新型隧道防水卷材铺设装置的研制

张少华，赵 华，卓 越

(1.中铁隧道装备制造有限公司，郑州 451000;2.中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

在现代隧道防水工程中，复合衬砌防水技术得到了普遍应用。其施工过程中需要在隧道断面上先铺设土工布和防水板等防水材料，以达到防止隧道内渗漏水的目的。文献［1－6］主要介绍了防水施工技术，重点介绍了防水卷材的铺设工艺，即采用传统的脚手架人工棍棒托顶施工，但此种施工方法劳动强度大、铺设效率低、搭接尺寸误差大，难以满足施工进度和施工质量的要求。围绕这些问题，国内外的研究方向多集中于对铺设机具的研究和铺设材料及工艺的革新。目前，在日本和一些西方国家中，新的铺设材料、工艺及铺设机具在隧道防水施工中已得到一定程度地推广应用。国外虽有类似的防水卷材铺设机具，但在国内由于隧道施工工法、防水卷材铺设工艺及防水材料的不同也不利于推广应用。基于各种原因隧道防水卷材铺设装置的研究近乎空白，为此，在传统衬砌台车的基础上研制了新型隧道防水卷材铺设装置，用于隧道施工中防水卷材的铺设和支撑。

1 隧道防水铺设施工现状及存在问题

隧道防水卷材的铺设包含土工布和防水板的铺设，其中以防水板的铺设施工为关键环节。防水板铺设施工处于初期支护基础工序之后，二次衬砌之前，初期支护尽管不属于防排水系统施工范畴，但它们与防排水系统施工密切相关，初期支护表面平顺(指表面凹凸部分的矢高/弦长≤1/6)时，就可减去挂防水板前局部找平这一环节，且能保证防水板与喷射混凝土表面密贴，同时射钉之间防水板松弛量的预留易得到合理控制。

以沪昆铁路梨子坪隧道项目为例，防水板施工采用无钉铺设工艺。施工采用传统的简易工作架人工进行铺设，一般6～8人/组，3～4 h施工1个幅宽循环(宽度3m含土工布铺设固定及防水板的铺设焊接)，2幅防水板的搭接使用自动爬行焊机进行焊接。

施工时，首先用装载机移动简易工作架至合适位置，如图1所示。

人工进行防水板铺设施工关键工序可分为铺设—支撑—焊接。各工序作业人员劳动强度大(见图2)，铺设速度慢，防水板铺设质量主要依赖于工人的技术水平，随意性大，防水板铺设质量受到影响从而影响衬砌的质量，造成隧道渗、漏水等病害，缩短隧道的使用寿命。

基于以上因素，进行防水卷材铺设装置的研究是提高隧道机械化施工技术水平的有效途径。

2 新型防水卷材铺设装置的工作原理

自动行走的铺设作业台车上设置有与隧道断面相似的仿轮廓面铺设轨道，以液压马达作为动力的铺设装置沿铺设轨道行走的同时使防水卷材沿隧道轮廓面环向展开，后辐射状的伸缩支撑油缸进行有效支撑，从而实现防水卷材的机械化自动铺设和支撑。工人在作业平台上进行固定或焊接，结束后缩回支撑油缸。

目前人工铺设施工作业主要由土工布铺设、固定—防水板铺设—棍棒支撑—焊接等工序组成。土工布由工人在开挖轮廓面上射钉固定，射钉位置由于开挖轮廓面的不平整难以规则布置，造成防水板焊接时很难自动找正焊钉位置来实现自动焊接。

由于铺设施工工艺的限制，新型防水卷材铺设装置主要解决了防水卷材在开挖轮廓面上的自动铺设和自动支撑难题，还不能实现防水板的自动焊接。

3 新型防水卷材铺设装置

新型防水卷材铺设装置的设计在参考传统模板台车结构设计［7－8］的基础上，对以下主体结构进行改进，详见图3。

图3 新型防水卷材铺设装置Fig.3 New type of waterproofing coil laying equipment

3.1 自动行走系统①

原施工现场的简易作业台架移动工位时需要装载机配合完成，铺设台车自动行走功能提高了设备的机动性。考虑到二次衬砌模板台车行走亦需铺轨，铺设台车自动行走系统和模板台车使用同一轨道(即相同轨距)，避免了重复铺轨。

对于有特殊坡度需求的施工现场，要对自动行走系统进行牵引力核算，确保行走系统的安全可靠。

3.2 铺设台车②

铺设台车包括铺设台架、作业平台、升降支腿、通风管道、爬梯、防水卷材安装平台等。

铺设台架是铺设装置的主要承重部分，因此台架整体必须有足够的强度和刚度及抗冲击性能，以保证作业时的安全、平稳;台架设计时须考虑最大车辆通过净空和减小掌子面空气回流的阻力。作业平台供人工铺设时土工布打射钉和防水板的焊接，必要时可设置翻转平台供作业人员接近超挖的轮廓面。升降支腿可在一定程度上适应超、欠挖的轮廓面。通风管道用于铺设风管，设计时需要施工方对风管的铺设位置、有效断面直径等进行详细的技术交底。爬梯供作业人员上下台架，且同侧的爬梯用于连通上、中、下3层作业平台。防水卷材安装平台用于防水卷材的放置和安装。

