既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽技術(shù)綜述

張 龍， 高菊茹， 袁 瑋

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731)

0 引言

截至2018年底，中國鐵路營業(yè)里程達(dá)13.1萬km，其中投入運營的鐵路隧道15 117座，總長16 331 km； 在建鐵路隧道3 477座，總長7 465 km[1]。然而，由于我國地域自然條件差異較大，隧道穿越的山體工程地質(zhì)條件、氣候條件、水文條件等復(fù)雜多變，早期建設(shè)的隧道受限于當(dāng)時的勘察手段、設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝水平，導(dǎo)致運營鐵路隧道出現(xiàn)襯砌裂損、腐蝕、滲漏水等各類病害，其中襯砌裂損是運營隧道的主要病害之一。在隧道病害整治過程中，針對嚴(yán)重裂損的襯砌常采用鋼拱架套襯方式進(jìn)行永久性加固，當(dāng)施工過程中需將鋼拱架嵌入襯砌內(nèi)時，不得不進(jìn)行施工難度大、勞動強(qiáng)度高的開槽作業(yè)。

目前，國內(nèi)常用的開槽方法主要基于混凝土切割機(jī)(角磨機(jī))、風(fēng)鎬、電鎬、墻鋸等手持小型開槽機(jī)具。文獻(xiàn)[2-6]介紹了利用切割機(jī)或角磨機(jī)等工具先切槽線，再利用電鎬、風(fēng)鎬等工具鑿槽的工程實例。文獻(xiàn)[6]依托山西廣靈至渾源高速公路黃龍隧道工程，分別對手持切割機(jī)配合電鎬開槽、墻鋸切縫配合風(fēng)鎬開槽和墻鋸切縫配合電鎬開槽3種方法的施工效率進(jìn)行了分析比較，得出墻鋸切縫配合電鎬開槽的施工效率相對較高。日本提出了一種隧道襯砌內(nèi)壁裂化混凝土切削設(shè)備[7]和一種隧道襯砌內(nèi)壁切槽線設(shè)備[8]。

通過文獻(xiàn)調(diào)研，未見有關(guān)既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽方法與工藝的系統(tǒng)研究資料； 現(xiàn)有文獻(xiàn)局限于先切槽線再鑿槽的施工方法，開槽效率低，勞動力投入大，施工環(huán)境、施工質(zhì)量及施工安全難以保障，且施工風(fēng)險高，對實現(xiàn)高效、快速、安全作業(yè)形成了制約。因此，有必要在系統(tǒng)總結(jié)分析現(xiàn)有開槽方法、工藝與設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出具有創(chuàng)新性的快速開槽方法。

1 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽方法現(xiàn)狀

國內(nèi)外由于在隧道所處地質(zhì)條件、施工管理制度、隧道運營管理制度及維護(hù)技術(shù)等方面的不同，其應(yīng)對各類隧道病害時所采取的措施也不盡相同。

1.1 國外現(xiàn)狀

國外隧道技術(shù)較發(fā)達(dá)的日本及歐洲國家較側(cè)重于隧道的施工質(zhì)量控制及運營養(yǎng)護(hù)，通過定期檢查及時發(fā)現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的早期破損及其他異常情況并進(jìn)行修復(fù)[9]，隧道發(fā)生嚴(yán)重襯砌裂損病害的情況較少，開槽鑲嵌鋼拱架進(jìn)行裂損襯砌加固的情況不多。

以1999年山陽新干線福岡隧道襯砌脫落事故為鑒，日本運輸省頒布了隧道維護(hù)管理指南，實行隧道襯砌劣化剝離檢查制度[10-11]。在運營隧道維修設(shè)備方面，日本研發(fā)了一種可進(jìn)行鐵路隧道襯砌高效修補(bǔ)作業(yè)的聯(lián)合作業(yè)車組； 該作業(yè)車組由能在鐵路軌道上行走且相互連接的2臺作業(yè)車組成，作業(yè)車上分別搭載了可沿前后方向以一定行程滑動的臂式高處作業(yè)平臺以及錨桿鉆孔機(jī)等設(shè)備[12]。此外，日本還提出了一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備[7]和一種用于混凝土管道內(nèi)表面開槽的切槽線設(shè)備[8]。

