高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體高效拼裝技術(shù)

傅重陽/FU Chongyang

（中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

歐美等發(fā)達(dá)國家自20 世紀(jì)中葉起，通過開展大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)而逐步擴(kuò)大工程機(jī)械需求，加之人力成本相對較高，從而促進(jìn)工程機(jī)械的研發(fā)和實際運(yùn)用。目前，隧道施工方面，國外已經(jīng)基本實現(xiàn)全過程機(jī)械化作業(yè)，研發(fā)了針對開挖、掛網(wǎng)、架拱等基礎(chǔ)工序的高效率、高專業(yè)化程度的專用設(shè)備，拱架安裝設(shè)備已大量投入至隧道施工作業(yè)中。國內(nèi)相關(guān)拱架安裝設(shè)備的研究主要以工程機(jī)械改裝式和多臂式拱架安裝臺車為主。

目前，隧道掌子面拱架拼裝時，作業(yè)人員站在拼裝臺架上將單榀拱架（一般為5 節(jié)）拼裝成整體，底部采用墊板支撐后臨時固定，重復(fù)拼裝作業(yè)3 次后調(diào)整拱架位置，將拱架反復(fù)定位后使用連接筋將拱架連接后人工打設(shè)鎖腳錨管，拱架拼裝主要存在以下問題：①拱架節(jié)段拼裝全部由作業(yè)人員完成，工作量大，作業(yè)時間長；②拱架拼裝時人員長時間暴露于掌子面下方，拼裝過程中安全風(fēng)險較大；③拱架拼裝過程中施工空間小，拱架角度控制難度較大，施工質(zhì)量控制難度大；④人工打設(shè)鎖腳錨管角度難以控制，打設(shè)過程中容易對已安裝拱架造成影響。

針對上述問題，依托渝昆高鐵川渝段YKCYZQ-6 標(biāo)來福隧道出口工區(qū)施工，研究應(yīng)用了高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體智能化拼裝工藝，對傳統(tǒng)全人工安裝拱架工藝進(jìn)行革新，采用專門設(shè)計的鉸接結(jié)構(gòu)工裝將單榀拱架鉸接連接，三榀拱架組合形成拼裝段，利用專門研發(fā)的智能拱架安裝臺車將拱架拼裝段快速準(zhǔn)確定的安裝完成，同時利用臺車上錨桿鉆機(jī)快速精確地完成鎖腳錨桿的打設(shè)安裝工作，加快了掌子面拱架的安裝速度，有效提高了施工安全，對今后同類型工程具有切實的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

渝昆高鐵川渝段站前六標(biāo)來福隧道全長4 616m，其中來福隧道出口段工區(qū)，出口段工區(qū)施工總長度2 311m，起訖里程D2K218+537～D2K220+848。隧道主要穿越弱風(fēng)化的砂巖夾泥巖和泥巖夾砂巖地層，不良地質(zhì)主要有煤層微瓦斯、采空區(qū)、拱部及仰拱緩傾巖層，出口工區(qū)為順坡施工。

隧道出口段Ⅴ級圍巖214m、Ⅳ級圍巖1 062m、Ⅲ級圍巖1 020m。Ⅴ級圍巖一般地段采用三臺階法施工，穿越采空區(qū)采用臺階法+臨時仰拱施工，Ⅲ級、Ⅳ級圍巖均采用臺階法施工。

2 多榀拱架整體拼裝技術(shù)原理

以渝昆高鐵川渝段站前六標(biāo)來福隧道出口V級、Ⅳ級圍巖施工階段為例，其中V 級圍巖隧道采用三臺階法施工，上臺階高度4m，中臺階4m，下臺階3.32m，臺階長度控制在4m 以內(nèi)；Ⅳ級圍巖主要分為兩種工藝：①采用微臺階法施工時，上臺階高度6.5m，下臺階4.61m，臺階長度控制在4m 以內(nèi)；②采用兩臺階法施工時，上臺階高度7.6m，下臺階3.51m，臺階長度控制在20m 以內(nèi)。

