不中断交通隧道加固台车的研制及应用*

梁国卿，赵俊宇，梁 毅，朱碧堂

(1.江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330103； 2.华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013； 3.江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西 南昌 330013；4.江西基业良工桩机制造有限公司，江西 南昌 330052)

0 引言

截至2020年末，全国公路隧道21 316处、21 999.3km； 公路和铁路隧道总数>38 000处、总长约41 600km[1]。我国地域辽阔，地形类型多种多样，公路和铁路隧道穿越复杂地质山体，加上设计(如不良地质段衬砌设计厚度不足)、施工(如衬砌存在空洞)、运营(如排水系统堵塞)等原因，大量衬砌出现开裂、渗漏水、变形、错台、掉块等病害[2-5]，甚至引起局部坍塌等严重事故，危害着人员和车辆安全。据不完全统计，目前，我国公路和铁路隧道约60%以上存在病害，其中30%～46%达到A1(严重)级[6-10]，影响衬砌局部或整体结构稳定性和行车安全，亟需进行结构加固。

高速公路作为人流、物流和信息流加速运转的重要工具，一旦中断每天损失达上百万元，特别是隧道作为高速公路通畅中的控制性工程。因此，在保证不中断交通的条件下，对隧道病害进行修复加固，延长隧道使用寿命，显得非常必要。

隧道加固传统采用裂缝注浆、钢带或CFRP板局部加固和嵌入钢拱架加固等[11-16]，这类加固措施一般能提供的强度和刚度有限。因此，近年来采用波纹钢板进行套拱加固的应用逐渐增多。杜峰涛[17]在汉中市108国道槐树关隧道中采用波纹钢板套拱加固技术，并分析总结了波纹钢板拱定位、拼装施工工艺和加固后效果。陈望祺等[18]结合某隧道衬砌混凝土掉落问题，分析了波纹钢板与原有衬砌不同结合条件下的受力特性。叶子健等[19]以某隧道为例根据现场监测和有限元数值模拟分析了套衬波纹钢板受力特性，指出了波纹钢板套拱计算分析存在的问题。总之，目前波纹钢板采用封洞施工并由人工搭设脚手架，施工周期长、安装精度低、封洞施工收费损失大。另外，针对波纹钢板套拱加固技术，尚无成熟的设计计算方法。

依托江西省武吉高速公路九岭山隧道波纹钢板维修加固工程，研制了不中断交通隧道加固台车，介绍基于不中断交通台车的波纹板隧道套衬加固施工工艺，同时对波纹钢板套衬的内力和土压力开展自动化监控，确保波纹钢板套衬的安全稳定。

1 工程概况

九岭山隧道为上下行分离式双洞隧道，净跨10.75m、净高7.213m，为复合式衬砌结构(见图1)。左线长5 446m，采用1.7%的单向坡；右线长 5 411m， 采用-1.7%的单向坡。

图1 交叉洞口处主洞断面(单位：cm)

隧道横穿九岭山主脉的主峰地段，最高海拔 1 275m， 相对高差600～800m，最大埋深887m；该处群山环绕，地势起伏明显，山势陡峭险峻，自然边坡呈稳定状态，坡角一般为25°～ 45°，但局部发育陡坎，沟谷皆为V形深切割，地表水系较发育，地貌单元属于侵蚀/剥蚀型中高山区。

隧道于2008年1月建成通车，运行11年后，右幅排烟通道与主洞交叉口YK2686+343处出现坍塌(见图2)，松散围岩掉落至风道隔板。检测后发现主洞与横洞交接位置存在塌方，塌方面积为4m×5m，坍塌量约为10m3，且在主洞衬砌上方仍可见不稳定的破碎围岩。为保证结构安全，交叉口处前后共30m范围内的主洞衬砌及交叉口处向横洞内延伸6m的横洞衬砌采用波纹钢板进行加固(见图3)。隧道为该处交通要道，如采用封洞施工，预计拼装工期60d，每天收费损失约110万元。

图2 隧道交叉洞口塌方位置

图3 主洞波纹钢板加固(单位：cm)

2 不中断交通隧道加固台车研制

为缩短施工工期，提高波纹钢板拼装精度，进行不中断交通条件下隧道加固和内衬波纹钢板的快速施工。为此，研制了九岭山号隧道加固台车(见图4)。

图4 九岭山号隧道修复加固台车系统

1)隧道修复加固平台 由主门架系统、自动化推进系统和自动升降系统组成，平台净高5m、净宽5m，满足单车道通行。主门架系统提供安全通行交通工具的中空区域C；自动化推进系统采用履带式电动推进方式，设计时速根据需要可配置不同电动机；自动升降系统包括人、货两用升降机。

