隧道仰拱衬砌施工成套技术与设备研究.doc

隧道仰拱衬砌施工成套技术与设备研究高菊如 高菊如（女，1963-），教授级高工。从事隧道施工机械化、隧道施工机械和隧道消防技术研究。任中国工程爆破协会理事，中国机械工程学会高级会员，中国土木工程学会会员，国际岩石力学学会会员，国际土力学及岩土工程协会会员。Email:，罗建春，涂文轩，王书科，张 博（中铁西南科学研究院 成都 610031）摘 要：根据国内外隧道施工在施工安全、速度、质量和综合成本等方面存在的问题以及隧道掘进与仰拱、衬砌施工不能实现联合机械化施工的现状，先后在国家科技部、铁道部和中国中铁立项进行了隧道仰拱、衬砌施工新方法、新工艺、新设备及施工配套设备研究，提出了隧道掘进与仰拱、衬砌联合作业的施工模式，研制了适应这种联合作业模式的隧道全环内通式衬砌模板台车和隧道仰拱模板台车并在重大工程中成功应用。本文重点介绍了这种隧道仰拱、衬砌施工的新方法、新工艺和新设备。关键词：隧道掘进；仰拱；衬砌；联合作业；成套技术；设备1 概述近年来，随着国家对基础设施建设方面的大量投入以及隧道施工技术的不断进步，隧道在铁路、公路和水利水电工程中所占的比例越来越大且越修越长。长大隧道往往是控制整个线路施工工期的关键工程。国内外隧道施工普遍采用钻爆法和掘进机法两种，然而，不管是钻爆法还是掘进机法，隧道施工工序大都由掘进、装碴、运碴、初期支护和二次衬砌（包括仰拱）等组成，而掘进和衬砌是隧道施工中两个重要和主要的控制整个工程工期的关键施工工序。因此，如何在有限隧道空间内处理好掘进与衬砌之间顺序关系非常重要。钻爆法和开敞式TBM施工中，隧道掘进和衬砌一般采用顺序作业的施工模式，即在掘进完工后，再浇注混凝土。双护盾TBM虽然可以实现隧道掘进与安装预制混凝土管片平行作业，然而预制混凝土管片形成的隧道衬砌表面质量远不如现浇混凝土衬砌质量。传统的隧道施工模式、工艺、工法和设备均已无法满足现代隧道施工要求。中铁西南科学院有限公司根据国内外隧道施工在施工安全、速度、质量和综合成本等方面存在的问题以及隧道掘进与仰拱、衬砌施工不能实现联合机械化施工的现状，先后在国家科技部、铁道部和中国中铁立项进行了隧道仰拱、衬砌施工新方法、新工艺、新设备及施工配套设备研究，提出了隧道掘进与仰拱、衬砌联合作业的施工模式，研制了适应这种联合作业模式的隧道全环内通式衬砌模板台车和隧道仰拱模板台车并在重大工程中得到成功应用。2 隧道仰拱衬砌施工技术与设备现状2.1 隧道仰拱施工技术与设备现状传统的隧道施工中仰拱施工与开挖运输工序间存在着严重的相互干扰，要解决这种干扰问题，国内外的隧道施工人员采用了很多方法。根据大量的调研统计，主要有：仰拱分幅施工法、仰拱栈桥施工法、平行导坑运输的仰拱施工法、支墩施工法、仰拱预制施工法、仰拱顺序施工法等六种施工方法。（1）仰拱分幅施工法采用该方法时将隧道仰拱分成两半幅施作，当其中半幅进行施工时，另外半幅作为掘进运输通道，等一侧施工完成后换另一侧进行施工，二者交叉进行。仰拱大都采用人工摊铺，所使用的机械设备也是一般的混凝土浇注、振捣设备，没有专用的仰拱施工设备。仰拱分幅施工法施工如图1所示。例如西合线的黄沙岭隧道仰拱就是采用分幅施工法施作的。 1.仰拱；2.填充；3.仰拱施工侧；4.交通运输侧；5.中间施工缝；6.