滇中引水工程現(xiàn)澆仰拱全工序施工裝備設(shè)計與應(yīng)用

薛江松, 尹建坤, 陳宏明

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 511458; 2. 中交一公局第二工程有限公司, 江蘇 蘇州 215000; 3. 重慶市鐵路(集團(tuán))有限公司, 重慶 410700)

0 引言

隨著我國長大隧道建設(shè)步伐的加快,TBM作為集成機(jī)、電、液、傳感、控制一體化的施工裝備,具備施工環(huán)境好、速度快、長距離施工成本低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用[1]。為縮短隧道施工總工期,敞開式TBM法施工隧道同步襯砌成為發(fā)展趨勢。針對敞開式TBM法施工隧道: 徐贊[2]依托蘭渝鐵路西秦嶺隧道,開發(fā)了預(yù)制仰拱塊施工技術(shù),解決了仰拱快速施工,配合穿行連續(xù)皮帶機(jī)的現(xiàn)澆拱墻襯砌模板臺車,實現(xiàn)TBM法隧道同步襯砌。

針對水工隧洞: 朱文會[3]、杜士斌[4]從節(jié)省投資、保證質(zhì)量、方便施工等方面進(jìn)行論述,采用現(xiàn)澆仰拱施工相比預(yù)制仰拱塊同步施工有諸多優(yōu)勢,配套施工裝備有待開發(fā);楊建喜等[5]在大伙房輸水工程TBM法施工中,針對同步延伸連續(xù)皮帶、大直徑風(fēng)管、高壓電纜、供排水管道、TBM行走軌道、物料運(yùn)輸軌道等部件的穿行,研制了一種全圓襯砌裝備,在TBM停機(jī)檢修狀態(tài)下,進(jìn)行了28 d生產(chǎn)性試驗,試驗表明受隧道內(nèi)部可利用空間限制,實現(xiàn)與TBM施工進(jìn)度相匹配的全圓同步襯砌難度極高;彭春林等[6]、王信普[7]在遼西北輸水工程TBM施工中,研制了一種現(xiàn)澆仰拱裝備,坡橋采用升降搭接,主橋采用非對稱矩形框架結(jié)構(gòu),行走系統(tǒng)采用多組電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動鋼輪。該裝備由于行走軌道人工鋪設(shè),軌面平整度無法保證,導(dǎo)致行走驅(qū)動力不穩(wěn)定,行走困難。

綜上所述,國內(nèi)敞開式TBM法隧道二次同步襯砌存在以下3種施工組織方式: 1)掘進(jìn)同步鋪設(shè)預(yù)制仰拱塊,后現(xiàn)澆拱墻同步施工技術(shù); 2)正常掘進(jìn),后全圓現(xiàn)澆同步施工技術(shù); 3)正常掘進(jìn),先現(xiàn)澆仰拱,后現(xiàn)澆拱墻同步施工技術(shù)。國內(nèi)針對上述3種施工組織模式均進(jìn)行了探索,研制了配套工裝,方式1)在鐵路隧道應(yīng)用較為成熟[8]; 方式2)和方式3)在水工隧洞被推薦使用,由于隧洞內(nèi)部空間有限,方式2)基本無法實現(xiàn),方式3)已有成功案例,但是研制的裝備存在整機(jī)移動困難、適應(yīng)圍巖變化能力差、軌線轉(zhuǎn)換爬坡高度不足、人工作業(yè)空間小、仰拱澆筑配套工裝機(jī)械化程度低、施工效率低、勞動強(qiáng)度大等問題有待解決。

本文針對方式3)研制的現(xiàn)澆仰拱裝備存在的問題,提出一種新型的現(xiàn)澆仰拱裝備,旨在構(gòu)建水工隧洞現(xiàn)澆仰拱全工序同步施工技術(shù)指標(biāo)體系,開展水工隧洞現(xiàn)澆仰拱全工序施工裝備的設(shè)計與應(yīng)用。

1 設(shè)計背景

1.1 工程概況

滇中引水工程是從金沙江石鼓河段提水向麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個州(市)的35個縣(市、區(qū))供水的跨區(qū)域調(diào)水工程。滇中引水工程大理Ⅰ段施工3標(biāo)位于云南大理州鶴慶縣松桂鎮(zhèn)境內(nèi),線路長約26.5 km。敞開式TBM掘進(jìn)段總長度為20.802 km,開挖直徑為9.83 m,鉆爆段為4.845 km,標(biāo)段隧洞采用無壓輸水、斷面為圓形,成洞內(nèi)徑為8.4/8.5 m,設(shè)計流量為135 m3/s,設(shè)計縱坡為1/1 800,線路樁號為DLⅠ36+800～DLⅠ63+342。工程平面布置示意如圖1所示。

