不中斷交通隧道加固臺車的研制及應(yīng)用*

梁國卿，趙俊宇，梁 毅，朱碧堂

(1.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330103； 2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013； 3.江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330013；4.江西基業(yè)良工樁機制造有限公司，江西 南昌 330052)

0 引言

截至2020年末，全國公路隧道21 316處、21 999.3km； 公路和鐵路隧道總數(shù)>38 000處、總長約41 600km[1]。我國地域遼闊，地形類型多種多樣，公路和鐵路隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)山體，加上設(shè)計(如不良地質(zhì)段襯砌設(shè)計厚度不足)、施工(如襯砌存在空洞)、運營(如排水系統(tǒng)堵塞)等原因，大量襯砌出現(xiàn)開裂、滲漏水、變形、錯臺、掉塊等病害[2-5]，甚至引起局部坍塌等嚴(yán)重事故，危害著人員和車輛安全。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，我國公路和鐵路隧道約60%以上存在病害，其中30%～46%達到A1(嚴(yán)重)級[6-10]，影響襯砌局部或整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和行車安全，亟需進行結(jié)構(gòu)加固。

高速公路作為人流、物流和信息流加速運轉(zhuǎn)的重要工具，一旦中斷每天損失達上百萬元，特別是隧道作為高速公路通暢中的控制性工程。因此，在保證不中斷交通的條件下，對隧道病害進行修復(fù)加固，延長隧道使用壽命，顯得非常必要。

隧道加固傳統(tǒng)采用裂縫注漿、鋼帶或CFRP板局部加固和嵌入鋼拱架加固等[11-16]，這類加固措施一般能提供的強度和剛度有限。因此，近年來采用波紋鋼板進行套拱加固的應(yīng)用逐漸增多。杜峰濤[17]在漢中市108國道槐樹關(guān)隧道中采用波紋鋼板套拱加固技術(shù)，并分析總結(jié)了波紋鋼板拱定位、拼裝施工工藝和加固后效果。陳望祺等[18]結(jié)合某隧道襯砌混凝土掉落問題，分析了波紋鋼板與原有襯砌不同結(jié)合條件下的受力特性。葉子健等[19]以某隧道為例根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和有限元數(shù)值模擬分析了套襯波紋鋼板受力特性，指出了波紋鋼板套拱計算分析存在的問題?？傊?，目前波紋鋼板采用封洞施工并由人工搭設(shè)腳手架，施工周期長、安裝精度低、封洞施工收費損失大。另外，針對波紋鋼板套拱加固技術(shù)，尚無成熟的設(shè)計計算方法。

依托江西省武吉高速公路九嶺山隧道波紋鋼板維修加固工程，研制了不中斷交通隧道加固臺車，介紹基于不中斷交通臺車的波紋板隧道套襯加固施工工藝，同時對波紋鋼板套襯的內(nèi)力和土壓力開展自動化監(jiān)控，確保波紋鋼板套襯的安全穩(wěn)定。

1 工程概況

九嶺山隧道為上下行分離式雙洞隧道，凈跨10.75m、凈高7.213m，為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)(見圖1)。左線長5 446m，采用1.7%的單向坡；右線長 5 411m， 采用-1.7%的單向坡。

圖1 交叉洞口處主洞斷面(單位：cm)

隧道橫穿九嶺山主脈的主峰地段，最高海拔 1 275m， 相對高差600～800m，最大埋深887m；該處群山環(huán)繞，地勢起伏明顯，山勢陡峭險峻，自然邊坡呈穩(wěn)定狀態(tài)，坡角一般為25°～ 45°，但局部發(fā)育陡坎，溝谷皆為V形深切割，地表水系較發(fā)育，地貌單元屬于侵蝕/剝蝕型中高山區(qū)。

隧道于2008年1月建成通車，運行11年后，右幅排煙通道與主洞交叉口YK2686+343處出現(xiàn)坍塌(見圖2)，松散圍巖掉落至風(fēng)道隔板。檢測后發(fā)現(xiàn)主洞與橫洞交接位置存在塌方，塌方面積為4m×5m，坍塌量約為10m3，且在主洞襯砌上方仍可見不穩(wěn)定的破碎圍巖。為保證結(jié)構(gòu)安全，交叉口處前后共30m范圍內(nèi)的主洞襯砌及交叉口處向橫洞內(nèi)延伸6m的橫洞襯砌采用波紋鋼板進行加固(見圖3)。隧道為該處交通要道，如采用封洞施工，預(yù)計拼裝工期60d，每天收費損失約110萬元。