隧底碴石图1 仰拱分幅施工法示意图（2）仰拱栈桥施工法采用该方法施工时先在隧道底部的碴石上架设仰拱栈桥，保证运输不中断，接着清理干净栈桥下的碴石，然后进行仰供和填充的混凝土浇筑；等混凝土达到一定强度后即可移动仰供栈桥至下一个施工位置，此时栈桥一端搭于隧底的碴石上，另一端搭于仰拱填充上，开始进行下一个循环的仰供施工。采用该方法施工（如图2），在仰拱施工的同时栈桥上能通过运输车辆，解决了底部仰拱施工与运输车辆通行的干扰问题。 1.前坡轨梁；2.前支撑；3.中间梁；4.运输车辆；5.后支撑；6.后坡轨梁；7.仰拱图2 仰拱栈桥施工法示意图（3）平行导坑运输的仰拱施工法采用该方法在隧道正洞进行仰拱施工时，可利用平行导坑进行运输（出碴和进料）。由于采用该方法时仰拱施工与开挖运输之间相互不干扰，因此施作仰拱时只需要一般的混凝土浇注、振捣设备即可，不需要专用的仰拱施工设备。鉴于平行导坑的设置需要考虑多方面的影响因素，目前在国内应用该方法施工的隧道比较少。（4）支墩施工法采用该方法时先将运输轨道拨向隧道一侧，将另一侧清底后，在长约30m50m段上每隔3m5m设一混凝土支墩，并在支墩上扣轨架设简易栈桥以便车辆通行，再在另一侧清底，然后分段整幅灌注仰拱，其仰拱混凝土的浇筑大都是由自卸汽车或混凝土搅拌运输车在简易栈桥上直接倾倒，人工进行摊铺，用棒式振捣器进行振捣。严格来说，支敦施工法也是基于仰拱栈桥法的范畴，采用该方法施工时所用的机械设备为：多组专用的简易栈桥及配套的混凝土运输、振捣设备等。例如宜万线堡镇隧道，其支墩间距4.16m，每次仰拱施工段长度共计25m（即两根标准轨的长度），月施工进度可达125m。武广客运专线SD标大瑶山1#隧道也采用支墩施工法施做仰拱，隧道采用钻爆法开挖，无轨运输，共配备了8组12m长的简易栈桥，每次灌注24m，2天一个小循环，15天完成一组长栈桥共96m的大循环。（5）仰拱预制施工法仰拱预制施工法一般应用于TBM法施工的隧道中，其施工方法为：先在专业工厂中预制生产好仰拱预制块，再用专用运输工具将预制块运至隧道中，然后利用吊装设备调整好仰拱预制块的安装位置，最后进行安装拼接及防水密封处理即可完成仰供施工。国外发达国家在隧道施工技术方面发展比较快，使用TBM开挖隧道较多，仰拱施工主要方法为仰拱预制施工法。例如瑞士的费尔艾那隧道、悉尼的地下铁路隧道等就是采用TBM开挖，再铺设仰拱预制块来完成仰拱施工的。国内铁路隧道首次采用该施工方法的实例是在西康铁路秦岭线隧道，隧道全长18.452km，是我国铁路系统首次采用全断面隧道掘进机(TBM)进行开挖的隧道，隧道设计为开挖直径8.8m的圆形断面。图3 希默尔贝格隧道仰拱施工专用台车（6）仰拱顺序施工法仰拱顺序施工法就是在隧道贯通后再进行仰拱施工，该方法在长大隧道中很少采用，只在一些较短的铁路隧道中应用。目前国内外在仰拱顺序施工过程都曾采用过仰拱施工专用台车，确保了隧道仰拱施工质量。例如：德国科隆法兰克福高速铁路线的希默尔贝格隧道采用了仰拱施工专用台车进行仰拱施工，如图3。中铁隧道集团在辽宁省大伙房输水工程TBM2标段也使用了自主研制的仰拱施工专用台车。以上六种施工方法各有特点，但都不能在实现仰拱与掘进平行作业的同时实现模板成型的仰拱混凝土全幅整体浇注，劳动强度大，施工效率低，综合施工成本高。2.2 隧道衬砌施工技术与设备现状在隧道修建过程中，根据不同的结构用途、水文地质条件、围岩等级、安全风险控制和成本投入等方面因素，传统的隧道衬砌施工要么采用仰拱和边顶拱分开浇注的仰拱超前式衬砌施工方法，要么采用仰拱和边顶拱一次成形的全环整体模筑衬砌施工方法。