文章以G72泉南高速公路桂柳段改擴(kuò)建項目4標(biāo)大端隧道擴(kuò)建左洞為工程背景，介紹了一種自行式多功能環(huán)向切割臺車在擴(kuò)建隧道襯砌混凝土全自動拆除中的工作原理與施工工藝。該臺車創(chuàng)新設(shè)計將液壓墻鋸機(jī)安裝在臺車環(huán)向軌道，具備自行行走、橫移、升降、二襯鋼筋混凝土環(huán)向自動切割、污水收集集中排放處理、支撐臨時拱架整體移動等功能，以實現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動化減人、智能化提效”理念。經(jīng)與傳統(tǒng)鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法對比，該臺車自動化程度高、安全穩(wěn)固、操作簡單，顯著提高了施工效率。

隧道擴(kuò)洞；自行式多功能環(huán)向切割臺車；襯砌混凝土拆除

U455.3A581893

作者簡介：

唐" 明（1990—），工程師，研究方向：公路工程安全技術(shù)管理。

0" 引言

在交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，部分地區(qū)的公路運(yùn)營能力與當(dāng)前實際發(fā)展?fàn)顩r之間存在著較大的差距，無法滿足社會的需求。為了解決這一問題，原有道路改擴(kuò)建成為了一項重要的工程。然而，改擴(kuò)建工程中的隧道擴(kuò)建成為重難點工程，隧道擴(kuò)建中最突出的是襯砌混凝土的拆除問題。襯砌混凝土的拆除是隧道擴(kuò)建工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量和效率直接影響到整個隧道的建設(shè)進(jìn)度和安全性能。因此，尋求一種高效、精準(zhǔn)、安全的襯砌混凝土拆除解決方案成為了當(dāng)務(wù)之急。

與此同時，隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)和新設(shè)備被應(yīng)用于隧道建設(shè)中。其中，自行式多功能環(huán)向切割臺車是由湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司自主設(shè)計研發(fā)的一種高效、精準(zhǔn)、安全的工程拆除設(shè)備。該設(shè)備在桂柳段改擴(kuò)建工程第四合同段大端隧道擴(kuò)建左洞襯砌混凝土拆除中取得了良好的成效。因此，本文將詳細(xì)介紹自行式多功能環(huán)向切割臺車的工作原理及在擴(kuò)建隧道襯砌混凝土全自動拆除中的施工工藝，旨在為類似隧道擴(kuò)洞建設(shè)提供一種高效、精準(zhǔn)、安全的襯砌混凝土拆除解決方案，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供有價值的參考和借鑒，促進(jìn)隧道建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

1" 工程概況

G72泉南高速公路桂柳段改擴(kuò)建項目4標(biāo)大端隧道擴(kuò)建工程ZK線設(shè)計起訖里程樁號為ZK1194+800～ZK1195+255，長455 m（包括Ⅴ級圍巖225 m及Ⅳ級圍巖230 m），凈空為（寬×高）11×5 m，設(shè)計最大埋深為86 m。原隧道采用傳統(tǒng)的礦山法施工，且已建成通車25年。隧址區(qū)屬剝蝕侵蝕丘陵地貌，所穿越山體為單斜構(gòu)造，局部有小型褶曲，巖體破碎，存在松弛層，開挖后易坍落，施工技術(shù)難度大。新擴(kuò)建隧道需要在原礦山法施工的基礎(chǔ)上，實施新奧法施工［1］，之前沒有相應(yīng)的施工經(jīng)驗及技術(shù)裝備供借鑒，系廣西首座進(jìn)行全長擴(kuò)建的隧道。

2" 研發(fā)背景

2.1" 傳統(tǒng)工藝的局限性

隧道擴(kuò)洞技術(shù)運(yùn)用中最重要的工序在于原有襯砌混凝土的拆除作業(yè)［2］，其受制于原有隧道建成后長期運(yùn)營期間應(yīng)力分布及地質(zhì)環(huán)境改變導(dǎo)致的不確定因素，而隧道擴(kuò)建通過拆除及新建襯砌重布隧道受力，施工安全性風(fēng)險增大。在傳統(tǒng)的隧道建設(shè)中，襯砌混凝土的拆除方法主要包括鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法等。這些方法在實施過程中存在較大的局限性，具體包括以下幾個方面。

