既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽技術(shù)綜述

張 龍， 高菊茹， 袁 瑋

(中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731)

0 引言

截至2018年底，中國鐵路營業(yè)里程達13.1萬km，其中投入運營的鐵路隧道15 117座，總長16 331 km； 在建鐵路隧道3 477座，總長7 465 km[1]。然而，由于我國地域自然條件差異較大，隧道穿越的山體工程地質(zhì)條件、氣候條件、水文條件等復雜多變，早期建設的隧道受限于當時的勘察手段、設計技術(shù)標準和施工工藝水平，導致運營鐵路隧道出現(xiàn)襯砌裂損、腐蝕、滲漏水等各類病害，其中襯砌裂損是運營隧道的主要病害之一。在隧道病害整治過程中，針對嚴重裂損的襯砌常采用鋼拱架套襯方式進行永久性加固，當施工過程中需將鋼拱架嵌入襯砌內(nèi)時，不得不進行施工難度大、勞動強度高的開槽作業(yè)。

目前，國內(nèi)常用的開槽方法主要基于混凝土切割機(角磨機)、風鎬、電鎬、墻鋸等手持小型開槽機具。文獻[2-6]介紹了利用切割機或角磨機等工具先切槽線，再利用電鎬、風鎬等工具鑿槽的工程實例。文獻[6]依托山西廣靈至渾源高速公路黃龍隧道工程，分別對手持切割機配合電鎬開槽、墻鋸切縫配合風鎬開槽和墻鋸切縫配合電鎬開槽3種方法的施工效率進行了分析比較，得出墻鋸切縫配合電鎬開槽的施工效率相對較高。日本提出了一種隧道襯砌內(nèi)壁裂化混凝土切削設備[7]和一種隧道襯砌內(nèi)壁切槽線設備[8]。

通過文獻調(diào)研，未見有關(guān)既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽方法與工藝的系統(tǒng)研究資料； 現(xiàn)有文獻局限于先切槽線再鑿槽的施工方法，開槽效率低，勞動力投入大，施工環(huán)境、施工質(zhì)量及施工安全難以保障，且施工風險高，對實現(xiàn)高效、快速、安全作業(yè)形成了制約。因此，有必要在系統(tǒng)總結(jié)分析現(xiàn)有開槽方法、工藝與設備的基礎上，提出具有創(chuàng)新性的快速開槽方法。

1 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽方法現(xiàn)狀

國內(nèi)外由于在隧道所處地質(zhì)條件、施工管理制度、隧道運營管理制度及維護技術(shù)等方面的不同，其應對各類隧道病害時所采取的措施也不盡相同。

1.1 國外現(xiàn)狀

國外隧道技術(shù)較發(fā)達的日本及歐洲國家較側(cè)重于隧道的施工質(zhì)量控制及運營養(yǎng)護，通過定期檢查及時發(fā)現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的早期破損及其他異常情況并進行修復[9]，隧道發(fā)生嚴重襯砌裂損病害的情況較少，開槽鑲嵌鋼拱架進行裂損襯砌加固的情況不多。

以1999年山陽新干線福岡隧道襯砌脫落事故為鑒，日本運輸省頒布了隧道維護管理指南，實行隧道襯砌劣化剝離檢查制度[10-11]。在運營隧道維修設備方面，日本研發(fā)了一種可進行鐵路隧道襯砌高效修補作業(yè)的聯(lián)合作業(yè)車組； 該作業(yè)車組由能在鐵路軌道上行走且相互連接的2臺作業(yè)車組成，作業(yè)車上分別搭載了可沿前后方向以一定行程滑動的臂式高處作業(yè)平臺以及錨桿鉆孔機等設備[12]。此外，日本還提出了一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設備[7]和一種用于混凝土管道內(nèi)表面開槽的切槽線設備[8]。

