既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽快速开槽技术综述

张 龙， 高菊茹， 袁 玮

(中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731)

0 引言

截至2018年底，中国铁路营业里程达13.1万km，其中投入运营的铁路隧道15 117座，总长16 331 km； 在建铁路隧道3 477座，总长7 465 km[1]。然而，由于我国地域自然条件差异较大，隧道穿越的山体工程地质条件、气候条件、水文条件等复杂多变，早期建设的隧道受限于当时的勘察手段、设计技术标准和施工工艺水平，导致运营铁路隧道出现衬砌裂损、腐蚀、渗漏水等各类病害，其中衬砌裂损是运营隧道的主要病害之一。在隧道病害整治过程中，针对严重裂损的衬砌常采用钢拱架套衬方式进行永久性加固，当施工过程中需将钢拱架嵌入衬砌内时，不得不进行施工难度大、劳动强度高的开槽作业。

目前，国内常用的开槽方法主要基于混凝土切割机(角磨机)、风镐、电镐、墙锯等手持小型开槽机具。文献[2-6]介绍了利用切割机或角磨机等工具先切槽线，再利用电镐、风镐等工具凿槽的工程实例。文献[6]依托山西广灵至浑源高速公路黄龙隧道工程，分别对手持切割机配合电镐开槽、墙锯切缝配合风镐开槽和墙锯切缝配合电镐开槽3种方法的施工效率进行了分析比较，得出墙锯切缝配合电镐开槽的施工效率相对较高。日本提出了一种隧道衬砌内壁裂化混凝土切削设备[7]和一种隧道衬砌内壁切槽线设备[8]。

通过文献调研，未见有关既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽快速开槽方法与工艺的系统研究资料； 现有文献局限于先切槽线再凿槽的施工方法，开槽效率低，劳动力投入大，施工环境、施工质量及施工安全难以保障，且施工风险高，对实现高效、快速、安全作业形成了制约。因此，有必要在系统总结分析现有开槽方法、工艺与设备的基础上，提出具有创新性的快速开槽方法。

1 既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽方法现状

国内外由于在隧道所处地质条件、施工管理制度、隧道运营管理制度及维护技术等方面的不同，其应对各类隧道病害时所采取的措施也不尽相同。

1.1 国外现状

国外隧道技术较发达的日本及欧洲国家较侧重于隧道的施工质量控制及运营养护，通过定期检查及时发现隧道衬砌结构的早期破损及其他异常情况并进行修复[9]，隧道发生严重衬砌裂损病害的情况较少，开槽镶嵌钢拱架进行裂损衬砌加固的情况不多。

以1999年山阳新干线福冈隧道衬砌脱落事故为鉴，日本运输省颁布了隧道维护管理指南，实行隧道衬砌劣化剥离检查制度[10-11]。在运营隧道维修设备方面，日本研发了一种可进行铁路隧道衬砌高效修补作业的联合作业车组； 该作业车组由能在铁路轨道上行走且相互连接的2台作业车组成，作业车上分别搭载了可沿前后方向以一定行程滑动的臂式高处作业平台以及锚杆钻孔机等设备[12]。此外，日本还提出了一种圆形隧道衬砌内壁劣化混凝土切削设备[7]和一种用于混凝土管道内表面开槽的切槽线设备[8]。

美国将衬砌裂损分为浅层裂损(裂损深度﹤50 mm)及深度裂损(裂损深度≥50 mm)2种。当衬砌发生浅层裂损时，若无钢筋外露，以20°角(外小内大)切除劣化混凝土并清理后，采用聚合物砂浆填平； 若有钢筋外露，以20°角(外小内大)切除劣化混凝土并清理后，先在钢筋上涂防腐层，然后用聚合物砂浆填平。当衬砌发生深度裂损且有钢筋裸露锈蚀时，切除劣化混凝土，且深度≥25 mm，钢筋周围宽度应为钢筋直径的一半，深度至少至钢筋背后25 mm，在钢筋上涂防腐层(必要时重新安设钢筋)后用聚合物砂浆填平，若面积较大，则需采取喷射混凝土施工[13]。

1.2 国内现状

国内在隧道病害整治中需要开槽时，多采用先切槽线再凿槽的施工方法； 在一些隧道中也采用由金刚石钻孔机逐个钻孔成槽的开槽方式。

1.2.1 先切槽线再凿槽

施工时，工人按设计要求标出开槽轨迹后，先用混凝土切割机沿开槽轨迹切出槽边线，然后由风镐或电镐凿除槽线内混凝土完成开槽作业，每次开槽深度50～60 mm。如京九线花园湾隧道、营盘上隧道、岐岭隧道、峰福线黄土3号隧道、达成线汤家湾隧道、拉滨线太平岭隧道等，在病害整治中都采用了先切槽线再凿槽的开槽方法[2-5,14]。

