巨跨地下洞庫(kù)被覆施工一體化裝備研究與應(yīng)用

林春剛，尚 偉，*

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

0 引言

隨著隧道及地下工程的蓬勃發(fā)展，地下空間開(kāi)發(fā)逐步從淺層進(jìn)入深部，規(guī)模從常規(guī)向超常規(guī)發(fā)展，相繼涌現(xiàn)了眾多大跨、巨跨隧道及超大型地下洞庫(kù)。這些大型隧道及洞庫(kù)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)超出了現(xiàn)有地下工程建設(shè)理論的應(yīng)用范疇，其被覆結(jié)構(gòu)(二次襯砌)的力學(xué)規(guī)律、穩(wěn)定性面臨諸多不確定性因素，給超大型地下空間開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的困擾，制約著國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施。被覆結(jié)構(gòu)是地下工程的永久性承載結(jié)構(gòu)，對(duì)洞室的穩(wěn)定性具有決定性影響，通常采用混凝土現(xiàn)澆工藝修建。大型地下工程被覆結(jié)構(gòu)通常采用體型高大、結(jié)構(gòu)高強(qiáng)的支架模板體系澆筑，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1-2]，但施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

徐州地鐵1號(hào)線(xiàn)站銅區(qū)間(跨度為16.26 m)[3]、長(zhǎng)沙市森林防火監(jiān)測(cè)站(跨度為17.2 m)[4]、深圳地鐵8號(hào)線(xiàn)深外站及連接線(xiàn)(跨度為21.56 m)[5]均為超大斷面隧道，二次襯砌澆筑時(shí)均采用臺(tái)架、腳手架聯(lián)合支撐鋼模板。青島地鐵2號(hào)線(xiàn)李村公園站及折返線(xiàn)區(qū)間(跨度分別為22.8、23.5 m)[6-7]、某儲(chǔ)備洞室穹頂(直徑27 m)[8]，使用腳手架、支撐鋼模板進(jìn)行二次襯砌澆筑。營(yíng)盤(pán)路湘江隧道主線(xiàn)與匝道的分合流段(寬度為25.3 m)采用側(cè)壁臺(tái)車(chē)與中導(dǎo)坑鋼模聯(lián)合施工[9]。重慶地鐵3號(hào)線(xiàn)紅旗河溝車(chē)站(跨度為25.6 m)[10]、烏蒙山2號(hào)隧道(跨度為28.42 m)[11]均采用整體式模板臺(tái)車(chē)完成拱墻襯砌澆筑。深圳市蓮塘隧道分岔部(跨度為30 m)[12]、贛龍鐵路新考塘隧道(跨度為30.26 m)[13]、京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站(跨度為32.7 m)[14]，均是在門(mén)架式襯砌臺(tái)車(chē)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)副門(mén)架、加長(zhǎng)模板，實(shí)現(xiàn)大跨段襯砌施工。海南某地下洞庫(kù)擴(kuò)建后凈跨為40 m、凈高為12 m，混凝土設(shè)計(jì)厚度為1～2 m，采用碗扣式腳手架支撐體系和整體自行式貝雷架支撐臺(tái)架完成了被覆施工[15]。綜上所述，目前大型地下工程二次襯砌施工裝備以襯砌臺(tái)車(chē)和滿(mǎn)堂架支撐鋼模為主，部分工程采用了兩者組合式結(jié)構(gòu);在跨度方面,襯砌臺(tái)車(chē)可達(dá)到32.7 m，滿(mǎn)堂架可達(dá)到40 m; 在作業(yè)方面，仍舊以人工操作為主，效率低、風(fēng)險(xiǎn)大。

某巨跨超扁平大型地下洞庫(kù)為罕見(jiàn)巨跨工程，現(xiàn)有大型地下洞庫(kù)施工裝備在結(jié)構(gòu)跨度、自動(dòng)化施工、風(fēng)險(xiǎn)控制等方面與本巨跨洞庫(kù)施工要求相距甚遠(yuǎn)，難以滿(mǎn)足需求。成熟的施工裝備和配套施工技術(shù)是保障大型地下工程順利施工的先決條件。本課題以滿(mǎn)足國(guó)家重大地下工程需求為導(dǎo)向，依托某在建巨跨地下洞庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)被覆結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土安全、快速澆筑為目標(biāo)，采用“貝雷架支撐體系+鋼模板”，集成鋼筋綁扎與混凝土澆筑功能，構(gòu)建巨跨地下洞庫(kù)被覆結(jié)構(gòu)施工一體化裝備及配套工藝，精準(zhǔn)、高效支撐巨跨超扁平大型地下洞庫(kù)工程機(jī)械化施工。