美國將襯砌裂損分為淺層裂損(裂損深度﹤50 mm)及深度裂損(裂損深度≥50 mm)2種。當(dāng)襯砌發(fā)生淺層裂損時，若無鋼筋外露，以20°角(外小內(nèi)大)切除劣化混凝土并清理后，采用聚合物砂漿填平； 若有鋼筋外露，以20°角(外小內(nèi)大)切除劣化混凝土并清理后，先在鋼筋上涂防腐層，然后用聚合物砂漿填平。當(dāng)襯砌發(fā)生深度裂損且有鋼筋裸露銹蝕時，切除劣化混凝土，且深度≥25 mm，鋼筋周圍寬度應(yīng)為鋼筋直徑的一半，深度至少至鋼筋背后25 mm，在鋼筋上涂防腐層(必要時重新安設(shè)鋼筋)后用聚合物砂漿填平，若面積較大，則需采取噴射混凝土施工[13]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)在隧道病害整治中需要開槽時，多采用先切槽線再鑿槽的施工方法； 在一些隧道中也采用由金剛石鉆孔機(jī)逐個鉆孔成槽的開槽方式。

1.2.1 先切槽線再鑿槽

施工時，工人按設(shè)計要求標(biāo)出開槽軌跡后，先用混凝土切割機(jī)沿開槽軌跡切出槽邊線，然后由風(fēng)鎬或電鎬鑿除槽線內(nèi)混凝土完成開槽作業(yè)，每次開槽深度50～60 mm。如京九線花園灣隧道、營盤上隧道、岐嶺隧道、峰福線黃土3號隧道、達(dá)成線湯家灣隧道、拉濱線太平嶺隧道等，在病害整治中都采用了先切槽線再鑿槽的開槽方法[2-5,14]。

先切槽線再鑿槽的方法具有施工工藝較簡單、作業(yè)較為靈活等優(yōu)勢，但不足是開槽由人工手持開槽機(jī)具作業(yè)，勞動強(qiáng)度高，施工速度慢。此外，施工時作業(yè)人員的安全難以得到有效保證，如在拱頂施工時，工人需仰面進(jìn)行切、鑿槽作業(yè)，容易被掉落的混凝土塊砸傷。先切槽線再鑿槽的施工工序如圖1所示，其施工實例如圖2所示。

圖1 先切槽線再鑿槽施工工序

Fig. 1 Construction sequence of method of line cutting first and then concrete chiseling

圖2 先切槽線再鑿槽施工實例

Fig. 2 Example of method of line cutting first and then concrete chiseling

1.2.2 逐個鉆孔成槽

在玉林高速公路沙毛嶺隧道襯砌加固工程中，采用了由金剛石鉆孔機(jī)逐個鉆孔形成鋼拱架安裝槽的開槽方法。金剛石鉆孔機(jī)配有不同直徑的鉆頭，通過更換鉆頭并調(diào)整鉆孔中心間距，即可實現(xiàn)不同尺寸的鋼拱架安裝槽開槽作業(yè)。

采用逐個鉆孔成槽法進(jìn)行施工時，在隧道襯砌開槽軌跡標(biāo)記完成后，先由人工手持金剛石鉆孔機(jī)開始鉆孔，然后用風(fēng)鎬等錘擊工具鑿除中心混凝土，如此反復(fù)則可完成開槽作業(yè)。金剛石鉆孔機(jī)鉆孔時需噴水作業(yè)，因此施工粉塵污染較輕，作業(yè)環(huán)境相對較好。但逐個鉆孔成槽的方法開槽速度慢，施工效率難以滿足隧道病害快速整治的需求。逐個鉆孔成槽的施工工序如圖3所示，其施工實例如圖4所示。

