基于提高隧道衬砌和防水质量的衬砌台车优化应用

魏志刚

( 中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000 )

近年来，在高速铁路建设中经常涉及隧道项目施工，确保隧道项目高质量和隧道安全运营的重要因素之一是铁路隧道衬砌质量。然而，铁路隧道由于施工工装设备不够完善，施工工艺不够合理，经常出现拱裂、掉块、敲击空声、漏水等通病，严重影响了工程质量，治理难度较大。衬砌台车的设计是否科学合理，会直接影响衬砌质量。在隧道施工管理中，如何通过优化台车和工装结构提升隧道衬砌工程质量，是当前铁路建设难以攻克的难题。

本文详细介绍了新型桁架式大间隙衬砌台车，优化隧道衬砌台车主体结构、配套工装设备等，效果显著，不仅提高了台车的性能、利用率和施工效率，而且节约了成本，有效地防止了出现空洞情况，提高了隧道衬砌的施工质量，避免出现渗漏水等情况。

1 常规隧道衬砌台车的弊端

衬砌台车是铁路或公路隧道进行混凝土二次衬砌施作的工程专用施工装备。目前铁路或公路隧道传统混凝土衬砌台车分为门式和非门式两种。一般而言，传统衬砌台车在自身结构设计和工程应用方面有如下弊端：

台车自身空间和台车下部空间狭小，施工条件不佳；进行中高压混凝土浇筑时常引起变形，不能有效确保隧道衬砌质量[1-2]，台车两侧模板间隙尺寸过大。衬砌完成施工后，后期难以修复；木模加固模板加固效果欠佳；由于钢筋夹强度不高，容易弯曲，端模不容易封堵，容易导致挤裂模板或导致模板错位，影响施工安全、进度及防水性。

2 新型桁架式大间隙衬砌台车设计

2.1 运行原理

新型桁架式大间隙衬砌台车的设计如图1所示。其运行原理为：衬砌台车的所有结构部件按照提前预留的点位安装在大框架上，从而方便快速进行模板定位安装，而且稳定性较强，能够有效承受混凝土开始浇筑时产生的荷载，侧模通过侧模油缸驱动，对边模位置进行调整，借助彼此相对独立的驱动设计，极大地提高了台车的驱动性能；通过对升降、横移、边模油缸进行有效调节，顺利实现主架的起落以及衬砌模板的拼装，再借助布料系统、混凝土实现逐层浇筑。此外，通过信息集成控制系统进行智能化控制[3]，提升衬砌质量管理。

2.2 结构组成

新型台车主要结构由桁架、连接支撑杆件、模板、行走系统和顶升系统等组成，另外，通过电气、液压等装置能够实现行走、架模、浇筑以及脱模等关键工序环节[4]。

2.2.1 桁架及模板系统

桁架式新型衬砌台车为双跨结构，两条支腿依次位于两端。如图1所示。该台车通过优化支撑杆件，扩大了台车下部净空以及施工作业区域，提高了通风效果和工作效率。

1—支腿；2—横向梁；3—横移油缸；4—横移架；5—行走系统；6—内伸缩套；7—顶升油缸；8—铰接耳板；9—纵向梁

为避免新型衬砌台车移动时产生拼接误差，应借助横移机构降低误差，在其关键部位涂抹油脂从而有效消弱滑动摩擦力。模板系统的顶模及边模16块，左、右两边各8块。模板宽度都为1.5 m，通过拼接，模板总长度为12 m，也就是隧道一组衬砌的有效长度。

2.2.2 行走系统

需配备电动机组，电机配有制动装置，制动十分便捷。衬砌台车由厚钢板量身定制加工而成，分量较重，行走系统必须配备较大功率运行，通常选择30 kW以上电机，台车行走速度控制在8～10 m/min。由于隧道内部施工环境不佳，一般通过链条链轮进行传动。另外需配备减速比大、总体积不大的蜗轮蜗杆减速机。每一行走轮均装有圆柱滚子轴承和轴承板。单个车轮的负载至少为500 kN，以避免频繁更换轴承和车轮[5]。

2.2.3 液压系统

液压系统含有四个油缸，即平移油缸、顶升油缸、支架脱模油缸和侧向油缸，液压泵电机功率至少为16.5 kW。当系统压力为12 MPa时，每个顶升油缸的提升力超过800 kN，能够提供台车正常运转的动力。

2.2.4 信息集成控制系统

当前，铁路隧道进行衬砌操作时，大多凭借一些传统衬砌技术施工，没有配置智能化监控系统，常常出现一些质量问题。新型衬砌台车通过配置安装成套衬砌信息集成控制系统，能够进行隧道衬砌施工的信息化监控和智能化反馈操作。

配置在衬砌台车上的成套衬砌信息集成控制系统主要是行走操作系统、液压操作系统、布料操作系统、浇筑操作系统、振捣操作系统、施工缝施工系统等。信息集成控制系统能够实现对上述系统的实时监控并详细记录下整个施工过程。另外，还可以完整生成隧道衬砌详细报表[5]。

2.2.5 其他配套电气系统

电气系统采用380 V三相交流电源，控制柜集中控制方式；台车操作平台、上下步梯及安全护栏依据建筑规范要求进行详细设计，衬砌结构整体稳定以及技术人员操作的便捷性和安全性、优化设计等，尤其应优先考虑工人的施工环境以及便利性。