圖1 工程平面布置示意圖

1.2 裝備整體要求

現(xiàn)澆仰拱裝備是TBM法施工隧道底部仰拱澆筑設(shè)備,同時也是一種超大跨距有軌運(yùn)輸移動設(shè)備。裝備前端為TBM開挖后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)已完成的斷面,后端為已澆仰拱結(jié)構(gòu)的斷面。

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面因圍巖等級不同,底部標(biāo)高存在較大差異,全隧拱架有2種類型,分別為HW125型鋼和22#工字鋼。

已澆仰拱結(jié)構(gòu)的斷面布設(shè)有中心排水溝、行車軌道、風(fēng)管、連續(xù)皮帶機(jī)、高壓電纜、水管等。裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) 前端隧道截面

為保證TBM法隧洞正常施工,裝備一側(cè)需要?？?輛罐車和1臺輸送泵,另一側(cè)需要保證TBM掘進(jìn)物料運(yùn)輸車輛正常通行,兩側(cè)設(shè)備配置情況如下。

1)TBM掘進(jìn)物料運(yùn)輸車輛。2輛20座載人車(總質(zhì)量5 t)、1輛機(jī)車(總質(zhì)量27 t)、2輛10 m3滿載罐車(總質(zhì)量35 t)、3輛20 t滿載平板車(總質(zhì)量23.5 t),編組車輛總質(zhì)量154 t,總長72 m。

2)仰拱澆筑設(shè)備。滿載罐車(總質(zhì)量35 t)、輸送泵(總質(zhì)量10 t),?？吭O(shè)備總質(zhì)量45 t,總長18 m。

裝備需要滿足如下要求:

1)裝備設(shè)計應(yīng)與隧道內(nèi)部整體布局相匹配,其最大截面尺寸應(yīng)滿足TBM施工同步延伸連續(xù)皮帶、大直徑風(fēng)管、高壓電纜、供排水管道、施工物料運(yùn)輸車輛等部件穿行要求[9]。

2)裝備應(yīng)保證隧道內(nèi)有軌運(yùn)輸軌線在現(xiàn)澆仰拱區(qū)域正常過渡。軌線爬坡段坡度不大于30‰,后端為雙線,前端為單線,內(nèi)部應(yīng)設(shè)置道岔,保證軌線的轉(zhuǎn)換[10]。

3)裝備應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度,主橋承載力滿足一側(cè)?？垦龉皾仓O(shè)備,另一側(cè)通行TBM掘進(jìn)物料運(yùn)輸車輛。

4)裝備下部應(yīng)設(shè)置11個長12 m的作業(yè)區(qū)域,實現(xiàn)軌排拆除、攔壩排水、底部清渣、安設(shè)鋼筋、現(xiàn)澆仰拱、養(yǎng)護(hù)與等強(qiáng)、后端軌道安裝等工序同步作業(yè)?，F(xiàn)澆仰拱段應(yīng)設(shè)置機(jī)械化程度高、自行換位、定位、脫膜的配套工裝,實現(xiàn)仰拱現(xiàn)澆快速施工[11]。

5)裝備輔助功能應(yīng)以提高效率為目的,操作簡便,方便維修和保養(yǎng),裝備配套工裝應(yīng)滿足2 d襯砌3組12 m仰拱。

1.3 已有裝備存在問題

通過查閱資料,結(jié)合已有案例,國內(nèi)應(yīng)用過的仰拱現(xiàn)澆裝備主要存在以下問題[12]。

1)裝備適應(yīng)圍巖變化能力差,由于不同等級圍巖斷面實際提供支撐點(diǎn)標(biāo)高差異大,變化頻繁,采用軌行式行走系統(tǒng),軌道鋪設(shè)存在困難。

2)裝備跨度大、部件多、自質(zhì)量大,整體的強(qiáng)度、剛度要求高,移動困難。

3)裝備移動時,前后爬坡段清理工作量大,交通中斷后,恢復(fù)時間長,嚴(yán)重制約物料配送能力。

4)裝備底部操作空間小,施工人員無法到達(dá),混凝土無法充分振搗和抹面,襯砌質(zhì)量難控制。

5)裝備底部作業(yè)配套輔助工裝有待優(yōu)化設(shè)計,提升整機(jī)性能。

6)裝備有效作業(yè)長度較小,仰拱施工各工序無法同步開展,施工效率低,月施工強(qiáng)度與TBM施工不匹配。

2 現(xiàn)澆仰拱裝備設(shè)計

2.1 功能要求

研制現(xiàn)澆仰拱裝備的主要目是實現(xiàn)仰拱襯砌施工和保障有軌運(yùn)輸線路的暢通。裝備功能包含:

1)提供高效仰拱襯砌工裝。功能類似于山嶺鉆爆法隧道仰拱襯砌配套工裝。

2)提供便捷移動的有軌運(yùn)輸轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。功能類似于TBM后端配置的浮置軌道拖車。