圖3 逐個鉆孔成槽施工工序

圖4 金剛石鉆孔機(jī)開槽實例

2 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽設(shè)備現(xiàn)狀

目前，日本在隧道襯砌開槽設(shè)備方面已有相關(guān)研究，如“一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備”、“一種混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備”等； 此外，美國提出了“一種路面混凝土切削設(shè)備”，用于機(jī)場跑道及路面混凝土開槽。國內(nèi)開槽作業(yè)通常采用角磨機(jī)、云石機(jī)、風(fēng)鎬、電鎬、金剛石鉆孔機(jī)等建筑通用設(shè)備。

2.1 國外與隧道襯砌開槽相關(guān)的設(shè)備

2.1.1 圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備[7]

圖5示出一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備，能利用較小的驅(qū)動力完成小口徑隧道內(nèi)周劣化混凝土的切削。整個設(shè)備在行走支腿(5)的支撐下可沿隧道(1)的軸線方向移動，設(shè)備就位后由支撐構(gòu)件(2)進(jìn)行固定，此時設(shè)備軸線C1與隧道軸線基本一致。設(shè)備工作時，首先將設(shè)備移動到預(yù)定位置固定后，由機(jī)械臂(4)將切削裝置(3)壓緊在隧道襯砌表面； 然后機(jī)械臂(4)繞C1軸轉(zhuǎn)動，由于切削刀具與隧道襯砌間的摩擦作用，使得切削刀具繞C2軸線轉(zhuǎn)動，如此可完成對隧道內(nèi)周劣化混凝土的切削。

(a) 主視圖

(b) 左視圖

1—隧道； 2—浮動支撐機(jī)構(gòu)； 3—切削裝置及滾刀； 4—切削浮動機(jī)構(gòu)； 5—行走支腿； C1—設(shè)備軸線； C2—滾刀軸線。

圖5圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備

Fig. 5 Cutting equipment for peripheral edge portion inside tunnel

2.1.2 混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備[8]

圖6示出一種混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備。該設(shè)備能夠在混凝土管道里靈活動作并按設(shè)計在隧道內(nèi)表面切出一定寬度的槽線。導(dǎo)軌(2)由安裝在其兩端的支撐裝置(包括固定支腿(6)、伸出支腿(1)和支腿安裝座(5))支撐，且能自由旋轉(zhuǎn)。安裝在3個固定支腿(6)上的伸出支腿(1)可向外伸縮。切削部件(4)的刀具支架(3)通過導(dǎo)向裝置(8)與導(dǎo)軌(2)相連，開槽深度是通過刀具支架(3)在導(dǎo)向裝置(8)的凹槽內(nèi)沿管道(7)徑向移動控制的。導(dǎo)向裝置(8)沿管道軸向移動即可實現(xiàn)軸向方向的開槽； 而圓周方向開槽作業(yè)通過導(dǎo)軌(2)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。槽線內(nèi)混凝土通過撬棒插入槽內(nèi)進(jìn)行鑿除。

(a) 主視圖

(b) 左視圖

1—伸出支腿； 2—導(dǎo)軌； 3—刀具支架； 4—切削部件； 5—支腿安裝座； 6—固定支腿； 7—管道； 8—導(dǎo)向裝置。

圖6混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備

Fig. 6 Cutting machine for inner surface of concrete pipe

當(dāng)采用先切槽線再鑿槽的開槽方法時，可由混凝土管道內(nèi)表面切槽裝置進(jìn)行槽線切割，有效提高了切割槽線的效率。此外，該設(shè)備能同時實現(xiàn)混凝土管道縱向切槽線作業(yè)，但其不足是僅適用于圓形管道。

