装配式隧道仰拱拼装技术研究及装备研制

田殿军

（中铁长安重工有限公司 陕西西安 710032）

1 引言

仰拱是一种设置在隧道底部的反向拱形结构，能够改善隧道结构受力条件，对隧道的长期稳定性和运营安全性有重要影响［1］。

在铁路隧道运营中，由于列车长期振动作用，导致仰拱开裂、变形等病害，产生安全隐患，影响列车正常通行，甚至造成安全事故［2］。究其原因，是现浇仰拱施工质量受混凝土、施工工序、施工环境等因素影响所致。大力推进装配式建筑是国家建筑行业的重要发展方向，但山岭隧道往往地质条件复杂多变，完全借鉴综合管廊、地铁、山岭隧道的TBM法预制装配式经验，难以实现隧道衬砌断面整体装配［3－5］。因此在钻爆法隧道施工中优先实现仰拱的装配式施工，研究装配式仰拱拼装工艺技术，研制钻爆法隧道仰拱拼装配套装备，成为最迫切的需求［6－7］。

2 装配式仰拱

2.1 工况特点

传统现浇仰拱采用仰拱栈桥和模板实现仰拱开挖、浇筑施工。仰拱栈桥保证掌子面施工不中断，在栈桥下部进行仰拱施工。但开挖面长、施工时间长、浇筑后等强时间长，不能及时实现封闭成环，尤其对于软弱破碎围岩隧道，易造成隧道断面变形进一步增大，给隧道施工带来安全隐患。同时大多数隧道施工使用简易栈桥，施工安全性没有保障［8－11］。

装配式仰拱采用仰拱块工厂预制、现场拼装的建造方式，具有工程质量易控制、施工速度快、作业环境好、标准化程度高、占用施工人员少等诸多优点。但与现浇仰拱施工对比具有以下难点：一是仰拱块尺寸大、重量重，在隧道内运输、拼装难度大；二是取消仰拱栈桥，会在一段时间内中断交通；三是采用装配式仰拱后隧道施工工序及物流运输需重新组织。因此需要对装配式仰拱预制块的结构形式及施工工艺进行深入研究。

2.2 仰拱块结构形式

（1）分块

考虑运输超限，方便吊运、拼装，结合施工工艺，研究仰拱分块方案。以单线隧道为例，仰拱块有2种分块方案：一是横向不分块，纵向以1.5 m为一块，如图1a所示；另一种是横向分块，纵向以3 m为一块，如图1b所示。

图1 单线隧道仰拱块设计

（2）结构

现浇仰拱一般分为仰拱层和填充层，上部填充层为素混凝土，底部仰拱层为钢筋混凝土，仰拱钢筋和二衬钢筋连成整体，二次衬砌混凝土施作完成后隧道结构形成闭环。

为了满足仰拱强度和刚性要求，根据仰拱的作用，研究装配式仰拱块的结构。单块为一个整体，外形为上表面和传统现浇仰拱填充顶面相同，底面和仰拱开挖面弧形一致，内部预埋排水管道，设置起吊、张拉、定位、连接、注浆和防水等功能元素。

3 仰拱块拼装工艺研究

3.1 拼装工艺

根据仰拱块的结构特点，装配式仰拱拼装施工工序包括准备工作、拼装施工、后期处理等。准备工作主要有仰拱开挖、基底处理、仰拱块运输等；拼装工作主要有吊装、对位、拼装、挤紧等；后期处理主要有基底注浆、连接等。施工流程如图2所示。

图2 装配式仰拱拼装施工流程

结合隧道掌子面掘进速度（每天掘进约3 m），仰拱拼装施工应紧跟掌子面掘进，每天拼装3 m。

3.2 关键工序

（1）仰拱开挖

装配式仰拱不允许有欠挖，需在仰拱开挖之后进行开挖面检测，确保仰拱开挖尺寸满足拼装要求。

（2）定位处理

实现仰拱块精确、牢固、可靠定位才能保证形成稳定受力结构，实现仰拱的功能，需采用合理、有效、快速的仰拱块定位方法，在保证施工质量的同时提高施工效率。

（3）拼装

根据施工工艺，仰拱拼装包含多个步骤，如吊装、旋转、对位等。

3.3 仰拱块定位方法

钻爆法隧道施工仰拱开挖面，是一个与设计值有差别凹凸不平的弧面，如果直接在开挖面上拼装仰拱块，无法满足仰拱块的拼装定位、精度、平整度等要求，必须在底部增加垫层或支撑块。如果采用支撑垫块定位法，除先固定支撑块以外，还须在仰拱块底部充填物料以稳定仰拱块。充填方法受设备、材料及环境等因素的影响，难以实施。因此采用在仰拱开挖面上铺设基础垫层，调整弧面形状和尺寸的定位方法。

3.4 垫层材料

和传统仰拱的基底相同［12］，垫层材料应能形成稳定结构、满足承载要求、便于快速铺设等。借鉴有砟轨道施工经验，选择碎石作为垫层材料。对各种材料进行对比分析，见表1。

表1 各种垫层材料对比分析

3.5 垫层铺设技术

采用碎石垫层，主要是解决设备问题，需研究几个关键技术难题：一是如何运输、存储碎石；二是如何摊铺成满足要求的弧面；三是如何消除超挖带来的厚度误差；四是如何解决垫层铺设装置通车时放置问题。