先切槽线再凿槽的方法具有施工工艺较简单、作业较为灵活等优势，但不足是开槽由人工手持开槽机具作业，劳动强度高，施工速度慢。此外，施工时作业人员的安全难以得到有效保证，如在拱顶施工时，工人需仰面进行切、凿槽作业，容易被掉落的混凝土块砸伤。先切槽线再凿槽的施工工序如图1所示，其施工实例如图2所示。

图1 先切槽线再凿槽施工工序

Fig. 1 Construction sequence of method of line cutting first and then concrete chiseling

图2 先切槽线再凿槽施工实例

Fig. 2 Example of method of line cutting first and then concrete chiseling

1.2.2 逐个钻孔成槽

在玉林高速公路沙毛岭隧道衬砌加固工程中，采用了由金刚石钻孔机逐个钻孔形成钢拱架安装槽的开槽方法。金刚石钻孔机配有不同直径的钻头，通过更换钻头并调整钻孔中心间距，即可实现不同尺寸的钢拱架安装槽开槽作业。

采用逐个钻孔成槽法进行施工时，在隧道衬砌开槽轨迹标记完成后，先由人工手持金刚石钻孔机开始钻孔，然后用风镐等锤击工具凿除中心混凝土，如此反复则可完成开槽作业。金刚石钻孔机钻孔时需喷水作业，因此施工粉尘污染较轻，作业环境相对较好。但逐个钻孔成槽的方法开槽速度慢，施工效率难以满足隧道病害快速整治的需求。逐个钻孔成槽的施工工序如图3所示，其施工实例如图4所示。

图3 逐个钻孔成槽施工工序

图4 金刚石钻孔机开槽实例

2 既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽设备现状

目前，日本在隧道衬砌开槽设备方面已有相关研究，如“一种圆形隧道衬砌内壁劣化混凝土切削设备”、“一种混凝土管道内表面切槽线设备”等； 此外，美国提出了“一种路面混凝土切削设备”，用于机场跑道及路面混凝土开槽。国内开槽作业通常采用角磨机、云石机、风镐、电镐、金刚石钻孔机等建筑通用设备。

2.1 国外与隧道衬砌开槽相关的设备

2.1.1 圆形隧道衬砌内壁劣化混凝土切削设备[7]

图5示出一种圆形隧道衬砌内壁劣化混凝土切削设备，能利用较小的驱动力完成小口径隧道内周劣化混凝土的切削。整个设备在行走支腿(5)的支撑下可沿隧道(1)的轴线方向移动，设备就位后由支撑构件(2)进行固定，此时设备轴线C1与隧道轴线基本一致。设备工作时，首先将设备移动到预定位置固定后，由机械臂(4)将切削装置(3)压紧在隧道衬砌表面； 然后机械臂(4)绕C1轴转动，由于切削刀具与隧道衬砌间的摩擦作用，使得切削刀具绕C2轴线转动，如此可完成对隧道内周劣化混凝土的切削。

(a) 主视图

(b) 左视图

1—隧道； 2—浮动支撑机构； 3—切削装置及滚刀； 4—切削浮动机构； 5—行走支腿； C1—设备轴线； C2—滚刀轴线。

图5圆形隧道衬砌内壁劣化混凝土切削设备

Fig. 5 Cutting equipment for peripheral edge portion inside tunnel

2.1.2 混凝土管道内表面切槽线设备[8]

图6示出一种混凝土管道内表面切槽线设备。该设备能够在混凝土管道里灵活动作并按设计在隧道内表面切出一定宽度的槽线。导轨(2)由安装在其两端的支撑装置(包括固定支腿(6)、伸出支腿(1)和支腿安装座(5))支撑，且能自由旋转。安装在3个固定支腿(6)上的伸出支腿(1)可向外伸缩。切削部件(4)的刀具支架(3)通过导向装置(8)与导轨(2)相连，开槽深度是通过刀具支架(3)在导向装置(8)的凹槽内沿管道(7)径向移动控制的。导向装置(8)沿管道轴向移动即可实现轴向方向的开槽； 而圆周方向开槽作业通过导轨(2)的旋转实现。槽线内混凝土通过撬棒插入槽内进行凿除。