為提高上臺階拱架安裝效率，降低施工安全風(fēng)險，在充分調(diào)研論證的基礎(chǔ)上，提出了高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體智能化拼裝技術(shù)，并進(jìn)行了配套設(shè)備選型。

2.1 隧道多榀鉸接鋼拱架整體拼裝技術(shù)原理

1）鋼拱架鉸接裝置 如圖1 所示，通過銷軸將組件一和組件二連接為整體，并利用開口銷防止銷軸脫落，然后利用螺栓將預(yù)留在組件一與組件二上的固定孔與鋼架腹板進(jìn)行固定，從而實現(xiàn)鋼架節(jié)與節(jié)之間的有效連接。

2）鉸接鋼拱架結(jié)構(gòu)優(yōu)化 將原設(shè)計3 根等長同尺寸的A 單元拱架，優(yōu)化為一長兩短，一長居中，兩短采用帶有鉸接裝置的連接梁進(jìn)行連接的形式。如圖2 所示，拱架安裝臺車進(jìn)行抓舉時，將“兩短”沿鉸接方向向中間折疊，待抓舉到安裝位置后展開，采用螺栓將拱架接頭連接完成。

圖2 鉸接裝置現(xiàn)場應(yīng)用

3）多榀鉸接鋼拱架整體拼裝結(jié)構(gòu) 如圖3 所示，利用拱架連接筋將三榀拱架組合整體結(jié)構(gòu)，同時在拱架和連接筋外側(cè)安裝網(wǎng)片，使得三榀拱架+連接筋+網(wǎng)片形成整體結(jié)構(gòu)。這樣不僅便于鋼拱架的運(yùn)輸，還便于鋼拱架在洞內(nèi)利用拱架安裝臺車一次展開就位，極大地縮短了洞內(nèi)鋼拱架的安裝時間，提高了施工效率。

圖3 三榀拱架+連接筋+網(wǎng)片形成整體結(jié)構(gòu)

2.2 隧道鉸接鋼拱架及連接板一體化加工技術(shù)原理

型鋼拱架連接鋼板精確定位是拱架加工中的薄弱環(huán)節(jié)，受原材料存放、運(yùn)輸?shù)戎T多環(huán)節(jié)影響，用于型鋼拱架加工的工字鋼易產(chǎn)生扭曲變形，以扭曲變形的工字鋼為基礎(chǔ)單元焊接連接鋼板，將造成相鄰拱架單元連接板無法密貼或安裝；其次，型鋼拱架各單元獨(dú)立進(jìn)行型鋼與連接板的焊接，也極易導(dǎo)致拱架單元不能精確對位安裝。針對上述問題，研究應(yīng)用了隧道鉸接鋼拱架及連接板一體化智能化加工技術(shù)，主要優(yōu)化措施如下。

1）隧道鋼拱架+連接板一體化自動生產(chǎn)線 如圖4 所示，主要包括連接板生產(chǎn)輸送線、型鋼上料裝置、旋轉(zhuǎn)切斷鋸床、旋轉(zhuǎn)式彎拱機(jī)、中道輸送線、連接板抓取機(jī)器人、連接板焊接機(jī)器人、第一鉗口式焊接變位器和第二鉗口式焊接變位器，實現(xiàn)了原材料、連接板、鋼拱架一次成型，有效保證了成品質(zhì)量，提高了加工效率。

圖4 隧道專用連接板、鋼拱架自動化生產(chǎn)線

2）連接板自動化生產(chǎn)技術(shù) 鋼板原材料通過剪切成條板，利用桁架式機(jī)械手全自動抓送料，四孔聯(lián)沖和剪切一次性完成，最后放置傳送帶運(yùn)輸?shù)戒摴凹苌a(chǎn)線。

3）連接板智能安裝技術(shù) 如圖5 所示，通過采用六軸機(jī)器人傳感裝夾連接板定位以及全自動360°變位焊接技術(shù)，實現(xiàn)了連接板、鋼拱架一次成型，連接板抓取機(jī)器人與連接板焊接機(jī)器人自動對位焊接自動對位焊接，確保連接板焊接精度及質(zhì)量。

