鐵路隧道新型防排水卷材鋪掛臺車研制及應(yīng)用

趙鵬 郭小雄 韓安宏

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊 050081）

防排水卷材是置于隧道初期支護和二次初砌之間，兼顧拱墻防水和排水功能的主要材料，其鋪掛工效嚴重制約隧道整體進度和施工質(zhì)量，影響隧道運營和使用壽命［1］。目前，防排水卷材鋪掛大多采用作業(yè)臺架人工鋪掛的方法，存在勞動強度大、鋪掛效率低、搭接尺寸誤差大、安全隱患大等問題，難以滿足施工進度、施工質(zhì)量和隧道標準化施工的要求［2-3］。研制機械化、信息化水平較高的智能型防排水卷材鋪掛臺車對提高防排水施工質(zhì)量，加快隧道修建速度，減少襯砌病害，提升隧道安全運營能力至關(guān)重要。

德國、法國等歐洲國家防排水卷材鋪掛臺車以桁架結(jié)構(gòu)為主，主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，構(gòu)件均為可拆卸更換、重復(fù)使用的標準件［4］。日本鋪掛臺車為框架結(jié)構(gòu)，其除具備鋪掛防排水卷材等基本功能外，還具有注漿功能［5］。中國鋪掛臺車多以簡單臺架為主，臺車形式多樣，結(jié)構(gòu)剛度小，變形大，僅做人工操作平臺使用。其智能化水平低，人為干擾因素大，鋪掛平整度差，施工質(zhì)量及效率較低，與我國高速鐵路發(fā)展技術(shù)不匹配，也是鐵路隧道襯砌質(zhì)量難以控制的主要影響因素之一。

1 自粘式防排水卷材鋪掛工藝

采用氣釘槍將自粘布固定在初期支護混凝土上，自粘式防排水板沿隧道環(huán)向展布，環(huán)向搭接邊與上一幅預(yù)留搭接邊對齊，自粘布與防排水板之間用粘接帶相互連接，縱向接縫采用“凸殼嵌扣+膠貼密封+熱塑封邊”方式施工。人工粘貼固定自粘布和防排水板鋪掛見圖1，其工藝流程見圖2。

圖1 人工鋪掛防排水卷材

圖2 粘貼式防排水卷材鋪掛工藝流程

自粘式防排水卷材的使用改變了拱墻結(jié)構(gòu)防排水形式，施工便捷、鋪掛牢固，提高了與初期支護密貼程度，降低了拱頂?shù)魤K的風(fēng)險。同時，自粘式鋪掛工藝操作簡單，降低了作業(yè)人員鋪掛難度、勞動強度及技術(shù)門檻，為鐵路隧道新型防排水卷材鋪掛臺車的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 新型鋪掛臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

新型鐵路隧道防排水卷材鋪掛臺車由支撐結(jié)構(gòu)、環(huán)形軌道及功能部件、工作平臺、定位調(diào)整機構(gòu)、走行系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)等組成，見圖3。

圖3 新型鋪掛臺車總體結(jié)構(gòu)組成示意

新型鋪掛臺車構(gòu)件均采用標準件，方便拆卸和更換。主要部件見圖4。

圖4 新型鋪掛臺車主要部件

各部件的主要作用：①支撐結(jié)構(gòu)為由支撐桿件組成的框架結(jié)構(gòu)，是整個鋪掛臺車的承載結(jié)構(gòu)。②環(huán)形軌道設(shè)置于鋪掛臺車外圍，為功能部件提供支承、導(dǎo)向作用。功能部件鋪掛于環(huán)形軌道上，主要有布料裝置、壓緊裝置、射釘裝置、焊接裝置、鋼筋牽拉裝置等。③工作平臺滿足施工人員作業(yè)、消防器材存放等要求，具備伸縮、可拆卸等功能。④定位調(diào)整機構(gòu)通過平移、旋轉(zhuǎn)、伸縮等姿態(tài)調(diào)整實現(xiàn)鋪掛臺車作業(yè)位置的微調(diào)。⑤走行系統(tǒng)可采用輪軌式或輪胎式，由行走輪及驅(qū)動組成，實現(xiàn)鋪掛臺車行走、駐停等。⑥動力系統(tǒng)由電力系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，為鋪掛臺車施工作業(yè)、起降伸縮、走行駐停等提供動力。⑦控制系統(tǒng)由傳感元件、控制終端及操控軟件組成，用于實現(xiàn)鋪掛臺車的主功能操控。⑧信息化系統(tǒng)包括工業(yè)攝像機、激光測距儀、無線掃碼槍、數(shù)據(jù)處理存儲傳輸系統(tǒng)等，用于實現(xiàn)鋪掛臺車施工作業(yè)全過程的信息采集、存儲、傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.2 功能特點

