自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)在隧道擴(kuò)洞施工中的應(yīng)用

文章以G72泉南高速公路桂柳段改擴(kuò)建項(xiàng)目4標(biāo)大端隧道擴(kuò)建左洞為工程背景，介紹了一種自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)在擴(kuò)建隧道襯砌混凝土全自動(dòng)拆除中的工作原理與施工工藝。該臺(tái)車(chē)創(chuàng)新設(shè)計(jì)將液壓墻鋸機(jī)安裝在臺(tái)車(chē)環(huán)向軌道，具備自行行走、橫移、升降、二襯鋼筋混凝土環(huán)向自動(dòng)切割、污水收集集中排放處理、支撐臨時(shí)拱架整體移動(dòng)等功能，以實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化提效”理念。經(jīng)與傳統(tǒng)鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法對(duì)比，該臺(tái)車(chē)自動(dòng)化程度高、安全穩(wěn)固、操作簡(jiǎn)單，顯著提高了施工效率。

隧道擴(kuò)洞；自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)；襯砌混凝土拆除

U455.3A581893

作者簡(jiǎn)介：

唐" 明（1990—），工程師，研究方向：公路工程安全技術(shù)管理。

0" 引言

在交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，部分地區(qū)的公路運(yùn)營(yíng)能力與當(dāng)前實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r之間存在著較大的差距，無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)的需求。為了解決這一問(wèn)題，原有道路改擴(kuò)建成為了一項(xiàng)重要的工程。然而，改擴(kuò)建工程中的隧道擴(kuò)建成為重難點(diǎn)工程，隧道擴(kuò)建中最突出的是襯砌混凝土的拆除問(wèn)題。襯砌混凝土的拆除是隧道擴(kuò)建工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量和效率直接影響到整個(gè)隧道的建設(shè)進(jìn)度和安全性能。因此，尋求一種高效、精準(zhǔn)、安全的襯砌混凝土拆除解決方案成為了當(dāng)務(wù)之急。

與此同時(shí)，隨著科技的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的新技術(shù)和新設(shè)備被應(yīng)用于隧道建設(shè)中。其中，自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)是由湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)的一種高效、精準(zhǔn)、安全的工程拆除設(shè)備。該設(shè)備在桂柳段改擴(kuò)建工程第四合同段大端隧道擴(kuò)建左洞襯砌混凝土拆除中取得了良好的成效。因此，本文將詳細(xì)介紹自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)的工作原理及在擴(kuò)建隧道襯砌混凝土全自動(dòng)拆除中的施工工藝，旨在為類(lèi)似隧道擴(kuò)洞建設(shè)提供一種高效、精準(zhǔn)、安全的襯砌混凝土拆除解決方案，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供有價(jià)值的參考和借鑒，促進(jìn)隧道建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

1" 工程概況

G72泉南高速公路桂柳段改擴(kuò)建項(xiàng)目4標(biāo)大端隧道擴(kuò)建工程ZK線(xiàn)設(shè)計(jì)起訖里程樁號(hào)為ZK1194+800～ZK1195+255，長(zhǎng)455 m（包括Ⅴ級(jí)圍巖225 m及Ⅳ級(jí)圍巖230 m），凈空為（寬×高）11×5 m，設(shè)計(jì)最大埋深為86 m。原隧道采用傳統(tǒng)的礦山法施工，且已建成通車(chē)25年。隧址區(qū)屬剝蝕侵蝕丘陵地貌，所穿越山體為單斜構(gòu)造，局部有小型褶曲，巖體破碎，存在松弛層，開(kāi)挖后易坍落，施工技術(shù)難度大。新擴(kuò)建隧道需要在原礦山法施工的基礎(chǔ)上，實(shí)施新奧法施工［1］，之前沒(méi)有相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)裝備供借鑒，系廣西首座進(jìn)行全長(zhǎng)擴(kuò)建的隧道。

2" 研發(fā)背景

2.1" 傳統(tǒng)工藝的局限性

隧道擴(kuò)洞技術(shù)運(yùn)用中最重要的工序在于原有襯砌混凝土的拆除作業(yè)［2］，其受制于原有隧道建成后長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)力分布及地質(zhì)環(huán)境改變導(dǎo)致的不確定因素，而隧道擴(kuò)建通過(guò)拆除及新建襯砌重布隧道受力，施工安全性風(fēng)險(xiǎn)增大。在傳統(tǒng)的隧道建設(shè)中，襯砌混凝土的拆除方法主要包括鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法等。這些方法在實(shí)施過(guò)程中存在較大的局限性，具體包括以下幾個(gè)方面。

