自動化襯砌臺車在公路隧道施工中的應(yīng)用分析

宋小強(qiáng)

（中交四航局第六工程有限公司，廣東 珠海 519000）

隨著我國隧道建設(shè)的快速發(fā)展，對隧道襯砌臺車的需求日益增加，臺車是各類隧道襯砌實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工的重要設(shè)備，與混凝土泵送設(shè)備配套使用，可大大提高作業(yè)效率，減輕工人勞動強(qiáng)度，提高襯砌質(zhì)量。傳統(tǒng)的襯砌臺車由于受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜、支撐桿件繁多、自動化程度低、人工勞動強(qiáng)度大、操作空間狹小、施工效率低、安全狀況差、加之面板拼縫較多，襯砌外觀質(zhì)量無法保障。引進(jìn)自動化襯砌臺車可以很好地解決以上問題，本文針對自動化襯砌臺車在某隧道施工中的實(shí)際使用情況，從使用安全性、施工效率、質(zhì)量保障等方面進(jìn)行綜合論述。

1 工程概況

某高速公路隧道位于湖南省境內(nèi)，起訖樁號：左線ZK4+505～ZK6+987,長2392m,右線K4+475～ZK6+875，長2400m，設(shè)計(jì)為雙向六車道，屬山嶺長大隧道。隧道采用進(jìn)出口對向掘進(jìn)的方式施工，進(jìn)出口各施工1200m，為滿足施工需要配置了四臺自動化襯砌臺車。

2 自動化襯砌臺車簡介

該高速公路隧道使用三線公路自動化襯砌臺車，臺車按照隧道內(nèi)凈空尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。其結(jié)構(gòu)主要由模板總成、門架結(jié)構(gòu)、走行系統(tǒng)、頂升機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、支撐桿件系統(tǒng)、平臺輔助系統(tǒng)、電氣液壓系統(tǒng)、自動化澆筑系統(tǒng)、自鋪軌系統(tǒng)、智能化信息監(jiān)測系統(tǒng)等部分組成。自動化襯砌臺車結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 自動化襯砌臺車結(jié)構(gòu)示意圖

3 應(yīng)用分析

3.1 使用安全分析

3.1.1 傳統(tǒng)臺車

（1）傳統(tǒng)臺車多采用以骨架為支撐主體的門架式結(jié)構(gòu)。襯砌施工時，模板及混凝土自重和混凝土澆筑產(chǎn)生的側(cè)壓力先作用于模板上，然后經(jīng)模板和骨架間的縱連撐管和支撐千斤頂作用于門架上，再經(jīng)門架縱梁和門架千斤頂傳遞至軌道上，最后經(jīng)枕木作用在仰拱填充面上。由于其整體設(shè)計(jì)的局限性，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，尤其在大跨度三線公路隧道使用時門架結(jié)構(gòu)跨度加大，在混凝土澆筑過程中存在門架受力過大變形、結(jié)構(gòu)件變形、模板變形、跑模等所導(dǎo)致的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

（2）傳統(tǒng)臺車結(jié)構(gòu)門架為主要受力部位，為增加門架穩(wěn)定性而增加了大量的支撐桿件，致門架車輛通行空間不足，施工過程中存在車輛通行障礙，存在車輛碰撞風(fēng)險(xiǎn)。同時，由于支撐桿件增多導(dǎo)致操作空間狹小，工人操作不便通行困難，存在工人作業(yè)高處墜落風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 自動化臺車

（1）自動化臺車的設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)臺車結(jié)構(gòu)的受力原理，將模板系統(tǒng)作為主受力承載件，設(shè)計(jì)成板式箱型梯結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高穩(wěn)定性好，混凝土澆筑時產(chǎn)生的側(cè)壓力及拱頂混凝土的自重直接作用在模架系統(tǒng)上，在通過底部的支撐傳遞到路面。門架系統(tǒng)作為載具，設(shè)計(jì)成四只腳門框結(jié)構(gòu)，與模板間無連接，不承受側(cè)壓力及混凝土的重量，只承擔(dān)模架系統(tǒng)的自重，大大減少了門架及桿件受力變形坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，同時，模板系統(tǒng)用大而厚實(shí)的環(huán)向筋板和肋板支撐，降低了模板變形的風(fēng)險(xiǎn)。整個結(jié)構(gòu)傳力路線短、節(jié)點(diǎn)少，澆筑過程不易發(fā)生跑模。通過對模架結(jié)構(gòu)和骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，整個臺車結(jié)構(gòu)滿足最不利受力情況下的強(qiáng)度要求，從技術(shù)方面保證了臺車施工安全性。

（2）自動化臺車由于門架系統(tǒng)受力小，結(jié)構(gòu)大大精簡，提高了通風(fēng)截面，便于施工車輛通行，減少了車輛碰撞風(fēng)險(xiǎn)，同時，支撐桿件系統(tǒng)比傳統(tǒng)減少了一半，整體零部件大大減少，增大了內(nèi)部作業(yè)空間，梯子平臺經(jīng)人性化設(shè)計(jì)方便人員通行和施工，提高了作業(yè)安全和文明施工水平。

