隧道襯砌信息化與機械化施工工藝研究與應用

傅重陽/FU Chong-yang

（中鐵三局集團第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

近年來隧道施工進入了高速發展階段，隨著鐵路隧道的總延長不斷增加，我國隧道已經進入高維修時期，在鐵路隧道施工中存在的質量問題也逐步顯露出來，先后有多條鐵路隧道出現拱部開裂掉塊、修補脫落、敲擊空響、滲漏水鑿槽修補脫落、涌水等病害，嚴重威脅行車安全。隨著信息時代的到來，在隧道施工管理工作中，如何運用信息化施工管理手段，提高隧道施工全過程管理，同時對隧道機械化施工工藝進一步優化，提高隧道襯砌施工質量，是擺在建設者面前的主要問題。

新建貴南鐵路GNZQ-3 標獨山一號隧道全長8488m，進口工區2095m，Ⅲ級圍巖370m，Ⅳ級圍巖1120m，Ⅴ級圍巖585m，隧道洞身穿越1 條斷層，3 處可溶巖與非可溶巖接觸帶，主要不良地質為洞口危巖落石、洞身穿越可溶巖、巖堆及斷層破碎帶。在隧道襯砌施工中開展了隧道襯砌信息化與機械化施工工藝研究，將隧道施工過程與信息化技術高效融合，對隧道機械化施工工藝及配套工裝設備進行進一步優化，有效預防了拱部脫空，提高隧道襯砌施工質量，同時為新建川藏鐵路相似地質條件下隧道襯砌施工提供一定的借鑒。

1 基于信息化的隧道襯砌施工工藝原理

1）隧道云端移動信息化綜合管理系統可連續記錄從隧道開始修建到結束的所有相關數據，上傳數據可實時傳遞到后方管理終端，利用手機、平板電腦等通信設備進行分析處理，對隧道施工全過程進行監管，有效指導現場施工，實現了施工生產過程與信息化技術的高效融合，提升隧道施工管理水平。

2）研制應用了一種帶折疊式全環弧形模板及中心水溝模板的液壓移動設備及其施工工藝，可折疊仰拱全弧模板和中心水溝模板通過液壓裝置進行合模、拆模（圖1、圖2），提高了施工效率。

圖1 可折疊式液壓全弧模板合模示意圖

圖2 可折疊式液壓全弧模板拆模示意圖

3）研制應用了“隧道二襯全自動液壓分倉式混凝土帶角度帶壓灌注設備”（圖3、圖4），能保證混凝土入模壓力，可增強混凝土在模內的流動性，解決了隧道襯砌混凝土易產生離析和骨料堆積的問題。

圖3 帶角度帶壓灌注設備

圖4 采用泵管帶角度帶壓泵送直接入模

4）研制了云視頻監控和拱頂防脫空報警裝置，形成了“基于云視頻技術的隧道襯砌拱部自報警防脫空施工工法”，可實時不間斷監控二襯灌注及充填注漿情況（圖5），并及時報警，能有效預防拱頂脫空。

圖5 不間斷監控二襯灌注情況

5）研究應用了一種基于精確定位的軌道式隧道防水板高效鋪裝設備，采用軌道式鋪設方式，確保防水板精確定位，利用液壓可伸縮連接桿控制防水板鋪設裝置與初支混凝土面之間的距離，確保防水板與初支混凝土面緊密接觸。

6）采用自注漿系統進行拱頂帶模注漿作業，二襯工序和注漿工序基本上屬于平行工序，二襯完成的同時注漿也可緊隨完成，不存在注漿管封堵問題，確保混凝土凝結后表面沒有任何質量缺陷。

2 工藝流程

隧道襯砌信息化與機械化施工工藝流程如圖6 所示。

圖6 隧道襯砌信息化與機械化施工工藝流程圖

3 關鍵工序施工技術及操作要點

3.1 隧道襯砌修建數據錄入

現場技術人員利用“隧道云端移動信息化綜合管理系統”，根據每天隧道現場施工情況，進行隧道施工工序數據的報送、處理、分析等工作，對施工數據及時進行分析，并將結果用于指導現場施工，管理人員可以通過手機等通訊設備實時查看，對現場施工數據有效、及時掌控，對施工過程中異常情況進行及時處理。

