田雪豪,宋 丹,江 帥,付開(kāi)勇,高立君,王柏松

(中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

近年來(lái)我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)發(fā)展迅速,目前鐵路營(yíng)運(yùn)里程突破15萬(wàn)km(高鐵4萬(wàn)km),運(yùn)營(yíng)隧道1.7萬(wàn)座,約2萬(wàn)km,隧道數(shù)量和長(zhǎng)度均居世界首位。受地質(zhì)、環(huán)境、氣候以及反復(fù)載荷影響,隨著服役時(shí)間的增加,運(yùn)營(yíng)隧道的結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)產(chǎn)生漏水、裂紋、空洞等病害。一旦隧道內(nèi)壁的質(zhì)量問(wèn)題超出了允許的界限,隧道將無(wú)法繼續(xù)服役[1-3]。為延長(zhǎng)隧道使用壽命,必須對(duì)其進(jìn)行病害整治或改造。另外,為加快區(qū)域互通互聯(lián),對(duì)既有鐵路隧道提速的需求激增,隧道的缺陷隱患成為阻礙提速的主要因素,同時(shí)對(duì)既有線路的改造提質(zhì)也提出需求[4-5]。

李佳翰等[6]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的266座隧道工程病害資料進(jìn)行整理與分析得出,隧道工程病害82%以上是由于襯砌開(kāi)裂造成的。運(yùn)營(yíng)鐵路隧道作業(yè)時(shí)間為運(yùn)營(yíng)天窗點(diǎn),極為有限,大型持續(xù)性施工如何高效開(kāi)展一直是一個(gè)難題。馬偉斌等[7]、高菊如等[8]、肖志波[9]、劉建豐[10]對(duì)病害整治施工技術(shù)進(jìn)行了研究。遲學(xué)新[11]、李秀新[12]、胡慶龍等[13]對(duì)套襯加固施工技術(shù)進(jìn)行了研究,認(rèn)為套襯施工對(duì)隧道影響較小,且可利用天窗點(diǎn)作業(yè),不中斷運(yùn)營(yíng)線路。張龍等[14]對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道維護(hù)的關(guān)鍵工序設(shè)備研制及施工工藝進(jìn)行了研究,提出了“關(guān)鍵工序機(jī)械化+人工輔助”施工模式,推進(jìn)了隧道病害整治領(lǐng)域全工序人工作業(yè)向關(guān)鍵工序機(jī)械作業(yè)轉(zhuǎn)變的進(jìn)程。綜合分析目前的套襯施工,主要依賴人工站立于簡(jiǎn)易臺(tái)架上作業(yè),費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在當(dāng)前的高鐵運(yùn)營(yíng)背景下,傳統(tǒng)低效率和高風(fēng)險(xiǎn)的人工作業(yè)方式已難以適應(yīng)隧道病害整治需要,亟需針對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道病害整治關(guān)鍵工序研制成套機(jī)械作業(yè)設(shè)備,以提高運(yùn)營(yíng)隧道病害綜合整治效率、質(zhì)量和作業(yè)安全性。

鑒于此,本文以2014年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的某高速鐵路為依托,在充分調(diào)研隧道套襯人工施工的基礎(chǔ)上,分析其中存在的安全性差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、施工質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題,提出成套裝備的技術(shù)方案,研制出首臺(tái)樣機(jī);并結(jié)合套襯施工方法,根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)形成施工流程及施工組織,在某隧道病害整治工程點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證,提高了施工工效。

1 概況

1.1 工程概況

某高速鐵路正線全長(zhǎng)857 km,隧線比56.8%,設(shè)計(jì)速度250 km/h,運(yùn)行速度250 km/h,基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留了進(jìn)一步提速條件。經(jīng)全面排查驗(yàn)證及統(tǒng)計(jì),隧道內(nèi)主要病害體現(xiàn)在二次襯砌處的裂隙、漏水、空洞、保護(hù)層厚度不足、鋼筋外漏、襯砌不密實(shí)等方面。經(jīng)設(shè)計(jì)論證,病害整治主要采用套襯工法施工,套襯厚度為20～30 cm,以25 cm為主,套襯完成后凈空不侵限,滿足提速條件。

1.2 人工套襯施工概況

現(xiàn)場(chǎng)采用人工套襯施工,在既有襯砌表面鑿毛設(shè)接茬鋼筋布置雙層鋼筋后,采用吊模澆筑混凝土,設(shè)計(jì)采用厚25 cm的C35混凝土套襯。