（1）拆除效率低下。傳統(tǒng)的墻鋸或繩鋸切割法在室外建筑拆除能達(dá)到30～50 m3/h的混凝土破除，但在隧道的有限空間內(nèi)僅能達(dá)到1.2～2 m3/h的混凝土破除，拆除效率極低，拆除一個循環(huán)的襯砌混凝土需要耗費(fèi)較長的時間和人力，而鉆爆法拆除受到每日循環(huán)次數(shù)限制，一天僅能完成2次循環(huán)作業(yè)，影響了整個隧道建設(shè)的進(jìn)度［3］。

（2）安全風(fēng)險較大。傳統(tǒng)拆除方法在實施過程中需要施工人員及機(jī)械至掌子面操作，如進(jìn)行墻鋸操作時，需要施工人員近距離接觸拆除區(qū)域，施工人員容易受到飛濺的混凝土碎片和頂部墜塊物的傷害，而鉆爆法產(chǎn)生的振動和聲噪，將直接對上部巖層及原有隧道結(jié)構(gòu)造成擾動，施工過程有引起巖層松動、掉塊的風(fēng)險，危及施工人員的生命安全。

（3）拆除精度難以保證。傳統(tǒng)拆除方法在拆除襯砌混凝土?xí)r，智能化程度低，絕大部分都取決于操作人員自身的技能和經(jīng)驗，很難保證操作水平的一致性，也無法保證拆除精度的一致性，容易造成超欠挖情況，影響施工質(zhì)量。

（4）適用范圍受限。傳統(tǒng)拆除方法在某些特殊情況下可能無法適用，例如隧道內(nèi)的狹窄空間或者需要拆除的混凝土結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，部分機(jī)械無法旋轉(zhuǎn)、調(diào)頭，操作人員無操作面或操作難度較大，不能勝任拆除作業(yè)。

2.2" 機(jī)械研發(fā)

鑒于傳統(tǒng)拆除工藝的局限性，大端擴(kuò)建隧道須拆除原有襯砌結(jié)構(gòu)后擴(kuò)挖施工，若采用機(jī)械直接破除的方式，安全隱患過大。而采用普通切割工藝一樣存在較大風(fēng)險，切割行業(yè)本身就是安全事故頻發(fā)的高危行業(yè)，深層次的原因在于混凝土里夾雜著鋼筋，在切割至不同介質(zhì)的界面時切縫會產(chǎn)生變形，隨時有卡鋸斷鋸的危險，一旦失控，設(shè)備瞬間嚴(yán)重過載，造成不可估量的破壞力。因此，為了突破傳統(tǒng)拆除方法的局限性，解決隧道襯砌拆除的痛難點問題，由湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司研發(fā)的用于高效、精準(zhǔn)、安全地拆除隧道襯砌的自行式多功能環(huán)向切割臺車應(yīng)運(yùn)而生。

自行式多功能環(huán)向切割臺車在隧道擴(kuò)洞施工中的應(yīng)用/唐" 明

3" 工作原理

自行式多功能環(huán)向切割臺車（圖1）作為隧道擴(kuò)建施工的關(guān)鍵裝備和技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計將液壓墻鋸機(jī)安裝在臺車環(huán)向軌道，具備自行行走、橫移、升降、二襯鋼筋混凝土環(huán)向自動切割、污水收集集中排放處理、支撐臨時拱架整體移動等功能，以實現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動化減人、智能化提效”的理念。

3.1" 工字鋼門架系統(tǒng)

