鐵路隧道新型防排水卷材鋪掛臺車研制及應用

趙鵬 郭小雄 韓安宏

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊 050081）

防排水卷材是置于隧道初期支護和二次初砌之間，兼顧拱墻防水和排水功能的主要材料，其鋪掛工效嚴重制約隧道整體進度和施工質量，影響隧道運營和使用壽命［1］。目前，防排水卷材鋪掛大多采用作業臺架人工鋪掛的方法，存在勞動強度大、鋪掛效率低、搭接尺寸誤差大、安全隱患大等問題，難以滿足施工進度、施工質量和隧道標準化施工的要求［2-3］。研制機械化、信息化水平較高的智能型防排水卷材鋪掛臺車對提高防排水施工質量，加快隧道修建速度，減少襯砌病害，提升隧道安全運營能力至關重要。

德國、法國等歐洲國家防排水卷材鋪掛臺車以桁架結構為主，主要優點在于結構簡單穩定，構件均為可拆卸更換、重復使用的標準件［4］。日本鋪掛臺車為框架結構，其除具備鋪掛防排水卷材等基本功能外，還具有注漿功能［5］。中國鋪掛臺車多以簡單臺架為主，臺車形式多樣，結構剛度小，變形大，僅做人工操作平臺使用。其智能化水平低，人為干擾因素大，鋪掛平整度差，施工質量及效率較低，與我國高速鐵路發展技術不匹配，也是鐵路隧道襯砌質量難以控制的主要影響因素之一。

1 自粘式防排水卷材鋪掛工藝

采用氣釘槍將自粘布固定在初期支護混凝土上，自粘式防排水板沿隧道環向展布，環向搭接邊與上一幅預留搭接邊對齊，自粘布與防排水板之間用粘接帶相互連接，縱向接縫采用“凸殼嵌扣+膠貼密封+熱塑封邊”方式施工。人工粘貼固定自粘布和防排水板鋪掛見圖1，其工藝流程見圖2。

圖1 人工鋪掛防排水卷材

圖2 粘貼式防排水卷材鋪掛工藝流程

自粘式防排水卷材的使用改變了拱墻結構防排水形式，施工便捷、鋪掛牢固，提高了與初期支護密貼程度，降低了拱頂掉塊的風險。同時，自粘式鋪掛工藝操作簡單，降低了作業人員鋪掛難度、勞動強度及技術門檻，為鐵路隧道新型防排水卷材鋪掛臺車的研制奠定了技術基礎。

2 新型鋪掛臺車結構設計

2.1 系統構成

新型鐵路隧道防排水卷材鋪掛臺車由支撐結構、環形軌道及功能部件、工作平臺、定位調整機構、走行系統、動力系統、控制系統、信息化系統等組成，見圖3。

圖3 新型鋪掛臺車總體結構組成示意

新型鋪掛臺車構件均采用標準件，方便拆卸和更換。主要部件見圖4。

圖4 新型鋪掛臺車主要部件

各部件的主要作用：①支撐結構為由支撐桿件組成的框架結構，是整個鋪掛臺車的承載結構。②環形軌道設置于鋪掛臺車外圍，為功能部件提供支承、導向作用。功能部件鋪掛于環形軌道上，主要有布料裝置、壓緊裝置、射釘裝置、焊接裝置、鋼筋牽拉裝置等。③工作平臺滿足施工人員作業、消防器材存放等要求，具備伸縮、可拆卸等功能。④定位調整機構通過平移、旋轉、伸縮等姿態調整實現鋪掛臺車作業位置的微調。⑤走行系統可采用輪軌式或輪胎式，由行走輪及驅動組成，實現鋪掛臺車行走、駐停等。⑥動力系統由電力系統、氣動系統、液壓系統等組成，為鋪掛臺車施工作業、起降伸縮、走行駐停等提供動力。⑦控制系統由傳感元件、控制終端及操控軟件組成，用于實現鋪掛臺車的主功能操控。⑧信息化系統包括工業攝像機、激光測距儀、無線掃碼槍、數據處理存儲傳輸系統等，用于實現鋪掛臺車施工作業全過程的信息采集、存儲、傳輸等功能。

