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铁路隧道衬砌品质提升信息化施工关键技术与成套装备创新（中）

林春刚

(中铁隧道勘察设计研究院)

续上期

3拱墙衬砌施工技术创新与应用3.1施工工艺创新施工工艺概述：通过混凝土输送泵与混凝土浇筑布料系统直连，实现自动布料系统分层逐窗、对称浇筑，利用自动布料系统形成封闭管路带压入模浇筑混凝土；结合衬砌台车大净空结构形式，搭载零搭接工艺、自动布料、自动振捣、自动监测等系统，创建衬砌台车自动检测信息与集成控制系统一体化技术，提高衬砌台车自动化、信息化和智能化水平，实现混凝土压力、流量、温度、方量、浇筑状态等信息自动快速评估，自动生成混凝土数据报表，可实现远程监控、实时手机App查阅，以利于提升混凝土成品质量。拱墙衬砌施工工艺流程见图1。3.1.1施工缝质量控制技术3.1.1.1“V”型槽零搭接技术模板端部搭接采用“V”型槽零搭接装置，模板边缘与衬砌施工缝对齐，实现零搭接，模板与已浇筑混凝土之间“V”型橡胶条可实现密封，防止漏浆。“V”型槽零搭接装置从根本上改变了模板搭接方式，创新了模板搭接技术，彻底解决了台车顶裂施工缝混凝土的问题，避免施工缝压溃，杜绝端部漏浆现象。“V”型槽零搭接技术原理见图2。3.1.1.2横向加强型中埋橡胶止水带技术针对中埋式橡胶止水带横向刚度差、无法保持定位的问题，研发了横向内置加筋式中埋橡胶止水带，提高了中埋橡胶止水带的横向刚度，减少了中埋止水带施工加固时间，解决了中埋止水带挤压变形、切割混凝土导致的质量缺陷。横向内置加筋式中埋橡胶止水带与传统的中埋式橡胶止水带相比，具有使用方便、安装质量好、安装效率高、综合成本低等优点[16]。横向加强型中埋橡胶止水带结构示意见图3。3.1.1.3可伸缩式透明橡胶堵头板技术采用高强度高分子复合材料、快速升降机构、可视化观察窗等技术，研制了一套可用于超欠挖断面的堵头板，兼具止水带夹具功能，可通过快速升降机构调整堵头板，实现端模快速封堵；依靠高强、轻型材料保证了端模强度，降低了人工劳动强度，提高了衬砌端部混凝土施工缝质量。端模具有足够的抵抗变形、保压和抗压能力，保压压力值不小于0.15MPa。堵头板采用模块化设计，质量轻，安拆方便。可伸缩式透明橡胶堵头板见图4。3.1.2拱顶浇筑饱满度控制技术混凝土封顶浇筑根据混凝土浇筑量，结合人工检查、浇筑压力、防空洞监测情况等综合判定拱顶浇筑饱满度和密实度，由工程技术人员负责确定浇筑结束时机。1)混凝土浇筑即将终结时，顶部压力应达到0.03～0.05MPa，稳压3～5min后，防空洞报警装置触压预警，确保最高部位的溢浆孔排出新鲜的混凝土浆液，混凝土受压密实而饱满，可确认结束混凝土浇筑。2)混凝土浇筑结束时，混凝土实际浇筑量可根据搅拌站实测量、3D扫描理论方量、智能台车实时监测浇筑量综合判定，不应小于三者平均值。3)混凝土浇筑方量距预计结束方量1～3m3时，应将泵送速度降低为正常速度的50%左右(10m3/h),按照“连续、低压、慢灌”原则进行浇筑。4)判定拱顶混凝土浇筑饱满状态，采用分布式触压传感器监测显示和防空洞报警装置监测预警。5)衬砌台车堵头板上观察孔有新鲜混凝土浆液溢出时，可作为判断封顶混凝土结束浇筑条件。3.1.3拱墙衬砌预防空洞施工技术3.1.3.1旋转式对接快速布料技术根据混凝土泵送原理，使用多段圆形钢管及转弯接头布设混凝土输送管路，混凝土在管路内流动时始终保持一定压力，,实现了混凝土带压浇筑，有效保证了浇筑密实度，预防衬砌空洞，提高衬砌品质。