圖5 連接板自動定位完成進(jìn)行點(diǎn)焊固定

2.3 隧道多榀拱架整體拼裝裝備選型及優(yōu)化

1）LCG312D 智能車載拱架安裝臺車 如圖6 所示，采用集鋼拱架安裝、欠挖及排險處理等功能為一體的智能車載拱架一體化臺車，應(yīng)用全新滑移結(jié)構(gòu)的三臂架、中臂遙控及側(cè)臂手動的控制技術(shù)，實現(xiàn)拱架拼裝段快速準(zhǔn)確安裝，提升了掌子面拱架拼裝速度。智能車載拱架安裝臺車技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 LCG312D型拱架拼裝臺車主要參數(shù)

圖6 智能車載拱架安裝臺車

2）智能車載拱架安裝臺車托舉裝置改造 針對拱架拼裝臺車僅靠單個托舉裝置托舉拱架，導(dǎo)致拱架拼裝對位慢、拱架定位偏差大、存在安全風(fēng)險等問題，如圖7 所示，研究應(yīng)用了適用于三榀鋼拱架整體拼裝的智能拱架臺車托舉裝置，將兩連接工字鋼之間通過抓取工字鋼相連，并在兩槽鋼定位結(jié)構(gòu)的首端之間以及尾端之間均卡固有支撐槽鋼，實現(xiàn)了三榀拱架整體托舉。

圖7 適用于三榀鋼拱架整體拼裝的拱架臺車托舉裝置

3 多榀拱架整體拼裝技術(shù)

3.1 拼裝技術(shù)流程

高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體拼裝工藝流程如下：鋼拱架+連接板加工（采用隧道鋼拱架+連接板一體化自動生產(chǎn)線）→節(jié)段拱架打孔→拱架鉸接裝置安裝→拱架連接系安裝（三榀拱架+連接筋+網(wǎng)片形成整體結(jié)構(gòu)）→拱架形成整體（檢查拱架榀間相對位置）→裝載機(jī)搬運(yùn)進(jìn)掌子面→拱架拼裝臺車安裝拱架（測量拱架位置、定位）→拱架整體展開（利用鉸接裝置）→安裝連接板連接螺栓→拆除鉸接裝置（重復(fù)利用）→智能拱錨噴一體機(jī)打設(shè)鎖腳錨桿（測量角度）→檢查驗收。

3.2 拼裝技術(shù)操作要點(diǎn)

3.2.1 型鋼拱架打孔

拱架鉸接裝置為多次循環(huán)使用工裝，需要在拱架上開孔安裝鉸接裝置。通過卡尺在工字鋼鋼架腹板上準(zhǔn)確標(biāo)示出鉆孔位置，沖床精確開孔后運(yùn)輸至現(xiàn)場，打孔位置偏差≤1mm。

3.2.2 鉸接裝置安裝

如圖8 所示，在拼裝場地內(nèi)安裝鉸接裝置，通過專用螺栓將拱架與鉸接裝置密貼，緊密固定。每榀拱架安裝2 套鉸接裝置，安裝完成后試驗鉸接對接情況，確保對位精度≤2mm。

圖8 鉸接裝置安裝

3.2.3 拱架連接系安裝和拱架驗收

1）3 榀拱架的6 套鉸接裝置安裝完成試驗合格后，利用龍門吊按照設(shè)計將拱架放置于拼裝架體上。尺量相對位置無誤后焊接安裝拱架間連接筋，連接筋背貼型鋼拱架外弧頂面，連接筋偏差不得大于±20mm。