根据不同的施工方法，目前市场上现有的隧道衬砌设备主要有普通衬砌模板台车、针梁式模板台车和穿行式模板台车三种，如图4。 1.普通衬砌模板台车； 2.针梁式模板台车； 3.穿行式模板台车图4 隧道衬砌模板台车普通衬砌模板台车实现了隧道衬砌施工机械化，减轻了隧道施工人员的劳动强度。然而，采用普通模板台车施作的隧道衬砌，在边墙与矮边墙、底部与矮边墙之间会留下四条施工缝，这种施工缝会大大减弱隧道底部的结构强度，在运营中会成为地下水上翻的通道，底部的破坏又会引起上部乃至整个衬砌结构的破坏，从而给衬砌结构带来严重质量隐患。针梁式模板台车解决了衬砌施工过程中遗留的纵向施工缝问题，确保了隧道衬砌质量和运营安全，降低了隧道运营中的维修费用。然而，由于针梁式模板台车内部不能通过运碴车辆，衬砌作业只能在隧道掘进完工后进行。穿行式模板台车由于采用了两套以上交替浇筑模板，从而提高了隧道衬砌施工效率。然而，穿行式模板台车与针梁式模板台车一样，由于其内部不能通过运碴车辆，未能从整个隧道施工流程中提高隧道施工的综合施工效率。以上几种衬砌模板台车，都不能在实现衬砌与掘进平行作业的同时实现衬砌混凝土全环整体浇注，施工效率低，综合施工成本高。综上所述，传统的掘进、衬砌、仰拱施工模式与设备（即顺序作业模式及其设备）的综合施工速度低，施工总工期长，施工综合成本高，无法满足隧道在施工速度、施工质量、综合成本和运营安全等方面要求越来越高的现状以及隧道越修越多、越修越长的市场需求。鉴于以上原因，非常有必要探索研究一种新的高效、经济、安全的施工模式并研制与之配套的施工设备，以提高隧道的综合施工速度、降低综合成本、提高施工质量，满足越来越多的隧道施工建设的需要。3 隧道施工联合作业模式研究隧道施工联合作业模式是指在不影响隧道掘进（钻爆法和TBM法）施工速度的前提下，同时进行仰拱作业或衬砌作业的隧道施工模式。该模式打破了传统的隧道顺序作业施工模式，可提高隧道综合施工效率和隧道施工机械化水平，缩短隧道施工总工期，降低隧道综合施工成本，同时在相关隧道施工工艺和设备的保障下，该模式还可提高隧道现浇混凝土仰拱或衬砌质量。根据不同的隧道施工方法、水文地质条件和围岩等级等状况，本文研究提出了两种不同的隧道施工联合作业模式，即掘进与全环衬砌联合作业模式以及掘进、仰拱、边顶拱衬砌联合作业模式。现结合TBM掘进特点，介绍TBM掘进条件下的掘进与全环衬砌联合作业模式以及掘进、仰拱、边顶拱衬砌联合作业模式。3.1 隧道TBM掘进与运输的特点3.1.1 TBM掘进工作原理与运输的特点在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转的同时绕自身轴线自转，在刀盘强大的推力、 扭矩作用下， 滚刀在掌子面固定的同心圆切缝上滚动，当推力超过岩石的抗压强度时，盘形滚刀下的岩石直接破碎，盘形滚刀贯入岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石的剪切强度和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落。刀具破岩原理见图5。在掘进时，支撑系统把TBM主机牢固地锁定在开挖的隧洞洞壁上，承受刀盘扭矩和推进的反力。推进油缸以支撑系统为支点，把推力施加给刀盘，推动刀盘破岩掘进。