2.2.1 自動化

1）自動射釘固定自粘布

卷材爬升支架啟動后，卷材壓緊裝置將自粘布壓合在隧道表面，射釘裝置同步啟動并沿環(huán)向軌道運行，實現(xiàn)自粘布在初期支護上的自動固定。

2）自動粘貼鋪掛防排水板

利用鋪張支架、壓力滾輪及環(huán)向接縫熱熔焊接裝置，實現(xiàn)防排水板與自粘布均勻貼粘和防排水板之間的環(huán)向焊接。

2.2.2 信息化

1）自動掃碼識別防排水卷材

基于鐵路隧道防排水卷材生產(chǎn)制造信息化監(jiān)造系統(tǒng)，實現(xiàn)了防排水卷材質(zhì)量全過程的信息化監(jiān)控。在施工前可通過掃描自粘布及防排水板的二維碼標志，識別材料來源信息，比如產(chǎn)地、生產(chǎn)批次、生產(chǎn)日期、產(chǎn)品型號等，實現(xiàn)對材料質(zhì)量的全過程追溯。

2）自動掃描初期支護輪廓及鋪掛平整度

防水卷材鋪掛完成后，利用自動掃描設(shè)備對防排水板進行掃描，對比前后輪廓掃描數(shù)據(jù)，計算得出鋪掛平整度。對于平整度不滿足鋪掛要求的位置進行調(diào)整，直至滿足設(shè)計要求。

3）隱蔽工程影像資料的自動存儲

為便于鐵路隧道自粘式防排水板施工質(zhì)量控制及檔案管理，鋪掛臺車配備了隱蔽工程影像自動采集存儲功能，對防排水卷材鋪掛過程進行記錄。

3 結(jié)構(gòu)檢算

3.1 模型的建立

鋪掛臺車的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，基本門架結(jié)構(gòu)為空間桿系模型，均釆用beam188 梁單元進行建模。鋪裝結(jié)構(gòu)為梁殼模型，釆用shell63 殼單元建模，模板加強筋的角鋼釆用具有可視化界面的beam189 梁單元建模。檢算模型見圖5。

圖5 鋪掛臺車檢算模型

門架縱梁支撐千斤頂與門架縱梁之間由于沒有固定連接，因此門架縱梁支撐千斤頂對門架只有高度方向的支撐力，只約束支撐點高度方向位移。門架立柱撐地千斤頂與地面的接觸簡化處理為在千斤頂?shù)锥思s束其3個方向的位移自由度。車輪與鋼軌的接觸簡化處理為在門架立柱的底端約束其3個方向的位移自由度。

臺車結(jié)構(gòu)在施工過程中主要承受作業(yè)人員、防排水卷材及機具自身重力。約束反力直接作用在臺車下縱梁上，整個臺車形成底部約束的框架受力結(jié)構(gòu)，約束反力及鋪掛臺車各構(gòu)件受力情況均可通過簡化受力計算模式進行計算分析。當(dāng)臺車被拖拉移動時同時承受水平牽引力和支反力，支反力通過走行輪作用于主承力框架下縱梁。

3.2 結(jié)果與分析

鋪掛臺車的變形及內(nèi)力檢算結(jié)果見圖6。

圖6 鋪掛臺車檢算結(jié)果

由圖6可知：①由于臺車內(nèi)架為承重結(jié)構(gòu)，其變形主要為豎向位移，最大位移發(fā)生在內(nèi)架橫梁中間，其值為2.50 mm，外架位移較內(nèi)架大，其中拱頂豎向位移最大，其值為3.09 mm；②臺車所受彎矩較小，主要在外架拱部以及部分內(nèi)外架上部連接處，內(nèi)架幾乎不存在彎矩，最大值出現(xiàn)在外架正上方，其值為15.66 kN·m；③臺車結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力主要集中在內(nèi)外架連接處，其他位置應(yīng)力分布均勻。最大值出現(xiàn)于內(nèi)架上方橫梁兩側(cè)連接處，其值為35 MPa，小于Q345 材料的許用應(yīng)力。

鋪掛臺車作業(yè)時結(jié)構(gòu)整體變形量較小，受力狀態(tài)良好，未出現(xiàn)構(gòu)件屈服現(xiàn)象，臺車強度和剛度滿足要求。

4 鋪掛臺車現(xiàn)場試驗

4.1 工點概況

鐵盔山隧道位于貴州省黔西縣鐵石鄉(xiāng)，起迄里程DK466＋785—DK472＋012，全長5 227 m，除隧道出口DK471＋870—DK472＋012 段為平坡外，其余段均為17‰的單面下坡。隧道設(shè)進、出口平導(dǎo)，其中進口平導(dǎo)位于線路右側(cè)，坡度為3‰上坡，全長1 609.45 m；出口平導(dǎo)亦位于線路右側(cè)，坡度為17‰，3‰的下坡，全長1 485 m。鐵盔山隧道為高壓富水隧道，日均涌水量為3 650 m3/d，最大涌水量為7 860 m3/d，監(jiān)測最大水壓可達 0.6～1.0 MPa。選取 DK469+200—DK469+500段開展自粘式防排水卷材鋪掛施工。

4.2 施工工藝

經(jīng)現(xiàn)場試驗段的鋪掛施工，新型鋪掛臺車自動化、信息化功能穩(wěn)定，整體臺車結(jié)構(gòu)能較好適應(yīng)防排水卷材粘貼式鋪掛特點，并確定了防排水卷材鋪掛臺車自動鋪掛工藝，見圖7。

