姬海东, 刘在政, 张海涛
(中国铁建重工集团有限公司, 湖南 长沙 410100)
近年来我国铁路隧道建设得到了快速发展,隧道施工技术水平不断提高,二次衬砌作为隧道施工的重要组成环节,直接影响着隧道结构的稳定以及行车安全。目前,国内普遍采用整体式钢模台车进行二次衬砌浇筑,由于传统浇筑工艺的缺陷,导致内部衬砌结构强度不足、衬砌厚度不足及衬砌背后空洞[1-3],进而引起开裂、掉块、渗漏水等病害。
二次衬砌施工经历了人工立模、简易模板台架、网架式衬砌台车、全液压自动行走衬砌台车等阶段[4]。蒙华铁路万荣隧道采用滑槽逐窗入模施工技术以及带模注浆[5-7]技术,很大程度上提高了衬砌的整体性,但施工工艺较复杂,数字化程度低[8];付春青等[9]针对临空问题,研发了穿行式数控衬砌台车,但台车结构质量、体积均较大,行走困难,需进一步对台车轻量化设计;喻致蓉等[10]提出将不锈钢复合钢板面板应用于衬砌台车,能减少脱模剂的消耗,但并没有确切的数据支撑;刘云珠[11]在老尖山隧道对二次衬砌台车进行改装,完成可变截面衬砌台车设计,提高了施工效率;余振华[12]对隧道衬砌台车的定位系统进行了研究,介绍了定位系统的工作原理和系统架构,但对定位系统的实际应用状况未作说明。
本文针对现有台车的施工缺陷及隧道施工需求,研发了新型带压浇筑数字化衬砌台车,提出了双浇筑技术、高频振捣技术、软搭接技术和数字化控制技术,改善了衬砌施工工艺,实现了混凝土的密实振捣,避免了搭接部的损坏,有效降低了人员的劳动强度,提高了衬砌效率与衬砌质量,并已进行了工业试验,得到了施工单位的高度认可。
传统的衬砌台车在施工效率、施工质量、劳动强度、智能化、信息化水平上仍有提升空间,主要表现在以下几方面。
1)传统的衬砌台车端模板主要采用木板或钢木组合,端模板在安装或拆除时,易将防水板划破,影响防水效果;另外,木板堵头重复使用率低,费工费料,且混凝土泄露严重。
2)国内混凝土振捣普遍使用低频振捣器及软轴式振动棒,振动频率约50 Hz,频率在混凝土中还要衰减20%以上。低频振捣器排气性能差,有效作用半径小,振幅大,易与钢模板产生共振,对模板损伤较大,很少使用。目前,施工时大多采用手持式人工振捣,人力投入大,并会出现振捣不足、混凝土含有大量残留气泡等问题。另外,振捣器质量低下,损坏频率极高。
3)衬砌台车在搭接定位时,依靠人工观察判断台车模板是否顶升到位,因顶升油缸推力较大,容易将上一环的混凝土破坏或挤裂,严重时会影响整体衬砌质量。
4)隧道二次衬砌施工中C30—C35混凝土较多,且坍落度一般为17~22 cm,一般采用3层溜槽分层注入台车模板,混凝土流动性完全取决于溜槽两端高度差和溜槽倾斜角度。目前10~12 m衬砌台车已大量应用,但因结构限制,一般仅能布置前后2组溜槽,浇筑窗口非常有限;分层浇筑时,由于分布钢筋密,往往导致浇筑口附近混凝土石子密集,距离浇筑口越远,砂浆越多。另外,混凝土的坍落度过小或溜槽的高度、倾斜度布置不合理时,混凝土下滑困难,需要外力作用。这些问题都极大地限制了衬砌效率,影响了衬砌质量。溜槽布置见图1。
图1 溜槽布置示意图
5)台车定位的主要控制手段是专业测量人员利用全站仪测量,配合台车操作人员的调节来实现定位,台车定位自动化程度低,人为因素引起的模板定位误差不可避免。
6)衬砌混凝土厚度一般通过施工完成后第三方检测的方式来进行测量,有滞后性,对于施工中混凝土是否灌满,主要通过人工观察端头模板是否泌浆来确定,准确性较差,且缺乏客观性[7]。
