裝配式隧道仰拱拼裝技術(shù)研究及裝備研制

田殿軍

（中鐵長安重工有限公司 陜西西安 710032）

1 引言

仰拱是一種設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)，能夠改善隧道結(jié)構(gòu)受力條件，對隧道的長期穩(wěn)定性和運(yùn)營安全性有重要影響［1］。

在鐵路隧道運(yùn)營中，由于列車長期振動作用，導(dǎo)致仰拱開裂、變形等病害，產(chǎn)生安全隱患，影響列車正常通行，甚至造成安全事故［2］。究其原因，是現(xiàn)澆仰拱施工質(zhì)量受混凝土、施工工序、施工環(huán)境等因素影響所致。大力推進(jìn)裝配式建筑是國家建筑行業(yè)的重要發(fā)展方向，但山嶺隧道往往地質(zhì)條件復(fù)雜多變，完全借鑒綜合管廊、地鐵、山嶺隧道的TBM法預(yù)制裝配式經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)隧道襯砌斷面整體裝配［3－5］。因此在鉆爆法隧道施工中優(yōu)先實(shí)現(xiàn)仰拱的裝配式施工，研究裝配式仰拱拼裝工藝技術(shù)，研制鉆爆法隧道仰拱拼裝配套裝備，成為最迫切的需求［6－7］。

2 裝配式仰拱

2.1 工況特點(diǎn)

傳統(tǒng)現(xiàn)澆仰拱采用仰拱棧橋和模板實(shí)現(xiàn)仰拱開挖、澆筑施工。仰拱棧橋保證掌子面施工不中斷，在棧橋下部進(jìn)行仰拱施工。但開挖面長、施工時(shí)間長、澆筑后等強(qiáng)時(shí)間長，不能及時(shí)實(shí)現(xiàn)封閉成環(huán)，尤其對于軟弱破碎圍巖隧道，易造成隧道斷面變形進(jìn)一步增大，給隧道施工帶來安全隱患。同時(shí)大多數(shù)隧道施工使用簡易棧橋，施工安全性沒有保障［8－11］。

裝配式仰拱采用仰拱塊工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的建造方式，具有工程質(zhì)量易控制、施工速度快、作業(yè)環(huán)境好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、占用施工人員少等諸多優(yōu)點(diǎn)。但與現(xiàn)澆仰拱施工對比具有以下難點(diǎn)：一是仰拱塊尺寸大、重量重，在隧道內(nèi)運(yùn)輸、拼裝難度大；二是取消仰拱棧橋，會在一段時(shí)間內(nèi)中斷交通；三是采用裝配式仰拱后隧道施工工序及物流運(yùn)輸需重新組織。因此需要對裝配式仰拱預(yù)制塊的結(jié)構(gòu)形式及施工工藝進(jìn)行深入研究。

2.2 仰拱塊結(jié)構(gòu)形式

（1）分塊

考慮運(yùn)輸超限，方便吊運(yùn)、拼裝，結(jié)合施工工藝，研究仰拱分塊方案。以單線隧道為例，仰拱塊有2種分塊方案：一是橫向不分塊，縱向以1.5 m為一塊，如圖1a所示；另一種是橫向分塊，縱向以3 m為一塊，如圖1b所示。

圖1 單線隧道仰拱塊設(shè)計(jì)

（2）結(jié)構(gòu)

現(xiàn)澆仰拱一般分為仰拱層和填充層，上部填充層為素混凝土，底部仰拱層為鋼筋混凝土，仰拱鋼筋和二襯鋼筋連成整體，二次襯砌混凝土施作完成后隧道結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)。

為了滿足仰拱強(qiáng)度和剛性要求，根據(jù)仰拱的作用，研究裝配式仰拱塊的結(jié)構(gòu)。單塊為一個整體，外形為上表面和傳統(tǒng)現(xiàn)澆仰拱填充頂面相同，底面和仰拱開挖面弧形一致，內(nèi)部預(yù)埋排水管道，設(shè)置起吊、張拉、定位、連接、注漿和防水等功能元素。

3 仰拱塊拼裝工藝研究

3.1 拼裝工藝

根據(jù)仰拱塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，裝配式仰拱拼裝施工工序包括準(zhǔn)備工作、拼裝施工、后期處理等。準(zhǔn)備工作主要有仰拱開挖、基底處理、仰拱塊運(yùn)輸?shù)?；拼裝工作主要有吊裝、對位、拼裝、擠緊等；后期處理主要有基底注漿、連接等。施工流程如圖2所示。

圖2 裝配式仰拱拼裝施工流程

結(jié)合隧道掌子面掘進(jìn)速度（每天掘進(jìn)約3 m），仰拱拼裝施工應(yīng)緊跟掌子面掘進(jìn)，每天拼裝3 m。

3.2 關(guān)鍵工序

（1）仰拱開挖

裝配式仰拱不允許有欠挖，需在仰拱開挖之后進(jìn)行開挖面檢測，確保仰拱開挖尺寸滿足拼裝要求。

（2）定位處理

實(shí)現(xiàn)仰拱塊精確、牢固、可靠定位才能保證形成穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)仰拱的功能，需采用合理、有效、快速的仰拱塊定位方法，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)提高施工效率。

