隧道襯砌混凝土帶壓入模自動(dòng)布料方法

謝 韜/XIE Tao

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458；2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458)

為保證隧道襯砌施工質(zhì)量，混凝土澆筑過(guò)程要求左右分層連續(xù)澆筑[1]。為此，襯砌臺(tái)車(chē)在不同高度上通常設(shè)置有多個(gè)灌注窗口，澆筑混凝土?xí)r需要將布料管道與灌注窗口連接，整個(gè)襯砌澆筑過(guò)程中，需要多次拆裝、更換布料管道，目前均由工人操作完成。頻繁的拆裝泵管，浪費(fèi)了大量的時(shí)間。臺(tái)車(chē)平臺(tái)上設(shè)備多，作業(yè)空間小，布料管道重，搬動(dòng)管道時(shí)需要多人協(xié)作。同時(shí)混凝土澆筑過(guò)程不連續(xù)、間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則布料管道易產(chǎn)生堵塞，還容易造成襯砌冷縫。蔡正森,何哲等[2]人研究認(rèn)為布料工藝對(duì)工程施工效率和施工質(zhì)量都具有相當(dāng)重要的影響，研究布料工藝也是對(duì)工程施工標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的促進(jìn)。

因此混凝土布料工藝成為制約襯砌施工質(zhì)量及施工進(jìn)度的一個(gè)關(guān)鍵因素。楊波[3]和張華[4]分別介紹了帶模注漿工藝減少拱頂襯砌背后空洞的技術(shù)，該工藝操作要求高，缺少注漿時(shí)機(jī)，注漿壓力等數(shù)據(jù)支持，操作不慎易引發(fā)壓潰混凝土和爆模的現(xiàn)象。龔成明等[5]人在一種可帶模注漿的新型鐵路隧道襯砌臺(tái)車(chē)中使用了溜槽布料的方法，依靠自身重力，混凝土自行下滑至灌注窗口，實(shí)現(xiàn)自下而上分層連續(xù)澆筑。但由于臺(tái)車(chē)內(nèi)部高度空間有限，導(dǎo)致頂層的溜槽下料角度較小，混凝土流動(dòng)性較差，容易產(chǎn)生堵塞；臺(tái)車(chē)模板底部灌注窗口的溜槽高度過(guò)大，混凝土容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，導(dǎo)致底層襯砌質(zhì)量較差[6]，因而溜槽布料的方法使用效果并不理想。

隧道襯砌混凝土帶壓入模自動(dòng)布料灌注方法的關(guān)鍵設(shè)備是回轉(zhuǎn)式對(duì)接快速分料系統(tǒng)，通過(guò)管路快速變換，滿足分層逐窗澆筑的工藝要求，依靠泵送壓力快速輸送混凝土。具有自動(dòng)化水平高、操作方便、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，換管時(shí)間短，保證了混凝土澆筑過(guò)程的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)了混凝土帶壓入模，有利于提高混凝土澆筑質(zhì)量和施工進(jìn)度，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)布料系統(tǒng)構(gòu)成

隧道襯砌混凝土帶壓入模自動(dòng)布料系統(tǒng)主要由主管路、分支管路、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中主管路安裝在襯砌臺(tái)車(chē)工作平臺(tái)中心位置，下端接混凝土泵車(chē)，上端連接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。分支管路由多支管路組成，多個(gè)分支管路布置在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)圓周，上端與伸縮機(jī)構(gòu)連接，下端連接到各個(gè)混凝土澆筑窗口。如圖2 所示主管路和各個(gè)分支管路之間通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)對(duì)接，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可360°轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮機(jī)構(gòu)可沿管路中心伸縮。

圖1 混凝土帶壓入模自動(dòng)布料系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 砼泵送快速分配機(jī)構(gòu)圖

1.2 帶壓入模自動(dòng)布料原理

圖3 混凝土帶壓入模泵送示意圖

拱頂混凝土由于坍落度和自身重力影響容易產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，為避免上述現(xiàn)象，拱頂分支管路采用向后傾斜設(shè)計(jì)，混凝土流動(dòng)方向與泵送壓力方向相反，實(shí)現(xiàn)混凝土反向澆筑，利用混凝土擠壓效應(yīng)，使其充滿整個(gè)拱頂模板空間，以提高拱頂混凝土的密實(shí)度和飽和度?；炷凛斔凸苈方涌谔幨褂脴?biāo)準(zhǔn)卡箍人工鎖緊，可保證輸送管路的密封性和可靠性。

2 工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)

2.1 工藝流程

主要工藝流程如圖4 所示。

圖4 施工工藝流程框圖

2.2 主要工序技術(shù)要點(diǎn)