崩落在隧洞底部的岩渣被随刀盘旋转的均布在刀盘上的铲斗、刮板收集到主机内的皮带机上，通过主机皮带机转载至后配套皮带机，利用编组列车或连续皮带运输机运送出洞。图5 刀具破岩原理图3.1.2 TBM掘进配套设备作为安全、快速、高效的隧道TBM掘进设备，掘进施工期间的配套设备主要包括连续皮带运输机、进排水管、高压电缆、大直径通风设备和运输车辆等（见图6、图7和图8）。3.2 隧道施工联合作业模式关键技术难题由于一般隧道的断面都较小，TBM配套设备（连续皮带运输机、运输车辆、高压电缆、供排水管和大直径风管等管线系统）结构复杂，要在不改变隧道洞内原有TBM配套设备（尤其是连续皮带运输机）布置的情况下进行隧道仰拱或全环衬砌设备与TBM配套，实现隧道掘进与 图6 TBM外形及其配套设备 图7 TBM掘进隧道洞内设施布置图 图8 连续皮带运输机、高压电缆、供排水管、风管和运输车辆等配套设备仰拱或全环整体模筑衬砌联合作业模式，就必须彻底解决TBM连续皮带运输机、高压电缆、供排水管、风管和运输车辆通过仰拱或全环衬砌设备等关键性技术难题。3.3 隧道施工联合作业模式施工工艺研究3.3.1 仰拱、全环衬砌合理循环长度的研究根据隧道相关设计、施工规范（如铁路隧道施工规范、公路隧道施工规范、水工隧洞设计规范）的要求、典型施工实例以及实际隧道的具体情况和全环衬砌模板台车或仰拱模板台车结构设计等相关因素，全环衬砌循环长度可取912m，仰拱循环长度可取616m。3.3.2 合理的分层浇筑工艺研究为了减少灌筑混凝土时产生的巨大浮力对台车结构的不良影响，在满足施工进度要求的情况下，采用了分层浇筑工艺和间歇浇筑工艺来控制浮力大小，从而降低了浮力对台车结构的影响程度。值得注意的是在新浇筑完成的下层混凝土上再浇筑新混凝土时，应在下层混凝土初凝前浇筑完成上层混凝土。在倾斜面上浇筑混凝土时，应从低处开始逐层扩展升高，保持水平分层。3.3.3 振捣方式的研究施工过程中振捣充分与否直接影响着现浇混凝土仰拱或全环衬砌质量，而且优质的混凝土仰拱、全环衬砌质量还可以减少隧道施工和运营病害。因此，在现浇混凝土施工过程中必须重视振捣。根据台车的施工循环长度和现场的施工状况，研究制定出了合理的振捣方式，即在施工中采用振捣棒和附着式平板振捣器联合振捣。3.4 隧道施工联合作业模式的技术解决方案 针对TBM的掘进与运输的特点及配套设备情况等，通过对全环衬砌设备及仰拱施工设备结构的创新设计、轨道的合理设计与布置及其他相关配套设备的优化配置等，成功解决了上述关键性技术难题，实现了隧道TBM掘进与全环衬砌联合作业模式以及TBM掘进、仰拱、边顶拱衬砌联合作业模式，详细设计不再赘述。4 实现隧道施工联合作业模式的设备研究4.1 实现隧道施工联合作业模式设备的总体设计原则（1）与掘进联合作业的隧道仰拱施工设备需实现隧道仰拱的全幅整体超前施工，而全环衬砌施工设备需实现无纵缝的隧道全环整体模筑衬砌。（2）为实现与TBM联合作业，必须保证不影响连续皮带运输机、大直径通风管、高压电缆及其他管线的正常运转。（3）避免仰拱作业或全环衬砌作业与TBM掘进及其他辅助工序的人料进出等运输作业的干扰，台车内部能通过运输车辆。（4）尽量发挥隧道洞内所有施工机械的综合生产能力，必须满足与其他施工机械的配套要求。（5）为保证隧道洞内仰拱或全环衬砌混凝土的质量，必须适应仰拱结构或全环衬砌结构的施工工艺。