(a) 主视图

(b) 左视图

1—伸出支腿； 2—导轨； 3—刀具支架； 4—切削部件； 5—支腿安装座； 6—固定支腿； 7—管道； 8—导向装置。

图6混凝土管道内表面切槽线设备

Fig. 6 Cutting machine for inner surface of concrete pipe

当采用先切槽线再凿槽的开槽方法时，可由混凝土管道内表面切槽装置进行槽线切割，有效提高了切割槽线的效率。此外，该设备能同时实现混凝土管道纵向切槽线作业，但其不足是仅适用于圆形管道。

2.1.3 艾卡特切割轮

图7示出德国艾卡特公司开发的可切割岩石与钢筋混凝土的切割轮。该切割轮需配置在挖掘机上进行切割作业，通过配置不同的圆杆铣挖刀可完成混凝土等的开槽作业。如配置ER17/64/60/25C等规格的铣挖刀可完成混凝土及岩石等的切削作业。

A—切槽宽度； B—切槽深度。

该切割轮的优点是可以借助挖掘机平台改装，节约成本，并且可切割钢筋混凝土，切削力强； 但不足是刀具尺寸固定，应用于隧道病害整治作业时需多次切削成槽。

2.2 国内隧道衬砌开槽设备

目前，国内在隧道病害整治中一般采用建筑领域通用的切、凿槽设备进行隧道衬砌开槽作业。用于切槽作业的设备通常有角磨机、云石机等； 用于凿槽作业的设备有风镐、电镐等。此外，还有用于逐个钻孔成槽的金刚石钻孔机等。

2.2.1 通用开槽机械

2.2.1.1 切槽机械

1)角磨机。角磨机常见型号按照所使用的切片规格划分为100 mm、125 mm、150 mm、180 mm及230 mm。在隧道衬砌钢拱架安装槽开槽作业中，多采用直径为230 mm的角磨机，一次有效切削深度为50～60 mm。

2)云石机。云石机主要用于切割石料、瓷砖及混凝土等，施工时可根据不同的切割材料选择不同的切割片。云石机能够实现0°～45°斜角切削，应用于隧道衬砌开槽作业时可进行梯形钢拱架安装槽的槽线切割。

2.2.1.2 凿槽机械

常用的凿槽机械有风镐和电镐等，主要用于凿除槽边线内的混凝土。

1)风镐。风镐是以压缩空气为动力，利用冲击作用破碎坚硬物体的手持施工机具，具有结构紧凑、携用轻便等特点。目前，市场上风镐种类繁多，凿槽风镐多以轻型为主，有G7、G10、G15型风镐等。

2)电镐。电镐是以电动机为动力的双重绝缘手持式电动工具，具有安全可靠、效率高、操作方便等特点。电镐主要用于建筑、铁路建设、城市建设及加固等行业。综合考虑设备单重与作业效率等因素，凿槽可考虑选用博士GSH388/GSH388H型、牧田HM0830型、日立H45SR型、东成Z1G-FF-6型、科成Z1G-KG-41型电镐等。

2.2.1.3 金刚石钻孔机

金刚石钻孔机(又称水钻、混凝土钻孔机)是一种在钢筋混凝土、陶瓷、玻璃、耐火材料上钻孔的新型工具，具有无粉尘作业、效率高、孔壁光滑、尺寸精确等特点。金刚石钻孔机应用于隧道衬砌开槽作业时粉尘污染小、作业环境较好，但因其开槽速度较慢，在隧道衬砌病害整治中的应用较少。

2.2.2 专用开槽机械——环形轨道开槽机

图8示出西安欧凯开发的环形轨道开槽机，主要包括环形轨道和切削头，由切削头沿着轨道滑动完成隧道衬砌开槽作业。设备可根据要求变换开槽深度和宽度，但受限于其设备功率，开槽深度较浅，无法实现钢拱架安装槽的一次切削成槽作业。

图8 环形轨道开槽机

3 既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽快速开槽方法及工艺研究

针对如何实现既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽高效、安全施工，选择合理的施工方法至关重要。通过调研目前已经应用于建筑工程中的开槽技术，可用于隧道衬砌快速开槽的技术主要有组合式刀具一次切削成槽、水射流切槽以及多次切削成槽3种方法。

3.1 组合式刀具一次切削成槽

金刚石锯片切削混凝土等脆性材料时，切出槽的宽度要大于锯片本身的宽度，最大时可达到锯片宽度的2倍，因此，可采用组合式锯片进行钢拱架安装槽的切槽作业。采用组合式刀具一次切削成槽方法进行既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽的施工工艺如图9所示。

3.2 水射流切槽

水射流切割技术已成功应用于金属、钢材及混凝土等的切割，可切割厚度为5 m的混凝土块。因此，可采用水射流切槽法进行既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽。由于接触网及承力索的影响，采用水射流切槽法开槽时，开槽作业需分2步完成。水射流切槽法的施工工艺如图10所示。

