铁路隧道新型防排水卷材铺挂台车研制及应用

2020-11-07赵鹏郭小雄韩安宏

铁道建筑 2020年10期

赵鹏郭小雄韩安宏

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中铁十七局集团第三工程有限公司，石家庄 050081）

防排水卷材是置于隧道初期支护和二次初砌之间，兼顾拱墙防水和排水功能的主要材料，其铺挂工效严重制约隧道整体进度和施工质量，影响隧道运营和使用寿命［1］。目前，防排水卷材铺挂大多采用作业台架人工铺挂的方法，存在劳动强度大、铺挂效率低、搭接尺寸误差大、安全隐患大等问题，难以满足施工进度、施工质量和隧道标准化施工的要求［2-3］。研制机械化、信息化水平较高的智能型防排水卷材铺挂台车对提高防排水施工质量，加快隧道修建速度，减少衬砌病害，提升隧道安全运营能力至关重要。

德国、法国等欧洲国家防排水卷材铺挂台车以桁架结构为主，主要优点在于结构简单稳定，构件均为可拆卸更换、重复使用的标准件［4］。日本铺挂台车为框架结构，其除具备铺挂防排水卷材等基本功能外，还具有注浆功能［5］。中国铺挂台车多以简单台架为主，台车形式多样，结构刚度小，变形大，仅做人工操作平台使用。其智能化水平低，人为干扰因素大，铺挂平整度差，施工质量及效率较低，与我国高速铁路发展技术不匹配，也是铁路隧道衬砌质量难以控制的主要影响因素之一。

1 自粘式防排水卷材铺挂工艺

采用气钉枪将自粘布固定在初期支护混凝土上，自粘式防排水板沿隧道环向展布，环向搭接边与上一幅预留搭接边对齐，自粘布与防排水板之间用粘接带相互连接，纵向接缝采用“凸壳嵌扣+胶贴密封+热塑封边”方式施工。人工粘贴固定自粘布和防排水板铺挂见图1，其工艺流程见图2。

图1 人工铺挂防排水卷材

图2 粘贴式防排水卷材铺挂工艺流程

自粘式防排水卷材的使用改变了拱墙结构防排水形式，施工便捷、铺挂牢固，提高了与初期支护密贴程度，降低了拱顶掉块的风险。同时，自粘式铺挂工艺操作简单，降低了作业人员铺挂难度、劳动强度及技术门槛，为铁路隧道新型防排水卷材铺挂台车的研制奠定了技术基础。

2 新型铺挂台车结构设计

2.1 系统构成

新型铁路隧道防排水卷材铺挂台车由支撑结构、环形轨道及功能部件、工作平台、定位调整机构、走行系统、动力系统、控制系统、信息化系统等组成，见图3。

图3 新型铺挂台车总体结构组成示意

新型铺挂台车构件均采用标准件，方便拆卸和更换。主要部件见图4。

图4 新型铺挂台车主要部件

各部件的主要作用：①支撑结构为由支撑杆件组成的框架结构，是整个铺挂台车的承载结构。②环形轨道设置于铺挂台车外围，为功能部件提供支承、导向作用。功能部件铺挂于环形轨道上，主要有布料装置、压紧装置、射钉装置、焊接装置、钢筋牵拉装置等。③工作平台满足施工人员作业、消防器材存放等要求，具备伸缩、可拆卸等功能。④定位调整机构通过平移、旋转、伸缩等姿态调整实现铺挂台车作业位置的微调。⑤走行系统可采用轮轨式或轮胎式，由行走轮及驱动组成，实现铺挂台车行走、驻停等。⑥动力系统由电力系统、气动系统、液压系统等组成，为铺挂台车施工作业、起降伸缩、走行驻停等提供动力。⑦控制系统由传感元件、控制终端及操控软件组成，用于实现铺挂台车的主功能操控。⑧信息化系统包括工业摄像机、激光测距仪、无线扫码枪、数据处理存储传输系统等，用于实现铺挂台车施工作业全过程的信息采集、存储、传输等功能。

2.2 功能特点

2.2.1 自动化

1）自动射钉固定自粘布

卷材爬升支架启动后，卷材压紧装置将自粘布压合在隧道表面，射钉装置同步启动并沿环向轨道运行，实现自粘布在初期支护上的自动固定。

2）自动粘贴铺挂防排水板

利用铺张支架、压力滚轮及环向接缝热熔焊接装置，实现防排水板与自粘布均匀贴粘和防排水板之间的环向焊接。

2.2.2 信息化

1）自动扫码识别防排水卷材

基于铁路隧道防排水卷材生产制造信息化监造系统，实现了防排水卷材质量全过程的信息化监控。在施工前可通过扫描自粘布及防排水板的二维码标志，识别材料来源信息，比如产地、生产批次、生产日期、产品型号等，实现对材料质量的全过程追溯。