圖2 隧道交叉洞口塌方位置

圖3 主洞波紋鋼板加固(單位：cm)

2 不中斷交通隧道加固臺車研制

為縮短施工工期，提高波紋鋼板拼裝精度，進行不中斷交通條件下隧道加固和內(nèi)襯波紋鋼板的快速施工。為此，研制了九嶺山號隧道加固臺車(見圖4)。

圖4 九嶺山號隧道修復(fù)加固臺車系統(tǒng)

1)隧道修復(fù)加固平臺 由主門架系統(tǒng)、自動化推進系統(tǒng)和自動升降系統(tǒng)組成，平臺凈高5m、凈寬5m，滿足單車道通行。主門架系統(tǒng)提供安全通行交通工具的中空區(qū)域C；自動化推進系統(tǒng)采用履帶式電動推進方式，設(shè)計時速根據(jù)需要可配置不同電動機；自動升降系統(tǒng)包括人、貨兩用升降機。

2)機械輔助裝配式波紋鋼板拼裝系統(tǒng) 由傳送機構(gòu)、頂升機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)等組成。傳送機構(gòu)跨設(shè)于主門架結(jié)構(gòu)兩個側(cè)面和上部，并與主門架結(jié)構(gòu)連接，用于沿主門架結(jié)構(gòu)外圍周向傳送波紋鋼板等內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，波紋鋼板傳送時懸掛在掛鉤上；頂升機構(gòu)具有支撐端和頂升端，其中，支撐端與主門架結(jié)構(gòu)連接，頂升端可沿徑向做伸縮運動，用于將位于傳送機構(gòu)上的內(nèi)襯波紋鋼板徑向頂離傳送機構(gòu)，定位在內(nèi)襯加固位置；驅(qū)動機構(gòu)包括與驅(qū)動輪連接的減速電動機及與減速電動機連接的驅(qū)動電機，用于驅(qū)動傳送機構(gòu)；微調(diào)機構(gòu)設(shè)置在主門架結(jié)構(gòu)上，用于調(diào)節(jié)傳送機構(gòu)在主門架結(jié)構(gòu)軸向上與主門架結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系；控制機構(gòu)與頂升機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)連接，用于對頂升機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)進行控制。

九嶺山號不中斷交通隧道加固臺車4個主體支撐結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了臺車整體頂升，到達隧道指定位置后，臺車頂起貼合隧道，施工人員進行隧道維修。

3 施工工藝

不中斷交通隧道加固臺車是利用波紋鋼板加固山嶺隧道的主要施工設(shè)備，是施工人員工作平臺和拼裝支撐鋼板的重要機械，通過臺車起吊、運送、支撐波紋鋼板，實現(xiàn)了隧道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)快速拼裝。采用臺車進行隧道加固的施工流程為：施工準(zhǔn)備→拆除加固段電纜溝及基礎(chǔ)施工→臺車拼裝就位→材料進洞→波紋鋼板安裝→基座施工→灌注混凝土。

3.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備包括交通組織和隧道加固段內(nèi)清障。交通組織包括隧道外警示和限速區(qū)、隧道內(nèi)上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、施工作業(yè)區(qū)、下游過渡區(qū)和終止區(qū)，不同區(qū)段規(guī)定不同行車速度。隧道加固段內(nèi)清障采用封洞施工，包括清除洞內(nèi)原有排煙道及支撐橫梁與底座，移除照明設(shè)施及里程標(biāo)，清除隧道襯砌表面防火涂料、清洗襯砌表面并進行鑿毛處理。

3.2 拆除電纜溝及基礎(chǔ)施工

移除加固段范圍內(nèi)的檢修道蓋板，電纜管線移至電纜溝靠路面一側(cè)，采用注漿鋼管+角鋼作為基礎(chǔ)，將5m長φ42注漿小導(dǎo)管打入電纜溝底部，沿隧道縱向間隔50cm按梅花形布置(見圖5)，隨后注漿。

圖5 注漿小導(dǎo)管現(xiàn)場布置

3.3 臺車拼裝就位

臺車各組件運送至隧道外廣場進行拼裝，拼裝后進行調(diào)試，包括波紋鋼板試拼裝。調(diào)試完成后，采用柴油發(fā)電驅(qū)動的模式遠程遙控開往距洞口 2 201m 的施工段。臺車輪廓尺寸與隧道凈空貼合度很高，隧道曲線半徑為4 000m，前進時要隨時調(diào)整履帶角度，避免刮蹭襯砌，不利因素會造成臺車行進速度緩慢，平均時速為2.5km/h。不中斷交通隧道加固臺車作為此隧道波紋鋼板套拱加固工程最重要的一種大型設(shè)備，不僅可作為安裝波紋鋼板的施工平臺，也方便了其他養(yǎng)護車輛能正常安全行駛至洞外，不會造成車輛在高速上逆行、在隧道內(nèi)掉頭等危險。