（3）拼裝

根據(jù)施工工藝，仰拱拼裝包含多個步驟，如吊裝、旋轉(zhuǎn)、對位等。

3.3 仰拱塊定位方法

鉆爆法隧道施工仰拱開挖面，是一個與設(shè)計(jì)值有差別凹凸不平的弧面，如果直接在開挖面上拼裝仰拱塊，無法滿足仰拱塊的拼裝定位、精度、平整度等要求，必須在底部增加墊層或支撐塊。如果采用支撐墊塊定位法，除先固定支撐塊以外，還須在仰拱塊底部充填物料以穩(wěn)定仰拱塊。充填方法受設(shè)備、材料及環(huán)境等因素的影響，難以實(shí)施。因此采用在仰拱開挖面上鋪設(shè)基礎(chǔ)墊層，調(diào)整弧面形狀和尺寸的定位方法。

3.4 墊層材料

和傳統(tǒng)仰拱的基底相同［12］，墊層材料應(yīng)能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、滿足承載要求、便于快速鋪設(shè)等。借鑒有砟軌道施工經(jīng)驗(yàn)，選擇碎石作為墊層材料。對各種材料進(jìn)行對比分析，見表1。

表1 各種墊層材料對比分析

3.5 墊層鋪設(shè)技術(shù)

采用碎石墊層，主要是解決設(shè)備問題，需研究幾個關(guān)鍵技術(shù)難題：一是如何運(yùn)輸、存儲碎石；二是如何攤鋪成滿足要求的弧面；三是如何消除超挖帶來的厚度誤差；四是如何解決墊層鋪設(shè)裝置通車時(shí)放置問題。

根據(jù)仰拱底部墊層厚度10～15 cm，每塊縱向1.5 m，弧長7 m，加上超挖量，底部所需碎石約為1.5～2 m3。

采用人工縱橫向鋪設(shè)碎石，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以鋪設(shè)成標(biāo)準(zhǔn)的弧形，應(yīng)考慮機(jī)械鋪設(shè)。兼顧墊層鋪設(shè)和仰拱塊拼裝兩個方面，可用軌道運(yùn)輸裝置方案，但受空間、重量、設(shè)備通行的限制，難以實(shí)現(xiàn)；如采用空中運(yùn)輸，機(jī)械臂抓取拼裝鋪設(shè)，受隧道斷面和車輛通行限制，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)龐大，仍不可行。只能采用吊運(yùn)拼裝鋪設(shè)方案，采用一種工裝，共用仰拱拼裝機(jī)起吊，完成墊層鋪設(shè)。

采用一種布料斗盛裝、運(yùn)輸、鋪設(shè)碎石，布料斗用汽車運(yùn)輸，仰拱拼裝裝備起吊、鋪設(shè)。布料斗底部為和仰拱塊底面相同的弧面，當(dāng)做碎石鋪設(shè)的模具，確定標(biāo)高后采用漏料填充底部間隙的方式鋪設(shè)碎石，配合料斗縱向平移，實(shí)現(xiàn)墊層鋪設(shè)。

4 拼裝裝備研制

目前完成了單線鐵路隧道仰拱拼裝裝備——YGPD30仰拱拼裝機(jī)的研制，并進(jìn)入試驗(yàn)階段。

4.1 總體設(shè)計(jì)

（1）工況條件

根據(jù)仰拱塊設(shè)計(jì)，仰拱拼裝機(jī)首先必須滿足起重量需求；其次在隧道內(nèi)施工作業(yè)，施工設(shè)備必須能夠穿行，內(nèi)部凈空間保證寬×高不小于3.5 m×4.5 m。

如圖1中方案a所示，仰拱塊橫向不分塊，縱向長度1.5 m，無需橫移，拼裝時(shí)需旋轉(zhuǎn)90°；方案b所示，仰拱塊橫向分兩塊，縱向長度3 m，需橫移，拼裝時(shí)不需要旋轉(zhuǎn)。

（2）總體方案

根據(jù)工況條件和仰拱塊拼裝工藝，仰拱拼裝機(jī)采用門式框架結(jié)構(gòu)，輪軌式行走；起重量30 t，具有縱向、橫向、高度三個方向位置調(diào)節(jié)及角度調(diào)整功能；采用懸臂式結(jié)構(gòu)，仰拱拼裝機(jī)行走在已拼裝好的仰拱塊上，前端伸出懸臂，在懸臂下方完成拼裝施工；設(shè)計(jì)專用的自動掛鉤、脫鉤的吊具，能夠360°旋轉(zhuǎn)；采用遙控控制或全自動控制；仰拱拼裝機(jī)應(yīng)能滿足兩種仰拱塊的拼裝作業(yè)。