（1）拆除效率低下。傳統(tǒng)的墻鋸或繩鋸切割法在室外建筑拆除能達(dá)到30～50 m3/h的混凝土破除，但在隧道的有限空間內(nèi)僅能達(dá)到1.2～2 m3/h的混凝土破除，拆除效率極低，拆除一個(gè)循環(huán)的襯砌混凝土需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間和人力，而鉆爆法拆除受到每日循環(huán)次數(shù)限制，一天僅能完成2次循環(huán)作業(yè)，影響了整個(gè)隧道建設(shè)的進(jìn)度［3］。

（2）安全風(fēng)險(xiǎn)較大。傳統(tǒng)拆除方法在實(shí)施過(guò)程中需要施工人員及機(jī)械至掌子面操作，如進(jìn)行墻鋸操作時(shí)，需要施工人員近距離接觸拆除區(qū)域，施工人員容易受到飛濺的混凝土碎片和頂部墜塊物的傷害，而鉆爆法產(chǎn)生的振動(dòng)和聲噪，將直接對(duì)上部巖層及原有隧道結(jié)構(gòu)造成擾動(dòng)，施工過(guò)程有引起巖層松動(dòng)、掉塊的風(fēng)險(xiǎn)，危及施工人員的生命安全。

（3）拆除精度難以保證。傳統(tǒng)拆除方法在拆除襯砌混凝土?xí)r，智能化程度低，絕大部分都取決于操作人員自身的技能和經(jīng)驗(yàn)，很難保證操作水平的一致性，也無(wú)法保證拆除精度的一致性，容易造成超欠挖情況，影響施工質(zhì)量。

（4）適用范圍受限。傳統(tǒng)拆除方法在某些特殊情況下可能無(wú)法適用，例如隧道內(nèi)的狹窄空間或者需要拆除的混凝土結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，部分機(jī)械無(wú)法旋轉(zhuǎn)、調(diào)頭，操作人員無(wú)操作面或操作難度較大，不能勝任拆除作業(yè)。

2.2" 機(jī)械研發(fā)

鑒于傳統(tǒng)拆除工藝的局限性，大端擴(kuò)建隧道須拆除原有襯砌結(jié)構(gòu)后擴(kuò)挖施工，若采用機(jī)械直接破除的方式，安全隱患過(guò)大。而采用普通切割工藝一樣存在較大風(fēng)險(xiǎn)，切割行業(yè)本身就是安全事故頻發(fā)的高危行業(yè)，深層次的原因在于混凝土里夾雜著鋼筋，在切割至不同介質(zhì)的界面時(shí)切縫會(huì)產(chǎn)生變形，隨時(shí)有卡鋸斷鋸的危險(xiǎn)，一旦失控，設(shè)備瞬間嚴(yán)重過(guò)載，造成不可估量的破壞力。因此，為了突破傳統(tǒng)拆除方法的局限性，解決隧道襯砌拆除的痛難點(diǎn)問(wèn)題，由湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司研發(fā)的用于高效、精準(zhǔn)、安全地拆除隧道襯砌的自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)應(yīng)運(yùn)而生。

自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)在隧道擴(kuò)洞施工中的應(yīng)用/唐" 明

3" 工作原理

自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)（圖1）作為隧道擴(kuò)建施工的關(guān)鍵裝備和技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)將液壓墻鋸機(jī)安裝在臺(tái)車(chē)環(huán)向軌道，具備自行行走、橫移、升降、二襯鋼筋混凝土環(huán)向自動(dòng)切割、污水收集集中排放處理、支撐臨時(shí)拱架整體移動(dòng)等功能，以實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化提效”的理念。

3.1" 工字鋼門(mén)架系統(tǒng)