3.4 材料進洞

運送預(yù)制波紋鋼板放置至YK2686+386處，相關(guān)材料包括：3種尺寸波紋鋼板N1(1 880mm×1 220mm)， N2(2 120mm×1 220mm)，N3(2 360mm×1 220mm)，波距230mm，波深64mm，壁厚6mm；熱軋角鋼(∟2 000×16)、密封膠條、結(jié)構(gòu)膠、M20高強度螺栓、化學(xué)錨栓、錨栓密封鋼板墊。

3.5 波紋鋼板安裝

臺車從隧道YK2686+326位置開始施工，主洞需安裝25環(huán)波紋鋼板，每環(huán)由10塊預(yù)制鋼板拼裝組成，鋼板采用法蘭和M20高強螺栓連接，每塊鋼板四邊粘貼密封膠條，封堵縫隙，以防灌漿時滲漿。每塊鋼板預(yù)留2個錨栓孔，每環(huán)左右兩端為N1，N3型鋼板，中間均為N2型鋼板，采用交錯拼裝(見圖6)，以提高波紋鋼板整體穩(wěn)定性。

圖6 波紋鋼板拼裝平面展開(局部)

波紋鋼板安裝順序為：首先安裝1環(huán)左右兩端N1，N3型鋼板，再在右端N3型鋼板上安裝N2型鋼板至拱頂位置，安裝右側(cè)半環(huán)最后1塊時，左側(cè)半環(huán)鋼板開始拼裝，最后在頂部合龍，完成整環(huán)拼裝。

3.5.1端部鋼板與基礎(chǔ)連接

端部鋼板與基礎(chǔ)連接步驟為：每環(huán)兩端N1，N3型鋼板與角鋼螺栓連接，并固定在電纜溝基礎(chǔ)注漿小導(dǎo)管上；最底端鋼板與上方第1塊鋼板進行縱向連接；利用臺車傳動機構(gòu)將2塊鋼板拉起，調(diào)整鋼板位置；角鋼與注漿小導(dǎo)管焊接。

1塊鋼板寬度為1 220mm，如先將角鋼焊接至注漿小導(dǎo)管上，不方便后續(xù)最底端鋼板與角鋼進行螺栓連接，臺車作為一種專業(yè)拼裝波紋鋼板設(shè)備，可滿足鋼板與角鋼先拼接好再將其放至準(zhǔn)確位置，并進行角鋼與基礎(chǔ)的連接，如圖7所示。

圖7 波紋鋼板與基礎(chǔ)連接示意

3.5.2波紋鋼板起吊

鏟車將波紋鋼板從碼放區(qū)運送至臺車吊臂前，通過液壓操作桿控制吊臂，吊臂前端吊鉤勾住鋼板端頭螺栓孔，因臺車主體與原有隧道襯砌留有的間隔有限，波紋鋼板自重較大，通過拉繩控制波紋鋼板晃動，防止鋼板在起吊過程中撞向原有襯砌。

3.5.3波紋鋼板傳送與安裝就位

波紋鋼板吊起后，放置于環(huán)向滑道，鋼板隨滑道移至臺車中間橫跨主體的傳送機構(gòu)，傳送機構(gòu)中間裝有傳送環(huán)鏈，環(huán)鏈上有固定鋼板傳送的掛鉤，通過遙控環(huán)鏈將鋼板傳送至指定位置。然后采用液壓撐桿頂起鋼板脫離環(huán)鏈，通過微調(diào)液壓撐桿使待安裝波紋鋼板與鄰近已安裝的波紋鋼板安裝孔位對正。

3.5.4波紋鋼板拼接

波紋鋼板就位后，利用電動扳手將待安裝鋼板與相鄰鋼板通過法蘭和M20高強螺栓連接。當(dāng)鋼板固定后，采用固定在臺車上的棚撐裝置臨時拖住未被固定的鋼板邊緣，防止掉落。波紋鋼板安裝時，傳送機構(gòu)兩側(cè)升降機發(fā)揮著重要作用，實現(xiàn)施工人員無死角拼接鋼板。整環(huán)波紋鋼板安裝完成后，鋼板已達到自身拱效應(yīng)，臺車前移至下一環(huán)安裝位置，此時通過后側(cè)升降機鉆孔，采用化學(xué)錨栓使鋼板與原有襯砌更加有效地連接，錨栓端部與鋼板之間設(shè)置鋼墊片，防止灌漿時液態(tài)混凝土滲漏(見圖8)。