（6）若洞内采用有轨运输时，台车的内通轨道及其前后坡轨轨道与道岔的布置必须与全隧道洞内的总体轨道布置相适应。（7）确保仰拱或全环衬砌施工速度与掘进速度相匹配。（8）混凝土养护期间，运输车辆通过台车内部所产生的振动等载荷不会对混凝土品质产生影响。4.2 全环内通式衬砌模板台车总体设计与结构计算 图9 全环内通式衬砌模板台车 图10 仰拱模板台车4.2.1 全环内通式衬砌模板台车总体设计全环内通式衬砌模板台车（见图9）主要由可相互移动的框架梁与车架（模板）、前后抗浮平台、与TBM皮带运输机配套的运输机架、过各种管线的管线支架总成、使台车腹中能通过运输车辆的连接腹中运输轨道的前后坡轨及移动坡轨、牵引传动系统、液压执行机构、液压控制系统和电气控制系统等组成。该台车2008年获国家发明专利（专利号：ZL2005 1 0021426.6）。4.2.2全环内通式衬砌模板台车结构计算依据起重机设计规范（GB 3811 83 ）、钢结构设计规范（GB50017- 2003）、全环内通式衬砌模板台车的结构几何尺寸、受力及外载荷情况和混凝土浇注工艺对本台车的主要结构进行了计算，通过结构计算和优化设计，减轻了全环内通式衬砌模板台车的结构重量，提高了台车的技术经济性。4.3 仰拱模板台车总体设计与结构计算4.3.1 仰拱模板台车总体设计仰拱模板台车（见图10）主要由可通过运输车辆（台车走行期间除外）而互不干扰的栈桥（车架）和仰拱模板架、克服浮力的抗浮平台、实现仰拱机械化灌注成型并符合仰拱设计轮廓要求的仰拱模板、连接隧洞运输轨道与栈桥轨道的前后坡轨及前后移动坡轨、走行（驱动）系统、液压系统和电气系统等组成。该台车2009年获国家发明专利（专利号：ZL2006 1 0020803.9）。4.3.2仰拱模板台车结构计算依据起重机设计规范（GB 3811 83 ）、钢结构设计规范（GB50017- 2003）、仰拱模板台车的结构几何尺寸、受力及外载荷情况和混凝土浇注工艺对本台车的主要结构进行了计算，通过结构计算和优化设计，减轻了仰拱模板台车的结构重量，提高了台车的技术经济性。5 成果应用情况及效益辽宁省大伙房输水工程是辽宁省“十五”期间一项重要水利工程，是解决辽宁省中部抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口和盘锦六城市工业用水和生活用水的大型水资源配置工程，受益人口近1000万人，对辽宁省中部地区的经济、社会发展具有十分重要的意义。大伙房输水工程主体建筑物为一长85.32km的输水隧洞，工程总体布置上充分利用天然地形，在适当的位置一共布设了16条施工支洞。主洞线洞室埋深较大，一般为100300m，岩石多为中硬岩，微风化，围岩工程地质分类结果类围岩占30.9，a类围岩占23.4，b类围岩占35.0，、类围岩占10.7，对TBM施工有利。该隧洞施工采用以TBM为主，钻爆法为辅的施工方法。共采用3台TBM，分成3个标段（即TBM1、TBM2、TBM3）掘进约62km，每台TBM的掘进长度在1820km左右，TBM掘进开挖的隧洞洞径为8.0m。隧道仰拱、衬砌施工与掘进联合作业施工模式与设备研究成果在辽宁省大伙房输水工程引水隧洞的TBM1和TBM3标段的施工中得到了成功应用。