2.3 新型桁架衬砌台车主要技术参数

新型桁架衬砌台车主要技术参数为：台车横向(纵向)坡度为3%；施工窗尺寸(宽×长)为500 mm×500 mm；台车外轮廓尺寸增加值为50 mm；隧道通风管半径为900 mm；模板面板厚度为12 mm；一次衬砌长度为12 100 mm；混凝土传输管半径为75 mm；总质量为160 t；模板台车通过净空尺寸(高×宽)为7 200 mm×7 250 mm；行走速度为7～9 m/min。

3 新型衬砌台车优化

3.1 优化钢面板

普通钢板容易生锈，而且除锈困难，不仅费时还费人工，表面不光洁，容易出现错台。伴随着隧道施工技术飞速地发展和进步，由普通钢板和不锈钢板组成的复合式钢面板不像传统钢面板那样需要除锈，而且其成本不高，在确保隧道衬砌质量的同时，提升了施工效率，并节约了成本。复合式钢面板通过数控化加工技术可确保二衬混凝土浇筑质量，其不仅表面光洁平整，而且较好规避了错台现象，从而确保了二衬质量和安全文明施工。复合钢板的使用寿命相对较长[6]。

3.2 优化浇筑窗口

为确保新型台车进行二衬混凝土浇筑时内实外美，并确保隧道衬砌混凝土外部平顺，防止其颜色不一，提升隧道二衬时混凝土浇筑饱满程度及整体质量，二衬应选择清水自密实混凝土。浇筑窗口顺着隧道轴向每层配置三个灌浆孔，窗户的水平间距为1.5 m，每个窗口大小为500 mm×500 mm，进行注浆相对便捷，确保隧道工程质量，减少施工人员的劳动量。通过角钢加固浇筑窗口，防止窗口出现错位，确保衬砌质量[7]。

3.3 优化拱顶带模注浆

二衬混凝土背后的空洞会严重影响施工安全。因此，借助拱顶带模注浆技术防止出现空洞情况。但是，当带模注浆孔与二次衬砌同时注浆时，就有可能完成注浆后，导致堵孔现象，降低了工作效率。为确保注浆均匀饱满，将3个注浆孔配备在台车顶部，一个注浆孔配备在中间，另外2个注浆孔位于台车两端1 m处。对衬砌台车的有效提升改造，简化了操作，工序更为方便快捷，降低了劳动强度，加快了施工速度，确保了衬砌质量。

3.4 端模材质优化

由于木模无法承受较大的侧向压力，导致端模处的混凝土容易被破坏，影响注浆实际效果，导致注浆压力偏小。木模和钢端模进行对比后，钢端模的优势显而易见。特别是在二次衬砌进行模板支模时，如果采用木板封端形式，存在施工工艺烦琐、施工耗时久、效率不高等弊端。然而钢端模却具有时间短、速度快、人力少、相对经济的优点。

3.5 止水带安装优化

一般来说，端模台车止水带模具制作十分方便，但易漏浆；如果二次衬砌通过钢筋绑扎加固止水带，以加快施工速度，就容易引起止水带出现变形扭曲、漏水等问题。施工不仅非常烦琐，而且会导致拆模后色泽不均，引起质量问题。这些弊端能够借助合页固定中埋式止水带，再借助端头模板的安装有效地规避。

3.6 顶部注浆口优化

通常台车完成衬砌后，注浆口混凝土表面存在凹坑或凸台等现象。然而这个位置处在隧道顶部，不便施工。将顶部注浆口设置为完全平整的形式，即母体模板面板和闸板处在同一表面，不存在凹凸，表面顺滑整齐，缩减了施工步骤，提升了衬砌混凝土外观质量[7]，如图2所示。

图2 顶部注浆口优化前后对比

3.7 防滑支架优化

改进后的防滑支架仅凭螺杆末端，将模板系统直接支撑门架系统。一旦螺杆压紧，就无法提升和平移模板系统。此工序必须在松开螺杆后才能进行，完成后必将加固螺杆。由于模板台车的工作环境不同，需要将螺杆不断重复拧紧和松开，这对操作人员具有极高的要求。优化防滑支架后，在原螺杆末端增加了万向球体系，即使拧紧螺杆也不会影响模板系统，确保螺杆始终处于拧紧状态，降低操作频率，减少操作失误，避免对设备产生不良影响，如图3所示。

图3 防滑支座改进后方案

3.8 优化牛腿

隧道里一些特殊位置存在牛腿构造，进行优化牛腿之前，需要借助钢筋网上的垫桩把木料三角块放在合适位置。在完成混凝土浇筑以后，位置容易变化，导致成形后的牛腿外部变形和相对位置不精准，甚至造成泥浆泄漏等严重后果。同时，木料三角块的周转频率不高，浪费比较大，所以木料三角块安装和拆卸等步骤必须通过脚手架进行辅助施工。优化牛腿以后，采用定位分厂精准，不用进行修补的钢模板构建牛腿，拆卸方便，在确保施工质量的同时，能重复利用，如图4所示。

图4 牛腿改进后的前后对比

3.9 下纵梁支撑优化

台车优化前，因为丝杆强度不高，导致下纵梁出现上浮现象，所以隧道成形精度不高。台平纵梁支撑优化以后，将下纵梁与螺栓进行牢固连接，稳定住支撑角度，确保了台车整体稳定性[8]，如图5所示。

图5 台车下纵梁优化前后对比

4 结语

新型台车刚度高、稳定性强，模板台车模板下部空间提高了55%，无露筋、成形流畅、浇筑方便、无漏浆、漏水情况，衬砌内实外美，延长了使用寿命，节约了施工成本，防水等应用效果良好。