的嘗試，終因機(jī)械化程度低、操作復(fù)雜、人工需求大、轉(zhuǎn)運(yùn)量大被地面翻滾法替代。如何改變當(dāng)前預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)技術(shù)的原始與落后的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)像管片生產(chǎn)一樣的結(jié)構(gòu)體無(wú)損翻轉(zhuǎn)成為一直困擾鐵路建設(shè)者的難題。

1 研究背景

1.1 工程概況

2008年9 月，新建蘭渝鐵路全線控制性工程、全長(zhǎng)28.236 km的西秦嶺特長(zhǎng)隧道開始開工建設(shè)，西秦嶺隧道是目前國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)史上的第二長(zhǎng)隧道，也是國(guó)內(nèi)TBM施工斷面最大、距離最長(zhǎng)的鐵路隧道。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，西秦嶺隧道為左右線分設(shè)的2條單線隧道，分別采用鉆爆法和直徑10.23 m全斷面敞開式TBM掘進(jìn)聯(lián)合施工［2］，其中:XQLS2標(biāo)9 478 m的出口預(yù)備洞鉆爆段、羅家理斜井鉆爆段及12 934m的TBM掘進(jìn)段需要鋪裝仰拱預(yù)制塊，總量達(dá)到12 452塊。本工程中仰拱預(yù)制塊不僅是施工運(yùn)輸軌道的基礎(chǔ)，用于TBM施工期間后配套走行和有軌運(yùn)輸，同時(shí)也是隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成部分［3］、后期整體道床的基礎(chǔ)，并作為中心水溝用于隧道施工期間及后續(xù)永久性排水。這就要求仰拱預(yù)制塊必須達(dá)到高強(qiáng)度、高質(zhì)量、高抗?jié)B性能和較好的外觀質(zhì)量。

1.2 真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)

目前國(guó)內(nèi)管片生產(chǎn)廠家大多數(shù)采用具備吸吊和翻轉(zhuǎn)功能的真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要由真空系統(tǒng)、真空吸盤、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及機(jī)架等組成。管片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上，真空吸盤活動(dòng)地連接于管片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的吊柱上。工作時(shí)整個(gè)吸吊機(jī)吊鉤在相應(yīng)的起重設(shè)備上，并依靠其自身重力使真空吸盤吸附在混凝土管片的外弧面上，真空系統(tǒng)啟動(dòng)后，形成密封，管片被吸盤吸牢后脫模吊起;然后利用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將吸吊的管片翻轉(zhuǎn)任意角度，以便于存放和安裝［4－5］。大型真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)的輸送能力可達(dá)8 t左右。

表1是管片與仰拱預(yù)制塊的區(qū)別。由表1顯示:在敞開式TBM施工中，仰拱預(yù)制塊較管片結(jié)構(gòu)尺寸要大得多，其質(zhì)量約為同直徑開挖斷面所需管片的7倍，明顯超出真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)的輸送能力，且由于外弧面被搓毛處理，很難滿足真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)表面平整度的要求。真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)通常以預(yù)制件弧長(zhǎng)方向?yàn)橹行妮S進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)，占用空間過大，此外，如果遇到吸盤下面的膠條破損或突然停電，吸盤內(nèi)真空就會(huì)逐漸釋放而導(dǎo)致管片墜落;因此，一旦發(fā)生突發(fā)事件，必須在很短的時(shí)間內(nèi)將預(yù)制件與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行捆綁固定，以免發(fā)生重大安全事故。

表1 管片、仰拱預(yù)制塊的區(qū)別Table 1 Difference between segment and precast invert block

1.3 傳統(tǒng)地面翻滾法

傳統(tǒng)地面翻滾法主要依靠一塊與預(yù)制塊尺寸相配套的砂坑(也有的工地用廢舊輪胎滿鋪代替砂坑)來(lái)緩沖預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)時(shí)的沖擊力，其基本流程是:仰拱預(yù)制塊脫模(R脫=20 MPa)—室內(nèi)靜養(yǎng)3 d—轉(zhuǎn)運(yùn)至臨時(shí)存放場(chǎng)—預(yù)制塊邊角防護(hù)及鋼絲繩固定—行吊小車走行將預(yù)制塊單側(cè)提起、側(cè)翻—采用吊具將預(yù)制塊轉(zhuǎn)運(yùn)至存放區(qū)存放。由于翻滾時(shí)混凝土尚遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且整體呈“U”型的預(yù)制塊中心水溝位置混凝土厚度只有40 cm，就如同一個(gè)巨大的啞鈴，翻滾落地的瞬間巨大的沖擊力容易對(duì)結(jié)構(gòu)體造成較大損傷(尤其是水溝位置)，即便這些損傷是肉眼不可見的，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的抗?jié)B性還是會(huì)造成很大的影響;而且此方法行吊占用時(shí)間較長(zhǎng)，必須經(jīng)過二次轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)