1 工程概況

某在建工程為巨跨、矢跨比極小的地下洞庫(kù)，圍巖為白云質(zhì)灰?guī)r，巖體整體性較好，局部存在斷層和節(jié)理，圍巖基本穩(wěn)定。地下洞庫(kù)被覆為單跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻以上部位一次澆筑成型。該洞庫(kù)跨度為現(xiàn)有常規(guī)洞室最大跨度的2～3倍，被覆混凝土厚度為常規(guī)隧道的4～5倍，多層鋼筋密集交叉，混凝土單循環(huán)澆筑量超千方、自重?cái)?shù)千噸，但被覆混凝土施工周期僅有5個(gè)月。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 工程難點(diǎn)及要求

本工程地下洞庫(kù)被覆混凝土施工裝備體型巨大，拼裝、移動(dòng)、拆解、立模、脫模等均面臨巨大挑戰(zhàn)。單組混凝土澆筑長(zhǎng)度為12 m，襯砌施工裝備跨度大，縱向長(zhǎng)度相對(duì)較短，在千噸級(jí)現(xiàn)澆混凝土的巨大載荷下，襯砌施工裝備容易發(fā)生扭曲失穩(wěn)，風(fēng)險(xiǎn)防控要求高。在保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的前提下，要求巨跨模板支撐體系具有快速拼裝、自主移動(dòng)、自動(dòng)化施工功能，快速實(shí)現(xiàn)洞庫(kù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成型。

2.2 設(shè)計(jì)思路

被覆結(jié)構(gòu)施工主要包括鋼筋綁扎和混凝土澆筑，2大工序相繼進(jìn)行，且所需設(shè)備作業(yè)覆蓋面相近，因此可將鋼筋綁扎、混凝土澆筑裝備合二為一，形成一體化施工裝備。同時(shí)，拓展縱向長(zhǎng)度，提高巨跨施工裝備的抗扭穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)一次定位，多工序同步施工，提高工效。

目前，全液壓鋼模板襯砌臺(tái)車(chē)施工技術(shù)較為成熟，而貝雷架強(qiáng)度高、通用性強(qiáng)、租賃成本低、可實(shí)現(xiàn)快速拼裝，因此，可將貝雷架支撐體系融入全液壓鋼模板襯砌臺(tái)車(chē)，研制一體化施工裝備，從而實(shí)現(xiàn)巨跨地下洞庫(kù)被覆混凝土安全、優(yōu)質(zhì)、高效施工。

2.3 設(shè)計(jì)方案

鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化施工裝備上部分為鋼筋綁扎區(qū)和混凝土澆筑區(qū)，中部使用高強(qiáng)度組合式貝雷架支撐體系，底部采用多臺(tái)軌行式行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一體化施工裝備前、后移動(dòng)；支撐體系底部預(yù)留行車(chē)門(mén)洞，用于施工設(shè)備、材料進(jìn)出。整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

鋼筋綁扎區(qū)位于前端，多臺(tái)鋼筋綁扎臺(tái)架布置在支撐體系頂部，并可在鋼筋綁扎區(qū)域內(nèi)前、后移動(dòng)；鋼筋綁扎臺(tái)架上方布置有鋼筋定位卡具、升降平臺(tái)和鋼筋吊具，可輔助鋼筋綁扎，見(jiàn)圖1(a)。

混凝土澆筑區(qū)位于后端，巨跨弧形模板通過(guò)模板支架組成整體式結(jié)構(gòu)，便于立模、脫模動(dòng)作協(xié)調(diào)；模板頂升、橫移機(jī)構(gòu)設(shè)置在模板支架底部與貝雷架支撐體系之間，可用于模板精準(zhǔn)定位，見(jiàn)圖1(b)。模板支架上配置有混凝土澆筑系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)和人工作業(yè)平臺(tái)，便于混凝土灌注、振搗施工。

(a) 鋼筋綁扎裝備主視圖

(b) 混凝土澆筑裝備主視圖

(c) 混凝土澆筑裝備側(cè)視圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 部件結(jié)構(gòu)

3.1 貝雷架支撐體系

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貝雷架支撐體系(見(jiàn)圖1)為主要承載結(jié)構(gòu)，由貝雷架基礎(chǔ)、貝雷架主架、工字鋼梁組成。貝雷架基礎(chǔ)底部設(shè)置行走機(jī)構(gòu)，頂部承載貝雷架主架；貝雷架主架為支撐體系的中部桁架結(jié)構(gòu)，用于傳遞載荷、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；工字鋼梁設(shè)置在貝雷架主架上方，用于搭建作業(yè)平臺(tái)、安裝輔助設(shè)備和支撐模板。