人工套襯施工主要包括16道工序:施工準(zhǔn)備、既有設(shè)備改移及防護(hù)、混凝土鑿除及鑿毛、釬釘、邊墻鎖腳錨桿、鋼筋綁扎焊接、模板安裝及澆筑混凝土、模板拆除、混凝土養(yǎng)護(hù)、斷面測(cè)量、套襯背后注漿填充、涂刷水泥基滲透結(jié)晶材料、恢復(fù)管線、施工設(shè)備清場(chǎng)、高壓水槍除塵清洗、驗(yàn)收。施工工藝復(fù)雜、工序繁瑣、施工效率低、安全性差。人工套襯施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

(a)

1.3 機(jī)械化套襯施工設(shè)備需求

經(jīng)調(diào)研,運(yùn)營(yíng)高鐵隧道病害整治對(duì)設(shè)備總的需求為:安全可靠、技術(shù)可行、便于施工、綜合整治、不產(chǎn)生新隱患。

1)高速鐵路接觸網(wǎng)[11]是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路,其由接觸懸掛、支撐裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)等部分組成。鑒于高壓電的危險(xiǎn)性以及其對(duì)高鐵線路正常運(yùn)營(yíng)的重要性,在施工中應(yīng)避免接觸和損害,設(shè)備作業(yè)時(shí)避障要求嚴(yán)格。接觸網(wǎng)線及既有管線現(xiàn)場(chǎng)懸掛位置如圖2所示。

(a) 接觸網(wǎng)線懸掛圖

2)施工報(bào)批時(shí)間均在運(yùn)營(yíng)天窗點(diǎn),通常為6 h。由于天窗期具有非連續(xù)性、單位工時(shí)短的特點(diǎn),施工裝備需要有能快速展開(kāi)和收回的能力,并且在異常情況下也能及時(shí)收回,確保及時(shí)撤場(chǎng)。

3)施工設(shè)備應(yīng)適用于250～350 km/h高速鐵路、200 km/h客貨共線鐵路雙線隧道斷面,同時(shí)可拓展至200 km/h以下鐵路單雙隧道斷面。要求設(shè)備有足夠大的行程、覆蓋面和穩(wěn)定性,滿足單洞單線和單洞雙線斷面隧道一次駐車約6 m范圍的套襯作業(yè)。

4)施工設(shè)備需適應(yīng)鐵路段外軌最大超高175 mm/6°、30‰的線路縱坡和最小曲率半徑的施工要求。

5)鐵路隧道內(nèi)掛載有許多必要的線路設(shè)施,為了避免干涉造成事故,通行的設(shè)備需滿足GB 146.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界 第1部分:機(jī)車車輛限界》規(guī)范要求,以限界作為制約施工設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的最大輪廓尺寸。機(jī)車車輛限界如圖3所示。

圖3 機(jī)車車輛限界(單位:mm)

6)功能需求包括:鑿毛功能;管線改移、釬釘植入、掛網(wǎng)、模板安裝等所需的作業(yè)平臺(tái);混凝土實(shí)時(shí)制備及泵送功能、全輪廓面注漿功能;隧道通風(fēng)功能;物料吊運(yùn)及存儲(chǔ)功能。

7)以鐵路局現(xiàn)有牽引機(jī)車和NX70軌道平板車為載體。

2 套襯施工機(jī)械化配套研究

在制約條件下,根據(jù)施工需求形成的設(shè)備功能模塊包括:混凝土鑿毛車、作業(yè)平臺(tái)車、混凝土制備車、混凝土布料車、通風(fēng)工具車。施工裝備編組列車示意如圖4所示。

圖4 施工裝備編組列車示意圖

施工裝備編組列車采用分布式動(dòng)力配置,根據(jù)實(shí)際施工有2種編組方案:1)整列長(zhǎng)編組,適用于長(zhǎng)距離集中作業(yè); 2)拆分成多列短編組,適用于短距離多點(diǎn)分布作業(yè)。推薦采用2組短編組,一組作為作業(yè)平臺(tái)及機(jī)械化鑿毛模塊,另一組作為混凝土制備、泵送、澆筑模塊。短編組1由牽引車、混凝土鑿毛車、作業(yè)平臺(tái)車、通風(fēng)工具車組成,主要完成鑿毛作業(yè)、物料轉(zhuǎn)運(yùn)、接觸網(wǎng)防護(hù)、管線改移、鋼筋綁扎、模板安裝等;短編組2由牽引車、混凝土制備車、混凝土布料車、通風(fēng)工具車組成,主要完成混凝土制備、泵送、澆筑等。各系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 各系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 混凝土鑿毛系統(tǒng)

