張少華，趙 華，卓 越

(1.中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 451000;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

在現(xiàn)代隧道防水工程中，復(fù)合襯砌防水技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。其施工過(guò)程中需要在隧道斷面上先鋪設(shè)土工布和防水板等防水材料，以達(dá)到防止隧道內(nèi)滲漏水的目的。文獻(xiàn)［1－6］主要介紹了防水施工技術(shù)，重點(diǎn)介紹了防水卷材的鋪設(shè)工藝，即采用傳統(tǒng)的腳手架人工棍棒托頂施工，但此種施工方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、鋪設(shè)效率低、搭接尺寸誤差大，難以滿(mǎn)足施工進(jìn)度和施工質(zhì)量的要求。圍繞這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的研究方向多集中于對(duì)鋪設(shè)機(jī)具的研究和鋪設(shè)材料及工藝的革新。目前，在日本和一些西方國(guó)家中，新的鋪設(shè)材料、工藝及鋪設(shè)機(jī)具在隧道防水施工中已得到一定程度地推廣應(yīng)用。國(guó)外雖有類(lèi)似的防水卷材鋪設(shè)機(jī)具，但在國(guó)內(nèi)由于隧道施工工法、防水卷材鋪設(shè)工藝及防水材料的不同也不利于推廣應(yīng)用?；诟鞣N原因隧道防水卷材鋪設(shè)裝置的研究近乎空白，為此，在傳統(tǒng)襯砌臺(tái)車(chē)的基礎(chǔ)上研制了新型隧道防水卷材鋪設(shè)裝置，用于隧道施工中防水卷材的鋪設(shè)和支撐。

1 隧道防水鋪設(shè)施工現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

隧道防水卷材的鋪設(shè)包含土工布和防水板的鋪設(shè)，其中以防水板的鋪設(shè)施工為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。防水板鋪設(shè)施工處于初期支護(hù)基礎(chǔ)工序之后，二次襯砌之前，初期支護(hù)盡管不屬于防排水系統(tǒng)施工范疇，但它們與防排水系統(tǒng)施工密切相關(guān)，初期支護(hù)表面平順(指表面凹凸部分的矢高/弦長(zhǎng)≤1/6)時(shí)，就可減去掛防水板前局部找平這一環(huán)節(jié)，且能保證防水板與噴射混凝土表面密貼，同時(shí)射釘之間防水板松弛量的預(yù)留易得到合理控制。

以滬昆鐵路梨子坪隧道項(xiàng)目為例，防水板施工采用無(wú)釘鋪設(shè)工藝。施工采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易工作架人工進(jìn)行鋪設(shè)，一般6～8人/組，3～4 h施工1個(gè)幅寬循環(huán)(寬度3m含土工布鋪設(shè)固定及防水板的鋪設(shè)焊接)，2幅防水板的搭接使用自動(dòng)爬行焊機(jī)進(jìn)行焊接。

施工時(shí)，首先用裝載機(jī)移動(dòng)簡(jiǎn)易工作架至合適位置，如圖1所示。

人工進(jìn)行防水板鋪設(shè)施工關(guān)鍵工序可分為鋪設(shè)—支撐—焊接。各工序作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大(見(jiàn)圖2)，鋪設(shè)速度慢，防水板鋪設(shè)質(zhì)量主要依賴(lài)于工人的技術(shù)水平，隨意性大，防水板鋪設(shè)質(zhì)量受到影響從而影響襯砌的質(zhì)量，造成隧道滲、漏水等病害，縮短隧道的使用壽命。

基于以上因素，進(jìn)行防水卷材鋪設(shè)裝置的研究是提高隧道機(jī)械化施工技術(shù)水平的有效途徑。

2 新型防水卷材鋪設(shè)裝置的工作原理

自動(dòng)行走的鋪設(shè)作業(yè)臺(tái)車(chē)上設(shè)置有與隧道斷面相似的仿輪廓面鋪設(shè)軌道，以液壓馬達(dá)作為動(dòng)力的鋪設(shè)裝置沿鋪設(shè)軌道行走的同時(shí)使防水卷材沿隧道輪廓面環(huán)向展開(kāi)，后輻射狀的伸縮支撐油缸進(jìn)行有效支撐，從而實(shí)現(xiàn)防水卷材的機(jī)械化自動(dòng)鋪設(shè)和支撐。工人在作業(yè)平臺(tái)上進(jìn)行固定或焊接，結(jié)束后縮回支撐油缸。

目前人工鋪設(shè)施工作業(yè)主要由土工布鋪設(shè)、固定—防水板鋪設(shè)—棍棒支撐—焊接等工序組成。土工布由工人在開(kāi)挖輪廓面上射釘固定，射釘位置由于開(kāi)挖輪廓面的不平整難以規(guī)則布置，造成防水板焊接時(shí)很難自動(dòng)找正焊釘位置來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。

由于鋪設(shè)施工工藝的限制，新型防水卷材鋪設(shè)裝置主要解決了防水卷材在開(kāi)挖輪廓面上的自動(dòng)鋪設(shè)和自動(dòng)支撐難題，還不能實(shí)現(xiàn)防水板的自動(dòng)焊接。