7)脱模时间主要通过人为的经验判断与记录,人的主观性占较大的比重,缺乏必要的强制措施,易造成衬砌开裂。
为解决传统衬砌台车施工过程中面临的问题,以及防止衬砌病害的频繁发生,对新型数字化衬砌台车进行研制,其中拱顶与拱肩浇注口采用逆向带压浇筑。台车主要结构包括行走系统、门架系统、支撑系统、模板系统、附属机构、液压系统、双浇筑系统、高频振捣系统、电气系统,如图2所示。另外,台车还配备了信息集成传输系统,增加了智能化控制和数字化显示功能,改良后的端头模板使整车作业效果更好。台车具体性能参数见表1。
1—行走系统; 2—门架系统; 3—支撑系统; 4—模板系统; 5—附属机构; 6—液压系统; 7—双灌注系统; 8—高频振捣系统; 9—电气系统。
图2 数字化衬砌台车结构组成
衬砌台车整体结构应具备足够的强度、刚度及稳定性,在Creo中对衬砌台车的主体门架进行建模,通过ANSYS有限元分析软件对门架结构进行静力学分析。
2.2.1 载荷及边界条件
2.2.1.1 侧压力计算
新浇混凝土对模板的侧压力标准值,按照JGJ 74—2003《建筑工程大模板技术规程》附录B中模板荷载及荷载效应组合B.0.2规定,F=Min(F1,F2),其中:
F1=0.22γct0β1β2v1/2;
(1)
F2=γcH。
(2)
式(1)—(2)中:γc为混凝土重度,取25 kN/m3;t0为初凝时间,6 h;v为浇筑速度,2 m/h;H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度,取10 m;β1为外加剂影响修正系数,取1.2;β2为混凝土坍落度影响修正系数,取1.15。
F2=25 kN/m3×10 m=250 kN/m2。
所以,侧压力标准值F=Min(F1,F2)=65 kN/m2。
2.2.1.2 各支点受力
模板直径为13.4 m,长度为12.146 m,模板质量约60 t。经分析,取模板顶部圆心角为90°的弧面(弧长10.519 m)所受的压力由主纵梁顶板支点支撑。所以F顶=10.519 m×12.146 m×65 kN/m2+60 t=8 904 645 N。
侧边的支点只承受来自侧边模板(弧长2.95 m)的压力。所以F侧=2.95 m×12.146 m×65 kN/m2=2 323 996 N。
2.2.1.3 载荷及边界条件施加
在底座上施加固定约束,F顶均匀地施加在门架和横梁上侧的凸台上,F侧均匀地施加在门架和横梁两侧的凸台上,如图3所示。
(a) F顶
(b) F侧
2.2.2 应力结果及分析
在2.2.1载荷及边界条件作用下,台车主体门架的应力云图如图4所示。台车主体门架绝大多数区域呈现为蓝色,应力较小;应力较大区域出现在连接梁中部的筋板上,最大应力值为354 MPa;最大位移位于连接梁中部上侧,为20 mm。连接梁中部筋板应力集中点处选用强度较大的材料,以满足设计要求。
AsDh Study Group 1998: Abhisamācārika-Dharma Study Group, A Guide to the Facsimile Edition of the Abhisamācārika-Dharma of the Mahāsāghika-Lokottaravādin, Tokyo: The Institute for Comprehensive Studies of Buddhism Taisho University.