美國將襯砌裂損分為淺層裂損(裂損深度﹤50 mm)及深度裂損(裂損深度≥50 mm)2種。當襯砌發(fā)生淺層裂損時，若無鋼筋外露，以20°角(外小內(nèi)大)切除劣化混凝土并清理后，采用聚合物砂漿填平； 若有鋼筋外露，以20°角(外小內(nèi)大)切除劣化混凝土并清理后，先在鋼筋上涂防腐層，然后用聚合物砂漿填平。當襯砌發(fā)生深度裂損且有鋼筋裸露銹蝕時，切除劣化混凝土，且深度≥25 mm，鋼筋周圍寬度應為鋼筋直徑的一半，深度至少至鋼筋背后25 mm，在鋼筋上涂防腐層(必要時重新安設鋼筋)后用聚合物砂漿填平，若面積較大，則需采取噴射混凝土施工[13]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)在隧道病害整治中需要開槽時，多采用先切槽線再鑿槽的施工方法； 在一些隧道中也采用由金剛石鉆孔機逐個鉆孔成槽的開槽方式。

1.2.1 先切槽線再鑿槽

施工時，工人按設計要求標出開槽軌跡后，先用混凝土切割機沿開槽軌跡切出槽邊線，然后由風鎬或電鎬鑿除槽線內(nèi)混凝土完成開槽作業(yè)，每次開槽深度50～60 mm。如京九線花園灣隧道、營盤上隧道、岐嶺隧道、峰福線黃土3號隧道、達成線湯家灣隧道、拉濱線太平嶺隧道等，在病害整治中都采用了先切槽線再鑿槽的開槽方法[2-5,14]。

先切槽線再鑿槽的方法具有施工工藝較簡單、作業(yè)較為靈活等優(yōu)勢，但不足是開槽由人工手持開槽機具作業(yè)，勞動強度高，施工速度慢。此外，施工時作業(yè)人員的安全難以得到有效保證，如在拱頂施工時，工人需仰面進行切、鑿槽作業(yè)，容易被掉落的混凝土塊砸傷。先切槽線再鑿槽的施工工序如圖1所示，其施工實例如圖2所示。

圖1 先切槽線再鑿槽施工工序

Fig. 1 Construction sequence of method of line cutting first and then concrete chiseling

圖2 先切槽線再鑿槽施工實例

Fig. 2 Example of method of line cutting first and then concrete chiseling

1.2.2 逐個鉆孔成槽

在玉林高速公路沙毛嶺隧道襯砌加固工程中，采用了由金剛石鉆孔機逐個鉆孔形成鋼拱架安裝槽的開槽方法。金剛石鉆孔機配有不同直徑的鉆頭，通過更換鉆頭并調(diào)整鉆孔中心間距，即可實現(xiàn)不同尺寸的鋼拱架安裝槽開槽作業(yè)。

采用逐個鉆孔成槽法進行施工時，在隧道襯砌開槽軌跡標記完成后，先由人工手持金剛石鉆孔機開始鉆孔，然后用風鎬等錘擊工具鑿除中心混凝土，如此反復則可完成開槽作業(yè)。金剛石鉆孔機鉆孔時需噴水作業(yè)，因此施工粉塵污染較輕，作業(yè)環(huán)境相對較好。但逐個鉆孔成槽的方法開槽速度慢，施工效率難以滿足隧道病害快速整治的需求。逐個鉆孔成槽的施工工序如圖3所示，其施工實例如圖4所示。

圖3 逐個鉆孔成槽施工工序

圖4 金剛石鉆孔機開槽實例

2 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽設備現(xiàn)狀

目前，日本在隧道襯砌開槽設備方面已有相關(guān)研究，如“一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設備”、“一種混凝土管道內(nèi)表面切槽線設備”等； 此外，美國提出了“一種路面混凝土切削設備”，用于機場跑道及路面混凝土開槽。國內(nèi)開槽作業(yè)通常采用角磨機、云石機、風鎬、電鎬、金剛石鉆孔機等建筑通用設備。

2.1 國外與隧道襯砌開槽相關(guān)的設備

2.1.1 圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設備[7]

圖5示出一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設備，能利用較小的驅(qū)動力完成小口徑隧道內(nèi)周劣化混凝土的切削。整個設備在行走支腿(5)的支撐下可沿隧道(1)的軸線方向移動，設備就位后由支撐構(gòu)件(2)進行固定，此時設備軸線C1與隧道軸線基本一致。設備工作時，首先將設備移動到預定位置固定后，由機械臂(4)將切削裝置(3)壓緊在隧道襯砌表面； 然后機械臂(4)繞C1軸轉(zhuǎn)動，由于切削刀具與隧道襯砌間的摩擦作用，使得切削刀具繞C2軸線轉(zhuǎn)動，如此可完成對隧道內(nèi)周劣化混凝土的切削。

