支架型模板臺車與隧道混凝土機械手聯合灌注

王浩, 王柏松, 武家欣，時安琪

（中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司,河南 新鄉453000）

0 引 言

模板臺車是一種為提高隧道襯砌表面光潔度和襯砌速度，并降低勞動強度而設計、制造的專用設備。液壓襯砌臺車是隧道二次襯砌混凝土施工的專用非標機械設備，其可以在很大程度上提高隧道混凝土襯砌質量和施工效率，廣泛應用于公路、鐵路、水利等地下工程施工[1]。隨著我國高速鐵路快速發展和崛起，高鐵隧道工程也突飛猛進發展，給我國高鐵技術進步增添新動力。據統計，截至2018年底，我國鐵路營業里程達到13.1 萬km，高鐵營業里程達到2.9 萬km，占世界總里程的2/3，成為世界上高鐵里程最長、運輸密度最高的國家。我國高鐵累計運輸突破90億人次，高鐵的安全可靠和運輸效率世界領先。其中投入運營的鐵路隧道1.51萬座，總長1.63 萬km；建成高鐵隧道0.303萬座，總長0.49 萬km，居世界第一。2020年投入運營鐵路隧道將達1.7萬座，總長突破2 萬km[2]。

作為隧道工程而言，襯砌施工是最為關鍵的環節和繁雜的工程。對提升隧道襯砌質量起到了舉足輕重的作用，但不能完全消除缺陷和病害問題，給鐵路運營帶來一定隱患[3]。顯然，隧道襯砌采用以往傳統的施工工藝和工裝設備難以完全解決隧道襯砌背后空洞、脫空及不密實等缺陷問題，因此，研發新工藝、新工裝技術來解決隧道出現缺陷問題是一種機遇和挑戰，對我國高鐵隧道襯砌施工工藝及工裝設備的探索和研究顯得非常有必要而具有重要的現實意義。

1 國內外現狀

由于隧道施工工藝的不同，模板臺車的結構形式也不盡相同。國外的模板臺車，如歐美國家，大都采用的結構形式為利用模板為主受力架，行走門架只用于行走和收支模板。在歐洲，采用此技術也有幾十年的歷史，主要由意大利CIFA公司和CAD2K公司設計生產，并且形成了一套完善的工法。國外鋼模板臺車自動化程度較高。國外臺車在施工精度、結構合理性、自動化程度與信息化管理方面都已經成熟。

國內大多采用20世紀80年代從日本引進的二次襯砌臺車的結構形式，這種結構形式帶有笨重的門架，施工載荷由門架抵抗。笨重的門架，降低了通風面積，且門架式臺車結構笨重，需要優化。采用地泵泵送混凝土，管道繁瑣，拆裝不方面，管道清洗不方便，對于分層均勻澆筑的管理不易實現。

2 支架型模板臺車

支架型模板臺車與傳統的門架式模板臺車相比，新型的結構形式更簡單，具有可靠的剛度與強度，如圖1所示。中間支撐架不采用傳統的門字形結構，模板臺車的新型框架結構增大了通風過流面積。支架用于搬運模板，立模與脫模，澆筑混凝土時不承受施工載荷。模板需要固定支承于底部邊墻上，施工載荷由模板自承擔，如圖2所示。門架前后配有2組從動行走輪、2組主動行走輪，每組行走輪上方設置一個立柱，立柱之間由橫縱梁連接。模板支撐桿件比傳統臺車減少一半，操作簡單，減少收、立模時間。

傳統模板臺車和目前市面上已經出現的機械化程度較高的模板臺車，雖都在使用，但是大量重體力的人工作業以及較差的工作環境，都滿足不了日后發展的要求。只有在現有模板臺車的技術基礎上再研究再創新再制造，真正做到機械化換人、自動化減人、智能化無人，才能滿足高質量發展的隧道工程要求。

支架型模板臺車的特點有：1）結構簡化，有利于采用機械臂灌注混凝土；2）剛度大，保證使用壽命；3）在邊墻上布置錨栓，以邊基為基礎固定模板，利于簡化模板臺車結構；4）采用變頻附著式振搗器；5）內部空間大，能夠采用專用設備，隧道襯砌混凝土機械臂灌注混凝土。