仰拱襯砌工裝采用分離式仰拱襯砌系統(tǒng),設(shè)置的襯砌模板與主橋分離,模板具備自行走、定位、脫模等功能。

有軌運(yùn)輸轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是在既有軌線上通過尖軌過渡,爬坡軌爬升一定高度后,調(diào)整至裝備內(nèi)置有軌運(yùn)輸系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)部按照四軌三線布置軌線,前端為雙軌單線,后端為四軌雙線,前后端軌線通過對稱道岔,實現(xiàn)運(yùn)輸線路的轉(zhuǎn)換。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)澆仰拱裝備整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—前、后爬坡軌; 2—液壓支腿; 3—行走系統(tǒng); 4—主橋; 5—模板系統(tǒng); 6—輔助系統(tǒng); 7—液壓系統(tǒng); 8—電氣系統(tǒng)。

2.3 主要參數(shù)

根據(jù)結(jié)構(gòu)組成和性能要求,設(shè)計的現(xiàn)澆仰拱裝備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 現(xiàn)澆仰拱裝備主要技術(shù)

2.4 主橋設(shè)計

主橋為裝備核心部件,應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度,依靠結(jié)構(gòu)自身具備的承載能力,滿足現(xiàn)場使用要求[13]。

為方便多工序平行作業(yè),提高施工效率,主橋底部應(yīng)提供11個長12 m的有效作業(yè)區(qū)域,并且考慮預(yù)留3 m左右的安全作業(yè)區(qū)域,主橋長度不得低于135 m。為了適應(yīng)隧道1 000 m的轉(zhuǎn)彎半徑,主橋應(yīng)被分為3段,每段長度大約45 m。

根據(jù)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸,主橋包含縱梁和橫梁。縱梁設(shè)計的截面尺寸為1 600 mm×500 mm(高度×寬度),縱梁為雙腹板箱型梁結(jié)構(gòu),采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)碳素鋼焊接而成; 橫梁采用30#工字鋼,通過螺栓與縱梁連接成U型結(jié)構(gòu)。

根據(jù)裝備最大負(fù)載出現(xiàn)在2臺滿載罐車通行時,軌道另外一側(cè)停靠1臺滿載罐車和1臺輸送泵。此時,主梁承受所有工況下最大負(fù)載為1 150 kN。假設(shè)45 m主橋為簡支梁,主橋兩端提供支座反力,采用邁達(dá)斯軟件建模,加載1 150 kN集中載荷和自重力,將4個支撐點(diǎn)固定,進(jìn)行模擬分析。45 m主橋受力變形如圖4所示。

(a) 分析模型 (b) 分析結(jié)果

由圖4分析可知,主橋最大變形值為196.2 mm>45 000/400=112.5 mm,不滿足要求。

由于主橋變形量超過規(guī)范容許值較多,受隧道空間尺寸限制,無法大幅度改變縱梁截面外形尺寸情況下,為減少主橋的變形,可增加支撐點(diǎn)、減少主橋跨度,使主橋的強(qiáng)度和剛度符合規(guī)范要求。

根據(jù)裝備最大負(fù)載區(qū)域總長約18 m。選取縱向長度18 m主橋進(jìn)行強(qiáng)度校核,通過邁達(dá)斯軟件三維建模,主橋兩端依靠2組支腿,4個支撐點(diǎn)提供支座反力,加載1 150 kN集中載荷和該段主橋自重力,將4個支撐點(diǎn)固定,進(jìn)行模擬分析。18 m主橋受力變形如圖5所示。

(a) 分析模型 (b) 分析結(jié)果

由圖5分析可知,主橋最大變形值為32.69 mm<45 000/400=112.5 mm,完全滿足使用要求。

2.5 主橋支腿設(shè)計

根據(jù)主橋設(shè)計可知,主橋跨度不得大于18 m,因此,每段主橋設(shè)置的支腿數(shù)量不得少于4組。

由于隧道圍巖變化導(dǎo)致支腿底部標(biāo)高變化,主橋支腿應(yīng)具備長度調(diào)節(jié)功能,且能快速伸出和縮回,能將主橋上的載荷傳遞至隧道洞壁。

根據(jù)上述要求,主橋支腿焊接在主橋側(cè)部,采用液壓油缸和鋼結(jié)構(gòu)伸縮限位結(jié)構(gòu),外伸縮套采用標(biāo)準(zhǔn)厚壁方管,內(nèi)伸縮套采用鋼板拼接,內(nèi)伸縮套四周設(shè)置耐磨滑道板,方便加工時調(diào)整裝配間隙和涂抹潤滑劑,提升支腿穩(wěn)定性。為防止液壓油缸突發(fā)故障,導(dǎo)致支腿失效引起主梁下沉,在支腿側(cè)部設(shè)置調(diào)節(jié)螺桿,依靠機(jī)械自鎖,保護(hù)主橋應(yīng)用安全性。