(a) 主視圖

(b) 左視圖

1—隧道； 2—浮動支撐機構(gòu)； 3—切削裝置及滾刀； 4—切削浮動機構(gòu)； 5—行走支腿； C1—設備軸線； C2—滾刀軸線。

圖5圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設備

Fig. 5 Cutting equipment for peripheral edge portion inside tunnel

2.1.2 混凝土管道內(nèi)表面切槽線設備[8]

圖6示出一種混凝土管道內(nèi)表面切槽線設備。該設備能夠在混凝土管道里靈活動作并按設計在隧道內(nèi)表面切出一定寬度的槽線。導軌(2)由安裝在其兩端的支撐裝置(包括固定支腿(6)、伸出支腿(1)和支腿安裝座(5))支撐，且能自由旋轉(zhuǎn)。安裝在3個固定支腿(6)上的伸出支腿(1)可向外伸縮。切削部件(4)的刀具支架(3)通過導向裝置(8)與導軌(2)相連，開槽深度是通過刀具支架(3)在導向裝置(8)的凹槽內(nèi)沿管道(7)徑向移動控制的。導向裝置(8)沿管道軸向移動即可實現(xiàn)軸向方向的開槽； 而圓周方向開槽作業(yè)通過導軌(2)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。槽線內(nèi)混凝土通過撬棒插入槽內(nèi)進行鑿除。

(a) 主視圖

(b) 左視圖

1—伸出支腿； 2—導軌； 3—刀具支架； 4—切削部件； 5—支腿安裝座； 6—固定支腿； 7—管道； 8—導向裝置。

圖6混凝土管道內(nèi)表面切槽線設備

Fig. 6 Cutting machine for inner surface of concrete pipe

當采用先切槽線再鑿槽的開槽方法時，可由混凝土管道內(nèi)表面切槽裝置進行槽線切割，有效提高了切割槽線的效率。此外，該設備能同時實現(xiàn)混凝土管道縱向切槽線作業(yè)，但其不足是僅適用于圓形管道。

2.1.3 艾卡特切割輪

圖7示出德國艾卡特公司開發(fā)的可切割巖石與鋼筋混凝土的切割輪。該切割輪需配置在挖掘機上進行切割作業(yè)，通過配置不同的圓桿銑挖刀可完成混凝土等的開槽作業(yè)。如配置ER17/64/60/25C等規(guī)格的銑挖刀可完成混凝土及巖石等的切削作業(yè)。

A—切槽寬度； B—切槽深度。

該切割輪的優(yōu)點是可以借助挖掘機平臺改裝，節(jié)約成本，并且可切割鋼筋混凝土，切削力強； 但不足是刀具尺寸固定，應用于隧道病害整治作業(yè)時需多次切削成槽。

2.2 國內(nèi)隧道襯砌開槽設備

目前，國內(nèi)在隧道病害整治中一般采用建筑領(lǐng)域通用的切、鑿槽設備進行隧道襯砌開槽作業(yè)。用于切槽作業(yè)的設備通常有角磨機、云石機等； 用于鑿槽作業(yè)的設備有風鎬、電鎬等。此外，還有用于逐個鉆孔成槽的金剛石鉆孔機等。

2.2.1 通用開槽機械

2.2.1.1 切槽機械

1)角磨機。角磨機常見型號按照所使用的切片規(guī)格劃分為100 mm、125 mm、150 mm、180 mm及230 mm。在隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽作業(yè)中，多采用直徑為230 mm的角磨機，一次有效切削深度為50～60 mm。

2)云石機。云石機主要用于切割石料、瓷磚及混凝土等，施工時可根據(jù)不同的切割材料選擇不同的切割片。云石機能夠?qū)崿F(xiàn)0°～45°斜角切削，應用于隧道襯砌開槽作業(yè)時可進行梯形鋼拱架安裝槽的槽線切割。