2）自动扫描初期支护轮廓及铺挂平整度

防水卷材铺挂完成后，利用自动扫描设备对防排水板进行扫描，对比前后轮廓扫描数据，计算得出铺挂平整度。对于平整度不满足铺挂要求的位置进行调整，直至满足设计要求。

3）隐蔽工程影像资料的自动存储

为便于铁路隧道自粘式防排水板施工质量控制及档案管理，铺挂台车配备了隐蔽工程影像自动采集存储功能，对防排水卷材铺挂过程进行记录。

3 结构检算

3.1 模型的建立

铺挂台车的结构比较复杂，基本门架结构为空间杆系模型，均釆用beam188 梁单元进行建模。铺装结构为梁壳模型，釆用shell63 壳单元建模，模板加强筋的角钢釆用具有可视化界面的beam189 梁单元建模。检算模型见图5。

图5 铺挂台车检算模型

门架纵梁支撑千斤顶与门架纵梁之间由于没有固定连接，因此门架纵梁支撑千斤顶对门架只有高度方向的支撑力，只约束支撑点高度方向位移。门架立柱撑地千斤顶与地面的接触简化处理为在千斤顶底端约束其3个方向的位移自由度。车轮与钢轨的接触简化处理为在门架立柱的底端约束其3个方向的位移自由度。

台车结构在施工过程中主要承受作业人员、防排水卷材及机具自身重力。约束反力直接作用在台车下纵梁上，整个台车形成底部约束的框架受力结构，约束反力及铺挂台车各构件受力情况均可通过简化受力计算模式进行计算分析。当台车被拖拉移动时同时承受水平牵引力和支反力，支反力通过走行轮作用于主承力框架下纵梁。

3.2 结果与分析

铺挂台车的变形及内力检算结果见图6。

图6 铺挂台车检算结果

由图6可知：①由于台车内架为承重结构，其变形主要为竖向位移，最大位移发生在内架横梁中间，其值为2.50 mm，外架位移较内架大，其中拱顶竖向位移最大，其值为3.09 mm；②台车所受弯矩较小，主要在外架拱部以及部分内外架上部连接处，内架几乎不存在弯矩，最大值出现在外架正上方，其值为15.66 kN·m；③台车结构所受应力主要集中在内外架连接处，其他位置应力分布均匀。最大值出现于内架上方横梁两侧连接处，其值为35 MPa，小于Q345 材料的许用应力。

铺挂台车作业时结构整体变形量较小，受力状态良好，未出现构件屈服现象，台车强度和刚度满足要求。

4 铺挂台车现场试验

4.1 工点概况

铁盔山隧道位于贵州省黔西县铁石乡，起迄里程DK466＋785—DK472＋012，全长5 227 m，除隧道出口DK471＋870—DK472＋012 段为平坡外，其余段均为17‰的单面下坡。隧道设进、出口平导，其中进口平导位于线路右侧，坡度为3‰上坡，全长1 609.45 m；出口平导亦位于线路右侧，坡度为17‰，3‰的下坡，全长1 485 m。铁盔山隧道为高压富水隧道，日均涌水量为3 650 m3/d，最大涌水量为7 860 m3/d，监测最大水压可达 0.6～1.0 MPa。选取 DK469+200—DK469+500段开展自粘式防排水卷材铺挂施工。

4.2 施工工艺

经现场试验段的铺挂施工，新型铺挂台车自动化、信息化功能稳定，整体台车结构能较好适应防排水卷材粘贴式铺挂特点，并确定了防排水卷材铺挂台车自动铺挂工艺，见图7。

施工工艺主要分为4部分：

1）施工准备

台车铺挂与调试，检查电灯、液压系统、气动系统、传动部件。

2）固定自粘布

自粘布铺挂前，对初期支护表面平整度、渗漏水等情况进行拍摄采集并实时存储、上传，以备后续施工质量验收、存档等使用。

对自粘布外观质量进行检查，合格后将其铺挂在卷材爬升支架上，同时将自粘布端部与隧道边墙的挂钩锁紧。启动卷材爬升支架，自粘布随着支架的上升而均匀舒张，利用卷材压紧装置将其压合在隧道表面，自动射钉装置同步启动进行固定。支架在轨道上运行过程中启动4 组激光测距仪，实时扫描和计算生成初期支护轮廓图，并存储上传。卷材爬升支架到达铺挂终点后，自动切割自粘布并用射钉固定，至此自粘布铺挂完成。部分施工过程见图8。

图7 防排水卷材台车自动铺挂工艺流程

图8 自粘布自动铺挂施工

3）铺挂防排水板

卷材爬升支架返回起点，启动扫码装置，识别并存储防排水板的材料信息。随后启动卷材爬升支架，防排水板随支架上升均匀舒张，利用卷材压紧装置将防排水板均匀紧贴在自粘布上，同时再次启动激光测距装置，检测铺挂平整度，待卷材爬升支架到达铺挂终点后，自动切割防排水板。最后启动加热爬焊机，沿对接缝逐步行走焊接至防排水板另一端，防排水板铺挂完成。部分施工过程见图9。

4）衬砌钢筋架设