單個(gè)貝雷片外形尺寸為3 115 mm×176 mm×1 500 mm，拼裝長(zhǎng)度為3 m，主要由上下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成。上下弦桿一端為陰頭，另一端為陽(yáng)頭，均設(shè)置有銷(xiāo)孔。縱向拼裝時(shí)，將2個(gè)貝雷片上下弦桿的陰頭、陽(yáng)頭銷(xiāo)孔對(duì)齊后，將銷(xiāo)子插入即可；多排拼裝時(shí)，采用斜撐連接對(duì)應(yīng)的豎桿、弦桿，螺栓鎖緊；多層拼裝時(shí)將多個(gè)貼合弦桿對(duì)齊，螺栓鎖緊。采用多排多層貝雷片結(jié)構(gòu)，可提高支撐體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

貝雷架基礎(chǔ)為2組3排單層加強(qiáng)型粱形結(jié)構(gòu)，縱向長(zhǎng)度為30 m，共4組。貝雷架主架底層采用貝雷片箱形組合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，提高抗彎抗扭剛度；上層混凝土澆筑區(qū)采用2組3排單層加強(qiáng)型梁形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。鋼筋綁扎區(qū)采用單組3排單層加強(qiáng)型梁形結(jié)構(gòu)，貝雷架主架層與層之間為縱橫交錯(cuò)布置，采用螺栓鎖緊，橫向結(jié)構(gòu)可根據(jù)層高分段配置，縱向均勻布置5組。

鋼筋綁扎區(qū)載荷相對(duì)較小，貝雷架主架布置1層單排雙層貝雷片箱形結(jié)構(gòu)，頂部采用型鋼搭建鋼筋綁扎作業(yè)平臺(tái)。

圖2 貝雷片箱形組合結(jié)構(gòu)

圖3 3排單層組合結(jié)構(gòu)

3.1.2 力學(xué)分析

根據(jù)貝雷架支撐體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷分布規(guī)律，貝雷架基礎(chǔ)的跨度、載荷最大，可確定為危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。按混凝土澆筑過(guò)程中最不利載荷作用于支撐體系，采用有限元分析法進(jìn)行危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)力學(xué)驗(yàn)算。有限元模型中，模板面板采用虛梁模擬荷載，支撐螺桿、螺桿、貝雷架間斜撐均采用桁架單元，其余均采用梁?jiǎn)卧Ｘ惱准芎凸ぷ咒摿旱牟牧闲吞?hào)、力學(xué)參數(shù)及驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。由結(jié)果可知，貝雷架、工字鋼梁的正應(yīng)力、切應(yīng)力在容許值范圍內(nèi)，危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的變形撓度小于容許值，因此貝雷架支撐體系可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性需求。

表2 支撐體系部件主要力學(xué)參數(shù)及驗(yàn)算結(jié)果

3.2 鋼筋綁扎臺(tái)架

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

被覆配筋設(shè)計(jì)為多層鋼筋立體網(wǎng)，完成綁扎后整體頂升到位，隨后通過(guò)錨桿懸吊固定。鋼筋綁扎的主要步驟有鋼筋提升、定位、固定、單片網(wǎng)綁扎、接頭焊接、立體網(wǎng)成形等步驟。施工中主要面臨定位精度要求高、豎向作業(yè)距離遠(yuǎn)、鋼筋綁扎量巨大等難題。為此，設(shè)計(jì)了鋼筋綁扎臺(tái)架，以型鋼焊接的空間桁架作為主架，配置鋼筋吊具、升降平臺(tái)、鋼筋定位卡具、軌行式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等功能結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。

圖4 鋼筋綁扎臺(tái)架

具體施工時(shí),可將鋼筋綁扎臺(tái)架預(yù)先移至施工區(qū)域，使用鋼筋吊具將所需鋼筋吊運(yùn)至鋼筋綁扎臺(tái)架頂部，通過(guò)鋼筋定位卡具使鋼筋精確定位，隨后綁扎牢固。當(dāng)作業(yè)距離較高，超出人手作業(yè)范圍時(shí)，可啟動(dòng)升降平臺(tái)，增大人工作業(yè)范圍。通過(guò)底部行走機(jī)構(gòu)，往復(fù)移動(dòng)鋼筋綁扎臺(tái)架，可覆蓋全域鋼筋綁扎需求。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.2.1 主架

主架為鋼筋綁扎臺(tái)架的基礎(chǔ)構(gòu)件，是由型鋼焊接而成的門(mén)架式結(jié)構(gòu)，上部承載鋼筋吊具、升降平臺(tái)、鋼筋定位卡具等，兼做工作平臺(tái)，下部為行走機(jī)構(gòu)，使其具有較大的作業(yè)范圍。