根據(jù)路面高差和設(shè)備行走功能要求,主橋支腿油缸行程不得小于600 mm,根據(jù)負(fù)載確定油缸缸徑和桿徑,設(shè)計的支腿油缸型號為HSG200/110-600,兩端采用銷軸連接。裝備前、后端2種工況下主梁豎向支腿結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(a) 前端主橋豎向支腿

根據(jù)鋼筋作業(yè)國家規(guī)范要求,相連鋼筋環(huán)向接縫應(yīng)錯開布置,鋼筋綁扎完成后嚴(yán)禁踩踏。在鋼筋綁扎段主橋支腿不能采用豎向支腿結(jié)構(gòu),應(yīng)設(shè)計為橫向支腿結(jié)構(gòu)。

主橋橫向支腿采用伸縮限位結(jié)構(gòu),焊接在主橋上端,內(nèi)、外套均采用鋼板拼接,內(nèi)套截面尺寸600 mm×500 mm(高度×寬度)。內(nèi)套上端設(shè)置調(diào)節(jié)油缸和機(jī)械自鎖機(jī)構(gòu),以保證設(shè)備的可靠性。鋼筋綁扎段主橋橫向支腿結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 鋼筋綁扎段主橋橫向支腿結(jié)構(gòu)圖(單位: mm)

2.6 前、后爬坡軌設(shè)計

前、后爬坡軌是裝備內(nèi)設(shè)運(yùn)輸軌道與隧道內(nèi)既有軌道之間的過渡結(jié)構(gòu),保障施工有軌運(yùn)輸車輛從隧道內(nèi)既有軌道平穩(wěn)轉(zhuǎn)換至裝備上運(yùn)行。

為保證主橋下部能提供足夠的作業(yè)空間,方便作業(yè)人員施工,結(jié)合隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置和裝備其他機(jī)構(gòu)外形尺寸,主橋上的行車軌道頂面與裝備前端既有軌道頂面豎向高差為1 850 mm,與裝備后端既有軌道頂面豎向高差為1 420 mm。

國內(nèi)常規(guī)有軌運(yùn)輸牽引機(jī)車的最大爬坡能力不大于45‰[14],考慮TBM施工編組車輛多、負(fù)載大,在選擇機(jī)車牽引能力時,爬坡軌縱向坡度按照不大于30‰考慮,前、后爬坡軌長度分別為61.5 m和41 m。

爬坡軌主要包含尖軌段、過渡段、爬行段、連接機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)等。

1)尖軌段采用厚鋼板切割成斜面,搭接在既有軌道上,中部設(shè)置銷軸限位,后端通過鉸接與過渡段連接。

2)過渡段是尖軌與爬行段的過渡機(jī)構(gòu),由于該段行走軌道頂面與既有軌頂面高差小,軌道采用60 mm鋼板切割,經(jīng)過倒角、熱處理后焊接在底板上,底板下部前端設(shè)置U型卡槽,后端設(shè)置帶雙側(cè)輪緣的行走輪,支撐在既有軌道上,防止結(jié)構(gòu)整體左右偏移距離過大。

3)爬行段鋪設(shè)在自帶行走輪的臺架上,臺架采用鋼板和型材組合拼接?？紤]道路運(yùn)輸及隧道內(nèi)組裝限界要求,爬行段分段制作,每段長度控制在9 m左右,每段設(shè)置6組行走輪,各段端部設(shè)計連接耳板。

爬行段長度長、豎向高差大,為解決施工編組車輛單軌運(yùn)行存在的側(cè)翻風(fēng)險,在頂部2節(jié)爬行段臺架底部設(shè)置防傾斜裝置,該裝置采用船型滑行梁結(jié)構(gòu),利用隧道既有軌枕提供支撐反力。

考慮該區(qū)段橫向?qū)挾韧蝗蛔冋?為提高安全性,在臺架兩側(cè)設(shè)置人行通道、爬梯、護(hù)欄等輔助工裝。前爬坡軌現(xiàn)場照片如圖8所示。

圖8 前爬坡軌現(xiàn)場照片

4)爬行段之間通過連接機(jī)構(gòu)連接,爬行段與主梁之間通過牽引機(jī)構(gòu)相連接,傳遞牽引力。為適應(yīng)復(fù)雜工況,2種機(jī)構(gòu)均設(shè)置為雙向鉸接,能實現(xiàn)左右、上下擺動。為適應(yīng)主梁豎向支腿動作時,主梁行走軌道標(biāo)高變化,牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計成豎向滑移機(jī)構(gòu),保證爬行段始終與既有軌道接觸。前爬坡軌結(jié)構(gòu)如圖9所示。

(a) 爬坡軌正視圖(單位: mm)

2.7 行走支腿設(shè)計

行走支腿作為動力機(jī)構(gòu),能夠為裝備整體移動提供支撐力和驅(qū)動力。因此,需具備足夠的強(qiáng)度、剛度、導(dǎo)向功能、獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)和沿主梁軌道往復(fù)運(yùn)動的能力。