2）連接筋安裝完成后安裝網(wǎng)片，網(wǎng)片搭接長度≥0.2m，網(wǎng)片外露長度≥0.2m。

3）整體拱架鉸接連接均在工廠化作業(yè)環(huán)境下完成，完成后使用拱架拼裝臺車抓舉試拼，檢查合格后放至存放處等待使用。

3.2.4 三榀拱架整體安裝

1）掌子面欠挖測量工作完成后拱架拼裝臺車就位，使用裝載機(jī)將整體拱架送至掌子面后，拼裝臺車開始安裝作業(yè)。

2）機(jī)械臂提升拱架至設(shè)計位置（圖9）。利用鉸接裝置打開后連接螺栓，測量定位拱架。

圖9 機(jī)械臂提升拱架至設(shè)計位置

3）拆除鉸接裝置，兩側(cè)機(jī)械臂松開，連接與上一循環(huán)之間的鋼筋網(wǎng)片及連接筋后中臂緩慢撤離，臺車收車離場。

4）收回拆除后鉸接裝置和連接螺栓，運(yùn)輸至安裝場地重復(fù)使用。

3.2.5 打設(shè)鎖腳錨桿

利用智能拱錨噴一體機(jī)快速完成鎖腳錨桿的打設(shè)工作，快速完成鉸接拱架底部的錨固鎖定，完成拱架安裝作業(yè)。

4 實施效果

4.1 Ⅴ級圍巖地段應(yīng)用結(jié)果分析

在Ⅴ級圍巖地段進(jìn)行了3 個循環(huán)的三臺階法上臺階拱架鉸接洞內(nèi)拼裝試驗工作，每循環(huán)進(jìn)尺為1.8m，拱架從進(jìn)場至就位用時1.5～2h，較人工拼裝3～3.5h 縮短1～2h。主要結(jié)果分析見圖10 對三臺階法工序用時進(jìn)行對比分析。

圖10 三臺階法工序用時對比分析

4.2 Ⅳ級圍巖地段應(yīng)用結(jié)果分析

在Ⅳ級圍巖地段進(jìn)行了臺階法上臺階拱架鉸接和組拼式洞內(nèi)拼裝試驗工作，每循環(huán)進(jìn)尺為3m，拱架從進(jìn)場至安裝完成用時1.5～2h，較人工拼裝3h 縮短1～2h。

兩臺階微臺階法工序用時主要結(jié)果分析見圖11 對兩臺階微臺階法工序用時進(jìn)行對比分析。

圖11 兩臺階微臺階法工序用時對比分析

兩臺階短臺階法工序用時主要結(jié)果分析見圖12 對兩臺階短臺階法工序用時進(jìn)行對比分析。

圖12 兩臺階短臺階法工序用時統(tǒng)計表

4.3 三種工法應(yīng)用用人數(shù)量分析

根據(jù)V 級圍巖三臺階法、Ⅳ級圍巖微臺階法、Ⅳ級圍巖短臺階法三種工法應(yīng)用情況，初步總結(jié)3 種工法工序用人與傳統(tǒng)用人對比數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 3種工法作業(yè)立架人員對比表

5 結(jié)論

1）采用專門設(shè)計的鉸接結(jié)構(gòu)工裝將單榀拱架鉸接連接，利用鉸接裝置，拱架結(jié)構(gòu)形成整體工作在洞外施工完成，在洞內(nèi)進(jìn)行整體拼裝，鋼筋拱架拼裝質(zhì)量得到了提升，有效保證了初支鋼架質(zhì)量。

2）優(yōu)化了施工工序，利用拱架連接筋將三榀拱架組合整體結(jié)構(gòu)，同時在拱架和連接筋外側(cè)安裝網(wǎng)片，使得三榀拱架+連接筋+網(wǎng)片形成整體結(jié)構(gòu)，減少洞內(nèi)安裝工序。

3）拱架在洞內(nèi)拼裝過程中任何偏位均能通過臺車精確調(diào)整，保證了拱架安裝精度，也能夠更直接地反映出初支開挖的超欠挖情況，確保初支厚度滿足要求。

4）拱架安裝采用鉸接式和組拼式作業(yè)，從組織鋼架進(jìn)場至鋼架安裝完成，3 榀鋼架平均立架時間為1.5～2h，相對于傳統(tǒng)人工立架效率提升1倍，且傳統(tǒng)人工拼裝拱架需要人員不少于14 人，采用拼裝臺車+人工立架體最多只需要10人。