2.2 功能特點

2.2.1 自動化

1）自動射釘固定自粘布

卷材爬升支架啟動后，卷材壓緊裝置將自粘布壓合在隧道表面，射釘裝置同步啟動并沿環向軌道運行，實現自粘布在初期支護上的自動固定。

2）自動粘貼鋪掛防排水板

利用鋪張支架、壓力滾輪及環向接縫熱熔焊接裝置，實現防排水板與自粘布均勻貼粘和防排水板之間的環向焊接。

2.2.2 信息化

1）自動掃碼識別防排水卷材

基于鐵路隧道防排水卷材生產制造信息化監造系統，實現了防排水卷材質量全過程的信息化監控。在施工前可通過掃描自粘布及防排水板的二維碼標志，識別材料來源信息，比如產地、生產批次、生產日期、產品型號等，實現對材料質量的全過程追溯。

2）自動掃描初期支護輪廓及鋪掛平整度

防水卷材鋪掛完成后，利用自動掃描設備對防排水板進行掃描，對比前后輪廓掃描數據，計算得出鋪掛平整度。對于平整度不滿足鋪掛要求的位置進行調整，直至滿足設計要求。

3）隱蔽工程影像資料的自動存儲

為便于鐵路隧道自粘式防排水板施工質量控制及檔案管理，鋪掛臺車配備了隱蔽工程影像自動采集存儲功能，對防排水卷材鋪掛過程進行記錄。

3 結構檢算

3.1 模型的建立

鋪掛臺車的結構比較復雜，基本門架結構為空間桿系模型，均釆用beam188 梁單元進行建模。鋪裝結構為梁殼模型，釆用shell63 殼單元建模，模板加強筋的角鋼釆用具有可視化界面的beam189 梁單元建模。檢算模型見圖5。

圖5 鋪掛臺車檢算模型

門架縱梁支撐千斤頂與門架縱梁之間由于沒有固定連接，因此門架縱梁支撐千斤頂對門架只有高度方向的支撐力，只約束支撐點高度方向位移。門架立柱撐地千斤頂與地面的接觸簡化處理為在千斤頂底端約束其3個方向的位移自由度。車輪與鋼軌的接觸簡化處理為在門架立柱的底端約束其3個方向的位移自由度。

臺車結構在施工過程中主要承受作業人員、防排水卷材及機具自身重力。約束反力直接作用在臺車下縱梁上，整個臺車形成底部約束的框架受力結構，約束反力及鋪掛臺車各構件受力情況均可通過簡化受力計算模式進行計算分析。當臺車被拖拉移動時同時承受水平牽引力和支反力，支反力通過走行輪作用于主承力框架下縱梁。

3.2 結果與分析

鋪掛臺車的變形及內力檢算結果見圖6。

圖6 鋪掛臺車檢算結果

由圖6可知：①由于臺車內架為承重結構，其變形主要為豎向位移，最大位移發生在內架橫梁中間，其值為2.50 mm，外架位移較內架大，其中拱頂豎向位移最大，其值為3.09 mm；②臺車所受彎矩較小，主要在外架拱部以及部分內外架上部連接處，內架幾乎不存在彎矩，最大值出現在外架正上方，其值為15.66 kN·m；③臺車結構所受應力主要集中在內外架連接處，其他位置應力分布均勻。最大值出現于內架上方橫梁兩側連接處，其值為35 MPa，小于Q345 材料的許用應力。

鋪掛臺車作業時結構整體變形量較小，受力狀態良好，未出現構件屈服現象，臺車強度和剛度滿足要求。

4 鋪掛臺車現場試驗

4.1 工點概況

鐵盔山隧道位于貴州省黔西縣鐵石鄉，起迄里程DK466＋785—DK472＋012，全長5 227 m，除隧道出口DK471＋870—DK472＋012 段為平坡外，其余段均為17‰的單面下坡。隧道設進、出口平導，其中進口平導位于線路右側，坡度為3‰上坡，全長1 609.45 m；出口平導亦位于線路右側，坡度為17‰，3‰的下坡，全長1 485 m。鐵盔山隧道為高壓富水隧道，日均涌水量為3 650 m3/d，最大涌水量為7 860 m3/d，監測最大水壓可達 0.6～1.0 MPa。選取 DK469+200—DK469+500段開展自粘式防排水卷材鋪掛施工。