1）施工前檢查 檢查布料系統(tǒng)配件、操作工具是否配置齊全并處于良好使用狀態(tài)，重點(diǎn)檢查布料系統(tǒng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑狀態(tài)，各個(gè)管路的固定螺栓和管卡螺栓的連接狀態(tài)，防止松動(dòng)。關(guān)注回轉(zhuǎn)部件和移動(dòng)部件的磨損狀態(tài)，過(guò)度磨損的應(yīng)及時(shí)剛換配件。注意清理布料系統(tǒng)工作區(qū)域的物品，防止影響布料系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮操作。檢查布料系統(tǒng)內(nèi)是否存在混凝土余料或者堆積較多的浮漿，必要時(shí)應(yīng)及時(shí)清理。

2）驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)中 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可無(wú)線遙控控制雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，管路對(duì)中時(shí)應(yīng)注意液壓管路，防止過(guò)度纏繞撕裂液壓油管。確保周?chē)鷽](méi)有障礙物阻擋。管路對(duì)中的準(zhǔn)確性對(duì)后續(xù)管路對(duì)接和管卡鎖緊有較大影響，因而要求盡可能實(shí)現(xiàn)精確對(duì)中。在接近對(duì)中位置時(shí)可采用點(diǎn)動(dòng)控制，可通過(guò)多次正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)至對(duì)中位置。

3）驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)接 伸縮機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，無(wú)線遙控控制。伸縮過(guò)程中應(yīng)確保周?chē)鷽](méi)有障礙物阻擋。對(duì)接過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)管路沒(méi)有精確對(duì)中，在不阻擋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下，可對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)管路對(duì)中，滿足對(duì)接的要求。如果主管路和分支管路已經(jīng)接觸，應(yīng)將伸縮機(jī)構(gòu)后退一定距離，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)空間后方可對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使其滿足對(duì)接需求。

4）管卡鎖緊接口 主管路和分支管路的接口處使用管卡鎖緊。管路接口鎖緊時(shí)必須使用橡膠密封圈封閉管路的接口縫隙，然后使用管卡鎖緊。鎖緊機(jī)構(gòu)必須具有足夠的預(yù)緊力，防止管卡在泵送過(guò)程中發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致漏漿。管卡鎖緊的過(guò)程中，可使用手錘敲擊管卡，局部微調(diào)橡膠密封圈和管卡的位置，提高管卡鎖緊的可靠性。

小直徑壓力鋼管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸和起吊條件，在制造廠內(nèi)盡可能完成多的焊接工作，一般將設(shè)計(jì)單節(jié)組對(duì)成大節(jié)后出廠，減少安裝現(xiàn)場(chǎng)的工作量。使用自動(dòng)組對(duì)設(shè)備進(jìn)行鋼管環(huán)縫的組裝，從而實(shí)現(xiàn)大節(jié)組對(duì)。拼裝時(shí)將已焊好的單節(jié)壓力鋼管吊裝到滾輪架上，通過(guò)操控一側(cè)的帶驅(qū)動(dòng)滾輪架，使兩節(jié)壓力鋼管靠攏。之后轉(zhuǎn)動(dòng)一側(cè)的滾輪架調(diào)節(jié)焊縫間隙，待間隙初步符合要求后，通過(guò)調(diào)節(jié)滾輪高度使兩節(jié)鋼管一段范圍內(nèi)的間隙及錯(cuò)位達(dá)到規(guī)范要求，并進(jìn)行定位焊接，如圖3所示。

5）混凝土泵送 分支管路入窗一端提前放入到模板內(nèi)部，當(dāng)管路對(duì)接完成后即可開(kāi)始向模板內(nèi)部泵送混凝土。泵送過(guò)程中隨時(shí)關(guān)注泵送狀態(tài)，防止發(fā)生堵管、漏漿、管路爆裂、管路松動(dòng)等問(wèn)題。

6）拱頂混凝土澆筑 拱頂混凝土采用反向傾斜澆筑，提高拱頂混凝土的密實(shí)度。澆筑完成后應(yīng)首先停止泵送混凝土，然后關(guān)閉拱頂灌注窗口，最后松開(kāi)主管路與分支管路的連接狀態(tài)。拱頂混凝土澆筑管路內(nèi)的余料可依靠自身重力排出，必要時(shí)可通過(guò)人工輔助敲擊。

7）管路清洗 完成局部澆筑的分支管路應(yīng)及時(shí)清洗，首先將清洗球放入需要清洗的分支管路，接通高壓風(fēng)管將管路內(nèi)的混凝土擠出，并注意混凝土浮漿的二次清洗。

拱頂混凝土澆筑完成后，松開(kāi)主管路與分支管路的連接狀態(tài)，混凝土泵車(chē)開(kāi)始反泵操作，將主管路內(nèi)的混凝土全部抽取，然后使用清水沖洗主管路內(nèi)的浮漿。