臺車門架長4.7 m，全工字鋼設(shè)計工3榀，由門架橫梁、上下縱梁、門架立柱、剪刀架斜角支撐、上部臺架、門架立柱連接梁等部件組成。架體頂部搭設(shè)有操作平臺以及由六道環(huán)向連系梁支撐的工字鋼支撐軌道，門架所有荷載可傳遞至行走輪上的枕梁之上。4個角門架立柱下端裝有液壓頂升裝置，可達(dá)到臺車整體上部結(jié)構(gòu)的立向頂升，便于定位安裝，在增加安全性的同時提高操作效率。門架的各個部件及分系統(tǒng)均通過螺栓與整體骨架連為一體，實現(xiàn)了各功能系統(tǒng)的自由組裝與拆除，具有極強(qiáng)的功能適配性，滿足各項施工使用需求。

3.2" 智能切割系統(tǒng)

臺車智能切割系統(tǒng)采用沃鵬VOPEN V7-W307液壓墻鋸機(jī)，將墻鋸機(jī)安裝在臺車環(huán)向軌道，可根據(jù)襯砌厚度人工更換墻鋸片，利用液壓行走將切割刀片升至二襯表面后在智能領(lǐng)航的功能下能自主完成環(huán)向切割。切割系統(tǒng)引進(jìn)創(chuàng)新的智能離合器，可實現(xiàn)自動巡航功能。內(nèi)置智能離合、外置可調(diào)操控器，切割工作時可根據(jù)施工情況，在機(jī)器外部快速調(diào)整需要的扭力值，卸掉所有過載荷峰值，此時靈敏的驅(qū)動器就不會過載停機(jī)保護(hù)（俗稱電子離合）而終止巡航，使毫秒級的程序控制系統(tǒng)及時調(diào)整切割參數(shù)，讓巡航繼續(xù)，給自動巡航創(chuàng)造時間和空間，也讓穩(wěn)定性高的自動巡航成為現(xiàn)實，剛?cè)岵?jì)以達(dá)到循序漸進(jìn)安全高效的切割效果。目前操作切割環(huán)向一道縫的時間為50 min，縫長25 m，縫深30～40 cm。

3.3" 污水收集系統(tǒng)

臺車在環(huán)向工字鋼支撐軌道下部用4榀槽鋼設(shè)置有污水接洽用的流水槽，流水槽下部設(shè)置兩個污水收集裝置，切割施工過程中產(chǎn)生的泥漿、污水、棄渣等。流水槽采用Q235材質(zhì)的槽鋼和角鋼制作，采用止水帶和橡膠圈進(jìn)行止水，流水槽的坡度與臺車結(jié)構(gòu)接洽，以便于排除污水。槽鋼及污水收集裝置表面噴涂灰色高強(qiáng)度氟碳涂料漆膜，涂層厚度為20 μm，漆膜具有優(yōu)異的耐候性、自潔性和防腐蝕性，有效延長了污水收集系統(tǒng)的使用壽命。在流水槽的側(cè)面和底部，均安裝有不銹鋼導(dǎo)流板，導(dǎo)流板可以有效地引導(dǎo)污水流向出水口，防止泥漿沉淀堵塞出水口，保證了污水收集系統(tǒng)的排水能力。

3.4" 行走系統(tǒng)

臺車配備液壓系統(tǒng)，行走方式為輪胎式自動行走，最大升降量為600 mm，最大平移量為200 mm，各有4個油缸控制平移及升降。行走系統(tǒng)配備了防傾翻裝置，確保在隧道內(nèi)的安全運(yùn)行。同時還配備有多種驅(qū)動模式，可以根據(jù)不同的施工需求進(jìn)行選擇，如快速升降、慢速平移等，以滿足切割作業(yè)的不同要求。此外，臺車還配備了遠(yuǎn)程控制盒，可實現(xiàn)無線遙控操作，方便在危險區(qū)域或難以接近的地方進(jìn)行控制。整個行走系統(tǒng)設(shè)計精良，性能穩(wěn)定，能夠滿足各種隧道施工需求，為隧道切割工作帶來更大的便利和安全保障。行走系統(tǒng)配備高度的自動化和智能化，能夠為隧道切割工作提供高效、安全、可靠的解決方案。