4.2 仰拱拼裝機(jī)設(shè)計(jì)

4.2.1 結(jié)構(gòu)組成

仰拱拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。仰拱拼裝機(jī)主要由門式車架、軌式走行系統(tǒng)、液壓支腿、縱移小車、橫移小車、起吊系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。

圖3 仰拱拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)組成

（1）門架：門式框架結(jié)構(gòu)，是整機(jī)主體結(jié)構(gòu)；門架內(nèi)部可保證施工設(shè)備通行。

（2）縱移、橫移小車：小車采用輪軌式走行，變頻電機(jī)驅(qū)動，保證在吊裝移動過程中仰拱塊穩(wěn)定。

（3）起吊系統(tǒng)：2組電動葫蘆，1個吊具。吊具具有旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)仰拱塊360°旋轉(zhuǎn)；2組電動葫蘆可聯(lián)動也可單動，可實(shí)現(xiàn)仰拱塊角度調(diào)整。

（4）液壓系統(tǒng)：包含泵站、閥、管路及液壓支腿。

（5）電氣控制系統(tǒng)：控制整機(jī)所有動作，可實(shí)現(xiàn)人工遙控操作和全自動兩種控制模式。

（6）走行系統(tǒng)：采用輪軌式走行，三合一減速電機(jī)驅(qū)動，外接電源動力。

（7）液壓支腿：工作時(shí)支腿支撐地面，增加整機(jī)穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整機(jī)調(diào)平。

4.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）整機(jī)平衡計(jì)算

仰拱拼裝機(jī)采用懸臂式結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證仰拱拼裝機(jī)不會傾覆。以最前端支腿為支點(diǎn)計(jì)算力矩，防傾覆系數(shù)取s＝1.5，采用在后端立柱、橫梁內(nèi)部填充混凝土的方式實(shí)現(xiàn)平衡。

（2）門架計(jì)算

門架作為仰拱拼裝機(jī)的主結(jié)構(gòu)，主要由底梁、支腿、上縱梁、橫梁等組成。采用有限元分析計(jì)算門架，其計(jì)算結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 仰拱拼裝機(jī)門架受力變形云圖

圖5 仰拱拼裝機(jī)門架應(yīng)力云圖

（3）吊具計(jì)算

吊具分為上下兩層，上吊架通過滑輪和鋼絲繩與起吊葫蘆連接，下吊架裝有純機(jī)械自動掛鉤，實(shí)現(xiàn)仰拱塊的自動掛取和脫鉤，在降低勞動強(qiáng)度的同時(shí)提高了效率。兩層吊架之間設(shè)計(jì)有回轉(zhuǎn)支撐，實(shí)現(xiàn)吊具360°回轉(zhuǎn)。采用有限元分析計(jì)算吊具，下吊架計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 下吊架受力分析應(yīng)力云圖

4.2.3 技術(shù)特性及先進(jìn)性

（1）機(jī)械化、自動化程度高，人員少、勞動強(qiáng)度低。只需1～2人，同時(shí)沒有高強(qiáng)度勞動。

（2）實(shí)現(xiàn)快速施工，提高施工安全系數(shù)。裝配式仰拱一個工作循環(huán)只需2～4 h，及時(shí)閉環(huán)，大幅提升了仰拱施工安全系數(shù)。

（3）保證內(nèi)部車輛通行，減少對掌子面施工的影響。仰拱拼裝機(jī)采用門架式結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)所有施工設(shè)備可以從內(nèi)部通過，不影響掌子面作業(yè)所需裝備通過。

（4）自動掛取仰拱塊，降低人員勞動強(qiáng)度。采用純機(jī)械全自動掛鉤，自動掛取仰拱塊，人工勞動量小，強(qiáng)度低、效率高。

（5）仰拱開挖面及墊層鋪設(shè)結(jié)果掃描，采用專業(yè)的激光掃描儀，形成三維可視化掃描結(jié)果，控制隧道超欠挖及仰拱預(yù)制件鋪設(shè)質(zhì)量。

4.3 樣機(jī)試制

仰拱拼裝機(jī)樣機(jī)已完成試制，樣機(jī)如圖7所示。在工廠內(nèi)搭建隧道模型，按照隧道設(shè)計(jì)開挖仰拱，預(yù)制仰拱塊，模擬隧道施工過程，驗(yàn)證仰拱拼裝機(jī)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7 仰拱拼裝機(jī)樣機(jī)

5 結(jié)束語

經(jīng)過深入研究，裝配式仰拱施工對隧道掌子面施工影響很小，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配式仰拱在隧道內(nèi)的應(yīng)用，解決傳統(tǒng)仰拱施工存在的問題。

目前的試驗(yàn)結(jié)果表明，仰拱拼裝機(jī)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)功能滿足施工需求，能夠?qū)崿F(xiàn)仰拱塊自動掛取、起吊、旋轉(zhuǎn)、移動、拼裝等功能。