3.1.3 使用安全對比分析

自動化臺車對比傳統(tǒng)臺車，在整體結(jié)構(gòu)安全，人員施工安全、人員操作安全，人員作業(yè)環(huán)境、現(xiàn)場文明施工程度等方面有了很大的提高。

3.2 施工效率分析

一模二次襯砌作業(yè)循環(huán)過程，如圖2所示，就過程的每個步驟進(jìn)行施工效率分析。

圖2 一模二次襯砌作業(yè)循環(huán)

3.2.1 行走和就位

傳統(tǒng)臺車由于自動化程度不高，行走和就位過程，需要人工搬運(yùn)枕木和鋼軌，人工勞動強(qiáng)度大、工作效率低、行走和就位過程耗用時間長。

自動化臺車配備專用軌道及軌道提升輸送裝置，取消傳統(tǒng)臺車軌道支墊枕木，軌道無須人工搬運(yùn)可自主鋪軌，有效降低工人勞動強(qiáng)度，減少作業(yè)人數(shù)，可大大提高施工效率，減少行走和就位時間。

3.2.2 模板定位調(diào)整

傳統(tǒng)臺車全液壓系統(tǒng)程度較低，支撐桿件多，模板調(diào)整空間小，人工勞動強(qiáng)度大，模板定位調(diào)整過程復(fù)雜且時間長。

自動化臺車配備橫移液壓油缸操作系統(tǒng)、頂升液壓油缸操作系統(tǒng)、側(cè)向模板液壓油缸操作系統(tǒng)，側(cè)向模板快速撐地絲桿等，油缸伸縮量長，調(diào)整空間大，操作簡單、可快速準(zhǔn)確也完成模板定位調(diào)整。

3.2.3 端頭模安裝

傳統(tǒng)臺車端頭模采用小塊木模板拼裝，強(qiáng)度低、材料用量大、周轉(zhuǎn)率低，拼裝耗時長、人工耗用量多，影響混凝土質(zhì)量的同時，降低施工效率，耗費(fèi)大量人工和時間。

自動化臺車端頭模封堵采用可視化高分子伸縮模板，模板伸縮可調(diào)節(jié)，適用性強(qiáng)、拆裝方便、模板可多次重復(fù)使用，徹底替代木模封堵，大幅降低勞動強(qiáng)度，提高工效，降低施工成本，且相鄰部件緊密接觸，密封性好避免漏漿、爆模等情況發(fā)生，有效節(jié)省了端頭模安裝時間。可視化高分子端頭模板，如圖3所示。

圖3 可視化高分子端頭模板

3.2.4 混凝土澆筑

傳統(tǒng)臺車混凝土澆筑采用混凝土泵車連接泵送管道至澆筑窗口，澆筑過程需要大量人工不斷的移管、換管、接管、拆管且管道清洗麻煩、費(fèi)時費(fèi)力，整個混凝土澆筑過程人工勞動強(qiáng)度大，耗費(fèi)時間較多，施工效率低。

自動化臺車配備自動化遙控布料系統(tǒng)，配備的布料小車可縱向行走換位、左右擺動分流和上下升降對位、配套管路系統(tǒng)，可將混凝土分流到所需澆筑部位和拱頂，特設(shè)的汽、水結(jié)合管路清洗裝置，操作簡單方便，縮短了管路清洗時間。整個布料系統(tǒng)不需要人工拆管、接管、換管和清洗，僅需一名操作人員輕松操作遙控器，即可實(shí)現(xiàn)混凝土分層逐窗澆筑，從根本上實(shí)現(xiàn)了全自動化操作，簡化了混凝土澆筑過程，節(jié)省了人工成本，縮短了混凝土澆筑時間。

對該隧道圍巖占比高達(dá)45.21%的S-Ⅲa級圍巖施工段，按隧道正洞每12m一模襯砌，統(tǒng)計(jì)分析自動化臺車10模襯砌混凝土澆筑作業(yè)中的施工時間，從而得出其施工工效。

通過現(xiàn)場實(shí)際收集的數(shù)據(jù)由表1可知，每循環(huán)平均澆筑方量為147.5m3，每一模平均澆筑施工時間為9.1h，平功效為16.18m3/h。

表1 自動化襯砌臺車澆筑施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2.5 施工效率對比分析

表3 一模襯砌施工人員投入統(tǒng)計(jì)表

如表2、3所示，一模襯砌施工自動化臺車較傳統(tǒng)臺車節(jié)約6.3h，減少人工5人。

表2 一模襯砌施工效率對比分析表

3.3 質(zhì)量保障分析

3.3.1 傳統(tǒng)臺車

傳統(tǒng)臺車一般采用單管布料，澆筑混凝土?xí)r，工人勞動強(qiáng)度大，很難做到逐倉、分層、均勻、對稱澆筑，容易出現(xiàn)一灌到底或各部位澆筑高差過大，易產(chǎn)生跑模、混凝土強(qiáng)度不均、混凝土離析、人字坡冷縫等混凝土缺陷，加之澆筑窗口布置不合理，容易產(chǎn)生混凝土澆筑落差較大，混凝土沖刷面板而產(chǎn)生較大面積的沖印。在拱頂混凝土澆筑過程中，混凝土澆筑不能實(shí)現(xiàn)帶壓澆筑，拱頂部位易形成脫空、密實(shí)度不夠、強(qiáng)度不足、蜂窩麻面等缺陷。