4" 施工要點

4.1" 超前支護(hù)，臨時護(hù)拱

隧道二襯拆除作業(yè)前要提前做好超前導(dǎo)管注漿、臨時噴漿等加固措施，對原有隧道可能存在的松動、空腔等病害進(jìn)行加固處理［4］，確保達(dá)到切割作業(yè)使用要求。然后利用多功能環(huán)向切割臺車按照5 m×0.6 m作業(yè)區(qū)作業(yè)，整體拱架間隔3 m施作臨時護(hù)拱，通過臺車配備的液壓系統(tǒng)控制平移及升降，自動行走至施工位置，將臨時護(hù)拱的拱架整體頂升，進(jìn)行定位安裝，最大限度貼合原結(jié)構(gòu)洞壁。貼合到位后在每個護(hù)拱拱腳焊接撐腿，使整體穩(wěn)固并起到良好的支護(hù)作用。

4.2" 墻鋸切割，循環(huán)作業(yè)

臺車完成臨時護(hù)拱支護(hù)后，行走至裝配區(qū)，將液壓墻鋸機(jī)安裝固定在切割臺車環(huán)向軌道上，通過行走系統(tǒng)移動至做好超前支護(hù)的切割作業(yè)區(qū)，開啟全自動鋸縫施工。

全自動鋸縫施工中鋸縫分兩道進(jìn)行，第一道沿老隧道面環(huán)切切割，第二道縱向側(cè)沿上下臺階分界線縱向鋸縫，鋸縫深度控制在50 cm，按照洞壁鋸縫至洞頂鋸縫的順序完成一個單作業(yè)區(qū)循環(huán)切割作業(yè)。每次單作業(yè)區(qū)循環(huán)切割作業(yè)會造成少量泥漿及鋸末濺落，需要現(xiàn)場及時進(jìn)行簡單的沖洗，避免泥漿沉積，使得地面易滑，形成隱患。范圍完成切割后，臺車向前進(jìn)行下一組鋸縫施工，每次縱向長度為3 m，循環(huán)作業(yè)。施工流程如圖2所示。

5" 比較優(yōu)勢

隧道擴(kuò)建二襯拆除采用自行式多功能環(huán)向切割臺車施工與傳統(tǒng)的鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法對比，其自動化程度高、安全穩(wěn)固、操作簡單能顯著提高施工效率。對比分析如表1所示。

6" 結(jié)語

本文主要介紹了自行式多功能環(huán)向切割臺車在隧道施工中的應(yīng)用和工作原理。該臺車首次應(yīng)用于大端隧道擴(kuò)洞工程，并在7個月的時間內(nèi)完成了左洞擴(kuò)洞全過程施工，是廣西首例全斷面隧道改擴(kuò)建工程。臺車實現(xiàn)了隧道擴(kuò)建環(huán)切工作要求，具有高度自動化和智能化特點，且操作簡單，在機(jī)械化換人、智能化減人、施工安全性、運(yùn)行效率等方面有顯著提升。臺車的運(yùn)用減少了勞動力的消耗，提高了工效，加快了施工進(jìn)度，具有實踐指導(dǎo)性。此外，該臺車的驅(qū)動器、電機(jī)、控制系統(tǒng)可以100%兼容繩鋸機(jī)墻鋸機(jī)動力驅(qū)動，可拓展兼容控制其他工程機(jī)械，具有推廣價值。對于類似工程的施工，該臺車的使用具有一定的借鑒意義。

［1］馮忠華.高速公路隧道新奧法施工應(yīng)用［J］.交通世界，2012（11）：282-283.

［2］黃建波.隧道擴(kuò)洞施工技術(shù)［J］.城市建設(shè)旬刊，2011，000（2）：274-276.

［3］顧晶彪.公路隧道不同鉆爆法對施工進(jìn)度的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

［4］張立柱.高速公路隧道施工中的超前支護(hù)技術(shù)［J］.交通世界，2021（25）：51-52.

20240129