3.2.2.2 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)用于鋼筋綁扎臺(tái)架往復(fù)移動(dòng)，采用軌行式結(jié)構(gòu)，由電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，一端主動(dòng)，另一端從動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)與主架之間采用鉸接連接，具有良好的力學(xué)傳遞性能。鋼筋綁扎臺(tái)架靜止時(shí)應(yīng)采用鎖軌器固定，防止滑動(dòng)。

3.2.2.3 鋼筋吊具

鋼筋吊具用于提升鋼筋，該設(shè)備主要由驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)器、鋼絲繩、定滑輪、吊鉤、放料倉(cāng)、支架等組成，固定在鋼筋綁扎臺(tái)架的主架上，見(jiàn)圖5。吊鉤掛載鋼筋后，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，在鋼絲繩的牽引力作用下，可將鋼筋提升至鋼筋綁扎臺(tái)架頂部;隨后在人工輔助牽引的作用下，緩慢放置在放料倉(cāng)內(nèi)，便于后續(xù)鋼筋綁扎取用。根據(jù)施工需求，鋼筋吊具可布置在鋼筋綁扎臺(tái)架和支撐體系的邊緣，成對(duì)布置、使用。

圖5 鋼筋吊具

3.2.2.4 升降平臺(tái)

巨跨洞庫(kù)被覆混凝土厚度較大，超出人工作業(yè)范圍，需借助升降平臺(tái)輔助施工。升降平臺(tái)主要選用單極固定式剪叉升降臺(tái)，采用液壓驅(qū)動(dòng)，升降行程較低，結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的操控性和安全性。

3.2.2.5 鋼筋定位卡具

超大跨洞庫(kù)被覆鋼筋網(wǎng)通過(guò)拱部錨桿接頭固定，自上而下逐層綁扎。作業(yè)過(guò)程中采用鋼筋定位卡具精準(zhǔn)定位。鋼筋定位卡具分為縱向和環(huán)向2種，均采用小型化、輕便化設(shè)計(jì)，便于重復(fù)使用，示意圖見(jiàn)圖6。

1—縱向鋼筋； 2—環(huán)向鋼筋； 3—環(huán)向鋼筋定位卡具； 4—縱向鋼筋定位卡具。

1)環(huán)向鋼筋定位卡具。環(huán)向鋼筋定位卡具用于定位和支撐環(huán)向多層鋼筋，沿洞庫(kù)斷面弧形設(shè)置在鋼筋綁扎臺(tái)架上。鋼筋綁扎臺(tái)架上沿縱向預(yù)留定位銷(xiāo)孔，環(huán)向鋼筋定位卡具采用定位銷(xiāo)軸放置在鋼筋綁扎臺(tái)架上。環(huán)向鋼筋定位卡具主要由面板和面板上的多個(gè)分層“L”型卡槽組成?！癓”型卡槽數(shù)量和間距取決與鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)層數(shù)和層距。環(huán)向鋼筋定位卡具與鋼筋綁扎臺(tái)車(chē)之間采用定位銷(xiāo)軸連接，定位銷(xiāo)孔需預(yù)先制作，具有位置可調(diào)、定位準(zhǔn)確的功能。使用時(shí)可預(yù)先將環(huán)向鋼筋定位卡具布置在施工位置，然后將環(huán)向鋼筋放置在“L”型卡槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)環(huán)向鋼筋定位與臨時(shí)支撐，與上層鋼筋完成綁扎后即可拆除，并移動(dòng)到下一位置繼續(xù)使用。

2)縱向鋼筋定位卡具。縱向鋼筋定位卡具用于定位縱向鋼筋，與環(huán)向鋼筋定位卡具配套使用，其橫斷面為與隧道斷面弧形同心的弧形板狀結(jié)構(gòu)，其頂部設(shè)置有多個(gè)“U”型槽，其間距符合縱向鋼筋間距設(shè)計(jì)要求。使用時(shí)可將縱向鋼筋定位卡具放置在多組縱向鋼筋之間，并與環(huán)向定位鋼筋卡具密貼，保持與縱向垂直，并使其“U”型槽卡在鋼筋上，沿縱向設(shè)置多個(gè)縱向鋼筋定位卡具，即可實(shí)現(xiàn)縱向鋼筋精準(zhǔn)定位。

3.3 模板系統(tǒng)

被覆混凝土澆筑“先墻后拱”，拱部一次澆筑成型。洞庫(kù)被覆厚度大、載荷重、質(zhì)量要求高，因而拱部模板采用鋼制弧形模板。為提高模板的整體力學(xué)穩(wěn)定性，便于立模、脫模等，模板系統(tǒng)整體固定在模板支架上，經(jīng)模板支架傳遞混凝土載荷以及完成立模、脫模等功能(見(jiàn)圖1(b))。

