隧道12 m防水板钢筋自动化安装一体台车施工技术研究

李双将

（中铁十二局集团第一工程有限公司 陕西西安 710038）

1 引言

隧道施工如何在安全步距的要求下，既要保障开挖、支护、衬砌、防排水各工序有效衔接，减少干扰，又要保障机械化设备的作业空间，是保证隧道施工安全、质量、进度的关键要点。在郑万高铁楚烽隧道施工中，采用12 m防水板钢筋自动化安装一体台车施工技术，可有效地解决一机多用，解决土工布铺设、6 m宽幅防水板铺设、二衬钢筋安装等工序，并节省作业空间，为其他工序施工提供了有利条件，减少了干扰，同时保证了施工安全及质量，减少了工序所需时间，减少了工人劳动强度，减少了防水板搭接接缝，提高了防排水质量，减少损耗，有效控制二衬钢筋的层距、排距等问题，极大地提高了隧道衬砌混凝土的施工质量与速度［1-2］。

2 工程概况

郑万高铁湖北段楚烽隧道位于湖北省襄阳市保康县境内，隧道长8 708 m，为单洞双线隧道。隧道洞身主要通过志留系页岩夹砂岩，奥陶系炭质页岩、硅质页岩、寒武系白云岩、前震旦系编制砂岩夹砾岩、板岩、页岩，断层角砾岩、断层压碎岩等底层，隧址区发育3个背斜，通过5条断层，隧址区岩溶中等～强烈发育。

为了保证施工工期、防灾救援、施工通风及排水等要求，本隧道辅助坑道采用“两横洞+平导”模式，其中楚烽隧道横洞工区承担正洞1 450 m，Ⅲ级围岩200 m，占13.8%；Ⅳ级围岩400 m，占27.6%；Ⅴ级围岩850 m，占59.6%。最大埋深约为215 m，最小埋深23 m。其中800 m范围为浅埋和埋深较浅。

郑万高铁隧道开挖断面大，Ⅲ～Ⅴ级围岩面积是139.9～155.05 m2。隧道土工布单幅宽3 m、单卷长60 m，重72 kg；防水板采用6 m宽幅防水板。单卷长30 m，重 360 kg；衬砌主筋主要为 HRB400φ25、HRB400φ22，设计间距20 cm，全环单根长26.5～27 m，重100～110 kg。

3 台车研制

防水板钢筋自动化安装一体台车实体如图1所示，防水板施工效果如图2所示。

图1 防水板钢筋自动化安装一体台车实体

图2 防水板施工效果

3.1 台车结构

该防水板钢筋自动化安装一体台车是在高速铁路大断面施工中一机多用的台车，既能满足一次12 m区段土工布、防水板铺设，又能施工一个12 m区段二衬钢筋安装［3］。台车正面图如图3a所示，侧面图如图3b所示。

图3 台车结构

3.2 台车参数

台车具体参数如表1所示。

表1 防水板钢筋自动化安装一体台车

3.3 台车主要系统组成

该防水板钢筋自动化安装一体台车由台车主体、行走系统、铺设系统、提升系统、顶升系统等功能系统组成［4］。

3.3.1 台车主体

台车主体有钢结构框架焊接和螺栓连接等方式，结构简易，受力安全。受力杆件是由钢结构栓接而成，固定在行走系统上，主要用于安装防水板铺设系统和钢筋提升系统等，其上设有可伸缩的工作平台，方便工人安装操作。

3.3.2 行走系统

台车采用轮轨式行走装置。两侧各有4台2.2 kW带有滚轮的电机，两台用于台车在轨道上行走，行走速度3.4m／min，剩余两台电机用于顶升台车，方便轨道前移。轨道两端设置有双向液压锁，当台车到位后自动锁牢，防止台架在外力下自由移动，避免溜车事故。行走系统如图4所示。