臺(tái)車(chē)門(mén)架長(zhǎng)4.7 m，全工字鋼設(shè)計(jì)工3榀，由門(mén)架橫梁、上下縱梁、門(mén)架立柱、剪刀架斜角支撐、上部臺(tái)架、門(mén)架立柱連接梁等部件組成。架體頂部搭設(shè)有操作平臺(tái)以及由六道環(huán)向連系梁支撐的工字鋼支撐軌道，門(mén)架所有荷載可傳遞至行走輪上的枕梁之上。4個(gè)角門(mén)架立柱下端裝有液壓頂升裝置，可達(dá)到臺(tái)車(chē)整體上部結(jié)構(gòu)的立向頂升，便于定位安裝，在增加安全性的同時(shí)提高操作效率。門(mén)架的各個(gè)部件及分系統(tǒng)均通過(guò)螺栓與整體骨架連為一體，實(shí)現(xiàn)了各功能系統(tǒng)的自由組裝與拆除，具有極強(qiáng)的功能適配性，滿(mǎn)足各項(xiàng)施工使用需求。

3.2" 智能切割系統(tǒng)

臺(tái)車(chē)智能切割系統(tǒng)采用沃鵬VOPEN V7-W307液壓墻鋸機(jī)，將墻鋸機(jī)安裝在臺(tái)車(chē)環(huán)向軌道，可根據(jù)襯砌厚度人工更換墻鋸片，利用液壓行走將切割刀片升至二襯表面后在智能領(lǐng)航的功能下能自主完成環(huán)向切割。切割系統(tǒng)引進(jìn)創(chuàng)新的智能離合器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航功能。內(nèi)置智能離合、外置可調(diào)操控器，切割工作時(shí)可根據(jù)施工情況，在機(jī)器外部快速調(diào)整需要的扭力值，卸掉所有過(guò)載荷峰值，此時(shí)靈敏的驅(qū)動(dòng)器就不會(huì)過(guò)載停機(jī)保護(hù)（俗稱(chēng)電子離合）而終止巡航，使毫秒級(jí)的程序控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整切割參數(shù)，讓巡航繼續(xù)，給自動(dòng)巡航創(chuàng)造時(shí)間和空間，也讓穩(wěn)定性高的自動(dòng)巡航成為現(xiàn)實(shí)，剛?cè)岵?jì)以達(dá)到循序漸進(jìn)安全高效的切割效果。目前操作切割環(huán)向一道縫的時(shí)間為50 min，縫長(zhǎng)25 m，縫深30～40 cm。

3.3" 污水收集系統(tǒng)

臺(tái)車(chē)在環(huán)向工字鋼支撐軌道下部用4榀槽鋼設(shè)置有污水接洽用的流水槽，流水槽下部設(shè)置兩個(gè)污水收集裝置，切割施工過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿、污水、棄渣等。流水槽采用Q235材質(zhì)的槽鋼和角鋼制作，采用止水帶和橡膠圈進(jìn)行止水，流水槽的坡度與臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)接洽，以便于排除污水。槽鋼及污水收集裝置表面噴涂灰色高強(qiáng)度氟碳涂料漆膜，涂層厚度為20 μm，漆膜具有優(yōu)異的耐候性、自潔性和防腐蝕性，有效延長(zhǎng)了污水收集系統(tǒng)的使用壽命。在流水槽的側(cè)面和底部，均安裝有不銹鋼導(dǎo)流板，導(dǎo)流板可以有效地引導(dǎo)污水流向出水口，防止泥漿沉淀堵塞出水口，保證了污水收集系統(tǒng)的排水能力。

3.4" 行走系統(tǒng)

臺(tái)車(chē)配備液壓系統(tǒng)，行走方式為輪胎式自動(dòng)行走，最大升降量為600 mm，最大平移量為200 mm，各有4個(gè)油缸控制平移及升降。行走系統(tǒng)配備了防傾翻裝置，確保在隧道內(nèi)的安全運(yùn)行。同時(shí)還配備有多種驅(qū)動(dòng)模式，可以根據(jù)不同的施工需求進(jìn)行選擇，如快速升降、慢速平移等，以滿(mǎn)足切割作業(yè)的不同要求。此外，臺(tái)車(chē)還配備了遠(yuǎn)程控制盒，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遙控操作，方便在危險(xiǎn)區(qū)域或難以接近的地方進(jìn)行控制。整個(gè)行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)精良，性能穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足各種隧道施工需求，為隧道切割工作帶來(lái)更大的便利和安全保障。行走系統(tǒng)配備高度的自動(dòng)化和智能化，能夠?yàn)樗淼狼懈罟ぷ魈峁└咝?、安全、可靠的解決方案。

4" 施工要點(diǎn)

