空中翻转技术在仰拱预制块生产中的应用

刘清泉

(中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201)

0 引言

仰拱预制块生产作为TBM施工中一项重要的配套施工手段，多是在预制工厂内采用专业生产线模式进行流程化施工的。1997年西康铁路秦岭Ⅰ线隧道我国铁路系统首次引进TBM进行机械化隧道施工并铺设仰拱预制块［1］，得益于预制块生产与管片等预制结构件生产的相似性和管片生产工艺的完备，仰拱预制块生产技术很快便成熟起来;但是，因为仰拱预制块与管片的结构差异，吸盘式翻转机(台)对预制块翻转并不适用，国内采用最普遍的地面翻转法技术落后、弊端明显。为了改善预制块翻转工艺，新建吐库二线铁路中天山隧道率先引入仰拱预制块翻转台法，但遗憾的是经过试生产阶段的尝试，终因机械化程度低、操作复杂、人工需求大、转运量大被地面翻滚法替代。如何改变当前预制块翻转技术的原始与落后的现状，实现像管片生产一样的结构体无损翻转成为一直困扰铁路建设者的难题。

1 研究背景

1.1 工程概况

2008年9 月，新建兰渝铁路全线控制性工程、全长28.236 km的西秦岭特长隧道开始开工建设，西秦岭隧道是目前国内铁路建设史上的第二长隧道，也是国内TBM施工断面最大、距离最长的铁路隧道。根据设计要求，西秦岭隧道为左右线分设的2条单线隧道，分别采用钻爆法和直径10.23 m全断面敞开式TBM掘进联合施工［2］，其中:XQLS2标9 478 m的出口预备洞钻爆段、罗家理斜井钻爆段及12 934m的TBM掘进段需要铺装仰拱预制块，总量达到12 452块。本工程中仰拱预制块不仅是施工运输轨道的基础，用于TBM施工期间后配套走行和有轨运输，同时也是隧道衬砌结构的重要组成部分［3］、后期整体道床的基础，并作为中心水沟用于隧道施工期间及后续永久性排水。这就要求仰拱预制块必须达到高强度、高质量、高抗渗性能和较好的外观质量。

1.2 真空吸吊翻转机

目前国内管片生产厂家大多数采用具备吸吊和翻转功能的真空吸吊翻转机，其结构主要由真空系统、真空吸盘、翻转机构及机架等组成。管片翻转机构安装在机架上，真空吸盘活动地连接于管片翻转机构的吊柱上。工作时整个吸吊机吊钩在相应的起重设备上，并依靠其自身重力使真空吸盘吸附在混凝土管片的外弧面上，真空系统启动后，形成密封，管片被吸盘吸牢后脱模吊起;然后利用翻转机构将吸吊的管片翻转任意角度，以便于存放和安装［4－5］。大型真空吸吊翻转机的输送能力可达8 t左右。

表1是管片与仰拱预制块的区别。由表1显示:在敞开式TBM施工中，仰拱预制块较管片结构尺寸要大得多，其质量约为同直径开挖断面所需管片的7倍，明显超出真空吸吊翻转机的输送能力，且由于外弧面被搓毛处理，很难满足真空吸吊翻转机对结构表面平整度的要求。真空吸吊翻转机通常以预制件弧长方向为中心轴进行翻转作业，占用空间过大，此外，如果遇到吸盘下面的胶条破损或突然停电，吸盘内真空就会逐渐释放而导致管片坠落;因此，一旦发生突发事件，必须在很短的时间内将预制件与翻转机构进行捆绑固定，以免发生重大安全事故。

表1 管片、仰拱预制块的区别Table 1 Difference between segment and precast invert block

1.3 传统地面翻滚法

传统地面翻滚法主要依靠一块与预制块尺寸相配套的砂坑(也有的工地用废旧轮胎满铺代替砂坑)来缓冲预制块翻转时的冲击力，其基本流程是:仰拱预制块脱模(R脱=20 MPa)—室内静养3 d—转运至临时存放场—预制块边角防护及钢丝绳固定—行吊小车走行将预制块单侧提起、侧翻—采用吊具将预制块转运至存放区存放。由于翻滚时混凝土尚远未达到设计强度，且整体呈“U”型的预制块中心水沟位置混凝土厚度只有40 cm，就如同一个巨大的哑铃，翻滚落地的瞬间巨大的冲击力容易对结构体造成较大损伤(尤其是水沟位置)，即便这些损伤是肉眼不可见的，对结构整体的抗渗性还是会造成很大的影响;而且此方法行吊占用时间较长，必须经过二次转运。

2 液压起吊翻转机

2.1 机械构造与作业原理

液压起吊翻转机主要由液压系统、翻转机构及机架等几部分组成，主要构造如图1所示。预制块翻转机应用杠杆原理，利用液压系统提供动力来实现预制块的夹紧和翻转［9］。

图1 仰拱预制块液压翻转机结构图Fig.1 Structure of hydraulic type invert block overturning machine