3 新型防水卷材鋪設(shè)裝置

新型防水卷材鋪設(shè)裝置的設(shè)計(jì)在參考傳統(tǒng)模板臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［7－8］的基礎(chǔ)上，對(duì)以下主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 新型防水卷材鋪設(shè)裝置Fig.3 New type of waterproofing coil laying equipment

3.1 自動(dòng)行走系統(tǒng)①

原施工現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)易作業(yè)臺(tái)架移動(dòng)工位時(shí)需要裝載機(jī)配合完成，鋪設(shè)臺(tái)車(chē)自動(dòng)行走功能提高了設(shè)備的機(jī)動(dòng)性?？紤]到二次襯砌模板臺(tái)車(chē)行走亦需鋪軌，鋪設(shè)臺(tái)車(chē)自動(dòng)行走系統(tǒng)和模板臺(tái)車(chē)使用同一軌道(即相同軌距)，避免了重復(fù)鋪軌。

對(duì)于有特殊坡度需求的施工現(xiàn)場(chǎng)，要對(duì)自動(dòng)行走系統(tǒng)進(jìn)行牽引力核算，確保行走系統(tǒng)的安全可靠。

3.2 鋪設(shè)臺(tái)車(chē)②

鋪設(shè)臺(tái)車(chē)包括鋪設(shè)臺(tái)架、作業(yè)平臺(tái)、升降支腿、通風(fēng)管道、爬梯、防水卷材安裝平臺(tái)等。

鋪設(shè)臺(tái)架是鋪設(shè)裝置的主要承重部分，因此臺(tái)架整體必須有足夠的強(qiáng)度和剛度及抗沖擊性能，以保證作業(yè)時(shí)的安全、平穩(wěn);臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)須考慮最大車(chē)輛通過(guò)凈空和減小掌子面空氣回流的阻力。作業(yè)平臺(tái)供人工鋪設(shè)時(shí)土工布打射釘和防水板的焊接，必要時(shí)可設(shè)置翻轉(zhuǎn)平臺(tái)供作業(yè)人員接近超挖的輪廓面。升降支腿可在一定程度上適應(yīng)超、欠挖的輪廓面。通風(fēng)管道用于鋪設(shè)風(fēng)管，設(shè)計(jì)時(shí)需要施工方對(duì)風(fēng)管的鋪設(shè)位置、有效斷面直徑等進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底。爬梯供作業(yè)人員上下臺(tái)架，且同側(cè)的爬梯用于連通上、中、下3層作業(yè)平臺(tái)。防水卷材安裝平臺(tái)用于防水卷材的放置和安裝。

3.3 鋪設(shè)軌道③

鋪設(shè)軌道(見(jiàn)圖4)是鋪設(shè)裝置鋪設(shè)時(shí)的仿輪廓面行走軌道，可以保證防水板和開(kāi)挖面鋪設(shè)的貼合度。為便于運(yùn)輸和裝配，鋪設(shè)軌道一般設(shè)計(jì)分割為可互換的數(shù)段。

圖4 鋪設(shè)軌道Fig.4 Track laying

鋪設(shè)軌道連接鋪設(shè)裝置和鋪設(shè)臺(tái)架，在鋪設(shè)和支撐作業(yè)時(shí)承重較大，其本身的剛度和強(qiáng)度應(yīng)該能夠滿(mǎn)足使用要求。

3.4 鋪設(shè)裝置④

鋪設(shè)裝置(見(jiàn)圖5)是實(shí)現(xiàn)防水卷材沿輪廓面展開(kāi)的裝置，其進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的牽引動(dòng)力是液壓馬達(dá)。鋪設(shè)裝置依靠行走輪使其沿鋪設(shè)軌道行走，為了避免兩側(cè)馬達(dá)不同步，在軌道的側(cè)部設(shè)置了側(cè)導(dǎo)向輪。

圖5 鋪設(shè)裝置Fig.5 Waterproofing coil laying device

鋪設(shè)臂用來(lái)安裝、固定防水卷材;調(diào)整油缸用于鋪設(shè)半徑的微調(diào);車(chē)架為鋪設(shè)裝置的主框架，是承載主體。

3.5 支撐裝置⑤

支撐裝置(見(jiàn)圖6)是防水卷材沿輪廓面的動(dòng)力支撐，沿鋪設(shè)軌道圓周呈輻射狀分布，由液壓油缸、球鉸橡膠撐靴、安裝座等組成。球鉸橡膠撐靴適用于凹凸不平的隧道毛輪廓面，有效地避免了在支撐過(guò)程中對(duì)防水卷材的硬損傷。