2.1 機(jī)械構(gòu)造與作業(yè)原理

液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)主要由液壓系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及機(jī)架等幾部分組成，主要構(gòu)造如圖1所示。預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)機(jī)應(yīng)用杠桿原理，利用液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)制塊的夾緊和翻轉(zhuǎn)［9］。

圖1 仰拱預(yù)制塊液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of hydraulic type invert block overturning machine

2.2 在預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)中的優(yōu)勢(shì)

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷輕便，造價(jià)低廉，輸送能力可達(dá)25 t，有充足的安全富余量。

2)預(yù)制塊夾緊與翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力均來(lái)源于安裝在機(jī)架橫梁頂部的液壓泵站，通過控制夾緊油缸的伸縮借助夾緊連桿傳力帶動(dòng)立柱張合，通過控制翻轉(zhuǎn)油缸的伸縮借助翻轉(zhuǎn)連桿傳力帶動(dòng)夾緊頭轉(zhuǎn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)油缸伸縮一次可帶動(dòng)夾緊頭旋轉(zhuǎn)180°，脫模平移后即可進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)，操作簡(jiǎn)便。

3)充分發(fā)揮仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)尺寸相一致、中心位置厚度較大的特點(diǎn)，在預(yù)制塊上前后兩側(cè)各預(yù)留2個(gè)夾緊用翻轉(zhuǎn)孔來(lái)抵抗預(yù)制塊脫模、翻轉(zhuǎn)期間的剪力，有效防止預(yù)制塊松脫。

4)以仰拱預(yù)制塊1.8 m長(zhǎng)度方向?yàn)橹行妮S進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)，作業(yè)空間小。

真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)和液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)脫模和翻轉(zhuǎn)工藝對(duì)比如圖2所示。

圖2 真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)和液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)脫模、翻轉(zhuǎn)工藝對(duì)比Fig.2 Comparison and contrast between vacuum suction type overturning machine and hydraulic type overturning machine in terms of formwork removing and segment(invert block)overturning

3 仰拱預(yù)制塊空中翻轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 前期準(zhǔn)備

3.1.1 模具配套設(shè)計(jì)

為了增加翻轉(zhuǎn)機(jī)夾緊頭與預(yù)制塊的連接，使仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)模具與預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)機(jī)配套設(shè)計(jì)，通過改造模具，在預(yù)制塊前后兩側(cè)各預(yù)留2個(gè)夾緊用翻轉(zhuǎn)孔(見圖3)，其尺寸與翻轉(zhuǎn)機(jī)夾緊探頭的尺寸相一致;此外，模具側(cè)模打開的幅度也需要滿足翻轉(zhuǎn)機(jī)在張開模式下伸入模具內(nèi)作業(yè)的要求。西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線模具側(cè)模打開幅度，可充分滿足翻轉(zhuǎn)機(jī)作業(yè)需求。

3.1.2 廠房建設(shè)要求

西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)主要采用1部25 t天車配合生產(chǎn)施工，預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)機(jī)在作業(yè)時(shí)通過鋼絲繩懸掛在天車吊鉤上，通過吊鉤的提升從而帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)上升來(lái)完成預(yù)制塊的脫模。在廠房建設(shè)時(shí)必須保證其建設(shè)高度能夠滿足翻轉(zhuǎn)機(jī)作業(yè)的空間需要。

圖3 模具翻轉(zhuǎn)孔設(shè)計(jì)及脫模后成型效果Fig.3 Overturning hole on the mould and final shape of invert block

對(duì)于采用空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)進(jìn)行仰拱預(yù)制塊脫模和翻轉(zhuǎn)的仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線廠房(見圖4)，其建設(shè)高度應(yīng)滿足

式中:H為廠房高度;h1為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)作業(yè)高度;h2為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)高度;h3為天車吊鉤及連接翻轉(zhuǎn)機(jī)用鋼絲繩可活動(dòng)高度范圍;h4為天車高度;h5為天車距廠房頂棚安全高度。

同時(shí)，液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)作業(yè)高度h1還應(yīng)滿足

式中:W為仰拱預(yù)制塊寬度;Δh為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)作業(yè)距地面安全高度;h1'為模具高出地面部分高度;h2'為液壓起吊翻轉(zhuǎn)機(jī)脫模后距模具頂部安全高度;h3'為1/2仰拱預(yù)制塊厚度。

綜合考慮上述因素，西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線廠房高11.5 m。由于吊裝鋼筋籠對(duì)天車軌道立柱的要求基本可以滿足翻轉(zhuǎn)機(jī)作業(yè)所需要空間，很多時(shí)候并不需要刻意增加廠房高度。

3.1.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)托架設(shè)計(jì)