此系統(tǒng)具有混凝土鑿毛、物料存儲(chǔ)及吊運(yùn)功能。通過(guò)小車滑移與臂架回轉(zhuǎn)伸縮實(shí)現(xiàn)雙線鐵路隧道6 m套襯的覆蓋。

鑿毛模塊采取主要區(qū)域鑿毛機(jī)械化,搭配頂部接觸網(wǎng)復(fù)雜區(qū)域人工站立在作業(yè)平臺(tái)上處理的模式。通過(guò)鑿毛路徑規(guī)劃設(shè)置傳感器限制臂架俯仰角度,避免接觸和損害接觸網(wǎng),確保施工安全。機(jī)械化鑿毛示意如圖5所示。

(a) 臨近側(cè)

物料運(yùn)輸及鑿毛廢渣通過(guò)可拆卸物料箱轉(zhuǎn)運(yùn)。作業(yè)前,吊機(jī)將物料箱吊下,鑿毛臂在軌道滑移進(jìn)行鑿毛作業(yè),鑿毛作業(yè)結(jié)束后將產(chǎn)生的廢渣回收放置到可拆卸物料箱內(nèi),通過(guò)吊機(jī)將物料箱吊裝復(fù)位。釬釘作業(yè)工序和模板安裝工序主要涉及鋼筋、釬釘、鋼制模板等材料的轉(zhuǎn)運(yùn),也通過(guò)吊機(jī)直接將物料從物料箱內(nèi)吊出,然后吊運(yùn)到工作平臺(tái)車上,作業(yè)人員站立于作業(yè)平臺(tái)上進(jìn)行作業(yè)。物料吊運(yùn)示意如圖6所示。

圖6 物料吊運(yùn)示意圖

2.2 作業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)

作業(yè)平臺(tái)模塊在整個(gè)套襯施工中占據(jù)重要地位,作業(yè)人員在平臺(tái)上可以完成接觸網(wǎng)線防護(hù)、頂部人工鑿毛、釬釘植入、鋼筋綁扎、鋼制模板安裝與拆除、涂防水基料等。作業(yè)平臺(tái)車主要結(jié)構(gòu)有搭載平板車的副車架、用于調(diào)平的調(diào)平車架、支腿支撐系統(tǒng)、雙回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、2個(gè)上裝平臺(tái)總成以及動(dòng)力控制系統(tǒng)。運(yùn)輸時(shí)固定在限界范圍內(nèi),到達(dá)作業(yè)點(diǎn)后通過(guò)雙回轉(zhuǎn)伸縮平臺(tái)展開(kāi),疊加剪叉升降平臺(tái)的升降滑移獲取全輪廓作業(yè)面可覆蓋的工位。作業(yè)平臺(tái)車如圖7所示。

圖7 作業(yè)平臺(tái)車

當(dāng)處于轉(zhuǎn)彎處外軌超高工況時(shí),通過(guò)兩側(cè)調(diào)平油缸伸縮調(diào)平后打開(kāi)機(jī)械支撐系統(tǒng)。通過(guò)雙系統(tǒng)聯(lián)合作用完成調(diào)平,既能保障作業(yè)臺(tái)面水平,又能避免液壓系統(tǒng)失效引起的事故。作業(yè)平臺(tái)調(diào)平效果如圖8所示。

圖8 作業(yè)平臺(tái)調(diào)平效果

完成調(diào)平后,再逐步進(jìn)行作業(yè)平臺(tái)支撐與展開(kāi),展開(kāi)時(shí)關(guān)注接觸網(wǎng)線的位置,通過(guò)2組中間固定升降+4組可滑移升降平臺(tái)有效避讓頂部接觸網(wǎng)線。作業(yè)平臺(tái)車展開(kāi)作業(yè)狀態(tài)示意如圖9所示。

圖9 作業(yè)平臺(tái)車展開(kāi)作業(yè)狀態(tài)示意圖

2.3 混凝土實(shí)時(shí)制備、泵送、澆筑系統(tǒng)

混凝土實(shí)時(shí)制備、泵送、澆筑模塊分2節(jié)車實(shí)現(xiàn),制備車通過(guò)吊機(jī)在洞外完成上料;到達(dá)作業(yè)點(diǎn)后,制備站將存儲(chǔ)箱內(nèi)的骨料等按配比制漿并泵送至布料車;通過(guò)布料車多自由度動(dòng)作實(shí)現(xiàn)雙線鐵路隧道6 m套襯作業(yè)范圍的注漿。另外,布料車也可用于高空作業(yè)。