3.3 铺设轨道③

铺设轨道(见图4)是铺设装置铺设时的仿轮廓面行走轨道，可以保证防水板和开挖面铺设的贴合度。为便于运输和装配，铺设轨道一般设计分割为可互换的数段。

图4 铺设轨道Fig.4 Track laying

铺设轨道连接铺设装置和铺设台架，在铺设和支撑作业时承重较大，其本身的刚度和强度应该能够满足使用要求。

3.4 铺设装置④

铺设装置(见图5)是实现防水卷材沿轮廓面展开的装置，其进行往复运动的牵引动力是液压马达。铺设装置依靠行走轮使其沿铺设轨道行走，为了避免两侧马达不同步，在轨道的侧部设置了侧导向轮。

图5 铺设装置Fig.5 Waterproofing coil laying device

铺设臂用来安装、固定防水卷材;调整油缸用于铺设半径的微调;车架为铺设装置的主框架，是承载主体。

3.5 支撑装置⑤

支撑装置(见图6)是防水卷材沿轮廓面的动力支撑，沿铺设轨道圆周呈辐射状分布，由液压油缸、球铰橡胶撑靴、安装座等组成。球铰橡胶撑靴适用于凹凸不平的隧道毛轮廓面，有效地避免了在支撑过程中对防水卷材的硬损伤。

图6 支撑装置Fig.6 Waterproofing coil supporting device

3.6 液压系统⑥

液压系统是完成铺设台车支腿升降和实现防水卷材支撑的关键系统，液压系统的设计类比了二次衬砌用钢模板台车的液压系统。需要说明的是:为了保护防水卷材支撑油路，所需工作压力较小，而支腿油路所需的工作压力较高些。在满足使用要求的情况下，综合考虑各种因素，液压系统的额定压力调定为6.3 MPa，支腿分系统工作压力调定为5.5 MPa，支撑分系统工作压力调定为2 MPa，铺设分系统工作压力调定为6.3 MPa，铺设行走牵引采用静液压双制动，确保铺设作业的安全性。

3.7 电气系统⑦

电气系统采用PLC控制，较继电器控制方式更稳定、可靠，查找故障更加方便、准确。

设置本地或无线遥控操作模式，更适应复杂工况下的隧道作业。

4 需注意的几个问题

4.1 设计与制造

4.1.1 设计要求

进行方案设计前务求技术交底正确、详尽，再考虑加工制作、运输及安装的可行性。需要确认的边界条件有:1)隧道断面轮廓尺寸;2)防水卷材的幅宽;3)通风管道的位置;4)最大车辆通过净空;5)铺设台车行走路况及二次衬砌模板台车行走轨距;6)洞内其他边界条件。

4.1.2 制造要求

在进行铺设轨道的加工时，应注意单段轨道焊接时的变形控制;在轨道预装配时，确保轨道连接处台阶控制在2 mm以内，否则会造成铺设装置行走阻力增大。

4.2 铺设施工

1)测量放中线铺轨时，要求轨道对中误差控制在10 mm内。

2)铺设时及时支撑可使防水卷材和隧道毛轮廓的贴合度较好。

3)支撑时在超、欠挖地段注意控制支撑油缸的伸缩量，以保护防水卷材的完好性。

4)整圈铺设、整圈多人同时焊接，可提高铺设速度。

5)支撑油缸可单独或联动动作，提高工效。

6)在铺设施工时，可根据毛轮廓面的超、欠挖程度适时微调铺设调整油缸，以提高铺设装置的通过率。

5 工业性试验

新型防水卷材铺设装置工业性试验在沪昆铁路湖南段梨子坪隧道出口进行。工业性试验按照隧道边墙—拱顶—边墙铺设顺序，采用新型防水卷材铺设装置铺设土工布和防水板。新型防水卷材铺设装置样机如图7所示。

图7 新型防水卷材铺设装置样机Fig.7 Prototype of new type of waterproofing coil laying equipment

结合工程的施工情况，新型防水卷材铺设装置能够满足防水卷材在开挖轮廓面上的自动铺设和自动支撑。表1和表2为机械铺设和人工铺设方式对比。

表1 土工布2种铺设方式对比表Table 1 Comparison and contrast between 2 kinds of geo-textile laying methods

表2 防水板2种铺设方式对比表Table 2 Comparison and contrast between 2 kinds of waterproofing membrane laying methods

6 结论与讨论

1)采用新型防水卷材铺设装置进行防水卷材的铺设，减少了人员投入，节约了人工成本，大大降低了工人劳动强度，安全性能高，同时又提高了铺设的效率和质量，具有良好的社会经济效益。

2)由于钻爆法开挖面的凹凸不平及射钉位置的不规则，目前本方案暂不能实现防水板的自动焊接。

3)本方案虽实现了防水卷材的自动铺设和支撑，但未必是最优的方案，还有待于验证。

新型防水卷材铺设装置的研制是对隧道铺设大幅宽防水材料机械化施工的一个探索，对提高我国铁路隧道快速施工技术水平和施工装备国产化具有重要的意义。

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