其中，全环整体模筑衬砌施工与掘进联合作业模式及全环内通式衬砌模板台车不仅大大提高了隧洞的施工速度（综合施工速度提高20% 至35%）和衬砌混凝土的质量（隧道衬砌结构无纵向施工缝、光整密实，见图11），还缩短了隧洞施工总工期，并降低了开敞式TBM隧洞施工的综合成本；仰拱施工与隧道掘进联合作业模式及仰拱模板台车在大伙房输水工程中成功施工了6808m，在仰拱模板台车同步跟进TBM施工的同时仰拱平均施工速度达635m/月，缩短了综合工期9.5月，实现了模板成型的仰拱混凝土全幅浇筑，仰拱结构密实光整（见图12），降低综合施工成本30%左右，约新增利税2.76亿元。该成果在辽宁省大伙房输水工程中取得了良好的经济、社会及环境效益。 图11 光整密实的隧道全环整体衬砌结构 图12 光整密实的隧道仰拱结构6 结论（1）隧道仰拱衬砌施工成套技术的核心是隧道掘进与仰拱、衬砌施工的联合作业模式。该研究成果在长大隧道工程施工中较传统的顺序施工作业模式在技术、经济、安全、质量等方面具有明显优势。（2）全环内通式衬砌模板台车和仰拱模板台车成功解决了TBM连续皮带运输机、管线、运输车辆及其对混凝土养生与隧洞横断面布置交叉相矛盾的一系列技术难题，实现了隧道掘进与全环整体模筑衬砌和仰拱全幅整体超前施工联合作业模式，并在大伙房输水工程中获得了成功应用，创造了良好的经济、社会和环境效益。（3）隧道仰拱衬砌施工成套技术与设备研究成果开拓了隧道施工新局面。建议在隧道施工过程中根据不同的结构用途、施工方法、水文地质条件、围岩等级、安全风险控制和成本投入等方面因素，采用相应的隧道施工联合作业模式与设备，以提高隧道综合施工效率，缩短隧道施工总工期，并降低隧道综合施工成本。参考文献(References)：1 高菊如.关于铁路客运专线长大隧道采用全环整体模筑衬砌结构的探讨J.铁道工程学报,2004,增刊:158-159转132.2 高菊如,梅志荣等.铁路隧道全环整体模筑衬砌结构与设备的优化设计研究A.中国铁道学会,中国土木工程学会,茅以升科技教育基金委员会,西南交通大学.中国交通土建工程学术论文集C.成都:西南交通大学出版社,2006.522-525.3 高菊如等.全环内通式衬砌模板与TBM联合作业的设计与研究研究报告R.中铁西南研字第563号,成都:中铁西南科学研究院有限公司,2008.4 中铁西南科学研究院有限公司.一种与掘进同步的衬砌方法以及实施该方法的衬砌台车P.中国ZL2005 1 0021426.6,2006.02.08.5 高菊如等.隧道（洞）仰拱模板台车与TBM联合作业的设计与研究研究报告R.中铁西南研字第575号,成都:中铁西南科学研究院有限公司,2009.6 中铁西南科学研究院有限公司.一种具有浮动式行车底架的隧道仰拱模板台车P.中国ZL200610020803.9,2009.10.07.7 高菊如等. 与TBM配套的全环内通式衬砌模板台车在大伙房输水工程中的应用J.现代隧道技术,2009,增刊.8 高菊如等. 与TBM配套的仰拱模板台车在大伙房输水工程中的应用J.现代隧道技术,2009,增刊.Research on complete techniques for tunnel invert lining construction and equipmentGao Juru, Luo Jianchun, Tu Wenxuan, Wang Shuke, Zhang Bo(China Railway Southwest Research Institute, Chengdu 610031)Abstract: In view of the probl