圖8 整環(huán)波紋鋼板安裝完成后主洞洞身斷面

3.6 基座施工

待波紋鋼板整體安裝完成后，在兩側(cè)電纜溝下基座鋼筋，橫向鋼筋端部焊接至波紋鋼板上，隨后支設(shè)木模板，澆筑混凝土基座。

3.7 灌注混凝土

在波紋鋼板與既有襯砌縫隙內(nèi)澆筑C40微膨脹混凝土，每隔4m設(shè)置1個灌漿斷面，在拱頂和左右拱腰位置開設(shè)灌漿孔，采用對稱分層澆筑的方法，每次灌入1～2m厚C40微膨脹混凝土，待混凝土初凝后再進行下一層灌漿，最終完成整體澆筑。澆筑過程中，實時監(jiān)控波紋鋼板承受的壓力及內(nèi)力和變形。

4 施工現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 波紋鋼板應(yīng)力監(jiān)測

波紋鋼板應(yīng)力采用振弦式表面應(yīng)變計進行自動化監(jiān)測。振弦式表面應(yīng)變計采用點焊基座的方式安裝在波紋鋼板內(nèi)、外表面波峰位置(見圖9)；待1環(huán)波紋鋼板安裝完成后，在波紋鋼板表面每隔1m焊接1根30cm長φ6鋼筋，將1環(huán)上所有傳感器走線綁扎至鋼筋，貼緊波紋鋼板外表面波谷順延至右邊墻拱腳。

圖9 波紋鋼板外表面應(yīng)變計布置

4.2 波紋鋼板外壓力監(jiān)測

波紋鋼板受到的外壓采用壓力盒進行自動化監(jiān)測。安裝波紋鋼板前，在需安裝的波紋鋼板背面采用點焊方式將2根50cm長φ10鋼筋焊接在橫跨3個波峰的位置，2根φ10鋼筋間距為10cm，在中間波峰位置，點焊2根10cm長φ6鋼筋，與φ10鋼筋呈井字形布置，然后用扎帶將壓力盒固定至鋼筋，壓力盒背面緊貼波峰位置，線從波紋鋼板表面錨栓孔引出。

4.3 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場布置32個監(jiān)測點，其中應(yīng)力監(jiān)測點20個，圍巖壓力監(jiān)測點12個，采用自動化監(jiān)測，待所有測點安裝完成后，將傳感器沿右邊墻檢修道走線至采集儀，2個采集儀為16通道振弦式采集儀，裝有GPRS模塊，可實現(xiàn)長期的數(shù)據(jù)自動采集，數(shù)據(jù)將上傳至監(jiān)測平臺。

4.4 監(jiān)測結(jié)果

波紋鋼板安裝結(jié)束后，開始監(jiān)測波紋鋼板套襯應(yīng)力和外壓力，包括3個階段：灌漿階段、灌漿后28d、灌漿后88d，監(jiān)測頻率均為1次/3d。取典型斷面YK2686+334，通過繪制時間-應(yīng)力曲線和時間-壓力曲線得出，在灌漿階段波紋鋼板與原有襯砌結(jié)合一側(cè)應(yīng)力突變明顯，其中最明顯位置為拱腰和拱腳，發(fā)生了5MPa的應(yīng)力突變，灌漿結(jié)束7d后趨于穩(wěn)定；波紋鋼板外側(cè)受灌漿擾動小，應(yīng)力呈線性增加，灌漿結(jié)束后呈線性下降后趨于穩(wěn)定；圍巖外壓力監(jiān)測所埋置的壓力盒壓力變化主要是由灌漿時微膨脹混凝土打至壓力盒造成的，因此，會出現(xiàn)數(shù)值波動，灌漿結(jié)束后，由于微膨脹混凝土的微膨脹特性，使波紋鋼板與原有襯砌有效結(jié)合，壓力逐漸增加至50kPa后趨于穩(wěn)定。

5 臺車應(yīng)用效果

5.1 施工進度

采用不中斷交通臺車進行波紋鋼板隧道套襯加固施工，平均安裝1環(huán)波紋鋼板約2h，每天可保證安裝3～4環(huán)鋼板，且臺車留有5m×5m凈空，在安裝波紋鋼板加固隧道時，施工車輛可實現(xiàn)不掉頭通行，不影響加固段前后隧道維養(yǎng)施工，實現(xiàn)了多工種交叉作業(yè)，大型工程機械、施工車輛有序通行，確保隧道修復(fù)加固、路面攤鋪、道路綠化的一體養(yǎng)護，將九嶺山隧道集中養(yǎng)護的90d施工工期降至23d，極大地縮短了隧道養(yǎng)護周期。

