隧道拱顶管片运输拼装设备及拼装工艺研究

何海兵

（中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430061）

1 前言

二次衬砌是相对初期支护而言，指在隧道完成初期支护条件下，在初期支护内侧施作模筑混凝土或钢筋混凝土的内层衬砌，不仅保证隧道结构使用安全，又能起到优化路线防排水系统、美化外观等作用。目前，国内隧道工程一般以矿山法［1－2］开挖施工工艺为主，以矿山法中围岩与支护相互变形、互相协调的原理指导施工，强调支护结构同围岩共同受力、变形。但在隧道施工过程中，采用这种传统矿山法开挖的施工工艺，尤其在二次衬砌作业时，主要存在如下缺陷：一是施工过程中以人工作业为主，机械施工占比小，作业时间长，加上洞内作业条件差，造成隧道工序质量控制困难；二是在隧道拱部二次衬砌施工，存在初期支护和二次衬砌背后脱空、二衬厚度不足、裂纹、渗漏水、施工缝错台、混凝土强度不均或不足等问题［3－6］。

上述质量缺陷主要集中在隧道拱部，由于砼存在干缩，顶部砼出现结构疏松、空洞等质量缺陷为必然现象。即使采用整体式液压模板台车配输送泵浇筑二衬砼，增强了砼流动性，但在浇筑拱部二衬砼时，因砼缺乏振捣，加上二衬砼浇筑至接近满仓状态时，泵压易破坏台车面板引发事故，导致隧道拱部砼不密实、冷缝、砼离析、二衬接头挤压开裂、隧顶与防水板之间存在空隙等二衬质量缺陷成为常态。这些质量缺陷对隧道的运营安全造成很大影响，运营隧道二衬质量缺陷整治工作量巨大且整改困难。

目前，国内外拼装式衬砌主要应用于盾构法、TBM施工隧道，在城市地铁建设中应用广泛，技术成熟［7－10］。国外在日法联合开发大型拱形结构，跨度达12 m，通过无收缩砂浆与边墙形成刚性连接；俄罗斯采用单拱结构基本原理，修建了圣彼得堡和奥林匹克地铁站。国内铁路山岭隧道建设中，西康铁路秦岭I线隧道采用TBM掘进，仰拱采用预制构件，提高了隧道施工安全性。资料分析表明，装配式衬砌能够有效控制施工质量，针对其研究已较为成熟，但是全环装配式衬砌投资较矿山法隧道投资增加较多，矿山法铁路隧道应用装配式衬砌经济性较差。

基于上述原因，本文提出了隧道拱部采用预制管片拼装的施工工艺，即边墙采用原来现场浇筑方法浇筑，待强度满足要求后，利用拼装设备对拱顶管片进行安装，然后张拉成形，最后注浆完成施工。该工艺所采用管片为装配式结构，可实现工厂化加工、机械化安装，不仅能提高施工质量，还能降低成本、改善隧道施工环境。因此，从施工质量和经济性综合考虑，采用拱部局部预制管片拼装工艺是必要的。为满足施工工艺要求，研发设计了预制管片运输、提升、拼装专用设备，用于隧道拱顶预制管片拼装施工，填补了国内高速铁路山岭隧道中拱部管片预制拼装设计、施工技术方面的空白。

2 设备方案

预制管片运输、拼装设备主要由管片运输车、管片提升门吊、边墙衬砌台车及管片安装机四个设备组成，如图1所示。管片运输车用于将拱顶管片由预制场运输到施工工位；管片提升门吊用于将管片从运输车提升到安装机上；安装机与隧道边墙衬砌台车共用走行轨道，安装机的安装小车可在边墙台车门架上自行移动，实现管片对位安装。

图1 管片运输、拼装设备

2.1 管片运输车

管片运输车为2轴运输车，该机额定载重量50 t。整机采用液压驱动，微电控制，可以实现无极调速，车辆能够以较高的车速快速行走和较低的稳定速度移动对位。设计的液压悬挂系统，可以实现车辆整体升降或单点升降，并且能够实现多种转向模式；设置的调节机构可以保证实现运输过程中节段梁牢固不产生滑移。

管片运输车主要由车架、驱动悬挂、制动悬挂、管片旋转机构、调节机构、伸缩立柱、动力模块、电气系统、液压系统、驾驶室等组成，如图2所示。

图2 管片运输车

2.2 管片提升门吊

管片提升门吊是隧道内拱顶管片施工专用门吊，配合管片运输车及管片安装机进行工作，主要功能是在隧道内吊运管片，满足将管片从运输车取下并将吊装到边墙台车管片顶升机构上的要求。