3.3.3 铺设系统

铺设装置与台车长度一致，是由2台2.2 kW的电机系统控制可装铺设卷材的滑座实现在弧形轨道走梁上自由移动，滑座可控制卷材铺设方向，保证铺设面平整、到位［5］。

（1）在台车一侧的底层平台上沿台车纵向设置土工布防水板盛具（在夹具夹持通过传动链拉展时能滚动出布，起减小摩擦，防止布磨损，同时起限位作用）。

（2）在盛具上一层平台下方适当位置设置卷扬机。

（3）在盛具另一侧台车底层平台设置一组往复式链式传动装置，其多股传动链沿隧道纵向均布且与隧道环向平行，传动链外侧穿行于台车组合式顶出装置与洞壁间间隙，内侧从组合式顶出装置顶出杆内或下穿行，从而形成闭合式传动链。

（4）在台车环向适当位置设置若干组二衬环向钢筋组合式顶出装置。

（5）设置夹持土工布、防水板夹具（将土工布、防水板拉展时，避免布与组合式顶出装置及台车台架刮蹭）。

3.3.4 提升系统

提升系统在台车两端，由4根管桁架刚性连接而成，为凹槽形式，是铺设二衬钢筋的吊升作业平台，平台可沿隧道纵向旋转90°，可一次性容纳提升15根二衬环向钢筋［6］。钢筋提升装置如图5所示。

图4 行走系统

图5 钢筋提升装置

（1）在防水板钢筋自动化安装一体台车环向设置同二衬弧形轨道（半径小于二衬半径），并可沿台车纵向移动。

（2）设置驱动弧形轨道沿台车行走的往复式驱动装置。

（3）设置在弧形轨道上往复行走的纵向钢筋拉拽小车。

（4）设置驱动钢筋拉拽小车的往复式驱动装置。

（5）设置钢筋由地面到入轨点的拉拽装置。

（6）弧形轨道的适当位置设置钢筋的入轨点（高度适当，太靠地面，钢筋入轨后会变形；太靠上，末端钢筋不易归位）。

（7）入轨点设（可调）导向轮使钢筋入轨，沿途在适当位置设置一定数量的限位轮。钢筋拉拽端到位后，将末端归置至所需处位置。

（8）盛装纵向钢筋的盛具在机械拉拽布置装置铺设好后，将纵向钢筋装入纵向钢筋盛具，用传动链将纵向钢筋沿隧洞环向拉拽提升，经人工取出，按位置逐一绑扎。

3.3.5 顶升系统

钢筋顶升装置由二衬钢筋纵向卡具和二衬钢筋环向支撑组成。钢筋顶升定位，竖向3排卡距，横向4排（左右各2排）。顶升装置如图6所示。

图6 顶升装置

4 施工方案、方法

4.1 施工方案

根据楚烽隧道现场施工实际安排进行防水层铺设，防水板钢筋自动化安装一体台车之后仰拱填充12 m，考虑到仰拱栈桥引桥的作业空间，同时下方可以满足其他工序设备和人员正常通过。当台车就位后，就可以进行土工布铺设、防水板铺设、二衬钢筋安装等流水工序作业。当下一板12 m区段，监控量测数据已稳定，仰拱填充强度已达到≥70%。然后就可以向前移动进行下一个12 m的循环施工［7-8］。

4.2 施工方法

4.2.1 土工布（防水板）铺设

（1）将待铺设的土工布（防水板）运送至台车旁，放置到盛具所在平台，用卷扬机将其吊入盛具中。

（2）用夹具将土工布（防水板）卷外漏端夹住，同时将夹具多点固定到往复式链式传动装置的传动链上。

（3）启动往复式链式传动装置，土工布（防水板）被闭合式传动链内侧托住，同时外侧将其沿隧道洞壁拖拽至台车另一端，将整个台车外部覆盖，土工布（防水板）出布长度适中［9］。

（4）启动组合式顶出装置，将铺展开的土工布（防水板）沿洞壁顶升到位。

图7 土工布铺设

（5）人工将土工布（防水板）与已铺覆好土工布（防水板）边沿对齐，并留足搭接宽度，从洞顶往两侧固定土工布（防水板）。

土工布铺设现场如图7所示。

4.2.2 二衬钢筋安装

（1）将加工好的多节钢筋采用套筒连接成环向钢筋交底长度。

（2）二衬环向钢筋铺设准备：将弧形轨道停靠在台车主体前进一端，通过人工或钢筋入轨辅助装置将待铺设的至少一根二衬环向钢筋的前端拉拽至钢筋入轨导向装置处；一次可装入15根钢筋。