5.2 施工安全

采用傳統(tǒng)拼裝波紋鋼板方法，需搭設(shè)與隧道尺寸一致的鋼管腳手架作為施工平臺，施工人員在上下施工平臺時，極易發(fā)生安全事故。腳手架承重能力有限，如鋼板不及時與原有襯砌有效連接，容易造成鋼板倒向腳手架，存在很大的安全隱患。臺車為一種集施工平臺與波紋鋼板安裝系統(tǒng)于一體的機械化設(shè)備，可輕松頂起、支撐鋼板，施工人員利用升降機上下臺車，臺車頂部工作平臺設(shè)有護欄，且能滿足施工人員雙向行走，可有效保障施工人員生命安全。此外，臺車操作簡單，對人員稍加培訓(xùn)即可使用，8～10名施工人員即可完成臺車前進、波紋鋼板拼裝等施工。因此，采用不中斷交通隧道加固臺車能有效降低風(fēng)險系數(shù)，保證施工安全。

5.3 施工質(zhì)量

傳統(tǒng)拼裝鋼板方式無法精準(zhǔn)保證波紋鋼板符合隧道斷面尺寸，出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)斷面的情況，造成整體波紋鋼板錯位，不能完全貼合隧道；或在拼接時，鋼板孔位不能對齊，錯孔造成波紋鋼板之間螺栓連接不牢固，降低鋼板承載力，存在隧道運營隱患。而采用臺車后，臺車可整體升起貼合隧道，傳動機構(gòu)兩側(cè)支撐桿也可對鋼板位置進行微調(diào)，保證施工后的波紋鋼板斷面尺寸滿足設(shè)計要求。

5.4 經(jīng)濟效益

采用起重機和升降機等臨時支撐機械設(shè)備拼裝波紋鋼板，需多輛機械同時施工。同時，采用搭設(shè)腳手架的方式作為施工人員施工平臺，需大量人員留守在所搭設(shè)的平臺上和地面位置，還會中斷隧道洞內(nèi)交通。而采用臺車施工，只需8～10人即可操作臺車進行施工，大大減少了施工人員數(shù)量，同時，臺車腹部滿足其他車輛設(shè)備通過，保證了前后段可進行其他隧道維養(yǎng)工作(如機電維修、清潔維護、路面鋪設(shè)等)。根據(jù)統(tǒng)計，九嶺山隧道所在的武吉高速公路每天封洞造成的高速收費損失約110萬元，采用九嶺山號隧道加固臺車施工產(chǎn)生的經(jīng)濟效益達7 370萬元。

6 結(jié)語

1)以九嶺山隧道維修加固工程為依托，介紹了不中斷交通隧道加固臺車的工作原理及其應(yīng)用，該臺車解決了波紋鋼板動用人力多、施工技術(shù)復(fù)雜的難題，實現(xiàn)了快速拼裝機械化施工，提出了一種隧道維修加固領(lǐng)域的新型設(shè)備，推動隧道維修加固施工的機械化發(fā)展。

2)采用不中斷交通隧道維養(yǎng)臺車，設(shè)備操作容易，在隧道外拼裝完成后，可實現(xiàn)自主前進，4條履帶均可獨立操作，在貼合隧道襯砌的情況下，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎前移；主門架留有的凈空保證絕大多數(shù)車輛正常通行，降低了因中斷交通帶來的負面影響；相比于傳統(tǒng)搭設(shè)腳手架或有些學(xué)者采用挖掘機加上特制拱形安裝支撐來拼裝波紋鋼板，臺車施工效率更高、更安全，施工工期更短，帶來的社會效益更大。

3)不中斷交通隧道加固臺車設(shè)置專門的控制機構(gòu)，與驅(qū)動機構(gòu)、頂升機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)連接，控制臺車進退、轉(zhuǎn)向、升降，可將波紋板安裝至隧道襯砌指定位置，并可對每塊要安裝的鋼板位置進行微調(diào)，保證鋼板螺栓孔位對齊，方便施工人員對其進行螺栓連接。利用臺車可真正實現(xiàn)波紋鋼板套襯快速拼裝，降低施工難度，節(jié)約人力，保障施工人員生命安全和隧道施工車輛的安全。