4.2 施工工藝

經現場試驗段的鋪掛施工，新型鋪掛臺車自動化、信息化功能穩定，整體臺車結構能較好適應防排水卷材粘貼式鋪掛特點，并確定了防排水卷材鋪掛臺車自動鋪掛工藝，見圖7。

施工工藝主要分為4部分：

1）施工準備

臺車鋪掛與調試，檢查電燈、液壓系統、氣動系統、傳動部件。

2）固定自粘布

自粘布鋪掛前，對初期支護表面平整度、滲漏水等情況進行拍攝采集并實時存儲、上傳，以備后續施工質量驗收、存檔等使用。

對自粘布外觀質量進行檢查，合格后將其鋪掛在卷材爬升支架上，同時將自粘布端部與隧道邊墻的掛鉤鎖緊。啟動卷材爬升支架，自粘布隨著支架的上升而均勻舒張，利用卷材壓緊裝置將其壓合在隧道表面，自動射釘裝置同步啟動進行固定。支架在軌道上運行過程中啟動4 組激光測距儀，實時掃描和計算生成初期支護輪廓圖，并存儲上傳。卷材爬升支架到達鋪掛終點后，自動切割自粘布并用射釘固定，至此自粘布鋪掛完成。部分施工過程見圖8。

圖7 防排水卷材臺車自動鋪掛工藝流程

圖8 自粘布自動鋪掛施工

3）鋪掛防排水板

卷材爬升支架返回起點，啟動掃碼裝置，識別并存儲防排水板的材料信息。隨后啟動卷材爬升支架，防排水板隨支架上升均勻舒張，利用卷材壓緊裝置將防排水板均勻緊貼在自粘布上，同時再次啟動激光測距裝置，檢測鋪掛平整度，待卷材爬升支架到達鋪掛終點后，自動切割防排水板。最后啟動加熱爬焊機，沿對接縫逐步行走焊接至防排水板另一端，防排水板鋪掛完成。部分施工過程見圖9。

4）襯砌鋼筋架設

圖9 防排水板鋪掛施工

鋼筋牽拉爬升裝置夾持鋼筋從鋪掛起始側拉至對側，到達規定位置后將鋼筋頭與邊墻對應鋼筋頭緊扣，而后鋼筋牽拉爬升裝置返回布置鋼筋，升縮平臺和頂桿同步伸出，確保鋼筋在設計要求位置后，進行橫向鋼筋的人工綁扎。最后，采用油壓鎖扣方式對起始側鋼筋頭與矮邊墻鋼筋頭進行連接固定。部分施工過程見圖10。

圖10 襯砌鋼筋架設施工

4.3 施工效果

1）自粘布鋪掛工效及質量

人工鋪布與自動鋪布工效對比見表1。其中，用時指4 m 幅寬自粘布鋪掛時間。可見：自動射釘固定完成4 m 幅寬自粘布平均用時為人工鋪掛完成等量面積自粘布用時的20%，大大降低作業人員勞動強度。

表1 人工鋪布與自動鋪布工效對比

自粘布鋪掛平整，與初期支護密貼，固定牢固，鋼釘無明顯突出或脫落現象，前后2 排鋼釘間距在25～35 cm，美觀均勻，整張自粘布緊密貼合在初期支護表面，鋪掛質量比人工鋪掛明顯提高。

2）防排水板鋪掛工效與質量

人工鋪掛與自動鋪掛防排水板工效對比見表2。其中，用時指4 m 幅寬自粘防排水板鋪掛時間。可見：完成4 m 幅寬防排水板鋪掛平均用時比人工鋪掛用時縮短了80%。

表2 人工鋪防排水板與自動鋪板工效對比

自動鋪掛防排水板位置準確，偏移未超過10 mm，防排水板無松垮現象，且防排水板接縫處粘貼牢固無脫落，鋪掛質量明顯提高。

5 結語

1）新型防排水卷材鋪掛臺車具有自動布料、射釘、鋪掛防排水板、張拉架設襯砌鋼筋等多項自動化功能，具有掃碼識別、初期支護輪廓及鋪掛平整度掃描、影像資料儲存等多項信息化功能。結構設計合理，能適應防排水卷材粘貼工藝。

2）鋪掛臺車自動鋪掛完成4 m 幅寬自粘布平均用時只需22 min，施工效率大幅提升，大大降低作業人員勞動強度。自粘布與初期支護密貼，固定牢固。

3）鋪掛臺車完成4 m 幅寬防排水板鋪掛平均用時只需14.5 min，相比人工鋪掛用時縮短了80%。防排水板接縫處粘貼牢固無脫落，鋪掛質量明顯提高。

4）鋪掛臺車能自動完成襯砌環向主筋的架設，提高了施工效率。

經過兩年運營期的跟蹤觀察，新型防排水卷材臺車鋪掛試驗段未出現水害，襯砌質量完好，無空洞及厚度不足現象。新型鋪掛臺車的應用有效避免了由于防排水卷材人工鋪掛導致的質量缺陷，從而減少了運營期病害的產生。