管片门吊主要由门架结构、大车运行机构、电动葫芦、专用吊具、电器系统等组成；门架结构主要由主梁、支腿、下横梁组成；大车运行机构包含电机、减速机、车轮组，如图3所示。

图3 管片提升门吊

2.3 边墙衬砌台车

边墙台车用于隧道边墙二衬施工，其顶升机构用于放置管片，辅助安装小车完成拱顶管片安装。

边墙台车基于传统衬砌台车［11－12］原理设计，由走行机构、门架、安装小车走行轨道、模板、顶升机构、液压系统及电气控制系统等主要部分组成，如图4所示。

图4 边墙衬砌台车

2.4 管片安装机

管片安装机由走行机构、门架、小车走行轨道、安装小车、管片压紧机构、液压系统及电气控制系统等主要部分组成，如图5所示。

图5 管片安装机

3 施工工艺

隧道边墙通过边墙台车先完成施工，通过标准化梁场的预制铁路隧道拱顶管片，采用管片运输、安装设备完成管片拼装。每次运输1组管片，每组2片，完成6组管片安装后，进行拱部注浆，从而完成12 m隧道施工，具体施工流程如下：

（1）管片预制完成，达到设计要求后，通过管片运输车驮运管片至吊装位置，将管片旋转90°。

（2）门吊移动至管片上方，通过专用吊具将管片吊起。

（3）门吊吊装管片后，整机后退，将运输车上的第二组管片旋转至装运状态。

（4）门吊吊装管片至边墙台车前段管片顶升机构上，同时管片安装设备与边墙台车进行对轨。

（5）门吊后退，边墙台车顶升机构将管片顶升1.6 m，安装小车从安装设备移动至管片正下方，继续顶升管片。

（6）安装小车顶升管片距离洞顶5 cm，横移机构调整管片中心与隧道中心对齐后，安装小车驮运管片返回安装设备。

（7）管片安装设备整机后退至管片安装位置附近，通过安装小车将管片移动到安装位，安装小车顶升机构回落，管片落在安装位置。

（8）管片安装设备上管片压紧机构通过油缸压紧管片。

（9）收回管片压紧机构，安装设备前行与边墙台车对位。

（10）运输车上第二组管片旋转90°；门吊吊起第二组管片。

（11）运输车返回，继续托运管片，门吊将第二组管片放于边墙台车顶升机构上。

（12）重复4～9步完成第二组管片安装。

（13）按以上步骤完成剩余4组管片安装，再进行拱部张拉，最后隧道拱部注浆，完成12 m隧道施工。

4 工程应用

该预制管片运输、拼装专用设备及施工工艺已在重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道试用。胡家沟隧道位于重庆市北碚区东阳镇境内重庆东环线襄渝联络线上，为单洞双线隧道，设计速度120 km/h。隧道全长228 m，最大埋深27 m，进口段87 m位于半径为R＝400 m的左偏曲线上，出口段5 m位于R＝1 200的左偏曲线上，中间136 m为直线，设计纵坡为－3.6‰～1‰。

结合铁路隧道施工现场条件，进行了拱顶管片拼装工艺和工法试验（见图6），形成一整套合理可行的矿山法施工铁路隧道衬砌拱部预制拼装设计及施工工艺，解决目前矿山法施工铁路隧道拱部衬砌强度不足、厚度不足、不密实、背后脱空、掉块等质量缺陷问题。一是避免运营期间二衬掉块危及行车安全和旅客生命财产安全，二是避免项目开通发生病害后耗费大量的人力物力进行整治，三是避免整治期间对运输组织和运输秩序的严重影响。

图6 现场管片拼装施工

5 结论

本文详细介绍了管片运输、拼装设备的结构组成及施工工艺，为隧道装配式施工提供了新的装备和思路。通过隧道拱部预制拼装工艺，解决目前矿山法施工铁路隧道拱部衬砌强度不足、厚度不足、不密实、背后脱空、掉块等质量缺陷问题，工程试用得到验证。该施工工艺的优点及意义如下：

（1）避免运营期间二衬掉块危及行车安全和旅客生命财产安全。

（2）避免项目开通发生病害后耗费大量的人力物力进行整治。

（3）避免整治期间对运输组织和运输秩序的严重影响。

（4）在国内高速铁路山岭隧道中，填补了拱部管片预制拼装设计、施工技术方面研究空白。

（5）新装备、新工艺的应用实施有助于隧道施工质量的提高，具有很好的应用前景与实用价值。