施工工藝主要分為4部分：

1）施工準備

臺車鋪掛與調(diào)試，檢查電燈、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、傳動部件。

2）固定自粘布

自粘布鋪掛前，對初期支護表面平整度、滲漏水等情況進行拍攝采集并實時存儲、上傳，以備后續(xù)施工質(zhì)量驗收、存檔等使用。

對自粘布外觀質(zhì)量進行檢查，合格后將其鋪掛在卷材爬升支架上，同時將自粘布端部與隧道邊墻的掛鉤鎖緊。啟動卷材爬升支架，自粘布隨著支架的上升而均勻舒張，利用卷材壓緊裝置將其壓合在隧道表面，自動射釘裝置同步啟動進行固定。支架在軌道上運行過程中啟動4 組激光測距儀，實時掃描和計算生成初期支護輪廓圖，并存儲上傳。卷材爬升支架到達鋪掛終點后，自動切割自粘布并用射釘固定，至此自粘布鋪掛完成。部分施工過程見圖8。

圖7 防排水卷材臺車自動鋪掛工藝流程

圖8 自粘布自動鋪掛施工

3）鋪掛防排水板

卷材爬升支架返回起點，啟動掃碼裝置，識別并存儲防排水板的材料信息。隨后啟動卷材爬升支架，防排水板隨支架上升均勻舒張，利用卷材壓緊裝置將防排水板均勻緊貼在自粘布上，同時再次啟動激光測距裝置，檢測鋪掛平整度，待卷材爬升支架到達鋪掛終點后，自動切割防排水板。最后啟動加熱爬焊機，沿對接縫逐步行走焊接至防排水板另一端，防排水板鋪掛完成。部分施工過程見圖9。

4）襯砌鋼筋架設(shè)

圖9 防排水板鋪掛施工

鋼筋牽拉爬升裝置夾持鋼筋從鋪掛起始側(cè)拉至對側(cè)，到達規(guī)定位置后將鋼筋頭與邊墻對應(yīng)鋼筋頭緊扣，而后鋼筋牽拉爬升裝置返回布置鋼筋，升縮平臺和頂桿同步伸出，確保鋼筋在設(shè)計要求位置后，進行橫向鋼筋的人工綁扎。最后，采用油壓鎖扣方式對起始側(cè)鋼筋頭與矮邊墻鋼筋頭進行連接固定。部分施工過程見圖10。

圖10 襯砌鋼筋架設(shè)施工

4.3 施工效果

1）自粘布鋪掛工效及質(zhì)量

人工鋪布與自動鋪布工效對比見表1。其中，用時指4 m 幅寬自粘布鋪掛時間?？梢姡鹤詣由溽敼潭ㄍ瓿? m 幅寬自粘布平均用時為人工鋪掛完成等量面積自粘布用時的20%，大大降低作業(yè)人員勞動強度。

表1 人工鋪布與自動鋪布工效對比

自粘布鋪掛平整，與初期支護密貼，固定牢固，鋼釘無明顯突出或脫落現(xiàn)象，前后2 排鋼釘間距在25～35 cm，美觀均勻，整張自粘布緊密貼合在初期支護表面，鋪掛質(zhì)量比人工鋪掛明顯提高。

2）防排水板鋪掛工效與質(zhì)量

人工鋪掛與自動鋪掛防排水板工效對比見表2。其中，用時指4 m 幅寬自粘防排水板鋪掛時間。可見：完成4 m 幅寬防排水板鋪掛平均用時比人工鋪掛用時縮短了80%。

表2 人工鋪防排水板與自動鋪板工效對比

自動鋪掛防排水板位置準確，偏移未超過10 mm，防排水板無松垮現(xiàn)象，且防排水板接縫處粘貼牢固無脫落，鋪掛質(zhì)量明顯提高。

5 結(jié)語

1）新型防排水卷材鋪掛臺車具有自動布料、射釘、鋪掛防排水板、張拉架設(shè)襯砌鋼筋等多項自動化功能，具有掃碼識別、初期支護輪廓及鋪掛平整度掃描、影像資料儲存等多項信息化功能。結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能適應(yīng)防排水卷材粘貼工藝。

2）鋪掛臺車自動鋪掛完成4 m 幅寬自粘布平均用時只需22 min，施工效率大幅提升，大大降低作業(yè)人員勞動強度。自粘布與初期支護密貼，固定牢固。

3）鋪掛臺車完成4 m 幅寬防排水板鋪掛平均用時只需14.5 min，相比人工鋪掛用時縮短了80%。防排水板接縫處粘貼牢固無脫落，鋪掛質(zhì)量明顯提高。

4）鋪掛臺車能自動完成襯砌環(huán)向主筋的架設(shè)，提高了施工效率。

經(jīng)過兩年運營期的跟蹤觀察，新型防排水卷材臺車鋪掛試驗段未出現(xiàn)水害，襯砌質(zhì)量完好，無空洞及厚度不足現(xiàn)象。新型鋪掛臺車的應(yīng)用有效避免了由于防排水卷材人工鋪掛導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷，從而減少了運營期病害的產(chǎn)生。