2.1.3 艾卡特切割輪

圖7示出德國艾卡特公司開發(fā)的可切割巖石與鋼筋混凝土的切割輪。該切割輪需配置在挖掘機(jī)上進(jìn)行切割作業(yè)，通過配置不同的圓桿銑挖刀可完成混凝土等的開槽作業(yè)。如配置ER17/64/60/25C等規(guī)格的銑挖刀可完成混凝土及巖石等的切削作業(yè)。

A—切槽寬度； B—切槽深度。

該切割輪的優(yōu)點是可以借助挖掘機(jī)平臺改裝，節(jié)約成本，并且可切割鋼筋混凝土，切削力強(qiáng)； 但不足是刀具尺寸固定，應(yīng)用于隧道病害整治作業(yè)時需多次切削成槽。

2.2 國內(nèi)隧道襯砌開槽設(shè)備

目前，國內(nèi)在隧道病害整治中一般采用建筑領(lǐng)域通用的切、鑿槽設(shè)備進(jìn)行隧道襯砌開槽作業(yè)。用于切槽作業(yè)的設(shè)備通常有角磨機(jī)、云石機(jī)等； 用于鑿槽作業(yè)的設(shè)備有風(fēng)鎬、電鎬等。此外，還有用于逐個鉆孔成槽的金剛石鉆孔機(jī)等。

2.2.1 通用開槽機(jī)械

2.2.1.1 切槽機(jī)械

1)角磨機(jī)。角磨機(jī)常見型號按照所使用的切片規(guī)格劃分為100 mm、125 mm、150 mm、180 mm及230 mm。在隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽作業(yè)中，多采用直徑為230 mm的角磨機(jī)，一次有效切削深度為50～60 mm。

2)云石機(jī)。云石機(jī)主要用于切割石料、瓷磚及混凝土等，施工時可根據(jù)不同的切割材料選擇不同的切割片。云石機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)0°～45°斜角切削，應(yīng)用于隧道襯砌開槽作業(yè)時可進(jìn)行梯形鋼拱架安裝槽的槽線切割。

2.2.1.2 鑿槽機(jī)械

常用的鑿槽機(jī)械有風(fēng)鎬和電鎬等，主要用于鑿除槽邊線內(nèi)的混凝土。

1)風(fēng)鎬。風(fēng)鎬是以壓縮空氣為動力，利用沖擊作用破碎堅硬物體的手持施工機(jī)具，具有結(jié)構(gòu)緊湊、攜用輕便等特點。目前，市場上風(fēng)鎬種類繁多，鑿槽風(fēng)鎬多以輕型為主，有G7、G10、G15型風(fēng)鎬等。

2)電鎬。電鎬是以電動機(jī)為動力的雙重絕緣手持式電動工具，具有安全可靠、效率高、操作方便等特點。電鎬主要用于建筑、鐵路建設(shè)、城市建設(shè)及加固等行業(yè)。綜合考慮設(shè)備單重與作業(yè)效率等因素，鑿槽可考慮選用博士GSH388/GSH388H型、牧田HM0830型、日立H45SR型、東成Z1G-FF-6型、科成Z1G-KG-41型電鎬等。

2.2.1.3 金剛石鉆孔機(jī)

金剛石鉆孔機(jī)(又稱水鉆、混凝土鉆孔機(jī))是一種在鋼筋混凝土、陶瓷、玻璃、耐火材料上鉆孔的新型工具，具有無粉塵作業(yè)、效率高、孔壁光滑、尺寸精確等特點。金剛石鉆孔機(jī)應(yīng)用于隧道襯砌開槽作業(yè)時粉塵污染小、作業(yè)環(huán)境較好，但因其開槽速度較慢，在隧道襯砌病害整治中的應(yīng)用較少。

2.2.2 專用開槽機(jī)械——環(huán)形軌道開槽機(jī)