为满足对称、分层、逐窗浇筑工艺要求，设置了1个可共用的主管路、多个与浇筑窗口连通的分支管路，在液压驱动下，主管路可自动旋转、伸缩，实现与分支管路逐一对接，提高了混凝土布料系统换管效率，解决了隧道衬砌混凝土浇筑耗时长、质量差的问题。单人3min内可完成对接，降低了人工劳动强度。混凝土在封闭管路内带压输送，且分料装置管路对接便捷,实现了快速、连续浇筑的目标,满足了左右对称、分层、逐窗浇筑的工艺要求，由此解决了现有技术难题。台车前后混凝土高差不超过0.6m，左右混凝土高差不超过0.5m，分层厚度不大于0.4m。混凝土自由下落高度不大于2m。旋转式对接快速布料技术原理见图5，旋转式对接快速布料系统现场应用效果见图6。3.1.3.2拱顶气动振捣及边墙高频卷筒式振捣技术根据拱顶混凝土振捣施工要求，创新性地采用了气动式振捣技术，合理设置间隔距离，优化振捣时间、振捣频率。拱顶气动式振捣工序紧随浇筑进行，按左右两侧对称振捣原则，单侧12组，共计24组；同一部位设置3次振捣，即当混凝土液位超过振动器15cm、30cm、45cm高度时,分别振捣1次,每次振捣时长15s；振捣深度经测试达mm，振捣半径为0.8m，有效解决了拱顶混凝土振捣不密实的问题，提高了拱顶混凝土强度，减少了拱顶空洞。边墙采用弹簧卷筒、导向环、插入式振捣棒等装置，研发了一套可沿竖直方向自由滑动的边墙高频卷筒式振捣技术，提出了一种拱墙混凝土自动振捣方法，振捣频率高，施工质量好，降低了人工振捣劳动强度,解决了拱墙衬砌空洞、密实度不足的问题。3.1.3.3拱顶带压单斜孔灌注技术为解决拱顶衬砌空洞、混凝土不密实的质量缺陷，拱顶混凝土浇筑孔靠近已衬砌端布置，并采用倾斜设计，混凝土入仓流向与衬砌台车移动方向夹角为60°。拱顶采用单孔灌注，当充满已衬砌端后，混凝土在泵送压力下向台车前端流动，形成反压填充拱顶模板仓的效果。拱顶带压单斜孔灌注工艺实现了拱顶带压灌注，解决了拱顶衬砌空洞、不密实的问题。适当提高封顶混凝土的坍落度，采用中高流动混凝土浇筑,有利于提高混凝土密实度和流动性。封顶时适当减缓泵送速度、减小泵送压力，密切观察堵头板排气孔排气与溢浆孔排浆状况，通过监测浇筑压力数据和防脱空报警装置预警情况，综合判定混凝土结束浇筑标准。封顶(90°范围内)混凝土浇筑时间不大于3.5h。拱顶单孔斜口浇筑结构示意见图7。

3.1.4拱墙衬砌信息化施工技术

采用信息化技术、自动化控制技术,研制了混凝土压力监测、输送流量监测、浇筑方量监测、浇筑高度监测、温度监测等衬砌施工过程信息采集、处理和显示的集成控制系统,形成了一套以施工数据为基础的施工标准,指导现场施工,改变了传统以经验为基础的施工现状,提高了衬砌施工技术水平,有利于实现标准化施工。3.2施工装备创新拱墙衬砌施工是利用智能衬砌台车模筑工艺体系，实现模板整体移动定位、自动布料、带压浇筑、止水带安装、混凝土逐层分窗灌注、同步振捣、参数监测、信息集成传输等功能，提升拱墙衬砌结构成品质量。3.2.1总体方案新型智能衬砌台车采用双跨结构承载衬砌台车各结构部件，为模板定位提供固定基础，有利于实现模板快速定位，同时取消了门架结构设计，增大了通行空间。模板系统底部支撑在填充体两侧边沟内，其左、右侧模板与底部混凝土填充体形成封闭三角形受力结构，自身稳定性较高，足以承载混凝土浇筑载荷。模板系统顶模放置在双跨结构顶部纵梁上，通过横移油缸驱动，可沿水平方向调整模板中线位置。模板系统两侧边模与顶模采用铰接连接，通过边模油缸驱动，可使边模绕铰接销轴转动，调整边模位置，实现边模的立模与脱模功能。行走系统设置在双跨结构底部，共有4套行走机构，采用同步驱动设计，提高衬砌台车整体结构稳定性。