圖6 支撐裝置Fig.6 Waterproofing coil supporting device

3.6 液壓系統(tǒng)⑥

液壓系統(tǒng)是完成鋪設(shè)臺(tái)車(chē)支腿升降和實(shí)現(xiàn)防水卷材支撐的關(guān)鍵系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類(lèi)比了二次襯砌用鋼模板臺(tái)車(chē)的液壓系統(tǒng)。需要說(shuō)明的是:為了保護(hù)防水卷材支撐油路，所需工作壓力較小，而支腿油路所需的工作壓力較高些。在滿(mǎn)足使用要求的情況下，綜合考慮各種因素，液壓系統(tǒng)的額定壓力調(diào)定為6.3 MPa，支腿分系統(tǒng)工作壓力調(diào)定為5.5 MPa，支撐分系統(tǒng)工作壓力調(diào)定為2 MPa，鋪設(shè)分系統(tǒng)工作壓力調(diào)定為6.3 MPa，鋪設(shè)行走牽引采用靜液壓雙制動(dòng)，確保鋪設(shè)作業(yè)的安全性。

3.7 電氣系統(tǒng)⑦

電氣系統(tǒng)采用PLC控制，較繼電器控制方式更穩(wěn)定、可靠，查找故障更加方便、準(zhǔn)確。

設(shè)置本地或無(wú)線遙控操作模式，更適應(yīng)復(fù)雜工況下的隧道作業(yè)。

4 需注意的幾個(gè)問(wèn)題

4.1 設(shè)計(jì)與制造

4.1.1 設(shè)計(jì)要求

進(jìn)行方案設(shè)計(jì)前務(wù)求技術(shù)交底正確、詳盡，再考慮加工制作、運(yùn)輸及安裝的可行性。需要確認(rèn)的邊界條件有:1)隧道斷面輪廓尺寸;2)防水卷材的幅寬;3)通風(fēng)管道的位置;4)最大車(chē)輛通過(guò)凈空;5)鋪設(shè)臺(tái)車(chē)行走路況及二次襯砌模板臺(tái)車(chē)行走軌距;6)洞內(nèi)其他邊界條件。

4.1.2 制造要求

在進(jìn)行鋪設(shè)軌道的加工時(shí)，應(yīng)注意單段軌道焊接時(shí)的變形控制;在軌道預(yù)裝配時(shí)，確保軌道連接處臺(tái)階控制在2 mm以?xún)?nèi)，否則會(huì)造成鋪設(shè)裝置行走阻力增大。

4.2 鋪設(shè)施工

1)測(cè)量放中線鋪軌時(shí)，要求軌道對(duì)中誤差控制在10 mm內(nèi)。

2)鋪設(shè)時(shí)及時(shí)支撐可使防水卷材和隧道毛輪廓的貼合度較好。

3)支撐時(shí)在超、欠挖地段注意控制支撐油缸的伸縮量，以保護(hù)防水卷材的完好性。

4)整圈鋪設(shè)、整圈多人同時(shí)焊接，可提高鋪設(shè)速度。

5)支撐油缸可單獨(dú)或聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，提高工效。

6)在鋪設(shè)施工時(shí)，可根據(jù)毛輪廓面的超、欠挖程度適時(shí)微調(diào)鋪設(shè)調(diào)整油缸，以提高鋪設(shè)裝置的通過(guò)率。

5 工業(yè)性試驗(yàn)

新型防水卷材鋪設(shè)裝置工業(yè)性試驗(yàn)在滬昆鐵路湖南段梨子坪隧道出口進(jìn)行。工業(yè)性試驗(yàn)按照隧道邊墻—拱頂—邊墻鋪設(shè)順序，采用新型防水卷材鋪設(shè)裝置鋪設(shè)土工布和防水板。新型防水卷材鋪設(shè)裝置樣機(jī)如圖7所示。

圖7 新型防水卷材鋪設(shè)裝置樣機(jī)Fig.7 Prototype of new type of waterproofing coil laying equipment

結(jié)合工程的施工情況，新型防水卷材鋪設(shè)裝置能夠滿(mǎn)足防水卷材在開(kāi)挖輪廓面上的自動(dòng)鋪設(shè)和自動(dòng)支撐。表1和表2為機(jī)械鋪設(shè)和人工鋪設(shè)方式對(duì)比。

表1 土工布2種鋪設(shè)方式對(duì)比表Table 1 Comparison and contrast between 2 kinds of geo-textile laying methods

表2 防水板2種鋪設(shè)方式對(duì)比表Table 2 Comparison and contrast between 2 kinds of waterproofing membrane laying methods

6 結(jié)論與討論

1)采用新型防水卷材鋪設(shè)裝置進(jìn)行防水卷材的鋪設(shè)，減少了人員投入，節(jié)約了人工成本，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，安全性能高，同時(shí)又提高了鋪設(shè)的效率和質(zhì)量，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2)由于鉆爆法開(kāi)挖面的凹凸不平及射釘位置的不規(guī)則，目前本方案暫不能實(shí)現(xiàn)防水板的自動(dòng)焊接。

3)本方案雖實(shí)現(xiàn)了防水卷材的自動(dòng)鋪設(shè)和支撐，但未必是最優(yōu)的方案，還有待于驗(yàn)證。

新型防水卷材鋪設(shè)裝置的研制是對(duì)隧道鋪設(shè)大幅寬防水材料機(jī)械化施工的一個(gè)探索，對(duì)提高我國(guó)鐵路隧道快速施工技術(shù)水平和施工裝備國(guó)產(chǎn)化具有重要的意義。

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