為保證設(shè)備移動平穩(wěn)性,每段主梁設(shè)置2個支撐點(diǎn),根據(jù)功能要求和支腿使用位置不同,行走支腿設(shè)計成2種動力行式。第1種是液壓行走支腿(2套),可提供支撐力和驅(qū)動力;第2種是電動行走支腿(4套),僅提供支撐力。

行走支腿照片如圖10所示。由圖10(a)、10(c)可知,液壓行走支腿未裝備移動提供驅(qū)動力,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高,采用16 mm鋼板拼接成C型框架結(jié)構(gòu),上部和下部共設(shè)置8套行走輪。由于整機(jī)移動驅(qū)動力需求大,為保證支腿能夠提供足夠摩擦反力,支腿底座部分寬度增加至1 800 mm。為提升行走支腿導(dǎo)向精度,前后2套導(dǎo)向輪中心間距設(shè)置為1 500 mm。

(a) 液壓行走支腿

由圖10(b)可知,電動行走支腿設(shè)計裝備移動時,僅提供支撐力,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較低,設(shè)計時主要考慮自身具備行走能力,采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動,單次行走距離大于12 m,上部和下部共設(shè)置4套行走輪,下部底座設(shè)計為側(cè)向支撐,避免與已綁扎好的鋼筋干涉。

2.8 行走系統(tǒng)設(shè)計

由于大跨徑現(xiàn)澆仰拱全工序施工裝備自質(zhì)量大、跨度大,設(shè)計合理的行走系統(tǒng)是解決本裝備便捷移動、降低勞動強(qiáng)度的關(guān)鍵點(diǎn)。

通過市場調(diào)研、收集資料,國內(nèi)相似類型裝備行走系統(tǒng)常用驅(qū)動方式有3種,每種驅(qū)動方式性能優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。由表可知,3種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點(diǎn),綜合考慮裝備質(zhì)量大、長度長、支腿種類多、隧道作業(yè)環(huán)境惡劣等特點(diǎn),裝備行走驅(qū)動宜采用馬達(dá)/油缸步進(jìn)式。

表2 裝備驅(qū)動方式優(yōu)缺點(diǎn)對比表

根據(jù)裝備移動依靠行走支腿上設(shè)置的行走導(dǎo)向輪支撐主橋下表面設(shè)置的軌道,導(dǎo)向輪與軌道間相互運(yùn)動為滾動摩擦,滾動摩擦因數(shù)為0.05。為保證裝備移動具備足夠的驅(qū)動力,設(shè)計時按照鋼材間的滑動摩擦因數(shù)0.1核算。裝備移動需要的最小驅(qū)動力為412×0.1×10=412 kN。

由于驅(qū)動馬達(dá)能提供的轉(zhuǎn)矩范圍有限,為保證設(shè)備驅(qū)動力具備足夠的安全儲備,只能選擇液壓油缸作為驅(qū)動元件。大行程油缸撓度大,故障率高,液壓驅(qū)動油缸單次行走距離設(shè)定為3 m,油缸型號為HSG125/80-3200,采用兩端鉸接。假設(shè)液壓系統(tǒng)額定壓力為16 MPa,油缸提供推力為625 kN,完全滿足。

行走系統(tǒng)能適應(yīng)各種應(yīng)用工況,實現(xiàn)裝備整體移動至指定位置的成套驅(qū)動裝置。系統(tǒng)內(nèi)含各種支腿、液壓驅(qū)動元件和控制系統(tǒng)等,主要包含主梁支腿、行走支腿、行走驅(qū)動油缸、控制系統(tǒng)等。行走系統(tǒng)示意如圖11所示。

1—主梁支腿(12套); 2—行走驅(qū)動油缸(4根); 3—液壓行走支腿(2套); 4—電動行走支腿(4套)。

裝備移動時,在行走驅(qū)動油缸作用下,通過如圖11所示的支腿分組相互交替支撐實現(xiàn)裝備移動,具體流程如下。

1)首先將爬坡軌道與主梁軌道斷開,然后依靠主梁支腿升降功能,調(diào)整主梁高度,使液壓行走支腿和電動行走支腿底座均與隧道弧形面接觸。

2)繼續(xù)調(diào)整主梁支腿液壓油缸,直至12套液壓支腿底座全部離開隧道弧形面,并具有一定的間隙。此時,2套液壓行走支腿和4套電動行走支腿承載主梁和主梁支腿質(zhì)量。