智能衬砌台车总体方案设计见图8。3.2.2自动布料系统自动布料系统采用回转机构与伸缩机构相结合的分料装置结构设计，包括主管路、回转机构、伸缩机构、分支管路、工作平台等部分。分支管路以主管路为中心,环形布置,实现管路封闭,形成带压浇筑路径设计；采用液压驱动,主管路与分支管路接头依次旋转对接,使得混凝土输送泵、主管路、旋转接头、旋转机构、伸缩机构、分支管路和入窗软管等形成单条浇筑管路通道，极大地减少了单条管路通道弯头设计，实现了快速连续浇筑二次衬砌混凝土，增加了混凝土带压浇筑的流动性，避免堵管发生，从而创新设计了封闭管路带压浇筑自动布料系统。主管路与分支管路对接原理见图9。3.2.3自动振捣系统边墙自动振捣系统主要由弹力滚筒、导向环、振捣棒和电控柜等组成。弹力滚筒固定在衬砌台车主梁侧部，弹簧弹力可平衡振捣棒和电缆线重力，便于施工人员竖直方向拖拽振捣棒。导向环固定在衬砌台车模板内，振捣棒电缆线从导向环中穿过，导向环引导振捣棒沿竖直方向轨迹运动。振捣棒采用42V电压驱动，保障人员用电安全，使用时直接插入混凝土内部，接通振捣棒电源后即可自动振捣施工，免激振。振捣施工结束后，关闭电源，松开振捣棒，振捣棒可在弹力滚筒作用下，沿导向环自动向上收回，放置在上一层作业平台，便于后续振捣施工使用。边墙振捣原理见图10。3.2.4智能化控制系统采用PLC编程、WICC软件、触摸屏等研制了智能化控制系统，主要集成了台车浇筑状况、台车布料系统、台车振捣系统、顶部压力监测、搭接监测系统、台车液压系统、侧部压力监测、行走控制系统、衬砌数据报表等9大系统[9]。其中，液压控制系统集成了本地和远程控制功能，便于台车定位及脱模操作；行走控制系统设置了点动行走功能，便于台车纵向精准定位。智能化控制系统平台主界面见图11。3.3应用效果根据现场应用效果显示，每循环衬砌～m3混凝土，新型智能衬砌台车在8～10h内浇筑完成,普通台车在12～15h内浇筑完成；新型智能衬砌台车混凝土浇筑量差为±3m3，普通台车混凝土浇筑量差为±6m3。由此可见，新型智能衬砌台车能够在10h内浇筑12m长拱墙衬砌，3D扫描量与实际浇筑量差控制在0～3m3，较普通台车量差控制效果更准确。在衬砌质量方面,经现场第三方检测,新型智能衬砌台车相比普通衬砌台车,二次衬砌空洞率减少%，不密实度减少85.2%。在经济性方面，参考张吉怀项目吉首隧道进口采集数据，台车使用寿命为10km，新型智能衬砌台车较普通台车节约直接成本万元，节约间接成本万元，共可节约成本万元(折合每延米节约成本元，数据来源于工业试验报告)。采用新型智能衬砌台车浇筑衬砌混凝土所产生的缺陷相对较少，衬砌质量显著提高。拱墙衬砌施工效果见图12，衬砌施工缝“V”形槽零搭接效果见图13。4底部衬砌施工技术创新与应用4.1施工工艺创新施工工艺概述:采用底部衬砌一体化浇筑施工工艺,端模整装整拆、钢筋及止水带精确定位、中心水沟快速安拆、仰拱全幅施工、钢筋绑扎与混凝土浇筑同步平行作业、仰拱及填充施工与交通运行互不干扰、仰拱及填充层一体化快速施工,提高底部衬砌施工效率及成品质量。底部衬砌施工工艺流程见图14。4.1.1底部衬砌一体化施工技术仰拱混凝土采用整幅浇筑,一次成型,配置弧形模板及振捣系统。每循环浇筑长度与拱墙衬砌长度相匹配,确保环向施工缝与拱墙衬砌施工同缝。4.1.2混凝土浇筑及振捣控制技术[17]1)仰拱及填充混凝土浇筑采用罐车运输、溜槽布料方式入模,溜槽出料口距混凝土浇筑面高度不超过2m。2)仰拱应一次性整幅施工,由仰拱中心向两侧对称连续浇筑,每次分层厚度不大于30cm。3)底部衬砌混凝土采用高频插入振捣器与高频气动附着式振捣器配合振捣。