圖1 模板臺車

圖2 模板自支撐

3 混凝土機械手

混凝土機械手是利用市場上現已成熟，并應用于各種建筑工地的臂架泵車，如圖3所示。在現有混凝土泵車基礎上，將臂架末端出口處軟管去掉，換上可拆裝的多自由度擺動裝置即可，如圖4所示。擺動裝置連接設置在混凝土臂架末端的出料管上，包括活動管，活動管與出料管連通設置，且活動管通過回轉組件支撐設置在出料管端部；布料軟管與活動管連通，且在活動管與布料軟管之間設置有擺動組件；回轉組件驅動活動管和布料軟管繞出料管回轉動作，擺動組件驅動布料軟管相對于活動管浮擺動作。隧道混凝土機械手能夠一機多用，在澆筑模板臺車的基礎上可用于仰拱與水溝的混凝土灌注，也可以用于洞外建筑的混凝土灌注。

混凝土機械手代替了傳統人工操作，既降低了人工勞動強度，也提高了工作效率，更提高了施工質量。在模板臺車上開設與混凝土機械手末端出口圓管對接裝置，工人只需要操控遙控器即可完成澆筑作業。濕噴機械手已廣泛應用于隧道建設中，起初人們也是對于高昂的價格提出質疑，但是真正使用后發現其利大于弊。隨著川藏鐵路的建設開始，混凝土機械手灌注會在以后的隧道建設中大力發展應用。

圖3 臂架泵車

圖4 多自由度出料口

4 聯合灌注工法

模板系統由支架將其行走至工位后，模板展開立模，將模板之間，模板與底部支撐絲桿支撐到位；模板與支架連接處打開，支架升降油缸縮回，行走至臺車后方10 m處左右，以不干擾泵車展開臂架長度為準；泵車行駛至模板與支架中間，展開臂架，依次從下而上帶壓灌注；灌注結束，收回臂架，泵車行駛至洞外沖洗管道；支架行走至模板下方，去除絲桿等支撐件后，脫模。如圖5所示。

4.1 可行性分析

1）模板臺車的支撐架不承受混凝土的作用力，或不承擔大部分混凝土的作用力，僅起到搬運模板的作用。在國外，該結構形式的模板臺車已經系列化。 2）改裝后的混凝土臂架車用于隧道二襯混凝土的澆注，已有成功案例。3）改裝后的混凝土臂架車與本方案的模板臺車配合使用。

圖5 聯合灌注

4.2 風險性分析

1）操作習慣。需要把模板固定到邊基上，與常規習慣不同。2）臺車與邊基處混凝土結構的適應問題；以邊基為受力體的可靠性。3）價格因素。由于增加臂架泵車，故在傳統模板臺車的價格基礎上增加成本100萬元左右。

4.3 方案的優點

1）利用混凝土臂架車澆筑二襯混凝土，一機多用；2)沒有溜槽和分布式管道，分層澆筑依靠臂的定位系統，分層均勻澆筑效果好；3）二襯混凝土澆筑速度比常規方法快，避免了經常洗管道；4）采用變頻振搗方式，效果好，容易控制。

5 結 論

隨著我國科學技術的不斷進步，為解決隧道襯砌缺陷技術難題，不僅要從工裝改進、工藝革新及現場管理等方面著手，還要解決工藝協調發展問題，本文通過研發支架臺車與機械手聯合灌注隧道襯砌新工藝，一方面從臺車的基本功能和用途作用創新；另一方面需從新工藝、新技術方面革新，使工藝與工裝匹配協調共同發展。通過對澆筑實現自動化過程，再配合使用信息化技術，真正做到二襯減人，也可以做到質量最好的要求。模板臺車信息化系統可以準確地獲知當前設備模式狀態和進展情況，并可以遠程觀測襯砌畫面，為施工作業數據的記錄帶來方便[4]。

在以往設備設計與設備使用中發現，傳統臺車機械化程度底，施工效率低下，尤其人工澆筑混凝土時，澆筑的質量難以控制，如工人為了節省時間，直接從上層窗口澆筑，從而導致襯砌澆筑出現人字坡等現象。

支架型臺車與機械手澆筑，主要解決了以下問題：1）解決了二襯臺車在使用當中通風過流面積小的問題；2）解決了側模不能壓力灌注混凝土的問題；3）解決了灌注混凝土時沖頂壓力難以控制的問題；4）解決了混凝土分層逐窗均勻灌注的問題。因此，支架型臺車與機械手聯合灌注的研究具有十分重要的意義。