3)操作行走驅(qū)動油缸,主梁、主梁支腿、前后坡橋等沿著既有軌整體向前移動3 m。

4)操作前后端4套主梁支腿液壓油缸,主梁支腿底座與隧道弧形面接觸,液壓行走支腿離開隧道弧形面。

5)操作行走驅(qū)動油缸,2套液壓行走支腿沿著主梁軌道向前移動3 m。

6)操作前后端4套主梁支腿液壓油缸,液壓行走支腿與隧道弧形面接觸,主梁支腿底座離開隧道弧形面; 重復(fù)上述動作3)～5),經(jīng)過4次2種類型支腿交替支撐、換位,實現(xiàn)裝備整體移動12 m。

裝備使用時,在主梁支腿油缸作用下,通過調(diào)整油缸行程,保證裝備內(nèi)運(yùn)輸車輛行走軌道標(biāo)高始終處于固定高度值,保障車輛平穩(wěn)運(yùn)行。在使用過程中,檢查主梁支腿底座支撐情況,發(fā)現(xiàn)松動和下沉等問題,應(yīng)及時處理。

行走速度設(shè)計,裝備配置3套液壓系統(tǒng),油泵型號為CBY2016,驅(qū)動電機(jī)功率為7.5 kW,系統(tǒng)流量為23.2 L/min。裝備1次行走3 m,主梁支腿油缸(4根)伸縮500 mm,動作2次,行走支腿油缸(2根)伸縮3 m,動作2次,1個小循環(huán)理論用時15 min。考慮裝備整體移動存在許多不可控因素,裝備移動3 m計劃用時 20 min,裝備整體移動12 m襯砌循環(huán)設(shè)計用時120 min。

2.9 分離式仰拱襯砌系統(tǒng)設(shè)計

分離式仰拱襯砌系統(tǒng)是仰拱襯砌工裝,能實現(xiàn)仰拱弧形面和中心水溝槽快速成型,并配備仰拱襯砌施工配套系列工裝。襯砌系統(tǒng)依靠中心水溝箱型模板與2根縱向梁形成穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu),在桁架機(jī)構(gòu)兩端設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與液壓支腿底座連接;縱向梁底部設(shè)置仰拱回填平模板,通過鉸接機(jī)構(gòu)與兩側(cè)仰拱弧形模板連接。桁架兩端調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具備豎向和橫移調(diào)節(jié)功能,在液壓油缸作用下,襯砌系統(tǒng)獨(dú)立實現(xiàn)仰拱模板的定位、脫模及不同圍巖襯砌尺寸的轉(zhuǎn)換。模板脫模后,通過電機(jī)驅(qū)動,實現(xiàn)主梁不移動、模板襯砌工位的調(diào)整。

襯砌系統(tǒng)包含中心水溝模板、縱向梁、仰拱弧形模板、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、道釘螺栓固定裝置等[15]。仰拱模板襯砌及脫膜如圖12所示。

(a) 模板襯砌狀態(tài)正視圖

2.10 輔助系統(tǒng)設(shè)計

為充分提升裝備性能,解決現(xiàn)澆仰拱過程中各工序作業(yè)時間長、勞動強(qiáng)度大、施工效率低等問題,針對具體問題設(shè)計各類輔助工裝,配置的輔助機(jī)構(gòu)包含前端鋼軌的拆除工裝、清底擋水墻工裝、清底渣土轉(zhuǎn)運(yùn)工裝、鋼筋安設(shè)工裝、仰拱端部堵頭、后端鋼軌固定工裝等。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 組裝工藝

裝備研制依托獨(dú)頭掘進(jìn)21 km的水工隧洞,TBM掘進(jìn)工期壓力大,采用傳統(tǒng)停機(jī)、斷道組裝,必將影響項目整體施工進(jìn)度。根據(jù)裝備部件數(shù)量多、單個部件質(zhì)量大、組裝場地需求大等特點(diǎn),經(jīng)過不同組裝方案比選,采用2步走方案,第1步在隧洞兩側(cè)設(shè)置臨時三角支撐架,完成主體結(jié)構(gòu)和爬坡段的整體組裝;第2步TBM 停工保養(yǎng),將爬坡段移動至工位,在多工點(diǎn)同時組裝行車道橫梁和行車軌道,以最快速度保證運(yùn)輸線路暢通。

裝備組裝具體實施步驟如下: 1)在裝備安裝位置頂部設(shè)置24組起吊點(diǎn),每組吊點(diǎn)間距為6 m共156 m,每個吊點(diǎn)懸掛10 t手拉葫蘆。2)在保證物料運(yùn)輸軌線暢通的情況下,按照主梁長度和底板標(biāo)高,在主梁安裝位置設(shè)置三角形臨時支架,在支架上端安裝主梁;同時,在隧道洞口既有軌線上拼裝爬坡軌、清點(diǎn)主梁上的行車軌道。3)待主梁調(diào)試完成,其他準(zhǔn)備工裝就位后,TBM停機(jī)、維修、保養(yǎng),中斷TBM施工物料運(yùn)輸線路,集中全部人力,將已組裝好的坡橋整體移動至安裝工位,多工位同時作業(yè),安裝行車道橫梁、軌道,放置各類支腿底座和分離式襯砌模板系統(tǒng)等。