3 施工組織及質(zhì)量控制

3.1 勞動(dòng)力組織

勞動(dòng)力組織是布料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速施工，提高施工效率，降低施工成本的關(guān)鍵，采用方法施工時(shí)，單個(gè)布料系統(tǒng)需要配置的勞動(dòng)力見(jiàn)表1所示。

表1 勞動(dòng)力組織表

3.2 材料與設(shè)備

需要的材料和設(shè)備如表2 所示，其中布料系統(tǒng)、管路固定支架和環(huán)形槽需要自制。

表2 材料與設(shè)備表

3.3 質(zhì)量控制

1）對(duì)加工的管路和管路固定支架進(jìn)行驗(yàn)收，確保加工的管路和管路支架的尺寸偏差滿足使用要求，預(yù)留的螺栓孔的位置和尺寸偏差滿足螺栓緊固要求。

2）對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件的精度進(jìn)行驗(yàn)收，確保運(yùn)動(dòng)部件的安裝精度和運(yùn)動(dòng)精度滿足使用要求。

3）布料系統(tǒng)初步安裝完成后，必須對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行檢查，保證主管路和分支管路之間能夠方便、快速對(duì)接，不滿足要求時(shí)需要重新調(diào)整，直到滿足要求。

4）布料系統(tǒng)調(diào)整完成后，必須進(jìn)行螺栓連接質(zhì)量檢查，螺栓必須連接緊固，不滿足要求時(shí)應(yīng)重新加固。

5）布料系統(tǒng)的液壓管路連接完成后，必須對(duì)各個(gè)油管的連接質(zhì)量進(jìn)行檢查，防止發(fā)生漏油。

6）布料系統(tǒng)首次投入使用前應(yīng)對(duì)無(wú)線控制器，液壓系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全面調(diào)試，確保一切正常后方可使用。

4 工程實(shí)例分析

隧道襯砌混凝土帶壓入模自動(dòng)布料灌注技術(shù)在新建張吉懷鐵路某隧道進(jìn)行了首次應(yīng)用，如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)布料工作平臺(tái)

采用本方法后，實(shí)現(xiàn)了混凝土帶壓入模，用1 套自動(dòng)布料灌注系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)邊墻、拱頂混凝土澆筑，徹底改變了依靠混凝土自重滑入模板倉(cāng)的澆筑工藝，從而有效避免了混凝土滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離析，保證了入模品質(zhì)。

自動(dòng)布料灌注系統(tǒng)通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)管路旋轉(zhuǎn)、對(duì)接，人工使用管箍鎖緊，輸送管路變換自動(dòng)化程度高，人工操作簡(jiǎn)便，換管效率高，單人3min內(nèi)可完成管路變換，有利于保證混凝土澆筑的連續(xù)性，減少“施工冷縫”，提高混凝土澆筑質(zhì)量。

通過(guò)該方法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了混凝土布料澆筑機(jī)械化、自動(dòng)化，減少了人工投入，有利于降低施工成本。改善了工人的勞動(dòng)條件，提高了施工安全性。

5 結(jié)論與討論

實(shí)踐證明，在隧道襯砌施工中，混凝土布料技術(shù)直接影響著襯砌質(zhì)量和施工效率。

1）混凝土澆筑質(zhì)量高。通過(guò)混凝土帶壓入模使混凝土沿著封閉管路流入模板倉(cāng)內(nèi)，由于混凝土存在壓力，各類(lèi)配料流動(dòng)速度保持一致，可避免混凝土離析，保證了混凝土的入模品質(zhì)。自動(dòng)布料灌注施工換管時(shí)間短，在保證混凝土持續(xù)供應(yīng)的前提下，可避免施工冷縫。

2）換管速度快。隧道襯砌混凝土帶壓入模自動(dòng)布料灌注系統(tǒng)采用自動(dòng)控制元件，人工操作便捷，換管時(shí)間短，可在3min 內(nèi)完成換管。

3）自動(dòng)化水平高、勞動(dòng)強(qiáng)度低。自動(dòng)布料灌注系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，只需要工人手持遙控器控制布料系統(tǒng)對(duì)中，然后使用管卡輔助鎖緊。潤(rùn)管、換管、清洗的全過(guò)程僅需1 人即可完成。混凝土輸送管末端采用軟管入窗，人工勞動(dòng)強(qiáng)度低。

4）施工安全性高?；炷磷詣?dòng)布料灌注采用液壓驅(qū)動(dòng)，工人只需操控液壓系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)布料系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)、對(duì)接，運(yùn)行平穩(wěn)穩(wěn)定、省時(shí)省力，避免了高空作業(yè)，安全性高。