2)机械辅助装配式波纹钢板拼装系统 由传送机构、顶升机构、驱动机构和微调机构等组成。传送机构跨设于主门架结构两个侧面和上部，并与主门架结构连接，用于沿主门架结构外围周向传送波纹钢板等内衬结构，波纹钢板传送时悬挂在挂钩上；顶升机构具有支撑端和顶升端，其中，支撑端与主门架结构连接，顶升端可沿径向做伸缩运动，用于将位于传送机构上的内衬波纹钢板径向顶离传送机构，定位在内衬加固位置；驱动机构包括与驱动轮连接的减速电动机及与减速电动机连接的驱动电机，用于驱动传送机构；微调机构设置在主门架结构上，用于调节传送机构在主门架结构轴向上与主门架结构相对位置关系；控制机构与顶升机构、驱动机构和微调机构连接，用于对顶升机构、驱动机构和微调机构进行控制。

九岭山号不中断交通隧道加固台车4个主体支撑结构实现了台车整体顶升，到达隧道指定位置后，台车顶起贴合隧道，施工人员进行隧道维修。

3 施工工艺

不中断交通隧道加固台车是利用波纹钢板加固山岭隧道的主要施工设备，是施工人员工作平台和拼装支撑钢板的重要机械，通过台车起吊、运送、支撑波纹钢板，实现了隧道内衬结构快速拼装。采用台车进行隧道加固的施工流程为：施工准备→拆除加固段电缆沟及基础施工→台车拼装就位→材料进洞→波纹钢板安装→基座施工→灌注混凝土。

3.1 施工准备

施工准备包括交通组织和隧道加固段内清障。交通组织包括隧道外警示和限速区、隧道内上游过渡区、缓冲区、施工作业区、下游过渡区和终止区，不同区段规定不同行车速度。隧道加固段内清障采用封洞施工，包括清除洞内原有排烟道及支撑横梁与底座，移除照明设施及里程标，清除隧道衬砌表面防火涂料、清洗衬砌表面并进行凿毛处理。

3.2 拆除电缆沟及基础施工

移除加固段范围内的检修道盖板，电缆管线移至电缆沟靠路面一侧，采用注浆钢管+角钢作为基础，将5m长φ42注浆小导管打入电缆沟底部，沿隧道纵向间隔50cm按梅花形布置(见图5)，随后注浆。

图5 注浆小导管现场布置

3.3 台车拼装就位

台车各组件运送至隧道外广场进行拼装，拼装后进行调试，包括波纹钢板试拼装。调试完成后，采用柴油发电驱动的模式远程遥控开往距洞口 2 201m 的施工段。台车轮廓尺寸与隧道净空贴合度很高，隧道曲线半径为4 000m，前进时要随时调整履带角度，避免刮蹭衬砌，不利因素会造成台车行进速度缓慢，平均时速为2.5km/h。不中断交通隧道加固台车作为此隧道波纹钢板套拱加固工程最重要的一种大型设备，不仅可作为安装波纹钢板的施工平台，也方便了其他养护车辆能正常安全行驶至洞外，不会造成车辆在高速上逆行、在隧道内掉头等危险。

3.4 材料进洞

运送预制波纹钢板放置至YK2686+386处，相关材料包括：3种尺寸波纹钢板N1(1 880mm×1 220mm)， N2(2 120mm×1 220mm)，N3(2 360mm×1 220mm)，波距230mm，波深64mm，壁厚6mm；热轧角钢(∟2 000×16)、密封胶条、结构胶、M20高强度螺栓、化学锚栓、锚栓密封钢板垫。

3.5 波纹钢板安装

台车从隧道YK2686+326位置开始施工，主洞需安装25环波纹钢板，每环由10块预制钢板拼装组成，钢板采用法兰和M20高强螺栓连接，每块钢板四边粘贴密封胶条，封堵缝隙，以防灌浆时渗浆。每块钢板预留2个锚栓孔，每环左右两端为N1，N3型钢板，中间均为N2型钢板，采用交错拼装(见图6)，以提高波纹钢板整体稳定性。

图6 波纹钢板拼装平面展开(局部)

波纹钢板安装顺序为：首先安装1环左右两端N1，N3型钢板，再在右端N3型钢板上安装N2型钢板至拱顶位置，安装右侧半环最后1块时，左侧半环钢板开始拼装，最后在顶部合龙，完成整环拼装。

