基于贵南高铁九万大山四号隧道多功能衬砌台车的研究与应用

姚 茂

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

1 引言

近年来，大量高速铁路隧道被修建，以用于促进区域间的经济发展。但在其施工或者运营时，隧道常有衬砌病害发生，对铁路运营质量造成较大影响。为使衬砌的施工质量有所提高，以增加运营安全性。本文以衬砌模板台车的角度出发，对其施工过程进行研究分析。

2 工程概况

新建贵阳至南宁高速铁路GNZQ-2 标段全长24.8km，其中九万大山四号隧道长15.485km，起讫里程 DK233+560～DK249+045，分进口、1 号横洞、2 号横洞、出口共 4 个工点。

全隧道采用钻爆法施工，以明挖法施工明洞地段，以全断面法施工Ⅱ级围岩，以台阶法施工Ⅲ级、Ⅳ级围岩段，以台阶加临时支撑的方法施工Ⅴ级围岩隧道、台阶法加临时横撑法施工，棚洞采用明挖法施工。隧道洞身暗挖法施工，及时观察记录施工过程的信息和围岩地质情况，隧道初期支护采用混凝土湿喷进行作业。岩溶段采用超前地质预报，进行探孔检查，根据地质预报情况选择合适的施工方法。仰拱采用自行式仰拱栈桥进行作业，水沟电缆槽采用整体移动式水沟电缆槽模板作业，衬砌则采用12m 长多功能衬砌台车施工。

混凝土模板衬砌台车的工作性能对衬砌质量有直接的影响，为了解决隧道衬砌表观质量、开裂、背后空洞、拱顶掉块等病害问题，提高衬砌的施工质量，降低运营安全风险，在衬砌台车设计上加强对混凝土质量提高的功能，施工上更便于作业人员操作，衬砌台车结构如图1 所示。

图1 台车结构尺寸示意图

3 台车设计方案

3.1 模板

单块模板具有 1.5m 的宽度，并且采用了10mm 的面板以确保其强度满足要求，同时以250mm 的间隔设置槽钢以进行加固处理。为使衬砌轮廓满足要求，还在模板内部设置了孤立板以确保其具有一定的曲度。在模板制作时为使其外观具有足够的精度，在加工时采用了专门的拼装焊接胎膜；为解决模板之间的错台现象，所采取的稳定销均为过盈配合的状态，以保证衬砌施工的质量。

3.2 上部台架

上部台架由横纵梁以及立柱组成。上部模板的重量主要依靠上部台架支撑。采用I50 工字钢作为上部纵梁，采用I28b 工字钢作为横梁，采用I18 工字钢作为立柱。

3.3 门架部分

该台车门架具有4.3m 的净高。鉴于其受力特性，选用I50 工字钢作为该门架的横梁结构，采用I40 工字钢作为其立柱结构，门架结构主要用于支撑模板，在其使用过程中若具有足够的刚度以及强度，可以确保在使用时台车不出现变形以及跑模现象。

3.4 走行系统

台车的行走机构分为主动以及从动机构，分别各有2 套。采用两台5.5kw 的电动机作为其主动机构，通过其带动链条以驱动门架行走。从动机构主要起行走作用，因此不在其上安设电动机。

3.5 液压系统

顶升，侧向以及平移三种类型的油缸加上一套泵站构成了液压系统。侧模油缸的主要作用在于侧模板的施工，并用于支撑侧面混凝土压力。

3.6 支撑千斤

支撑丝杠的组成部分包括两方面，分别是侧向丝杠以及顶地丝杆。混凝土的压力主要依靠侧向千斤提供。台车以及混凝土的自重主要依靠顶地千斤承担。

3.7 电气系统

液压系统电机以及行走机构的开关主要依靠电气系统实现，并设置有过载保护于行走电机。为保证台车的正常运行应确保隧道配电系统具有足够的电功率。

3.8 多功能部分

多功能部分主要是端头软搭接装置、自动分窗布料系统、拱顶自动插入式振捣器、衬砌防脱空预警装置、带模注浆装置，这些装置多功能组合，从多方面、多角度提升衬砌混凝土质量，避免衬砌开裂、背后空洞、拱顶掉块等病害问题的发生。其中端头软搭接装置为采用与衬砌台车模板同弧度的Q235 钢模，如图2 所示与衬砌台车模板端头连接，槽钢内放置宽10cm、厚4cm 可压缩橡胶垫片。