在天車不使用翻轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行脫模和翻轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，由于翻轉(zhuǎn)機(jī)本身并不帶有安放裝置(在使用時(shí)會(huì)極大地干擾施工)，為防止翻轉(zhuǎn)機(jī)安放時(shí)傾斜導(dǎo)致液壓油的泄露和零部件的損壞，需要單獨(dú)制作翻轉(zhuǎn)機(jī)安放托架，安放托架尺寸除能夠滿足翻轉(zhuǎn)機(jī)的正常安放外，還應(yīng)設(shè)置上下爬梯，供操作人員上下及掛、取吊鉤作業(yè)。安放托架應(yīng)安設(shè)在天車可吊裝區(qū)域內(nèi)。

圖4 廠房建設(shè)高度示意Fig.4 Height of manufacture plant

3.2 工藝流程

仰拱預(yù)制塊空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)具體施工流程如下:

1)將天車吊鉤與翻轉(zhuǎn)機(jī)頂部的起吊孔用鋼絲繩相連接，連通電力線并將操作手柄吊至天車操作室，由天車司機(jī)負(fù)責(zé)完成翻轉(zhuǎn)機(jī)的各項(xiàng)操作。

2)檢查翻轉(zhuǎn)機(jī)各動(dòng)作完成是否正常。

3)25 t天車起吊液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)至已打開側(cè)邊模的模具正上方，與模具對(duì)中就位。

4)伸長(zhǎng)夾緊油缸，張開兩邊立柱，調(diào)整翻轉(zhuǎn)機(jī)位置至夾緊探頭與預(yù)制塊預(yù)留翻轉(zhuǎn)孔對(duì)齊，收縮夾緊油缸，夾緊仰拱預(yù)制塊。

5)先行試吊，確認(rèn)天車就位準(zhǔn)確且設(shè)備安全。

6)提升天車吊鉤完成脫模作業(yè)，走行天車小車至翻轉(zhuǎn)位置。

7)收縮翻轉(zhuǎn)油缸，帶動(dòng)夾緊頭180°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制塊的空中翻轉(zhuǎn)。

8)將仰拱預(yù)制塊吊至臨時(shí)存放區(qū)存放，翻轉(zhuǎn)油缸復(fù)位，開始下一循環(huán)。

4 注意事項(xiàng)

1)因?yàn)榉D(zhuǎn)機(jī)與25 t天車之間完全靠鋼絲繩進(jìn)行連接，如果鋼絲繩在纏繞時(shí)2個(gè)吊裝環(huán)方向不一致(見圖5(b))，在起吊作業(yè)時(shí)因?yàn)殇摻z繩受力拉緊就會(huì)形成扭曲帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)偏轉(zhuǎn)一定的角度，在有限的空間里進(jìn)行晃動(dòng)性的翻轉(zhuǎn)不僅容易損壞設(shè)備，而且極易破壞廠房建筑。為防止天車吊鉤本身的旋轉(zhuǎn)影響，可在吊鉤中心軸與兩面的鋼板間用一弧面楔鐵進(jìn)行固定，對(duì)于吊鉤的控制可以起到非常好的效果。

圖5 鋼絲繩吊裝環(huán)纏繞示意Fig.5 Looping of cable rope

2)預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)要選擇相對(duì)寬敞的場(chǎng)地(例如車行道或者室內(nèi)臨時(shí)存放區(qū))，切忌在模具范圍內(nèi)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以免發(fā)生意外墜落造成模具損傷甚至報(bào)廢。翻轉(zhuǎn)時(shí)，由天車司機(jī)在地面輔助人員的指揮下完成各種操作，地面輔助人員必須站在安全區(qū)域(翻轉(zhuǎn)機(jī)工作范圍2 m外)以內(nèi)，即便發(fā)生翻轉(zhuǎn)機(jī)側(cè)扭也應(yīng)通過天車司機(jī)走行小車、控制翻轉(zhuǎn)等進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)禁地面人員手動(dòng)校正。180°翻轉(zhuǎn)完成并下落至距地面30 cm以內(nèi)時(shí)方可允許地面人員手工輔助矯正擺放位置。

3)液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)作為空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)的核心輔助工具，在實(shí)際應(yīng)用中起著舉足輕重的作用。由于是國(guó)內(nèi)首家應(yīng)用該翻轉(zhuǎn)機(jī)，新設(shè)備的投產(chǎn)對(duì)操作、保養(yǎng)、維修人員都提出了更高的要求，在沒有相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)且大部分專用零部件都缺少普遍性的情況下，一旦使用不當(dāng)或超過設(shè)計(jì)使用壽命造成零部件的損毀都可能會(huì)直接影響到施工生產(chǎn);因此，從確保生產(chǎn)進(jìn)度的角度出發(fā)，對(duì)所有專用零部件都進(jìn)行了備份，以便損壞時(shí)能夠及時(shí)修復(fù)。隨著空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)的越來(lái)越成熟、廣泛，作業(yè)工人操作、保養(yǎng)、維修經(jīng)驗(yàn)和水平的不斷提高以及對(duì)設(shè)備本身的不斷改造和完善，該問題可逐步得到解決。