(a) 应力云图(单位: Pa)
(b) 变形云图(单位: m)
新型数字化衬砌台车端头模板采用半钢模与半气囊形式。双层钢堵头板中间布设钢止水带,气囊与隧道壁面之间布设环向止水带,气囊采用档杆定位。气囊本身具有很高的强度,且为弹性材料,可有效保证带压浇筑时的密封性,避免高频振捣时的端头漏浆,且使用简单,操作方便,劳动强度低,同时大大节约了木材,如图5所示。当气囊侵入衬砌时,留有的弧形凹槽由下一环混凝土来弥补。
(a) 端头模板(b) 气囊
图5气囊堵头
Fig. 5 Airbag plug
2.4.1 模态分析
为了避免与模板产生共振,运用ANSYS对衬砌台车的模板系统进行模态分析,提取了前6阶模态的分析结果,见图6。
从图6可以看出: 第1阶模态对应台车的前后倾斜,其频率为3.52 Hz;第2阶模态对应台车模板的整体扭转,其频率为9.10 Hz;第3阶和第4阶模态对应台车下纵梁的弯曲,其频率分别为9.10 Hz和9.36 Hz;第5阶模态对应台车模板和下纵梁的变形,其频率为11.10 Hz;第6阶模态对应台车下纵梁的扭曲变形,其频率为12.46 Hz。气动振动器相当于一个外部激励源,其工作频率在150 Hz以上,远远大于衬砌台车主体结构的固有频率,因此,不会发生共振现象导致模板损坏。
2.4.2 高频气动振动器
目前国内大多采用电动振动器[13],频率低,易与台车模板形成共振。国外普遍使用高频气动振动器,通过高频振捣作用,引气剂能更好地使气泡的体积变小并使之均匀分布,以提高混凝土的耐久性。
(a) 第1阶模态振型(b) 第2阶模态振型(c) 第3阶模态振型(d) 第4阶模态振型(e) 第5阶模态振型(f) 第6阶模态振型
图6模态云图(单位: mm)
Fig. 6 Modal nephograms (unit: mm)
对意大利SOTAI的SPV4000高频气动振动器与ZW-10电动振动器进行了参数对比,见表2。可以看出: 在同样振动力的作用下,高频气动振动器的振幅是电动振动器的1/3倍,对模板的损伤小;高频气动振动器的有效作用半径为1 500 mm,能在混凝土中有效传播;通过压缩气流能够高频振捣,迅速排除混凝土中残存的气泡,有效增强混凝土的流动性和密实度;体积小、质量轻,无电作业安全可靠,对空间环境适应性强,使用寿命远远超过电动振动器; 能减小二次衬砌操作工人的劳动强度,并为未来二次衬砌施工无人化操作提供可能。
表2电动振动器与高频气动振动器参数对比
Table 2 Comparison of parameters between electric vibrator and high frequency pneumatic vibrator
项目电动振动器高频气动振动器同样振动力下振幅对比11/3振动频率/Hz50254振幅/mm1~72~3作用半径/mm1 0001 500质量/kg3514.5
在衬砌台车模板上布置高频气动振动器(如图7所示)与电动振动器进行试验。利用振动检测仪对混凝土的密实振捣效果进行频谱分析,了解振动力在各个点和方向上的状况,振捣效果如图8所示。可以看出,高频振捣后的混凝土气泡数量明显减少,衬砌质量明显提高。高频气动振动器在台车上的布置如图9所示。
图7 高频气动振动器在台车上的试验
(a) 电动振捣
(b) 高频振捣
Fig. 8 Comparison of effects between electric vibrator and high frequency pneumatic vibrator
图9 高频气动振动器布置(单位: mm)
数字化衬砌台车通过创新和优化,在钢模板顶升时采用双限位方式: 1)电控限位; 2)在搭接部位采用特殊弹性材质,既能保证台车带模浇筑时的密封性能,又能防止模板顶升幅度过大对搭接处混凝土造成损坏,保证搭接处混凝土的质量,如图10所示。
图10 软搭接技术