图2 端头软搭接装置

自动分窗布料系统为由料斗、下料管、挡板、滑槽四部分组成。混凝土通过泵送管泵送至料斗，作业人员通过插拔挡板，调节滑槽长度，可使混凝土按照由下向上，对称分层，先墙后拱的灌注规范进行作业。自动分窗布料系统如图3所示。

图3 自动分窗布料系统

拱顶自动插入式振捣器由固定支架、滑动支架、电动推杆、振捣棒四部分组成。停止状态振捣棒收缩在固定支架内部，启动时由电动推杆插入混凝土，并可实现1.2 万次/min 的高频振捣，有效的排除混凝土内的气泡，振捣完毕后，振捣棒再由电动推杆拔出混凝土，振捣棒顶端与拱顶模板齐平并停止。拱部模板共布设3 行，每行3个，共 9 个，与边墙模板布设的 8 行，每行 3个，共24 个的附着式振捣器配合使用。拱顶自动插入式振捣器如图4 所示。

图4 拱顶自动插入式振捣器示意图

衬砌防脱空预警系统由传感器探头、信号灯、配电箱、电线四部分组成。可根据现场实际情况在拱部各个部位布设传感器探头，本隧根据以往经验，在隧道拱部沿线路方向每间隔3m 布设一枚传感器探头，共布设4 枚，传感器探头与防水板相粘，由电线与信号灯相连，衬砌冲顶时混凝土碰触传感器探头，信号灯亮起，以确定混凝土浇筑密实，无空洞。传感器探头如图5 所示，信号灯如图6 所示。

图5 传感器探头

图6 信号灯

带模注浆装置由注浆管、阀门、压力表、搅拌注浆一体机四部分组成。衬砌台车拱顶沿线路方向间隔3m 分别设置4 个注浆孔，使用法兰与注浆管连接，RPC 管通过注浆孔插到拱顶防水板顶住，RPC 顶面留有 “十” 字溢浆口，注浆管安装阀门与压力表，衬砌浇筑结束2～3 小时内使用搅拌注浆一体机进行带模注浆作业，通过压力表控制注浆压力。带模注浆孔如图7 所示。

图7 带模注浆孔示意图

4 衬砌施工

采用12.1m 多功能衬砌台车 （含软搭接装置），配备端头软搭接装置、翻转式钢木组合端模、混凝土自动分窗布料系统 （分层浇筑）和衬砌防脱空预警系统，全自动计量混凝土拌和站生产混凝土，混凝土运输车运送混凝土，泵送混凝土入模进行二衬作业，手持插入式、附着式、拱顶自动插入式振捣器振捣，并采用带模注浆等作业，有效的保证了衬砌质量。

4.1 施工方法

衬砌混凝土一次施工长度12m （每浇筑段与仰拱保持一致），混凝土灌筑前做好钢筋的布设工作，钢筋角隅处要加强振捣，并做好防水层铺设及各类预埋件、预留孔、沟、槽、管路的设置。

（1）衬砌施工准备

应在确保围岩还有衬砌的初支具有足够的稳定性之后再进行拱墙衬砌的施工。施工前应采取相应的测量措施进行测量，对于处理完超欠挖部分之后应协同测量以及隧道工程师进行速调的放样工作。

（2）台车就位

按照先前测量所得数据对台车进行定位，确保台车与隧道保持有一致的中线，将拱墙模板通过液压油缸向上顶起至混凝土面，当其与混凝土面相互接触并确保其具有一定的搭接宽度之后即可进行加压；对于施工缝处的杂物应及时清理，及时设置止水带并及时对其防水系统进行检查。

（3）混凝土施工

在运输混凝土时应保证其具有足够的匀质性，以避免出现离析现象。混凝土在浇筑之前应对其坍落度进行检查，确保其满足要求。应控制混凝土在卸料至灌筑完毕的时间小于120 分钟。

混凝土浇筑时应使其高度在2m 以下。混凝土浇筑的间隔时间不得大于2h，否则应设置施工缝。浇筑衬砌时应避免出现空洞，在浇筑施工完后应及时进行注浆作业。应在衬砌初期支护稳定后在进行拆模以及养护处理，若现场受阻不得不提前施工时应确保混凝土具有100%的强度才可以进行拆模施工。应确保衬砌拆模时混凝土内外温差在20℃以下，混凝土的拆模不得在其内部降温前进行。应养护28 天以上才可以进行混凝土的拆模处理，衬砌的养护采用台车喷淋的方式进行，应保持混凝土表面每天都保持在湿润状态。当环境温度在5℃以下时不能进行洒水养护。