4)當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)夾緊仰拱預(yù)制塊后，在油缸不進(jìn)行任何伸縮變化的情況下，翻轉(zhuǎn)機(jī)與仰拱預(yù)制塊為剛性接觸，這種接觸方式可以視二者為一個(gè)整體，而預(yù)制塊生產(chǎn)模具自身加工偏差僅0.2 mm、脫模強(qiáng)度20 MPa，如果模具不水平、翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)油缸伸縮不到位、天車位置定位不準(zhǔn)確都會(huì)造成起吊作用力與仰拱預(yù)制塊停放位置水平中心線不垂直，引發(fā)仰拱預(yù)制塊在模具內(nèi)因偏拉向一側(cè)擠壓形成掉塊(見圖6)。

只要日常加強(qiáng)模具水平度檢查，模具不水平的問題便可以有效解決。為便于天車停車定位，現(xiàn)場(chǎng)采用“三線重合歸一法”［9］，即:當(dāng)天車操作室玻璃上豎向刻線a、天車中部倒懸等腰三角形定位板垂線b、天車軌道鋼架梁正立等腰三角形定位板垂線c三線位于同一條豎線上時(shí)則表明天車恰好停在仰拱塊中間位置。翻轉(zhuǎn)機(jī)每次脫模前應(yīng)先檢查翻轉(zhuǎn)油缸伸縮是否到位并及時(shí)作出調(diào)整。每循環(huán)使用一段時(shí)間后對(duì)翻轉(zhuǎn)油缸進(jìn)行檢查，以便重新確定伸縮限位。

圖6 掉塊原因分析Fig.6 Analysis on causes for defects of invert block

5 應(yīng)用效果

截至2011年6月1日，仰拱預(yù)制塊空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)在西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)線使用已經(jīng)10個(gè)月，翻轉(zhuǎn)預(yù)制塊5 548塊，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，操作人員能夠較好地完成各項(xiàng)操作、規(guī)避各類風(fēng)險(xiǎn)。通過實(shí)踐的檢驗(yàn)，空中翻轉(zhuǎn)法無(wú)論是在人員配置、作業(yè)時(shí)間、外觀質(zhì)量控制等方面都明顯優(yōu)于地面翻滾法(見表2);而且由于空中翻轉(zhuǎn)法預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)與脫模同步完成，不需要像地面翻滾法一樣在室外存放場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，無(wú)需額外占用掘進(jìn)所需預(yù)制塊、鋼軌、拱架、網(wǎng)片等材料裝卸門吊的作業(yè)時(shí)間，可以確保掘進(jìn)材料的及時(shí)供應(yīng)。

表2 方法對(duì)比Table 2 Comparison and contrast between method of overturning on ground and that of overturning in air

6 結(jié)論與建議

1)鑒于對(duì)仰拱預(yù)制塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及真空吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)在預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)中不適用性和缺點(diǎn)的充分研究，液壓吸吊翻轉(zhuǎn)機(jī)規(guī)避了前者的使用缺陷，通過空中無(wú)損翻轉(zhuǎn)消除了地面翻滾法對(duì)結(jié)構(gòu)體的損傷。

2)脫模夾緊與預(yù)制塊翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力一體化，減小了設(shè)備自身的體積，更加輕便、靈巧。

3)通過夾緊頭與預(yù)制塊之間的剪力和摩擦力代替真空吸盤的吸力，連接更牢靠，對(duì)于突發(fā)事件應(yīng)變能力更強(qiáng)。

4)空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)機(jī)械化程度高、操作簡(jiǎn)便，只需1人輔助天車司機(jī)作業(yè)便可實(shí)現(xiàn)預(yù)制塊脫模、翻轉(zhuǎn)同步完成，極大地減輕了人員勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)及對(duì)行吊的占用時(shí)間。

5)雖然空中翻轉(zhuǎn)技術(shù)中由于液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)的引入增加了項(xiàng)目的初始設(shè)備成本支出，但是該技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)效益不可低估，對(duì)于預(yù)制塊的生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)量提高進(jìn)而確保TBM的順利掘進(jìn)與快速步進(jìn)起到了非常積極的作用。

6)由于新技術(shù)的應(yīng)用所產(chǎn)生的各類潛在風(fēng)險(xiǎn)可以通過經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和對(duì)技術(shù)的充分掌握有效規(guī)避，不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。

7)隨著敞開式TBM掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用空間越來(lái)越廣闊，空中翻轉(zhuǎn)法也將逐漸取代地面翻滾法，成來(lái)未來(lái)的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

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