2.2.1.2 鑿槽機械

常用的鑿槽機械有風鎬和電鎬等，主要用于鑿除槽邊線內(nèi)的混凝土。

1)風鎬。風鎬是以壓縮空氣為動力，利用沖擊作用破碎堅硬物體的手持施工機具，具有結(jié)構(gòu)緊湊、攜用輕便等特點。目前，市場上風鎬種類繁多，鑿槽風鎬多以輕型為主，有G7、G10、G15型風鎬等。

2)電鎬。電鎬是以電動機為動力的雙重絕緣手持式電動工具，具有安全可靠、效率高、操作方便等特點。電鎬主要用于建筑、鐵路建設、城市建設及加固等行業(yè)。綜合考慮設備單重與作業(yè)效率等因素，鑿槽可考慮選用博士GSH388/GSH388H型、牧田HM0830型、日立H45SR型、東成Z1G-FF-6型、科成Z1G-KG-41型電鎬等。

2.2.1.3 金剛石鉆孔機

金剛石鉆孔機(又稱水鉆、混凝土鉆孔機)是一種在鋼筋混凝土、陶瓷、玻璃、耐火材料上鉆孔的新型工具，具有無粉塵作業(yè)、效率高、孔壁光滑、尺寸精確等特點。金剛石鉆孔機應用于隧道襯砌開槽作業(yè)時粉塵污染小、作業(yè)環(huán)境較好，但因其開槽速度較慢，在隧道襯砌病害整治中的應用較少。

2.2.2 專用開槽機械——環(huán)形軌道開槽機

圖8示出西安歐凱開發(fā)的環(huán)形軌道開槽機，主要包括環(huán)形軌道和切削頭，由切削頭沿著軌道滑動完成隧道襯砌開槽作業(yè)。設備可根據(jù)要求變換開槽深度和寬度，但受限于其設備功率，開槽深度較淺，無法實現(xiàn)鋼拱架安裝槽的一次切削成槽作業(yè)。

圖8 環(huán)形軌道開槽機

3 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽方法及工藝研究

針對如何實現(xiàn)既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽高效、安全施工，選擇合理的施工方法至關(guān)重要。通過調(diào)研目前已經(jīng)應用于建筑工程中的開槽技術(shù)，可用于隧道襯砌快速開槽的技術(shù)主要有組合式刀具一次切削成槽、水射流切槽以及多次切削成槽3種方法。

3.1 組合式刀具一次切削成槽

金剛石鋸片切削混凝土等脆性材料時，切出槽的寬度要大于鋸片本身的寬度，最大時可達到鋸片寬度的2倍，因此，可采用組合式鋸片進行鋼拱架安裝槽的切槽作業(yè)。采用組合式刀具一次切削成槽方法進行既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽的施工工藝如圖9所示。

3.2 水射流切槽

水射流切割技術(shù)已成功應用于金屬、鋼材及混凝土等的切割，可切割厚度為5 m的混凝土塊。因此，可采用水射流切槽法進行既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽。由于接觸網(wǎng)及承力索的影響，采用水射流切槽法開槽時，開槽作業(yè)需分2步完成。水射流切槽法的施工工藝如圖10所示。

圖9 組合式刀具一次切削成槽施工工藝圖

圖10 水射流切槽法施工工藝圖

3.3 多次切削成槽

對于切割輪以及環(huán)形軌道切槽機等工具，若無法實現(xiàn)一次切削成槽，則需要進行多次開槽作業(yè)，其施工工藝如圖11所示。

4 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽設備研制建議

國內(nèi)廣泛應用的“先切槽線再鑿槽”和“逐個鉆孔成槽”2種施工方法因機械化程度、開槽速度以及施工安全等方面的限制，已不符合未來運營隧道激增情況下的病害整治作業(yè)要求。因此，開展對既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽技術(shù)的研究以及開槽設備的研制，在有限的“天窗”時間內(nèi)實現(xiàn)隧道病害的快速整治已迫在眉睫。

圖11 多次切削成槽施工工藝圖

目前，國內(nèi)現(xiàn)有的既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽技術(shù)與設備無法滿足市場需求，已有的環(huán)形軌道開槽設備無法實現(xiàn)一次切削成槽，中鐵西南院提出的既有鐵路隧道襯砌開槽機(專利號： 201410766639.0)雖然可實現(xiàn)一次切削成槽，但是并未進行成果轉(zhuǎn)化。因此，有必要就既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽設備的研究重點進行探討，以期開發(fā)適應現(xiàn)場要求的設備。