拱部模板主體結(jié)構(gòu)為弧形，兩側(cè)末端為直墻模板。弧形模板環(huán)向共11塊，環(huán)向采用鉸接連接，并使用連桿鎖死，保證弧形模板的精度。直墻模板環(huán)向共2塊，分置弧形模板左、右兩端，采用鉸接結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)液壓油缸可使直墻模板搭接邊墻(見(jiàn)圖7)。

圖7 直墻模板

模板系統(tǒng)分層預(yù)留多個(gè)工作窗口，可用于混凝土澆筑、振搗、觀察澆筑狀況等。拱頂留混凝土灌注孔，用于布置拱頂混凝土泵送管路。模板系統(tǒng)工作窗布置如圖8所示。

圖8 模板系統(tǒng)工作窗布置圖

3.4 模板液壓系統(tǒng)

被覆模筑混凝土施工時(shí)，模板應(yīng)具備立模、脫模的功能。支撐體系定位后，立模時(shí)僅需要上下、左右精準(zhǔn)調(diào)控模板。因此，模板液壓系統(tǒng)應(yīng)具備模板頂升、橫移、直墻模板擴(kuò)展的功能。3.3節(jié)提到模板系統(tǒng)固定在模板支架上，因而模板液壓系統(tǒng)均作用在模板支架上，底部設(shè)置在支撐體系上，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。模板頂升、橫移液壓系統(tǒng)前后設(shè)置2排，單排設(shè)置12套，設(shè)備中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，布置位置見(jiàn)圖1(b)。模板定位時(shí)，需采用液壓同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，確保多套液壓系統(tǒng)動(dòng)作協(xié)調(diào)。

圖9 模板頂升、橫移系統(tǒng)原理

3.4.1 頂升功能

頂升功能由頂升油缸、伸縮套筒和螺旋絲杠實(shí)現(xiàn)，其中，頂升油缸提供驅(qū)動(dòng)力，伸縮套筒用于導(dǎo)向，螺旋絲杠用于定位后的鎖定并提供支撐力。

3.4.2 橫移功能

橫移功能由橫移油缸與頂升、橫移基座實(shí)現(xiàn)，橫移油缸提供驅(qū)動(dòng)力，頂升、橫移基座可相對(duì)支撐體系左右滑動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)頂升結(jié)構(gòu)、模板支架整體橫向移動(dòng)。

3.4.3 直墻模板擴(kuò)展

直墻模板采用液壓驅(qū)動(dòng)到位后，使用螺旋絲杠鎖緊，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。由于模板系統(tǒng)跨度、自重均較大，需在多處設(shè)置模板頂升、橫移系統(tǒng)，前、后2排，共24套，均勻分?jǐn)偰０遑Q向載荷。直墻模板擴(kuò)展前、后2排，共4套，承載邊墻段部分載荷。模板液壓系統(tǒng)采用同步控制技術(shù)以保證驅(qū)動(dòng)模板時(shí)的動(dòng)作協(xié)調(diào)性。

3.5 混凝土澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地下洞庫(kù)被覆拱部混凝土澆筑按照左右對(duì)稱(chēng)、自下向上、分層澆筑的工藝原則，連續(xù)澆筑、一次成型。被覆跨度大、坡度小、輸送距離長(zhǎng)，單循環(huán)澆筑量極大，適合采用封閉管路泵送混凝土，確?；炷寥肽Ｙ|(zhì)量。為提高工效，兩側(cè)可分別設(shè)置一套獨(dú)立的澆筑管路，同時(shí)澆筑混凝土，并嚴(yán)格控制澆筑速度和兩側(cè)混凝土的高度差?；炷翝仓到y(tǒng)見(jiàn)圖10。

圖10 混凝土澆筑系統(tǒng)

混凝土澆筑采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接澆筑系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)混凝土管路快捷變換，其結(jié)構(gòu)主要包括主管路、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和分管路。主管路前端接泵車(chē)，后端接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；多套分管路以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的圓心為中心，呈環(huán)形布置，其前端用于對(duì)接伸縮機(jī)構(gòu)，后端放置于各個(gè)工作窗內(nèi)或接通拱部澆筑孔。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)接通主管路，以液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可回轉(zhuǎn)。伸縮機(jī)構(gòu)布置在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的末端，以液壓油缸驅(qū)動(dòng)，可伸縮、對(duì)接分管路，管路接口處使用管箍鎖緊。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與伸縮機(jī)構(gòu)配套使用，可實(shí)現(xiàn)主管路與分管路逐次對(duì)接，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接原理見(jiàn)圖11。