圖8示出西安歐凱開發(fā)的環(huán)形軌道開槽機(jī)，主要包括環(huán)形軌道和切削頭，由切削頭沿著軌道滑動完成隧道襯砌開槽作業(yè)。設(shè)備可根據(jù)要求變換開槽深度和寬度，但受限于其設(shè)備功率，開槽深度較淺，無法實現(xiàn)鋼拱架安裝槽的一次切削成槽作業(yè)。

圖8 環(huán)形軌道開槽機(jī)

3 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽方法及工藝研究

針對如何實現(xiàn)既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽高效、安全施工，選擇合理的施工方法至關(guān)重要。通過調(diào)研目前已經(jīng)應(yīng)用于建筑工程中的開槽技術(shù)，可用于隧道襯砌快速開槽的技術(shù)主要有組合式刀具一次切削成槽、水射流切槽以及多次切削成槽3種方法。

3.1 組合式刀具一次切削成槽

金剛石鋸片切削混凝土等脆性材料時，切出槽的寬度要大于鋸片本身的寬度，最大時可達(dá)到鋸片寬度的2倍，因此，可采用組合式鋸片進(jìn)行鋼拱架安裝槽的切槽作業(yè)。采用組合式刀具一次切削成槽方法進(jìn)行既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽的施工工藝如圖9所示。

3.2 水射流切槽

水射流切割技術(shù)已成功應(yīng)用于金屬、鋼材及混凝土等的切割，可切割厚度為5 m的混凝土塊。因此，可采用水射流切槽法進(jìn)行既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽。由于接觸網(wǎng)及承力索的影響，采用水射流切槽法開槽時，開槽作業(yè)需分2步完成。水射流切槽法的施工工藝如圖10所示。

圖9 組合式刀具一次切削成槽施工工藝圖

圖10 水射流切槽法施工工藝圖

3.3 多次切削成槽

對于切割輪以及環(huán)形軌道切槽機(jī)等工具，若無法實現(xiàn)一次切削成槽，則需要進(jìn)行多次開槽作業(yè)，其施工工藝如圖11所示。

4 既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽設(shè)備研制建議

國內(nèi)廣泛應(yīng)用的“先切槽線再鑿槽”和“逐個鉆孔成槽”2種施工方法因機(jī)械化程度、開槽速度以及施工安全等方面的限制，已不符合未來運營隧道激增情況下的病害整治作業(yè)要求。因此，開展對既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽技術(shù)的研究以及開槽設(shè)備的研制，在有限的“天窗”時間內(nèi)實現(xiàn)隧道病害的快速整治已迫在眉睫。

圖11 多次切削成槽施工工藝圖

目前，國內(nèi)現(xiàn)有的既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽技術(shù)與設(shè)備無法滿足市場需求，已有的環(huán)形軌道開槽設(shè)備無法實現(xiàn)一次切削成槽，中鐵西南院提出的既有鐵路隧道襯砌開槽機(jī)(專利號： 201410766639.0)雖然可實現(xiàn)一次切削成槽，但是并未進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。因此，有必要就既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽設(shè)備的研究重點進(jìn)行探討，以期開發(fā)適應(yīng)現(xiàn)場要求的設(shè)備。

對開槽設(shè)備的研究建議從開槽方法的選擇和設(shè)備的研制2方面進(jìn)行考慮。

4.1 開槽方法的選擇

建議根據(jù)市場需求并結(jié)合不同開槽方法的特點，選擇合適的方法進(jìn)行開槽設(shè)備設(shè)計。各開槽方法的特點如下：

1)“組合式刀具一次切削成槽法”具有施工工藝簡單、施工速度快等優(yōu)勢，但因鋸片數(shù)量多、鋸片直徑大，使得設(shè)備功率較大，且該技術(shù)目前仍未完成轉(zhuǎn)化，鋸片布置間距等參數(shù)仍需進(jìn)一步研究。