（4）拱顶衬砌混凝土施工处理

混凝土的注入应在衬砌台车的进料窗口进行。当混凝土的浇筑进入封顶阶段时，为确保其能够顺利的排出空气，应预留两个圆孔在堵头上。圆孔上应插入排气管，为避免排气管陷入混凝土，应选用塑料排水管。在浇筑施工时若有水从排水管流出时，即表明混凝土浇筑已完成，需立即停止浇筑，并将圆孔堵死。混凝土封顶时为使空气得以排出应按照由内向端模的方向进行浇筑。

4.2 空洞处理

为避免初期支护时有空洞出现，应对其进行探测，对于有空洞的位置应及时采取措施进行处理。按检测到的空洞范围以及密实度可以分为以下三种情况：

（1）对较大的空洞应将其全部凿除，并按照脱空速度，选用网片加喷射混凝土的方式进行处理；

（2）但对于较小的空洞可采取水泥砂浆压浆的方式进行处理；

（3）对于密实度较差的部位应将其凿除之后再进行挂网喷混凝土进行处理。

5 应用效果分析

为验证多功能衬砌台车应用效果，通过多组衬砌浇筑对比以及第三方无损检测结果分析，其结果表明衬砌混凝土表观质量明显提升，混凝土开裂、背后空洞、拱顶掉块等病害现象明显减少，整体强度均满足设计要求，同时多功能衬砌台车增加了作业人员的便利操作，降低了作业人员的劳动强度，提升了衬砌施工效率，使用多功能衬砌台车浇筑完衬砌表观质量如图8 所示。

图8 浇筑完衬砌表观质量

（1）端头软搭接装置避免了衬砌台车模板与上一板混凝土表面接触有空隙，导致漏浆的现象，同时也杜绝了以往为了衬砌台车与上一板混凝土表面紧贴而造成的压裂混凝土的情况发生。

（2）自动分窗布料系统大大减少了以往作业人员来回倒管的操作步骤，减少了劳动力，节约了作业时间，提升了衬砌施工进度的同时减少了冷缝现象。并且自动分窗布料系统可以向台车两侧同时送料，避免台车偏压，减少了衬砌错台现象，与此同时与以往的送料方式相比，减少了来回倒管造成的停顿时间，较大了减少了堵管现象。

（3）拱顶自动插入式振捣器杜绝了以往拱顶振捣不到位的现象，而且便于操作，减少了作业人员的劳动量，同时拱顶自动插入式振捣器能够深入拱顶混凝土内部振捣，高频振捣便于排除混凝土内部的气泡，提高混凝土的密实度。拱顶自动插入式振捣器振捣完毕后继续泵送混凝土直至背后空洞全部灌满为止，也有效的避免了衬砌背后空洞的病害现象。

（4）衬砌防脱空预警系统可以非常直观的通过信号灯准确地识别出拱顶以及任何布设了传感器部位的混凝土是否浇筑密实，实现了对整个浇筑过程的主动监测。

（5）带模注浆装置可在混凝土初凝前开始注浆，且注浆压力远高于脱模后的注浆压力，提高衬砌混凝土与注浆处理浆液的整体性，修复各种混凝土缺陷，而且由于受到台车模板的保护，衬砌混凝土不会破坏，一般混凝土浇筑压力超过6.0MPa，注浆浆液的压力一般不超过 1.0MPa。采用RPC 注浆管、微膨胀注浆结合料、制浆注浆一体机等灌注设备，设备简单，走行及操作方便，且不占用正常二衬施工时间。二衬模板顶部预留注浆管及注浆排气孔，同时兼做检查拱顶混凝土是否饱满的观察孔。

6 结语

通过九万大山四号隧道衬砌作业的实际施工效果，多功能衬砌台车比以往的衬砌台车在解决衬砌表观质量、衬砌开裂、背后空洞、拱顶掉块等病害问题上有明显的优势，同时操作简便，节省了劳动力，节约了衬砌施工时间，达到了高效、保质保量的施工目标，增加了高速铁路隧道结构安全和运营安全，可为隧道衬砌施工提供借鉴与参考。