（3）二衬环向钢筋拉拽就位：将一端已拉拽至钢筋入轨导向装置处的至少一根待铺设二衬环向钢筋与拉拽小车固定连接；通过牵引驱动装置和柔性牵引构件拉拽该待铺设的二衬环向钢筋，以使该二衬环向钢筋在弧形轨道上弯曲成弧拱形。

装好环向钢筋的弧形盛具，在旋转驱动机构中的动力装置（电动辘轳和钢丝绳）的牵引下围绕其转轴90°旋转由地面转至台车前端立面。如图8所示。

图8 钢筋提升轨迹

（4）钢筋末端限位：通过端部限位装置对钢筋的两个端部进行限位，并解除二衬环向钢筋与拉拽小车的固定连接状态。

（5）钢筋排布及一端固定：将弧形轨道从台车主体一端移动到另一端或设定距离后向原位返回；在弧形轨道前行或返回的连续移动或间断停顿过程中，按纵向分布位置和数量从弧形轨道上将二衬环向钢筋取下，并将取下的二衬环向钢筋一端与对应侧隧道矮墙中伸出的预留钢筋焊接固定，其拱顶上部由多个顶出装置支撑，钢筋的另一端与另一侧隧道矮墙中伸出的预留钢筋滑动套接。

（6）钢筋另一端固定：通过多个顶出装置将纵向分布的多根二衬环向钢筋向上顶起至设定高度，并逐个将二衬环向钢筋的另一端与对应的预留钢筋焊接固定。

5 综合效果

防水板钢筋自动化安装一体台车与传统工效对比如表2所示。

表2 防水板钢筋自动化安装一体台车与传统工效对比

（1）降低工人劳动强度，与简易台车相比能显著减少劳动强度。台车上设有防水板自动铺设装置，无需辅助工具可轻松实现铺装，安装二衬钢筋时，利用定位杆上的钢筋卡槽可将数根长达26 m的环向钢筋一次性提升至拱顶，一次性安装。

（2）提高了施工质量。相比传统工法，防水板和土工布铺设过程中能及时调整铺设位置，土工布的固定和防水板的焊接也比较方便，杜绝出现防水板局部焊穿、漏焊的现象，保证了焊接质量，利用提升装置能轻松将整环二衬钢筋提升至相应位置，保证了钢筋间距的要求。

（3）提高了施工效率，每个班次作业人数减少。台车自带的铺敷行走驱动装置实现了土工布、二衬钢筋自动上料，从表2可以看出，使用该台车后，安装一板防水板、土工布从4人减少至2人，安装钢筋从12人减少至8人，时间也大幅缩短，工作效率明显提高［10］。

（4）工作安全系数高。台车有规范的操作规程和完整的液压和电路系统，油电互不干扰，电路系统安装有安全保护装置，可以避免漏电、触电事故发生。台车的固定平台设有护栏、护梯，方便施工人员上下，保证了施工人员安全。

（5）作业平台丰富。台车上设有两层推拉式工作平台，拉出平台，加宽工作面，回收平台，不影响台车移动。

6 下一步需研究改进思路

（1）钢筋提升过程中，要将通风管弯转到地面以上穿过台车，对通风效果有所影响，下一步要进行研究改善。

（2）目前铺设土工布、防水板盛具长6 m，下一步探索一板12 m长盛具，探索研究铺设12 m宽土工布、防水板施工。

（3）一段12 m范围有两种围岩级别情况，由于初支断面大小不同，需要下一步进行研究改进。

（4）研究在台车上增设激光定位装置，辅助准确布置热熔垫圈位置［11］。

（5）目前该台车为轨道行走方式，下一步探索研究轮胎式行走，并融入自动定位装置。

7 总结

防水板钢筋自动化安装一体台车是在长大隧道、大断面隧道施工中具有自动行走，自动铺设土工布、防水板，自动提升并安装钢筋的一种新型台车，实现隧道施工快速安全，“以工装保证工艺，以工艺保证质量”的目标。台车操控简便，行走灵活，结构稳定，安全可控。能更好地加快工序衔接，加快施工进度，保证施工质量，减少劳动强度，降低安全风险，提高了隧道施工的综合工效，进一步提升了高速铁路大断面隧道机械化配套施工水平，提高了隧道施工的综合能力［12］。