圖11 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接原理圖

被覆混凝土厚度較大，多層鋼筋網(wǎng)較為密集，拱頂近似水平段從底部泵入混凝土?xí)r難以完全填充模板艙，為此需將管路插入模板艙內(nèi)。泵送管路向上穿過(guò)模板、鋼筋網(wǎng)，頂部出口距離初期支護(hù)20 cm?；炷帘盟凸芸v向布置3排、每排設(shè)置5個(gè)，縱向間距3 m，橫向間距5 m，靠近已澆筑段混凝土的間距為0.75～1.00 m，布置方式見(jiàn)圖12和圖13。

圖12 拱頂混凝土泵送管側(cè)向視圖

圖13 拱頂混凝土泵送管端部視圖

模板定位后布置混凝土泵送管路，上穿沿途干涉鋼筋網(wǎng)需切斷處置。脫模時(shí)，在模板處切斷混凝土泵送管，模板外側(cè)管路滯留在混凝土內(nèi)。

3.6 振搗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

被覆混凝土厚度較大，外部附著式振搗器無(wú)法有效完成混凝土振搗施工。為滿(mǎn)足現(xiàn)澆混凝土密實(shí)度要求，拱墻混凝土采用高頻插入式振搗器搗固，具體施工時(shí)采用直插或斜插方式。插入式振搗器采用輕量化設(shè)計(jì)，便于人工手持振搗棒穿過(guò)鋼筋網(wǎng)間隙，振搗時(shí)不接觸鋼筋網(wǎng)。振搗棒采用低壓變頻驅(qū)動(dòng)，接通電源即可啟動(dòng)振搗。振搗時(shí)間可預(yù)先設(shè)置，防止混凝土過(guò)度振搗而發(fā)生離析。針對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的插入式振搗器參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 插入式振搗棒設(shè)計(jì)參數(shù)

3.7 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

被覆混凝土結(jié)構(gòu)分段逐次澆筑，施工裝備應(yīng)具備自行走功能。本裝備自重較大，采用軌行式結(jié)構(gòu)，設(shè)置在支撐體系底部的一體式鋼結(jié)構(gòu)上。每套設(shè)備配置2個(gè)行走輪。行走機(jī)構(gòu)以電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，鏈條式傳動(dòng)，可適應(yīng)重載、粉塵等不良環(huán)境。

行走系統(tǒng)以12根重型鋼軌為軌道，左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，每根軌道前后分別布置1套行走機(jī)構(gòu)，均配置電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，共24套行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)采用多電機(jī)速度偏差耦合同步控制，嚴(yán)格控制各個(gè)行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度，保證支撐系統(tǒng)底部的一體式鋼結(jié)構(gòu)整體沿軌道直線(xiàn)行走，從而承載整個(gè)支撐體系移動(dòng)，防止架體失穩(wěn)。軌行式行走機(jī)構(gòu)如圖14所示。

圖14 軌行式行走機(jī)構(gòu)

4 被覆施工工藝

4.1 工藝流程

鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化裝備可實(shí)現(xiàn)一次定位，同步完成相鄰2個(gè)循環(huán)的鋼筋綁扎和混凝土澆筑，工藝流程見(jiàn)圖15。

圖15 鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化裝備工藝流程圖

4.2 鋼筋綁扎

鋼筋綁扎以鋼筋綁扎平臺(tái)為主要施工裝備，主要有鋼筋吊裝、定位、錨固、綁扎等工序，所完成的鋼筋網(wǎng)應(yīng)滿(mǎn)足布筋準(zhǔn)確、綁扎牢固，不因混凝土澆筑、振搗而引起變形。具體方法如下：

1)使用鋼筋吊具將所用鋼筋分批吊裝至鋼筋綁扎平臺(tái)上，并將表面處理干凈，按照配筋設(shè)計(jì)搭配不同長(zhǎng)度、數(shù)量、直徑的鋼筋，以備取用；

2)將縱向鋼筋放入縱向鋼筋定位卡具的“U”型槽內(nèi)，環(huán)向鋼筋從最后端開(kāi)始布置在環(huán)向鋼筋定位卡具的“L”型卡槽內(nèi)，并將頂層的鋼筋與錨桿連接，徑向連接筋布置在縱向鋼筋與環(huán)向鋼筋的交點(diǎn)處，完成首個(gè)環(huán)向單片網(wǎng)。左、右兩側(cè)可同步布置縱向鋼筋與環(huán)向鋼筋，并將接茬處連接牢固；