布料時(shí)通過(guò)小車滑移,臂架回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、滑移,復(fù)合吊籃的升降擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)注漿輪廓面的覆蓋,同時(shí)有效避免臂架動(dòng)作過(guò)程中觸碰接觸網(wǎng)?；炷敛剂鲜疽馊鐖D10所示。

圖10 混凝土布料示意圖

2.4 通風(fēng)工具車系統(tǒng)

深長(zhǎng)隧道作業(yè)對(duì)通風(fēng)要求較高,隧道通風(fēng)工具車主要實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)通風(fēng)、提供集裝工具箱應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況,以及提供物料存儲(chǔ)箱為編組物料的轉(zhuǎn)運(yùn)提供條件。

3 套襯機(jī)械化施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 裝備配套與套襯施工工序

套襯施工首先在既有襯砌表面鑿毛,設(shè)接茬鋼筋,布置雙層鋼筋,然后采用吊模澆筑混凝土,常設(shè)計(jì)厚25 cm的C35混凝土套襯。套襯施工工序如圖11所示。

圖11 套襯施工工序

區(qū)間病害點(diǎn)呈現(xiàn)多點(diǎn)分布特征,采用短編組模式分布作業(yè),編組1是作業(yè)平臺(tái)及鑿毛模塊,編組2是混凝土制備、泵送、澆筑模塊。其中,編組2主要用于混凝土制備、泵送、澆筑工序作業(yè),編組1用于其余工序作業(yè)。

3.2 施工組織

可供施工的時(shí)間短、空間窄,需立體交叉作業(yè),天窗作業(yè)時(shí)間除去來(lái)回途中、作業(yè)準(zhǔn)備、收車點(diǎn)檢,實(shí)際作業(yè)時(shí)間在3 h左右,合理進(jìn)行施工組織是確保高質(zhì)量、高效率、安全施工的關(guān)鍵。施工組織遵循的原則如下:

1)安全第一。減小施工對(duì)運(yùn)營(yíng)線的影響,確保既有線行車安全及現(xiàn)場(chǎng)既有設(shè)備設(shè)施的安全。

2)施工質(zhì)量。綜合治理、標(biāo)本兼治,不產(chǎn)生新隱患。

3)確保工期。合理安排進(jìn)度,設(shè)計(jì)好工序銜接,進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)控,確保實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)。

4)科學(xué)配置。科學(xué)安排進(jìn)場(chǎng)設(shè)備編組、機(jī)具物料、施工管理人員及作業(yè)人員。

套襯施工資源配置如表2所示。

表2 套襯施工資源配置

以某工點(diǎn)套襯整治的機(jī)械化施工為例,根據(jù)報(bào)批通過(guò)的天窗點(diǎn)施工計(jì)劃,1個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)大概的施工時(shí)間為:自21:00開(kāi)始準(zhǔn)備進(jìn)洞,至次日5:00完成出洞。依次進(jìn)行:1)設(shè)備運(yùn)輸安全復(fù)檢; 2)班前會(huì)議,安全教育,清點(diǎn)攜帶的工具、隨車人員; 3)上車等待; 4)工區(qū)內(nèi)啟動(dòng)車輛至工區(qū)與車站之間的門后停留等待; 5)工區(qū)至車站,等待出發(fā)調(diào)度命令; 6)一般23:05從車站出發(fā)前往工點(diǎn); 7) 安全員下車指揮停車(病害整治點(diǎn)距離工區(qū)的遠(yuǎn)近會(huì)對(duì)時(shí)間有影響),編組列車進(jìn)場(chǎng)如圖12所示; 8)作業(yè)人員下車就位,取工具,完成地面、軌道防護(hù),燈具布置等準(zhǔn)備工作; 9)列車解綁,限位解除; 10)根據(jù)所處工序采用相應(yīng)設(shè)備開(kāi)始作業(yè),作業(yè)到2:40,各模塊現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖13所示; 11)開(kāi)始出洞行車流程,回收,清點(diǎn),進(jìn)行運(yùn)輸安全檢查; 12)上車,并等待發(fā)車; 13)約3:00出發(fā)返回至車站; 14)在車站等待調(diào)車指令,然后返回至維修工區(qū); 15)下車,并將安全帽、反光背心等放回倉(cāng)庫(kù),結(jié)束1個(gè)天窗點(diǎn)的作業(yè)。

圖12 編組列車進(jìn)場(chǎng)

(a) 拱頂鑿毛作業(yè)