3.3.2 自動化臺車

（1）自動化分層澆筑。臺車配備自動化的分層布料系統(tǒng)，采用布料分配小車加泵送管路結(jié)合的形式，布料小車可縱向行走換位、左右擺動分流和上下升降對位完成泵送管路自動切換對接，臺車模板上設(shè)有單邊四層13個混凝土澆筑窗口，封閉式混凝土輸送管路分別直通各個澆筑窗口，并通過智能遙控控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕便快捷將混凝土分流到所需位置，真正實(shí)現(xiàn)了逐倉、分層、均勻、對稱澆筑，有力地保障了混凝土襯砌質(zhì)量。

（2）全方位振搗系統(tǒng)。臺車配置插入式和附著式高頻自動振搗器，邊墻和拱腰部位采用插入式和附著式振搗器配合使用，拱頂部位安裝插入式振搗器，通過插入式高頻振動器的往復(fù)運(yùn)動對拱部混凝土進(jìn)行深入充分振搗，作業(yè)人員通過PLC程序控制系統(tǒng)，遙控控制振搗持續(xù)時間、間隔時間、振動次數(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)向、縱向及厚度方向的振搗全覆蓋，結(jié)合拱頂部位帶壓澆筑，有效提升混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度，大大減少了拱頂混凝土松散、脫空的質(zhì)量缺陷。

（3）拱頂帶模注漿。臺車配備帶模注漿專用設(shè)備，拱頂部位澆筑完成2～3h后，通過拱頂設(shè)置的4個注漿口，利用專用注漿設(shè)備，對拱頂及時進(jìn)行注漿，避免了傳統(tǒng)臺車要等襯砌強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后再進(jìn)行注漿而導(dǎo)致注漿液與襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)合完整性不好，形成兩層皮的弊病，保障了襯砌結(jié)構(gòu)的完整性和強(qiáng)度要求。

（4）信息化監(jiān)測系統(tǒng)。臺車搭載智能信息化監(jiān)控系統(tǒng)，可檢測記錄混凝土澆筑入倉順序、澆筑位置、對應(yīng)澆筑口流量、澆筑方量、混凝土入模溫度、環(huán)境溫度，澆筑開始和結(jié)束時間并對拱頂混凝土澆筑進(jìn)行防空洞預(yù)警和壓力檢測，實(shí)現(xiàn)澆筑過程可控制可追溯，并通過澆筑過程進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工，利用信息技術(shù)手段保障襯砌混凝土質(zhì)量。

該隧道二次襯砌混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30防水混凝土，防水抗?jié)B等級不低于P8，抗壓強(qiáng)度要求為30.0MPa，針對圍巖占比高達(dá)45.21%的S-Ⅲa級圍巖段作為主要分析對象，該段混凝土厚度設(shè)計(jì)要求為45cm。取施工高峰期5～9月施工的襯砌作為質(zhì)量分析，通過隧道作業(yè)施工實(shí)測統(tǒng)計(jì)，得到使用自動化臺車澆筑的襯砌混凝土質(zhì)量數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 自動化臺車襯砌混凝土質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際收集數(shù)據(jù)得出，5～9月施工段襯砌混凝土平均厚度為49.42cm，平均抗壓強(qiáng)度為33.2MPa，質(zhì)量均達(dá)到施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，滿足隧道設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 質(zhì)量保障對比分析

為檢驗(yàn)傳統(tǒng)襯砌臺車和自動化臺車已完工隧道襯砌施工實(shí)體質(zhì)量，根據(jù)相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)，分別進(jìn)行襯砌混凝土質(zhì)量檢測，實(shí)測項(xiàng)目偏差對比如表5所示。

表5 襯砌混凝土質(zhì)量檢測偏差表

如表5所示，自動化臺車較傳統(tǒng)臺車在襯砌施工質(zhì)量方面有明顯的提高。

4 綜合評價(jià)分析

根據(jù)該隧道襯砌施工實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，自動化澆筑襯砌臺車對比傳統(tǒng)臺車，綜合評價(jià)如表6所示。

表6 綜合評價(jià)

5 結(jié)語

目前，隨著對隧道施工安全的高度重視以及人工成本的不斷提高，施工機(jī)械化自動化成了必然的趨勢，該隧道工程引入自動化襯砌臺車，很好地順應(yīng)了這一趨勢，并通過自動化臺車在實(shí)際施工的應(yīng)用，從使用安全性、施工效率、質(zhì)量保障等方面以相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)與傳統(tǒng)臺車進(jìn)行了應(yīng)用對比分析，自動化臺車在隧道襯砌施工中克服了傳統(tǒng)臺車的種種弊端，大大提高了作業(yè)安全性，降低了人工和成本投入，提高了施工效率，有效地保障了襯砌質(zhì)量。