3)首個(gè)環(huán)向鋼筋單片網(wǎng)完成后，將環(huán)向鋼筋定位卡具向前端移動(dòng)一個(gè)環(huán)向鋼筋間距，隨后再次布置環(huán)向鋼筋、徑向連接筋，并連接牢固，完成第2個(gè)環(huán)向鋼筋單片網(wǎng)。隨后使用縱向連接筋，將首片和第2片鋼筋單片網(wǎng)綁扎為整體；

4)重復(fù)第2個(gè)鋼筋單片網(wǎng)和縱向連接筋綁扎流程，直至所有鋼筋單片網(wǎng)綁扎完成，鋼筋立體網(wǎng)已基本完成。

4.3 混凝土澆筑

被覆混凝土采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接裝置泵送入模。為避免產(chǎn)生施工縫，采用6輛混凝土攪拌車(chē)、2臺(tái)拖泵從左、右兩側(cè)同時(shí)施工，采用先墻后拱的順序，自下而上、分層、對(duì)稱(chēng)澆筑，兩側(cè)高度差不超過(guò)30 cm，分層高度30 cm，澆筑速度控制在0.75 m/h以?xún)?nèi)，拱頂澆筑時(shí)可適當(dāng)提高速度。

拱頂近水平段采用先快后慢的澆筑方式，混凝土的澆筑總時(shí)長(zhǎng)等分成3段，混凝土泵送速度每次降低20%，橫向由邊緣向中間對(duì)稱(chēng)澆筑，縱向由內(nèi)向外依次澆筑，可最大限度緩解水化熱的不利影響。

封頂階段采用帶壓灌注，在泵送壓力作用下，混凝土先填充縱向內(nèi)側(cè)，然后向外側(cè)涌動(dòng)。根據(jù)拱頂空洞檢測(cè)結(jié)果，填充密實(shí)后逐次使用中部、端部泵送管路輸送混凝土，直至完成封頂。為便于封頂混凝土澆筑并提高施工質(zhì)量，封頂階段應(yīng)慢速灌注，并使封頂區(qū)域盡可能小。

4.4 混凝土振搗

混凝土入模后應(yīng)及時(shí)振搗均勻、密實(shí)。插入式振搗器通過(guò)模板作業(yè)窗直插或斜插入現(xiàn)澆混凝土，一般情況下應(yīng)連續(xù)振搗25～30 s，每次振動(dòng)時(shí)間不宜少于10 s，不得超過(guò)60 s。插入式振搗器應(yīng)按照“快插慢拔”的原則，逐層逐窗振搗，各振搗點(diǎn)間距不宜超過(guò)1.5倍振搗半徑，防止漏振。當(dāng)模板內(nèi)的混凝土不再下陷、不再出現(xiàn)氣泡、泛漿流動(dòng)或成水平狀時(shí)即可停止振搗。

采用二次振搗技術(shù)，對(duì)失去坍落度但仍處于塑性狀態(tài)的混凝土進(jìn)行二次振搗，提高混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)度和抗?jié)B性能，降低混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。初凝后的混凝土不得再次振搗?；炷琳駬v時(shí)應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量檢查，產(chǎn)生偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，確?；炷琳駬v效果。被覆拱頂近水平段采用自密實(shí)混凝土澆筑，無(wú)需振搗。

4.5 拱頂混凝土脫空檢測(cè)

拱頂混凝土灌注不飽滿(mǎn)或者不密實(shí)的情況下，被覆混凝土背后容易產(chǎn)生空洞，從而對(duì)整個(gè)被覆結(jié)構(gòu)的耐久性造成不利影響。拱頂混凝土灌注期間采用分布式觸壓傳感器檢測(cè)拱部混凝土壓力狀態(tài)，判斷是否存在脫空，并作為拱部混凝土封頂終止的判據(jù)。

分布式觸壓傳感器縱向密貼于拱頂初期支護(hù)表面，帶狀結(jié)構(gòu)上設(shè)置有多個(gè)檢測(cè)單元，對(duì)應(yīng)顯示終端多個(gè)指示燈。當(dāng)檢測(cè)單元采集到混凝土壓力時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈亮起，表示檢測(cè)位置的混凝土為“密實(shí)”狀態(tài)。借助拱頂混凝土脫空檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)拱頂混凝土封頂全過(guò)程信息化檢測(cè)，可避免僅憑經(jīng)驗(yàn)或目測(cè)判斷封頂結(jié)束時(shí)機(jī)而導(dǎo)致的拱頂混凝土脫空。拱頂混凝土脫空檢測(cè)原理見(jiàn)圖16。