裝備安裝順序如下: 主梁—前端爬坡軌—行車道橫梁及軌道—放置支腿底座—放置中心溝模板及縱梁—后端爬坡軌—液壓系統(tǒng)—電氣系統(tǒng)—行走系統(tǒng)—襯砌模板系統(tǒng)—整機(jī)調(diào)試。

裝備組裝始終以減少運(yùn)輸線路中斷時間為目標(biāo),加強(qiáng)現(xiàn)場管理、合理調(diào)配人員、物料,科學(xué)組織。裝備組裝期間,停止TBM施工物料供應(yīng)僅7 d,投入作業(yè)人員25人。現(xiàn)場組裝照片如圖13所示。

(a) 主橋安裝 (b) 支腿安裝

3.2 理論工序時長分析

根據(jù)現(xiàn)澆仰拱工藝,完成1組12 m仰拱作業(yè)需要進(jìn)行8項施工工序,包含軌排拆除、底部清渣、鋼筋綁扎、裝備移動、模板定位、混凝土澆筑和振搗、模板脫模和養(yǎng)護(hù)、后端軌道安裝等。現(xiàn)澆仰拱施工流程如圖14所示[15]。

圖14 現(xiàn)澆仰拱施工流程圖

根據(jù)現(xiàn)澆仰拱施工流程,結(jié)合裝備設(shè)置的11個作業(yè)功能區(qū),現(xiàn)澆仰拱關(guān)鍵工序為裝備移動、模板定位、混凝土澆筑與振搗、脫模等,其余工序可以在其他工位同步進(jìn)行。以一次施工24 m為1個循環(huán),各工序施工無干擾。工序時間統(tǒng)計如表3所示。現(xiàn)場應(yīng)用照片如圖15所示。

表3 工序時間統(tǒng)計表

(a) 鋼筋綁扎 (b) 底部清洗

由表3可知,完成2組24 m仰拱襯砌關(guān)鍵工序理論時間為32 h,相對傳統(tǒng)無交叉作業(yè)工藝,施工效率提升35%。現(xiàn)澆仰拱承壓時,養(yǎng)護(hù)時間不低于64 h,能有效保證仰拱襯砌質(zhì)量。

通過折算,完成1組12 m仰拱襯砌需要16 h,每月按25個工作日3班制測算,理論每月仰拱襯砌長度為450 m。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

現(xiàn)澆仰拱裝備工廠設(shè)計制造、廠內(nèi)組裝調(diào)試、現(xiàn)場組裝、改造完善、優(yōu)化驗收等環(huán)節(jié),歷時11個月,裝備于2022年4月30日在香爐山隧洞完成首次仰拱混凝土的澆筑。因設(shè)備首次研制,設(shè)備配套工裝多,部分工裝應(yīng)用效果不理想,作業(yè)人員技能水平不高,現(xiàn)澆仰拱工藝熟悉程度不夠,物料供給與TBM掘進(jìn)存在干擾,導(dǎo)致裝備前期應(yīng)用存在窩工現(xiàn)象。

項目部針對上述問題,多次組織研討會,對存在問題逐一梳理。在保障物料及時供應(yīng)方面,增設(shè)混凝土倒運(yùn)平臺;針對模板移動速度慢的問題,采取1次澆筑混凝土由1組12 m調(diào)整為1次2組 24 m; 針對工裝效率低的問題,取消承軌臺模板采用槽鋼替換;針對清渣效率低的問題,采用增設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶機(jī)和沖刷裝置;針對操作人員熟練程度不夠的問題,采取加強(qiáng)作業(yè)人員培訓(xùn)等措施,裝備襯砌工效穩(wěn)步提升。

為保證仰拱襯砌質(zhì)量,襯砌過程嚴(yán)格按照SL677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》實施。通過嚴(yán)把封模、澆筑、振搗工藝,保證左右對稱灌注,及時采用插入式振搗器振搗密實,脫模注意保護(hù)混凝土表面和棱角不被損壞,按照試驗室監(jiān)控數(shù)據(jù)把控養(yǎng)護(hù)時間、灑水溫度、灑水量等參數(shù)[16]。新增物料倒運(yùn)平臺如圖16所示。

圖16 新增物料倒運(yùn)平臺

3.4 應(yīng)用效果

截至2023年7月25日,本標(biāo)段完成TBM開挖5.9 km,現(xiàn)澆仰拱同步施工2.6 km?，F(xiàn)澆仰拱與TBM掘進(jìn)進(jìn)度對比如圖17所示。由圖可知,現(xiàn)澆仰拱裝備在前期使用時,襯砌進(jìn)度與TBM掘進(jìn)進(jìn)度并沒有達(dá)到同步的效果,差異較大。