根据仰拱底部垫层厚度10～15 cm，每块纵向1.5 m，弧长7 m，加上超挖量，底部所需碎石约为1.5～2 m3。

采用人工纵横向铺设碎石，费时费力，难以铺设成标准的弧形，应考虑机械铺设。兼顾垫层铺设和仰拱块拼装两个方面，可用轨道运输装置方案，但受空间、重量、设备通行的限制，难以实现；如采用空中运输，机械臂抓取拼装铺设，受隧道断面和车辆通行限制，机械臂结构庞大，仍不可行。只能采用吊运拼装铺设方案，采用一种工装，共用仰拱拼装机起吊，完成垫层铺设。

采用一种布料斗盛装、运输、铺设碎石，布料斗用汽车运输，仰拱拼装装备起吊、铺设。布料斗底部为和仰拱块底面相同的弧面，当做碎石铺设的模具，确定标高后采用漏料填充底部间隙的方式铺设碎石，配合料斗纵向平移，实现垫层铺设。

4 拼装装备研制

目前完成了单线铁路隧道仰拱拼装装备——YGPD30仰拱拼装机的研制，并进入试验阶段。

4.1 总体设计

（1）工况条件

根据仰拱块设计，仰拱拼装机首先必须满足起重量需求；其次在隧道内施工作业，施工设备必须能够穿行，内部净空间保证宽×高不小于3.5 m×4.5 m。

如图1中方案a所示，仰拱块横向不分块，纵向长度1.5 m，无需横移，拼装时需旋转90°；方案b所示，仰拱块横向分两块，纵向长度3 m，需横移，拼装时不需要旋转。

（2）总体方案

根据工况条件和仰拱块拼装工艺，仰拱拼装机采用门式框架结构，轮轨式行走；起重量30 t，具有纵向、横向、高度三个方向位置调节及角度调整功能；采用悬臂式结构，仰拱拼装机行走在已拼装好的仰拱块上，前端伸出悬臂，在悬臂下方完成拼装施工；设计专用的自动挂钩、脱钩的吊具，能够360°旋转；采用遥控控制或全自动控制；仰拱拼装机应能满足两种仰拱块的拼装作业。

4.2 仰拱拼装机设计

4.2.1 结构组成

仰拱拼装机结构组成如图3所示。仰拱拼装机主要由门式车架、轨式走行系统、液压支腿、纵移小车、横移小车、起吊系统、液压系统、电气系统等组成。

图3 仰拱拼装机结构组成

（1）门架：门式框架结构，是整机主体结构；门架内部可保证施工设备通行。

（2）纵移、横移小车：小车采用轮轨式走行，变频电机驱动，保证在吊装移动过程中仰拱块稳定。

（3）起吊系统：2组电动葫芦，1个吊具。吊具具有旋转功能，实现仰拱块360°旋转；2组电动葫芦可联动也可单动，可实现仰拱块角度调整。

（4）液压系统：包含泵站、阀、管路及液压支腿。

（5）电气控制系统：控制整机所有动作，可实现人工遥控操作和全自动两种控制模式。

（6）走行系统：采用轮轨式走行，三合一减速电机驱动，外接电源动力。

（7）液压支腿：工作时支腿支撑地面，增加整机稳定性，同时实现整机调平。

4.2.2 设计计算

（1）整机平衡计算

仰拱拼装机采用悬臂式结构，应保证仰拱拼装机不会倾覆。以最前端支腿为支点计算力矩，防倾覆系数取s＝1.5，采用在后端立柱、横梁内部填充混凝土的方式实现平衡。

（2）门架计算

门架作为仰拱拼装机的主结构，主要由底梁、支腿、上纵梁、横梁等组成。采用有限元分析计算门架，其计算结果如图4～图5所示。

图4 仰拱拼装机门架受力变形云图

图5 仰拱拼装机门架应力云图

（3）吊具计算

吊具分为上下两层，上吊架通过滑轮和钢丝绳与起吊葫芦连接，下吊架装有纯机械自动挂钩，实现仰拱块的自动挂取和脱钩，在降低劳动强度的同时提高了效率。两层吊架之间设计有回转支撑，实现吊具360°回转。采用有限元分析计算吊具，下吊架计算结果如图6所示。

图6 下吊架受力分析应力云图

4.2.3 技术特性及先进性

（1）机械化、自动化程度高，人员少、劳动强度低。只需1～2人，同时没有高强度劳动。

（2）实现快速施工，提高施工安全系数。装配式仰拱一个工作循环只需2～4 h，及时闭环，大幅提升了仰拱施工安全系数。

（3）保证内部车辆通行，减少对掌子面施工的影响。仰拱拼装机采用门架式结构，隧道内所有施工设备可以从内部通过，不影响掌子面作业所需装备通过。

（4）自动挂取仰拱块，降低人员劳动强度。采用纯机械全自动挂钩，自动挂取仰拱块，人工劳动量小，强度低、效率高。

（5）仰拱开挖面及垫层铺设结果扫描，采用专业的激光扫描仪，形成三维可视化扫描结果，控制隧道超欠挖及仰拱预制件铺设质量。

4.3 样机试制

仰拱拼装机样机已完成试制，样机如图7所示。在工厂内搭建隧道模型，按照隧道设计开挖仰拱，预制仰拱块，模拟隧道施工过程，验证仰拱拼装机是否达到设计要求。

图7 仰拱拼装机样机

5 结束语

经过深入研究，装配式仰拱施工对隧道掌子面施工影响很小，能够实现装配式仰拱在隧道内的应用，解决传统仰拱施工存在的问题。

目前的试验结果表明，仰拱拼装机性能达到了设计要求，各项功能满足施工需求，能够实现仰拱块自动挂取、起吊、旋转、移动、拼装等功能。