2.2 在预制块翻转中的优势

1)结构设计简捷轻便，造价低廉，输送能力可达25 t，有充足的安全富余量。

2)预制块夹紧与翻转的动力均来源于安装在机架横梁顶部的液压泵站，通过控制夹紧油缸的伸缩借助夹紧连杆传力带动立柱张合，通过控制翻转油缸的伸缩借助翻转连杆传力带动夹紧头转动，翻转油缸伸缩一次可带动夹紧头旋转180°，脱模平移后即可进行翻转作业，操作简便。

3)充分发挥仰拱预制块结构尺寸相一致、中心位置厚度较大的特点，在预制块上前后两侧各预留2个夹紧用翻转孔来抵抗预制块脱模、翻转期间的剪力，有效防止预制块松脱。

4)以仰拱预制块1.8 m长度方向为中心轴进行翻转作业，作业空间小。

真空吸吊翻转机和液压起吊翻转机脱模和翻转工艺对比如图2所示。

图2 真空吸吊翻转机和液压起吊翻转机脱模、翻转工艺对比Fig.2 Comparison and contrast between vacuum suction type overturning machine and hydraulic type overturning machine in terms of formwork removing and segment(invert block)overturning

3 仰拱预制块空中翻转关键技术

3.1 前期准备

3.1.1 模具配套设计

为了增加翻转机夹紧头与预制块的连接，使仰拱预制块生产模具与预制块翻转机配套设计，通过改造模具，在预制块前后两侧各预留2个夹紧用翻转孔(见图3)，其尺寸与翻转机夹紧探头的尺寸相一致;此外，模具侧模打开的幅度也需要满足翻转机在张开模式下伸入模具内作业的要求。西秦岭隧道仰拱预制块生产线模具侧模打开幅度，可充分满足翻转机作业需求。

3.1.2 厂房建设要求

西秦岭隧道仰拱预制块生产主要采用1部25 t天车配合生产施工，预制块翻转机在作业时通过钢丝绳悬挂在天车吊钩上，通过吊钩的提升从而带动翻转机上升来完成预制块的脱模。在厂房建设时必须保证其建设高度能够满足翻转机作业的空间需要。

图3 模具翻转孔设计及脱模后成型效果Fig.3 Overturning hole on the mould and final shape of invert block

对于采用空中翻转技术进行仰拱预制块脱模和翻转的仰拱预制块生产线厂房(见图4)，其建设高度应满足

式中:H为厂房高度;h1为液压起吊翻转机作业高度;h2为液压起吊翻转机高度;h3为天车吊钩及连接翻转机用钢丝绳可活动高度范围;h4为天车高度;h5为天车距厂房顶棚安全高度。

同时，液压起吊翻转机作业高度h1还应满足

式中:W为仰拱预制块宽度;Δh为液压起吊翻转机作业距地面安全高度;h1'为模具高出地面部分高度;h2'为液压起吊翻转机脱模后距模具顶部安全高度;h3'为1/2仰拱预制块厚度。

综合考虑上述因素，西秦岭隧道仰拱预制块生产线厂房高11.5 m。由于吊装钢筋笼对天车轨道立柱的要求基本可以满足翻转机作业所需要空间，很多时候并不需要刻意增加厂房高度。

3.1.3 翻转机托架设计

在天车不使用翻转机进行脱模和翻转作业时，由于翻转机本身并不带有安放装置(在使用时会极大地干扰施工)，为防止翻转机安放时倾斜导致液压油的泄露和零部件的损坏，需要单独制作翻转机安放托架，安放托架尺寸除能够满足翻转机的正常安放外，还应设置上下爬梯，供操作人员上下及挂、取吊钩作业。安放托架应安设在天车可吊装区域内。

图4 厂房建设高度示意Fig.4 Height of manufacture plant

3.2 工艺流程

仰拱预制块空中翻转技术具体施工流程如下:

1)将天车吊钩与翻转机顶部的起吊孔用钢丝绳相连接，连通电力线并将操作手柄吊至天车操作室，由天车司机负责完成翻转机的各项操作。

2)检查翻转机各动作完成是否正常。

3)25 t天车起吊液压翻转机至已打开侧边模的模具正上方，与模具对中就位。

4)伸长夹紧油缸，张开两边立柱，调整翻转机位置至夹紧探头与预制块预留翻转孔对齐，收缩夹紧油缸，夹紧仰拱预制块。

5)先行试吊，确认天车就位准确且设备安全。

6)提升天车吊钩完成脱模作业，走行天车小车至翻转位置。

7)收缩翻转油缸，带动夹紧头180°旋转，实现预制块的空中翻转。

8)将仰拱预制块吊至临时存放区存放，翻转油缸复位，开始下一循环。

4 注意事项

1)因为翻转机与25 t天车之间完全靠钢丝绳进行连接，如果钢丝绳在缠绕时2个吊装环方向不一致(见图5(b))，在起吊作业时因为钢丝绳受力拉紧就会形成扭曲带动翻转机偏转一定的角度，在有限的空间里进行晃动性的翻转不仅容易损坏设备，而且极易破坏厂房建筑。为防止天车吊钩本身的旋转影响，可在吊钩中心轴与两面的钢板间用一弧面楔铁进行固定，对于吊钩的控制可以起到非常好的效果。