4.1" 超前支護(hù)，臨時(shí)護(hù)拱

隧道二襯拆除作業(yè)前要提前做好超前導(dǎo)管注漿、臨時(shí)噴漿等加固措施，對(duì)原有隧道可能存在的松動(dòng)、空腔等病害進(jìn)行加固處理［4］，確保達(dá)到切割作業(yè)使用要求。然后利用多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)按照5 m×0.6 m作業(yè)區(qū)作業(yè)，整體拱架間隔3 m施作臨時(shí)護(hù)拱，通過(guò)臺(tái)車(chē)配備的液壓系統(tǒng)控制平移及升降，自動(dòng)行走至施工位置，將臨時(shí)護(hù)拱的拱架整體頂升，進(jìn)行定位安裝，最大限度貼合原結(jié)構(gòu)洞壁。貼合到位后在每個(gè)護(hù)拱拱腳焊接撐腿，使整體穩(wěn)固并起到良好的支護(hù)作用。

4.2" 墻鋸切割，循環(huán)作業(yè)

臺(tái)車(chē)完成臨時(shí)護(hù)拱支護(hù)后，行走至裝配區(qū)，將液壓墻鋸機(jī)安裝固定在切割臺(tái)車(chē)環(huán)向軌道上，通過(guò)行走系統(tǒng)移動(dòng)至做好超前支護(hù)的切割作業(yè)區(qū)，開(kāi)啟全自動(dòng)鋸縫施工。

全自動(dòng)鋸縫施工中鋸縫分兩道進(jìn)行，第一道沿老隧道面環(huán)切切割，第二道縱向側(cè)沿上下臺(tái)階分界線(xiàn)縱向鋸縫，鋸縫深度控制在50 cm，按照洞壁鋸縫至洞頂鋸縫的順序完成一個(gè)單作業(yè)區(qū)循環(huán)切割作業(yè)。每次單作業(yè)區(qū)循環(huán)切割作業(yè)會(huì)造成少量泥漿及鋸末濺落，需要現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的沖洗，避免泥漿沉積，使得地面易滑，形成隱患。范圍完成切割后，臺(tái)車(chē)向前進(jìn)行下一組鋸縫施工，每次縱向長(zhǎng)度為3 m，循環(huán)作業(yè)。施工流程如圖2所示。

5" 比較優(yōu)勢(shì)

隧道擴(kuò)建二襯拆除采用自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)施工與傳統(tǒng)的鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法對(duì)比，其自動(dòng)化程度高、安全穩(wěn)固、操作簡(jiǎn)單能顯著提高施工效率。對(duì)比分析如表1所示。

6" 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了自行式多功能環(huán)向切割臺(tái)車(chē)在隧道施工中的應(yīng)用和工作原理。該臺(tái)車(chē)首次應(yīng)用于大端隧道擴(kuò)洞工程，并在7個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成了左洞擴(kuò)洞全過(guò)程施工，是廣西首例全斷面隧道改擴(kuò)建工程。臺(tái)車(chē)實(shí)現(xiàn)了隧道擴(kuò)建環(huán)切工作要求，具有高度自動(dòng)化和智能化特點(diǎn)，且操作簡(jiǎn)單，在機(jī)械化換人、智能化減人、施工安全性、運(yùn)行效率等方面有顯著提升。臺(tái)車(chē)的運(yùn)用減少了勞動(dòng)力的消耗，提高了工效，加快了施工進(jìn)度，具有實(shí)踐指導(dǎo)性。此外，該臺(tái)車(chē)的驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、控制系統(tǒng)可以100%兼容繩鋸機(jī)墻鋸機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可拓展兼容控制其他工程機(jī)械，具有推廣價(jià)值。對(duì)于類(lèi)似工程的施工，該臺(tái)車(chē)的使用具有一定的借鑒意義。

［1］馮忠華.高速公路隧道新奧法施工應(yīng)用［J］.交通世界，2012（11）：282-283.

［2］黃建波.隧道擴(kuò)洞施工技術(shù)［J］.城市建設(shè)旬刊，2011，000（2）：274-276.

［3］顧晶彪.公路隧道不同鉆爆法對(duì)施工進(jìn)度的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

［4］張立柱.高速公路隧道施工中的超前支護(hù)技術(shù)［J］.交通世界，2021（25）：51-52.

20240129