3.5.1端部钢板与基础连接

端部钢板与基础连接步骤为：每环两端N1，N3型钢板与角钢螺栓连接，并固定在电缆沟基础注浆小导管上；最底端钢板与上方第1块钢板进行纵向连接；利用台车传动机构将2块钢板拉起，调整钢板位置；角钢与注浆小导管焊接。

1块钢板宽度为1 220mm，如先将角钢焊接至注浆小导管上，不方便后续最底端钢板与角钢进行螺栓连接，台车作为一种专业拼装波纹钢板设备，可满足钢板与角钢先拼接好再将其放至准确位置，并进行角钢与基础的连接，如图7所示。

图7 波纹钢板与基础连接示意

3.5.2波纹钢板起吊

铲车将波纹钢板从码放区运送至台车吊臂前，通过液压操作杆控制吊臂，吊臂前端吊钩勾住钢板端头螺栓孔，因台车主体与原有隧道衬砌留有的间隔有限，波纹钢板自重较大，通过拉绳控制波纹钢板晃动，防止钢板在起吊过程中撞向原有衬砌。

3.5.3波纹钢板传送与安装就位

波纹钢板吊起后，放置于环向滑道，钢板随滑道移至台车中间横跨主体的传送机构，传送机构中间装有传送环链，环链上有固定钢板传送的挂钩，通过遥控环链将钢板传送至指定位置。然后采用液压撑杆顶起钢板脱离环链，通过微调液压撑杆使待安装波纹钢板与邻近已安装的波纹钢板安装孔位对正。

3.5.4波纹钢板拼接

波纹钢板就位后，利用电动扳手将待安装钢板与相邻钢板通过法兰和M20高强螺栓连接。当钢板固定后，采用固定在台车上的棚撑装置临时拖住未被固定的钢板边缘，防止掉落。波纹钢板安装时，传送机构两侧升降机发挥着重要作用，实现施工人员无死角拼接钢板。整环波纹钢板安装完成后，钢板已达到自身拱效应，台车前移至下一环安装位置，此时通过后侧升降机钻孔，采用化学锚栓使钢板与原有衬砌更加有效地连接，锚栓端部与钢板之间设置钢垫片，防止灌浆时液态混凝土渗漏(见图8)。

图8 整环波纹钢板安装完成后主洞洞身断面

3.6 基座施工

待波纹钢板整体安装完成后，在两侧电缆沟下基座钢筋，横向钢筋端部焊接至波纹钢板上，随后支设木模板，浇筑混凝土基座。

3.7 灌注混凝土

在波纹钢板与既有衬砌缝隙内浇筑C40微膨胀混凝土，每隔4m设置1个灌浆断面，在拱顶和左右拱腰位置开设灌浆孔，采用对称分层浇筑的方法，每次灌入1～2m厚C40微膨胀混凝土，待混凝土初凝后再进行下一层灌浆，最终完成整体浇筑。浇筑过程中，实时监控波纹钢板承受的压力及内力和变形。

4 施工现场监测

4.1 波纹钢板应力监测

波纹钢板应力采用振弦式表面应变计进行自动化监测。振弦式表面应变计采用点焊基座的方式安装在波纹钢板内、外表面波峰位置(见图9)；待1环波纹钢板安装完成后，在波纹钢板表面每隔1m焊接1根30cm长φ6钢筋，将1环上所有传感器走线绑扎至钢筋，贴紧波纹钢板外表面波谷顺延至右边墙拱脚。

图9 波纹钢板外表面应变计布置

4.2 波纹钢板外压力监测

波纹钢板受到的外压采用压力盒进行自动化监测。安装波纹钢板前，在需安装的波纹钢板背面采用点焊方式将2根50cm长φ10钢筋焊接在横跨3个波峰的位置，2根φ10钢筋间距为10cm，在中间波峰位置，点焊2根10cm长φ6钢筋，与φ10钢筋呈井字形布置，然后用扎带将压力盒固定至钢筋，压力盒背面紧贴波峰位置，线从波纹钢板表面锚栓孔引出。

4.3 数据采集

现场布置32个监测点，其中应力监测点20个，围岩压力监测点12个，采用自动化监测，待所有测点安装完成后，将传感器沿右边墙检修道走线至采集仪，2个采集仪为16通道振弦式采集仪，装有GPRS模块，可实现长期的数据自动采集，数据将上传至监测平台。