图5 钢丝绳吊装环缠绕示意Fig.5 Looping of cable rope

2)预制块翻转要选择相对宽敞的场地(例如车行道或者室内临时存放区)，切忌在模具范围内进行翻转，以免发生意外坠落造成模具损伤甚至报废。翻转时，由天车司机在地面辅助人员的指挥下完成各种操作，地面辅助人员必须站在安全区域(翻转机工作范围2 m外)以内，即便发生翻转机侧扭也应通过天车司机走行小车、控制翻转等进行调整，严禁地面人员手动校正。180°翻转完成并下落至距地面30 cm以内时方可允许地面人员手工辅助矫正摆放位置。

3)液压翻转机作为空中翻转技术的核心辅助工具，在实际应用中起着举足轻重的作用。由于是国内首家应用该翻转机，新设备的投产对操作、保养、维修人员都提出了更高的要求，在没有相应经验且大部分专用零部件都缺少普遍性的情况下，一旦使用不当或超过设计使用寿命造成零部件的损毁都可能会直接影响到施工生产;因此，从确保生产进度的角度出发，对所有专用零部件都进行了备份，以便损坏时能够及时修复。随着空中翻转技术的越来越成熟、广泛，作业工人操作、保养、维修经验和水平的不断提高以及对设备本身的不断改造和完善，该问题可逐步得到解决。

4)当翻转机夹紧仰拱预制块后，在油缸不进行任何伸缩变化的情况下，翻转机与仰拱预制块为刚性接触，这种接触方式可以视二者为一个整体，而预制块生产模具自身加工偏差仅0.2 mm、脱模强度20 MPa，如果模具不水平、翻转机翻转油缸伸缩不到位、天车位置定位不准确都会造成起吊作用力与仰拱预制块停放位置水平中心线不垂直，引发仰拱预制块在模具内因偏拉向一侧挤压形成掉块(见图6)。

只要日常加强模具水平度检查，模具不水平的问题便可以有效解决。为便于天车停车定位，现场采用“三线重合归一法”［9］，即:当天车操作室玻璃上竖向刻线a、天车中部倒悬等腰三角形定位板垂线b、天车轨道钢架梁正立等腰三角形定位板垂线c三线位于同一条竖线上时则表明天车恰好停在仰拱块中间位置。翻转机每次脱模前应先检查翻转油缸伸缩是否到位并及时作出调整。每循环使用一段时间后对翻转油缸进行检查，以便重新确定伸缩限位。

图6 掉块原因分析Fig.6 Analysis on causes for defects of invert block

5 应用效果

截至2011年6月1日，仰拱预制块空中翻转技术在西秦岭隧道仰拱预制块生产线使用已经10个月，翻转预制块5 548块，设备运转正常，操作人员能够较好地完成各项操作、规避各类风险。通过实践的检验，空中翻转法无论是在人员配置、作业时间、外观质量控制等方面都明显优于地面翻滚法(见表2);而且由于空中翻转法预制块翻转与脱模同步完成，不需要像地面翻滚法一样在室外存放场内进行，无需额外占用掘进所需预制块、钢轨、拱架、网片等材料装卸门吊的作业时间，可以确保掘进材料的及时供应。

表2 方法对比Table 2 Comparison and contrast between method of overturning on ground and that of overturning in air

6 结论与建议

1)鉴于对仰拱预制块的结构特点以及真空吸吊翻转机在预制块翻转中不适用性和缺点的充分研究，液压吸吊翻转机规避了前者的使用缺陷，通过空中无损翻转消除了地面翻滚法对结构体的损伤。

2)脱模夹紧与预制块翻转实现动力一体化，减小了设备自身的体积，更加轻便、灵巧。

3)通过夹紧头与预制块之间的剪力和摩擦力代替真空吸盘的吸力，连接更牢靠，对于突发事件应变能力更强。

4)空中翻转技术机械化程度高、操作简便，只需1人辅助天车司机作业便可实现预制块脱模、翻转同步完成，极大地减轻了人员劳动强度、减少了转运次数及对行吊的占用时间。

5)虽然空中翻转技术中由于液压翻转机的引入增加了项目的初始设备成本支出，但是该技术的长远效益不可低估，对于预制块的生产进度和产量提高进而确保TBM的顺利掘进与快速步进起到了非常积极的作用。

6)由于新技术的应用所产生的各类潜在风险可以通过经验的不断积累和对技术的充分掌握有效规避，不会产生长远的影响。

7)随着敞开式TBM掘进机的应用空间越来越广阔，空中翻转法也将逐渐取代地面翻滚法，成来未来的行业发展趋势。

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