3.3 施工工效分析

成套設(shè)備于2023年4月入場(chǎng),應(yīng)用至2023年7月全線工程結(jié)束,共進(jìn)行了約15處病害點(diǎn)套襯施工,每處病害長(zhǎng)度為2～6 m。設(shè)備作業(yè)時(shí),作業(yè)人員≤16人,對(duì)比人工作業(yè),設(shè)備作業(yè)人員減少一半以上,施工工效提升2倍以上。套襯機(jī)械化施工與人工作業(yè)人員數(shù)量對(duì)比如表3所示。套襯機(jī)械化施工與人工作業(yè)工效對(duì)比如表4所示。

表3 套襯機(jī)械化施工與人工作業(yè)人員數(shù)量對(duì)比

表4 套襯機(jī)械化施工與人工作業(yè)工效對(duì)比

設(shè)備套襯施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些需要解決的問(wèn)題以及可提升的地方:

1)鑿毛工序中鑿毛深度、速度等依賴操作手的水平,施工自動(dòng)化、智能化水平仍需提高。

2)頂部復(fù)雜區(qū)域處理,如拱頂鑿毛、釬釘作業(yè)等工序,設(shè)備依然是只能提供作業(yè)平臺(tái),只能減少臺(tái)架搭建工序,而不能做到減輕具體作業(yè)工序的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)故障診斷與反饋處理系統(tǒng)欠缺,設(shè)備穩(wěn)定性及故障處理及時(shí)性需進(jìn)一步提高。

套襯施工經(jīng)濟(jì)性主要影響因素為人、機(jī)、料、工效。經(jīng)統(tǒng)計(jì),相比傳統(tǒng)“人工+簡(jiǎn)單機(jī)具+作業(yè)臺(tái)架”模式,機(jī)械化施工在減人增效方面表現(xiàn)突出,在物料使用方面實(shí)現(xiàn)了從倒運(yùn)商品混凝土到實(shí)時(shí)制備、澆筑的轉(zhuǎn)變;但是大型機(jī)械配套一次性投入大,是考察施工經(jīng)濟(jì)性的重大指標(biāo)。

4 應(yīng)急解決方案

完成天窗點(diǎn)內(nèi)套襯施工撤場(chǎng)后,緊接著是鐵路的正常運(yùn)營(yíng)時(shí)間,設(shè)備的安全回收撤場(chǎng)對(duì)鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要,否則將可能造成鐵路被迫停運(yùn)的嚴(yán)重后果。施工裝備的應(yīng)急回收預(yù)案涉及結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng),通風(fēng)工具車集裝工具箱配備的應(yīng)急維修工具及配件應(yīng)滿足應(yīng)急預(yù)案需求,保證應(yīng)急回收的可靠性。各系統(tǒng)應(yīng)急解決方案如表5所示。

表5 各系統(tǒng)應(yīng)急解決方案

5 結(jié)論與展望

1)通過(guò)機(jī)械化套襯施工設(shè)備的研究與應(yīng)用形成了成套設(shè)備及配套方案、施工組織、配套施工工法,提高了施工質(zhì)量與施工安全性,作業(yè)人員減少一半以上,工效提升2倍以上。

2)將各模塊應(yīng)急預(yù)案詳細(xì)到各模塊子系統(tǒng)的具體問(wèn)題,并形成列表及相應(yīng)的處理清單,在應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況時(shí),一步式處理故障,避免對(duì)天窗點(diǎn)后的鐵路運(yùn)營(yíng)造成影響。

3)成套設(shè)備施工仍處于前期探索階段,隨著設(shè)備、工法、作業(yè)人員適配度的提高,施工調(diào)度協(xié)同程度提高,施工工效也將逐步提高;進(jìn)一步研究故障檢測(cè)與反饋控制技術(shù),可提升成套設(shè)備應(yīng)用的可靠性及故障預(yù)處理的及時(shí)性;拱頂復(fù)雜區(qū)域處理是施工難題,也是進(jìn)一步提升設(shè)備應(yīng)用效果的重點(diǎn)。

4)經(jīng)濟(jì)性是影響設(shè)備應(yīng)用推廣的重要指標(biāo),雖然設(shè)備在減人增效方面成果顯著,但一次性投入大。下一階段將深化研究增強(qiáng)減人增效優(yōu)勢(shì)、削弱成本劣勢(shì)。隨著設(shè)備在不同工程、多處隧道的應(yīng)用推廣,將深入開(kāi)展施工綜合工效分析、經(jīng)濟(jì)性分析,以不斷提高施工裝備綜合工效與施工經(jīng)濟(jì)性。