圖16 拱頂混凝土脫空檢測(cè)原理圖

5 工程應(yīng)用

5.1 應(yīng)用情況

被覆施工一體化裝備已完成被覆混凝土施工，累計(jì)施工5個(gè)月，完成混凝土澆筑20余組。所用貝雷架運(yùn)輸方便，可實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)快速組裝，形成穩(wěn)固的支撐體系。通過(guò)整合鋼筋綁扎與混凝土澆筑裝備，使一體化貝雷架支撐體系縱向長(zhǎng)度達(dá)到30 m，提高了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在千噸級(jí)現(xiàn)澆混凝土的巨大載荷下，保證了立模精度和施工安全。頂部分設(shè)鋼筋綁扎與混凝土澆筑工區(qū)，通過(guò)優(yōu)化施工組織，可實(shí)現(xiàn)工序協(xié)調(diào)并進(jìn)，充分調(diào)用人工，實(shí)現(xiàn)人工、設(shè)備最優(yōu)配置，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

鋼筋綁扎臺(tái)架、鋼筋吊具、鋼筋綁扎定位卡具等工裝有利于提高多層鋼筋網(wǎng)綁扎效率。整體式鋼模板及其液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿(mǎn)足了超大跨度條件下立模、脫模施工需求。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接灌注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量混凝土快速入模，同時(shí)降低了狹小空間內(nèi)頻繁換管的難度。自主行走系統(tǒng)解決了超大型被覆施工裝備縱向移動(dòng)的難題。拱頂混凝土脫空監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)時(shí)反映混凝土飽滿(mǎn)狀態(tài)，可為封頂施工提供信息參考，避免盲目施工。脫模后混凝土表面光滑，未見(jiàn)蜂窩、麻面、錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量缺陷，襯砌強(qiáng)度、密實(shí)度、背后脫空率等均滿(mǎn)足襯砌施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。

被覆施工一體化裝備主要工序作業(yè)時(shí)間見(jiàn)表4，除混凝土硬化要求的時(shí)間較長(zhǎng)外，表中各工序均滿(mǎn)足施工進(jìn)度要求。此外，組織施工時(shí)可充分利用混凝土硬化時(shí)間，提高綜合施工效益。

表4 主要工序作業(yè)時(shí)間

5.2 配套要求

本設(shè)備所需施工人員和配套設(shè)備均為常見(jiàn)配置，見(jiàn)表5和表6。

表5 襯砌施工勞動(dòng)力配置

表6 襯砌施工主要設(shè)備配置

5.3 存在的不足

本裝備跨度大、載荷大，應(yīng)用中軌道鋪設(shè)精度和人工協(xié)作是主要問(wèn)題。行走機(jī)構(gòu)采用速度同步控制，軌道鋪設(shè)精度較差時(shí)，行走輪容易發(fā)生偏載，導(dǎo)致局部載荷過(guò)重，無(wú)法順利行走。同時(shí)在行走過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注行走的直線(xiàn)度，出現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)速度。

6 結(jié)論與討論

巨跨地下洞室被覆施工是地下工程裝備技術(shù)面臨的行業(yè)難題，采用安全、可靠、高效的施工裝備，是保證襯砌施工質(zhì)量，提高施工效率的必備條件。以高強(qiáng)度模塊化貝雷架組建支撐體系，借鑒全液壓鋼模板襯砌施工技術(shù)，研制了集鋼筋綁扎與混凝土澆筑功能于一體的巨跨被覆施工裝備，取得的主要結(jié)論如下：

1)以貝雷架為基本構(gòu)件的支撐體系通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，便于運(yùn)輸，適用于洞內(nèi)快速組裝巨跨被覆施工裝備，可承受巨跨被覆混凝土載荷。

2)采用鋼筋綁扎與混凝土澆筑裝備一體化形式，可顯著增加縱向尺寸，對(duì)于提高巨跨被覆施工裝備的穩(wěn)定性效果顯著，可滿(mǎn)足降低施工風(fēng)險(xiǎn)的需求。

3)巨跨被覆施工裝備一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋼筋綁扎和混凝土澆筑一體化施工，能夠?qū)崿F(xiàn)多工序協(xié)同并進(jìn)，配置多種自動(dòng)化、信息化工裝可簡(jiǎn)化設(shè)備操作難度，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高施工效率，確保按期完成巨跨被覆施工。

巨跨地下洞庫(kù)被覆施工一體化裝備為巨跨被覆施工提供了全套裝備、工藝解決方案，但在施工中需要投入較多的施工人員和設(shè)備，施工組織難度大、風(fēng)險(xiǎn)管控壓力大。下一步可研究采用自動(dòng)化、信息化施工技術(shù)，提高施工裝備的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)少人化施工。