新型数字化衬砌台车采用双浇筑系统,底层配有移动式浇筑机械手,顶层配有移动式伸缩布料机,保证每层每个窗口可进行均匀浇筑,见图11。浇筑机械手能够分层逐窗浇筑,并配备远程操作手柄,整个自然浇筑过程仅需1人通过操作手柄即可完成。由于浇筑时能抵达每层窗口,大幅减少了因钢筋密集而导致的混凝土颗粒流动干扰。移动式伸缩布料机能够对拱顶和拱肩进行逆向浇筑,实现带压入模。浇筑机械手与顶部伸缩布料机均采用“高压风+清洗球”的方式进行管路清洗,清洗速度快,效果好。
数字化衬砌台车的研发引入了施工过程智能化控制[14]理念,能够数字化显示整个衬砌台车的施工参数等数据,并能对施工步骤和过程进行控制,工作原理见图12。
Fig. 12 Sketch of working principle of intelligent control system for lining trolley
1)台车定位。台车前端安装有扫描仪,后端安装有全站仪,2台设备上下错位安装,扫描仪、全站仪均以自动照准的方式获取激光标靶的测量数据和PSD读数,上传至中控计算机进行计算,并修正各自空间坐标;获取2台设备的空间坐标后,进而求出衬砌台车自身轴线的空间姿态和位置(俯仰、航向、横移和高度偏差),提供给控制系统进行姿态调整。
2)台车浇筑。能够时刻显示浇筑时模注空间内混凝土的状态和浇筑方量,可对整个浇筑过程进行详细记录显示。
3)拱顶灌满。在拱顶安装压力传感器,同时,在防水板低洼处预埋电极反馈装置,双重手段来检测拱顶混凝土是否灌满。当预埋电极反馈装置短路给出接通信号或压力传感器读数大于或等于设定值时,判定拱顶混凝土已灌满。压力传感器与反馈装置如图13所示。
4)台车脱模。通过对脱模时间进行设定,防止人为过早脱模而导致的衬砌开裂。
(a) 压力传感器(b) 反馈装置
图13压力传感器与反馈装置
Fig. 13 Pressure sensor and feedback device
该新型带压浇筑隧道数字化衬砌台车在湖北省保康县马桥镇罗家山隧道进行初次使用,取得了良好的施工效果。通过双浇筑系统,极大地提高了施工效率,12 m衬砌传统施工浇筑混凝土一般需要12 h,而数字化衬砌台车只需8 h即可完成,同时数字化衬砌台车管路布置简单,清洗方便。新型的端头模板、高频振捣、软搭接等技术以及灌满提醒、灌注压力监测、脱模时间设定等信息化功能得到了初步验证,取得了较好的效果,现场应用如图14所示。
(a) 浇筑机械手
(b) 显示界面
(c) 整体结构
通过实践应用,得出数字化衬砌台车与传统台车相比有以下优势。
1)施工效率高。双浇筑系统大大降低了人工换管时间,同时气囊堵头配合高频振捣能有效避免端头模板漏浆,进一步提高浇筑速度。
2)施工质量好。拱顶带压浇筑具备信号反馈和压力检测双重监测,能有效防止顶部空洞,确保拱顶充满混凝土。同时,高频振捣增强了混凝土的密实性。
3)降低劳动强度。双浇筑系统智能遥控分层分窗浇筑,仅需1个操作手就可完成整机布料。输送管路采用清洗球进行迅速清洗,降低了劳动强度,提升了工作效率。
4)智能化、信息化程度高。具备自动定位、自动振捣、混凝土浇筑状况(方量、位置、压力、凝固后强度值)显示、拱顶灌满提醒等功能,并能将浇筑信息记录上传,方便远程监控。
1)新型隧道数字化衬砌台车独有的浇筑机械手,能遥控智能分层逐窗依次完成边墙混凝土的浇筑;顶部伸缩布料机左右摆动分流,上下升降对位,完成拱顶与拱肩的带压浇筑,将二次衬砌浇筑时间由12 h缩短至8 h,避免了人工换管,降低了劳动强度,极大地提高了衬砌施工效率。
2)高频气动振动器的应用使混凝土得到了充分捣固,提高了衬砌质量。
3)拱顶压力传感器以及预埋反馈装置的布置,以量化、可视的方式检测拱顶是否灌满混凝土,能有效防止拱顶空洞。
4)智能化控制系统实现了混凝土浇筑的全过程监控,为操作人员的施工提供了便利。
数字化衬砌台车在罗家山隧道的应用过程中也存在一些缺陷,如顶部伸缩布料机在进行拱顶与拱肩浇筑时,由于内部截面变径较大,存在堵管问题,从而影响衬砌施工效率。然而,随着顶部伸缩布料机内部结构的不断优化,堵管现象将会逐渐消除。