對開槽設備的研究建議從開槽方法的選擇和設備的研制2方面進行考慮。

4.1 開槽方法的選擇

建議根據(jù)市場需求并結(jié)合不同開槽方法的特點，選擇合適的方法進行開槽設備設計。各開槽方法的特點如下：

1)“組合式刀具一次切削成槽法”具有施工工藝簡單、施工速度快等優(yōu)勢，但因鋸片數(shù)量多、鋸片直徑大，使得設備功率較大，且該技術(shù)目前仍未完成轉(zhuǎn)化，鋸片布置間距等參數(shù)仍需進一步研究。

2)“水射流切槽法”具有施工環(huán)境好、切削力對襯砌的影響小等優(yōu)勢，但水射流施工設備成本較高，且無法實現(xiàn)一次切削成槽，施工工藝較復雜。在既有鐵路隧道施工中，切割水難以回收以及保護切割水不對接觸網(wǎng)產(chǎn)生影響是該技術(shù)應用的難點。

3)“多次切削成槽法”采用市場成熟設備，具有設備成本低，應用簡便等優(yōu)勢，但由于無法實現(xiàn)一次切削成槽，開槽工藝較復雜。

4.2 開槽設備的研制

1)開槽設備應統(tǒng)籌考慮病害整治作業(yè)線進行設計，研究集開槽、鋼拱架安裝、鉆孔、注漿等功能于一體的綜合整治設備。

2)開槽設備的研發(fā)應重點攻克以下技術(shù)：

①高效的一次切削成槽刀具。刀具是開槽設備的核心，刀具的可靠性和切削效率決定設備的性能。要完成鋼拱架安裝槽的一次快速成槽，開發(fā)出高效的切削刀具是關(guān)鍵。

②刀具沿隧道襯砌軌跡曲線走行控制技術(shù)。設備在隧道襯砌上開槽需要進行曲線行走，且不同隧道、同一隧道不同段的襯砌斷面軌跡不盡相同，因此，實現(xiàn)刀具沿隧道斷面軌跡的自適應曲線行走是實現(xiàn)快速開槽的關(guān)鍵。

③接觸網(wǎng)背后開槽技術(shù)。既有鐵路隧道內(nèi)有接觸網(wǎng)系統(tǒng)，開槽施工應在保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全的前提下進行，設備研發(fā)應重點考慮刀具如何安全繞過接觸網(wǎng)系統(tǒng)完成開槽作業(yè)。

3)開槽設備應具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

①快速化。對于繁忙的鐵路線路來說，“天窗”時間是十分珍貴的，要在有限的“天窗”時間內(nèi)高效率完成開槽作業(yè)，開槽設備必須具備快速作業(yè)能力。其不僅能實現(xiàn)快速開槽作業(yè)，同時應具備快速就位與撤場能力。僅就開槽作業(yè)本身來說，在1個單線綜合維修“天窗”時間內(nèi)(一般為120 min)應至少能開鑿3榀鋼拱架安裝槽。

②環(huán)?；?。隧道內(nèi)是一個相對封閉的空間，因此開槽作業(yè)產(chǎn)生的粉塵等不容易排出，嚴重時將影響施工效率，長時間作業(yè)對作業(yè)人員的健康也會造成危害。研制開槽設備時，可采用噴水降塵加廢物收集的方式，降低施工對隧道內(nèi)環(huán)境的污染，實現(xiàn)隧道開槽作業(yè)環(huán)?；?/p>

③安全性。隧道襯砌鋼拱架安裝槽通多位于拱部，現(xiàn)有開槽方法開槽作業(yè)過程中產(chǎn)生的廢渣(通常是混凝土塊)、廢水等容易對下方人員造成傷害，對隧道附屬電氣設備及病害整治作業(yè)設備造成破壞。開槽設備的設計應充分考慮對設備、特別是施工人員的保護，如將開槽廢渣粉碎化并集中收集不失為一種好的選擇。

④標準化。應盡快研究制定既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽尺寸、開槽設備就位速度、開槽速度、粉塵量以及施工安全防護等方面的標準，為開槽設備的設計提供依據(jù)。