圖17 現(xiàn)澆仰拱與TBM掘進(jìn)進(jìn)度對比

由于滇中引水香爐山隧洞地質(zhì)復(fù)雜,在確保TBM按計劃掘進(jìn)為首要任務(wù)的條件下,調(diào)整仰拱混凝土澆筑進(jìn)度。經(jīng)過8個月的磨合試驗,25名作業(yè)人員在每天工作10 h的情況下,現(xiàn)澆仰拱單月進(jìn)度已達(dá)240 m,基本實現(xiàn)TBM掘進(jìn)與現(xiàn)澆仰拱同步施工,仰拱施工質(zhì)量符合設(shè)計要求。

3.5 存在問題及解決措施

1)裝備襯砌時,因仰拱承臺平面模板平整度存在誤差、振搗不充分等原因,導(dǎo)致仰拱承臺表面出現(xiàn)較多氣孔,成型效果較差。解決措施: 增設(shè)振搗窗口,加強(qiáng)振搗頻次,氣孔基本消除。

2)裝備移動時,因隧道存在轉(zhuǎn)彎、主橋支腿未設(shè)置橫移油缸,人工輔助橫移勞動強(qiáng)度大。解決措施: 增設(shè)橫移油缸,降低人工勞動強(qiáng)度。

3)裝備移動時,4組步進(jìn)油缸控制閥分設(shè)在2套泵站上,步進(jìn)油缸啟動時間和運(yùn)行速度難精準(zhǔn)控制,導(dǎo)致驅(qū)動步進(jìn)油缸不同步,致使步進(jìn)油缸損壞。解決措施: 調(diào)整步進(jìn)油缸控制閥中位機(jī)能由O型變?yōu)閅型,避免步進(jìn)油缸相互干擾、損壞問題。

4)裝備移動時,電動行走支腿支撐在已綁扎鋼筋籠上,由于支腿底部支撐不牢固,導(dǎo)致支腿上部行走輪與主橋縱梁上表面軌道接觸,致使支腿與主橋一起移動。解決措施: 在支腿下部增設(shè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),加強(qiáng)支腿底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,注意觀察支腿行走輪與主橋縱梁軌道間的距離,保證下部行走輪與主橋縱梁下表面軌道始終接觸,避免行走出現(xiàn)故障。

4 結(jié)論與建議

本文以滇中引水工程大理Ⅰ段施工3標(biāo)香爐山隧洞為背景,研制大跨徑現(xiàn)澆仰拱全工序施工裝備。經(jīng)過現(xiàn)場實際應(yīng)用和優(yōu)化改進(jìn),主要結(jié)論如下:

1)大跨徑現(xiàn)澆仰拱全工序施工裝備底部凈空大,作業(yè)區(qū)域多,可實現(xiàn)現(xiàn)澆仰拱軌排拆除、攔壩排水、底部清渣、鋼筋綁扎、仰拱澆筑、養(yǎng)護(hù)等強(qiáng)、軌道安裝等全工序同步施工,現(xiàn)場施工效率提升35%;采用本裝備,可在仰拱承重前,確保養(yǎng)護(hù)時間不低于64 h,有效保證仰拱襯砌質(zhì)量;本裝備施工的仰拱進(jìn)度與TBM掘進(jìn)基本實現(xiàn)同步。

2)通過受力分析軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,可有效減少主梁支腿數(shù)量和裝備主梁截面尺寸,進(jìn)一步減輕主橋質(zhì)量;采用鋼輪作為支撐結(jié)構(gòu),前、后爬坡軌放置在隧洞既有軌道上,解決了有軌運(yùn)輸系統(tǒng)1.8 m以上大坡度爬坡軌快速轉(zhuǎn)換和平穩(wěn)運(yùn)行的問題;行走系統(tǒng)借助不同形式的支腿相互交替支撐,解決大跨度、大坡度、超重裝備整體移動問題,為后續(xù)同類型裝備的研究提供很好的借鑒思路。

3)通過對結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、施工工藝、物料組織等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),有效提升仰拱施工效率,實際襯砌達(dá)到240 m/月,實現(xiàn)TBM掘進(jìn)與現(xiàn)澆仰拱同步施工。

大跨徑現(xiàn)澆仰拱全工序施工裝備作為水工隧洞全新的工裝,開創(chuàng)了新的施工工藝。但是該裝備使得本來狹窄的隧道顯得更為擁擠,掘進(jìn)施工交通流量受限,導(dǎo)致澆筑混凝土、鋼筋、軌排的運(yùn)輸與TBM掘進(jìn)物料運(yùn)輸之間的矛盾逐步顯現(xiàn)。此外,裝備行走(TBM運(yùn)輸通道中斷)與TBM物料運(yùn)輸之間的矛盾也時有發(fā)生。下一步將重點(diǎn)研究保障施工通道和TBM掘進(jìn)有效進(jìn)度匹配性的問題。