4)混凝土振捣时,应加强施工缝附近振捣质量,振捣过程中防止触碰防水板和止水带,避免偏位。5)填充层混凝土浇筑完毕后,采用人工或辅助工具及时抹平收面,顶面平整度不大于1cm/m。4.1.3混凝土脱模及养护技术[18]1)仰拱及填充混凝土模板脱模时,脱模混凝土强度应达到2.5MPa;特殊环境下,脱模混凝土强度应符合设计要求,设计无要求时脱模强度不应低于设计强度的70%。2)脱模时,混凝土内部与表层、表层与环境之间温差不得大于20°C,混凝土内外侧表面温差不得大于15°C,混凝土内部开始降温前不得脱模。3)衬砌拆模后应及时采取保温保湿养护措施,养护时间不得少于14d。4.2施工装备创新底部衬砌施工是通过底部衬砌台车配套移动栈桥、仰拱模板、仰拱填充模板、中心水沟模板、止水带夹具及钢筋定位器等系统,实现隧道仰拱及填充混凝土施工、钢筋绑扎、混凝土养护等各工序平行作业一体化施工,提高了施工效率,解决了隧道车辆通行与底部衬砌施工干扰难题,提高了仰拱成型质量及纵向施工缝精度,保证拱墙衬砌搭接效果,提升混凝土成品品质。4.2.1总体方案底部衬砌台车主体结构设计为针梁模块化拼装结构,具有适于变跨、方便运输、快速拼装等特点。作业循环施工长度为24m,主体栈桥行车道宽度为3.7m,仰拱与回填高度为2.3m,前、后坡桥坡度不大于15%,允许通过最大质量为55t,栈桥移动速度为6m/min。底部衬砌台车方案设计见图15和图16。4.2.2针梁式移动栈桥移动栈桥主要由主桥和引桥构成。主桥主要由钢桁架作为主体承重结构,通过行车道横梁将钢桁架结构连成一体,形成稳定结构。引桥分为前引桥、后引桥,其中,前引桥搭接于隧底虚渣,后引桥搭接于填充路面;主体栈桥移动时,前、后引桥均处于提升状态。4.2.3仰拱模板系统仰拱模板系统主要由整体仰拱模板、起吊定位架、螺旋丝杆、液压油缸和电动单轨小车等构成,应用于仰拱混凝土成型施工。4.2.4钢端模及中心水沟模板系统钢端模系统主要由填充端头模板(含仰拱弧形端模板)、填充侧模板、模板吊架和螺旋丝杆等构成,应用于仰拱及填充混凝土浇筑成型施工。中心水沟模板系统主要由整体中心水沟模板、定位卡、悬挂梁、脱模架和液压油缸等构成,应用于填充混凝土及中心水沟成型施工。4.2.5辅助系统辅助系统主要由纵向、环向止水带夹具，栈桥平移机构，钢筋定位器，移动式溜槽布料装置，行走系统，液压系统，电控系统，操作平台和防护结构等组成。4.3应用效果根据吉首隧道进口现场施工应用情况表明，隧道仰拱作业循环时间由原来的48h缩短为18h，工序循环时间缩短50%以上。底部衬砌台车配合模板一体化施工，采用悬臂吊架定位固定，整体模板刚度好，能够准确实现仰拱成型结构尺寸，仰拱混凝土均匀密实。结果证明：仰拱与填充界限分明，结构尺寸、强度均达标。底部衬砌台车配合模板一体化施工工艺，优化了洞内施工组织和工序分区，有利于标准化作业和安全文明施工，只需保留1个仰拱作业面，减少了工序分区间的相互干扰,减少了掌子面与二次衬砌之间的作业面数量和总长度，有利于二次衬砌及时跟进，保障隧道施工安全、洞内开挖及出渣作业的交通顺畅。在经济性方面，参考张吉怀项目吉首隧道进口采集数据，台车使用寿命为10km，新型底部衬砌台车较简易栈桥配合普通钢模板工装，可节约成本万元(折合每延米节约成本元，数据来源于工业试验报告)。底部衬砌台车现场应用效果见图17。预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇
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