图9 组合式刀具一次切削成槽施工工艺图

图10 水射流切槽法施工工艺图

3.3 多次切削成槽

对于切割轮以及环形轨道切槽机等工具，若无法实现一次切削成槽，则需要进行多次开槽作业，其施工工艺如图11所示。

4 既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽快速开槽设备研制建议

国内广泛应用的“先切槽线再凿槽”和“逐个钻孔成槽”2种施工方法因机械化程度、开槽速度以及施工安全等方面的限制，已不符合未来运营隧道激增情况下的病害整治作业要求。因此，开展对既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽快速开槽技术的研究以及开槽设备的研制，在有限的“天窗”时间内实现隧道病害的快速整治已迫在眉睫。

图11 多次切削成槽施工工艺图

目前，国内现有的既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽技术与设备无法满足市场需求，已有的环形轨道开槽设备无法实现一次切削成槽，中铁西南院提出的既有铁路隧道衬砌开槽机(专利号： 201410766639.0)虽然可实现一次切削成槽，但是并未进行成果转化。因此，有必要就既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽设备的研究重点进行探讨，以期开发适应现场要求的设备。

对开槽设备的研究建议从开槽方法的选择和设备的研制2方面进行考虑。

4.1 开槽方法的选择

建议根据市场需求并结合不同开槽方法的特点，选择合适的方法进行开槽设备设计。各开槽方法的特点如下：

1)“组合式刀具一次切削成槽法”具有施工工艺简单、施工速度快等优势，但因锯片数量多、锯片直径大，使得设备功率较大，且该技术目前仍未完成转化，锯片布置间距等参数仍需进一步研究。

2)“水射流切槽法”具有施工环境好、切削力对衬砌的影响小等优势，但水射流施工设备成本较高，且无法实现一次切削成槽，施工工艺较复杂。在既有铁路隧道施工中，切割水难以回收以及保护切割水不对接触网产生影响是该技术应用的难点。

3)“多次切削成槽法”采用市场成熟设备，具有设备成本低，应用简便等优势，但由于无法实现一次切削成槽，开槽工艺较复杂。

4.2 开槽设备的研制

1)开槽设备应统筹考虑病害整治作业线进行设计，研究集开槽、钢拱架安装、钻孔、注浆等功能于一体的综合整治设备。

2)开槽设备的研发应重点攻克以下技术：

①高效的一次切削成槽刀具。刀具是开槽设备的核心，刀具的可靠性和切削效率决定设备的性能。要完成钢拱架安装槽的一次快速成槽，开发出高效的切削刀具是关键。

②刀具沿隧道衬砌轨迹曲线走行控制技术。设备在隧道衬砌上开槽需要进行曲线行走，且不同隧道、同一隧道不同段的衬砌断面轨迹不尽相同，因此，实现刀具沿隧道断面轨迹的自适应曲线行走是实现快速开槽的关键。

③接触网背后开槽技术。既有铁路隧道内有接触网系统，开槽施工应在保障接触网系统安全的前提下进行，设备研发应重点考虑刀具如何安全绕过接触网系统完成开槽作业。

3)开槽设备应具有以下技术优势：

①快速化。对于繁忙的铁路线路来说，“天窗”时间是十分珍贵的，要在有限的“天窗”时间内高效率完成开槽作业，开槽设备必须具备快速作业能力。其不仅能实现快速开槽作业，同时应具备快速就位与撤场能力。仅就开槽作业本身来说，在1个单线综合维修“天窗”时间内(一般为120 min)应至少能开凿3榀钢拱架安装槽。

②环保化。隧道内是一个相对封闭的空间，因此开槽作业产生的粉尘等不容易排出，严重时将影响施工效率，长时间作业对作业人员的健康也会造成危害。研制开槽设备时，可采用喷水降尘加废物收集的方式，降低施工对隧道内环境的污染，实现隧道开槽作业环保化。

③安全性。隧道衬砌钢拱架安装槽通多位于拱部，现有开槽方法开槽作业过程中产生的废渣(通常是混凝土块)、废水等容易对下方人员造成伤害，对隧道附属电气设备及病害整治作业设备造成破坏。开槽设备的设计应充分考虑对设备、特别是施工人员的保护，如将开槽废渣粉碎化并集中收集不失为一种好的选择。

④标准化。应尽快研究制定既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽尺寸、开槽设备就位速度、开槽速度、粉尘量以及施工安全防护等方面的标准，为开槽设备的设计提供依据。