4.4 监测结果

波纹钢板安装结束后，开始监测波纹钢板套衬应力和外压力，包括3个阶段：灌浆阶段、灌浆后28d、灌浆后88d，监测频率均为1次/3d。取典型断面YK2686+334，通过绘制时间-应力曲线和时间-压力曲线得出，在灌浆阶段波纹钢板与原有衬砌结合一侧应力突变明显，其中最明显位置为拱腰和拱脚，发生了5MPa的应力突变，灌浆结束7d后趋于稳定；波纹钢板外侧受灌浆扰动小，应力呈线性增加，灌浆结束后呈线性下降后趋于稳定；围岩外压力监测所埋置的压力盒压力变化主要是由灌浆时微膨胀混凝土打至压力盒造成的，因此，会出现数值波动，灌浆结束后，由于微膨胀混凝土的微膨胀特性，使波纹钢板与原有衬砌有效结合，压力逐渐增加至50kPa后趋于稳定。

5 台车应用效果

5.1 施工进度

采用不中断交通台车进行波纹钢板隧道套衬加固施工，平均安装1环波纹钢板约2h，每天可保证安装3～4环钢板，且台车留有5m×5m净空，在安装波纹钢板加固隧道时，施工车辆可实现不掉头通行，不影响加固段前后隧道维养施工，实现了多工种交叉作业，大型工程机械、施工车辆有序通行，确保隧道修复加固、路面摊铺、道路绿化的一体养护，将九岭山隧道集中养护的90d施工工期降至23d，极大地缩短了隧道养护周期。

5.2 施工安全

采用传统拼装波纹钢板方法，需搭设与隧道尺寸一致的钢管脚手架作为施工平台，施工人员在上下施工平台时，极易发生安全事故。脚手架承重能力有限，如钢板不及时与原有衬砌有效连接，容易造成钢板倒向脚手架，存在很大的安全隐患。台车为一种集施工平台与波纹钢板安装系统于一体的机械化设备，可轻松顶起、支撑钢板，施工人员利用升降机上下台车，台车顶部工作平台设有护栏，且能满足施工人员双向行走，可有效保障施工人员生命安全。此外，台车操作简单，对人员稍加培训即可使用，8～10名施工人员即可完成台车前进、波纹钢板拼装等施工。因此，采用不中断交通隧道加固台车能有效降低风险系数，保证施工安全。

5.3 施工质量

传统拼装钢板方式无法精准保证波纹钢板符合隧道断面尺寸，出现偏离标准断面的情况，造成整体波纹钢板错位，不能完全贴合隧道；或在拼接时，钢板孔位不能对齐，错孔造成波纹钢板之间螺栓连接不牢固，降低钢板承载力，存在隧道运营隐患。而采用台车后，台车可整体升起贴合隧道，传动机构两侧支撑杆也可对钢板位置进行微调，保证施工后的波纹钢板断面尺寸满足设计要求。

5.4 经济效益

采用起重机和升降机等临时支撑机械设备拼装波纹钢板，需多辆机械同时施工。同时，采用搭设脚手架的方式作为施工人员施工平台，需大量人员留守在所搭设的平台上和地面位置，还会中断隧道洞内交通。而采用台车施工，只需8～10人即可操作台车进行施工，大大减少了施工人员数量，同时，台车腹部满足其他车辆设备通过，保证了前后段可进行其他隧道维养工作(如机电维修、清洁维护、路面铺设等)。根据统计，九岭山隧道所在的武吉高速公路每天封洞造成的高速收费损失约110万元，采用九岭山号隧道加固台车施工产生的经济效益达7 370万元。

6 结语

1)以九岭山隧道维修加固工程为依托，介绍了不中断交通隧道加固台车的工作原理及其应用，该台车解决了波纹钢板动用人力多、施工技术复杂的难题，实现了快速拼装机械化施工，提出了一种隧道维修加固领域的新型设备，推动隧道维修加固施工的机械化发展。

2)采用不中断交通隧道维养台车，设备操作容易，在隧道外拼装完成后，可实现自主前进，4条履带均可独立操作，在贴合隧道衬砌的情况下，实现转弯前移；主门架留有的净空保证绝大多数车辆正常通行，降低了因中断交通带来的负面影响；相比于传统搭设脚手架或有些学者采用挖掘机加上特制拱形安装支撑来拼装波纹钢板，台车施工效率更高、更安全，施工工期更短，带来的社会效益更大。

3)不中断交通隧道加固台车设置专门的控制机构，与驱动机构、顶升机构和微调机构连接，控制台车进退、转向、升降，可将波纹板安装至隧道衬砌指定位置，并可对每块要安装的钢板位置进行微调，保证钢板螺栓孔位对齐，方便施工人员对其进行螺栓连接。利用台车可真正实现波纹钢板套衬快速拼装，降低施工难度，节约人力，保障施工人员生命安全和隧道施工车辆的安全。