2)“水射流切槽法”具有施工環(huán)境好、切削力對襯砌的影響小等優(yōu)勢，但水射流施工設(shè)備成本較高，且無法實現(xiàn)一次切削成槽，施工工藝較復(fù)雜。在既有鐵路隧道施工中，切割水難以回收以及保護(hù)切割水不對接觸網(wǎng)產(chǎn)生影響是該技術(shù)應(yīng)用的難點。

3)“多次切削成槽法”采用市場成熟設(shè)備，具有設(shè)備成本低，應(yīng)用簡便等優(yōu)勢，但由于無法實現(xiàn)一次切削成槽，開槽工藝較復(fù)雜。

4.2 開槽設(shè)備的研制

1)開槽設(shè)備應(yīng)統(tǒng)籌考慮病害整治作業(yè)線進(jìn)行設(shè)計，研究集開槽、鋼拱架安裝、鉆孔、注漿等功能于一體的綜合整治設(shè)備。

2)開槽設(shè)備的研發(fā)應(yīng)重點攻克以下技術(shù)：

①高效的一次切削成槽刀具。刀具是開槽設(shè)備的核心，刀具的可靠性和切削效率決定設(shè)備的性能。要完成鋼拱架安裝槽的一次快速成槽，開發(fā)出高效的切削刀具是關(guān)鍵。

②刀具沿隧道襯砌軌跡曲線走行控制技術(shù)。設(shè)備在隧道襯砌上開槽需要進(jìn)行曲線行走，且不同隧道、同一隧道不同段的襯砌斷面軌跡不盡相同，因此，實現(xiàn)刀具沿隧道斷面軌跡的自適應(yīng)曲線行走是實現(xiàn)快速開槽的關(guān)鍵。

③接觸網(wǎng)背后開槽技術(shù)。既有鐵路隧道內(nèi)有接觸網(wǎng)系統(tǒng)，開槽施工應(yīng)在保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全的前提下進(jìn)行，設(shè)備研發(fā)應(yīng)重點考慮刀具如何安全繞過接觸網(wǎng)系統(tǒng)完成開槽作業(yè)。

3)開槽設(shè)備應(yīng)具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

①快速化。對于繁忙的鐵路線路來說，“天窗”時間是十分珍貴的，要在有限的“天窗”時間內(nèi)高效率完成開槽作業(yè)，開槽設(shè)備必須具備快速作業(yè)能力。其不僅能實現(xiàn)快速開槽作業(yè)，同時應(yīng)具備快速就位與撤場能力。僅就開槽作業(yè)本身來說，在1個單線綜合維修“天窗”時間內(nèi)(一般為120 min)應(yīng)至少能開鑿3榀鋼拱架安裝槽。

②環(huán)保化。隧道內(nèi)是一個相對封閉的空間，因此開槽作業(yè)產(chǎn)生的粉塵等不容易排出，嚴(yán)重時將影響施工效率，長時間作業(yè)對作業(yè)人員的健康也會造成危害。研制開槽設(shè)備時，可采用噴水降塵加廢物收集的方式，降低施工對隧道內(nèi)環(huán)境的污染，實現(xiàn)隧道開槽作業(yè)環(huán)保化。

③安全性。隧道襯砌鋼拱架安裝槽通多位于拱部，現(xiàn)有開槽方法開槽作業(yè)過程中產(chǎn)生的廢渣(通常是混凝土塊)、廢水等容易對下方人員造成傷害，對隧道附屬電氣設(shè)備及病害整治作業(yè)設(shè)備造成破壞。開槽設(shè)備的設(shè)計應(yīng)充分考慮對設(shè)備、特別是施工人員的保護(hù)，如將開槽廢渣粉碎化并集中收集不失為一種好的選擇。

④標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)盡快研究制定既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽尺寸、開槽設(shè)備就位速度、開槽速度、粉塵量以及施工安全防護(hù)等方面的標(biāo)準(zhǔn)，為開槽設(shè)備的設(shè)計提供依據(jù)。