3.2 安裝仰拱模板

1）仰拱模架設計為左右兩幅，分別由剛性骨架和模板組成。剛性骨架設置在仰拱外露部分（不被填充掩埋的部分），主要作用是固定、存放和移動模板，以及安設走行設備絞車，傳遞動力。模板采用大塊組合鋼模，每幅3 塊，模板間用樞紐連接，以翻折方式安裝和拆除。

2）根據測量結果，采用液壓油缸系統左右及上下調節，將仰拱弧形模板按照設計標高準確定位，并用絲杠加固連接，防止全弧型模板在澆筑混凝土過程中發生偏移。

3.3 折疊式液壓全弧模板拆除

在全弧仰拱模板上布置梅花形混凝土澆筑窗口，仰拱混凝土澆筑完成達到設計拆模強度后，利用油缸將可折疊式仰拱全弧模折疊，與混凝土表面分離后，整體提升后完成拆除作業。

3.4 中心水溝整體液壓模板滑移就位

1）中心水溝模板采用液壓系統進行合、脫模作業，通過棧橋自動走行裝置帶動牽引中心溝模板定位。

2）中心溝模板定位完成后，安裝仰拱填充端模。

3.5 仰拱填充混凝土澆筑

1）仰拱填充混凝土澆筑時，應充分振搗，保證混凝土密實，并需對仰拱填充面進行二次收面，確保填充面平整度符合要求。

2）中心溝脫模后，模架系統整體移到下一作業區。

3.6 土工布、防水板鋪掛

1）利用基于精確定位的軌道式隧道防水板高效鋪裝臺車鋪設防水板，采用移動滾籠帶動土工布、防水板翻滾進行連續作業，利用液壓可伸縮連接桿控制防水板鋪設裝置與初支混凝土面之間的距離，確保防水板與初支混凝土面緊密接觸。

2）施工時先鋪設土工布，用射釘將土工布固定牢固，然后鋪設防水板。

3）采用超聲波熱熔焊逐個將土工布上的熱熔墊圈與防水板焊接，焊接時按照右側邊墻、拱頂、左側邊墻的順序進行焊接，邊墻部位每個墊片焊3 個點，拱部每個墊片焊4 個點。

4）相鄰兩幅防水板搭接寬度不小于15cm。防水板松緊應適度并留有余量，實鋪長度與初期支護基面弧長的比值為10 ∶8。

3.7 鋼筋綁扎

1）利用臺車安裝鋼筋，鋼筋安裝時，主筋間距偏差不得大于±10mm，箍筋間距偏差不得大于±20mm，兩層鋼筋間距偏差不得大于±5mm。

2）鋼筋保護層應符合設計要求，鋼筋與模板間宜加砼墊塊固定，防止澆筑砼時，鋼筋移位。

3.8 安裝隧道拱頂防脫空報警裝置壓力傳感器

1）壓力傳感器安裝在隧道拱部中線位置，位于兩個混凝土入料孔中間、入料孔與施工縫中間部位，9m 襯砌臺車時至少設置4 個，12m 襯砌臺車時至少設置5 個，采用粘結方式固定在防水板上，防止澆筑過程中脫落。

2）壓力傳感器安裝時可根據拱部平整度可適當調整至最高點。

3）采用絕緣銅導線從二襯臺車端頭拱部引出，與控制箱采用快速線夾頭連接，控制箱和指示燈通過導線連接。

3.9 防脫空裝置空載實驗

襯砌臺車就位前進行防脫空報警裝置空載實驗，檢測各導線是否連接。

3.10 二襯混凝土澆筑

1）利用二襯全自動液壓分倉式混凝土帶壓灌注臺車完成二襯混凝土澆筑，采用泵管帶角度帶壓泵送直接入模逐層逐窗灌注的工藝，有效保證了混凝土入模壓力，增強了混凝土在模內流動性。

2）在模板臺車拱部新增一排灌注口，振搗棒可直接對拱部底段混凝土進行振搗，確保拱底混凝土灌注質量。

3）拱頂混凝土澆筑前，開啟防脫空報警裝置，對拱頂混凝土澆筑質量進行控制。

4）拱頂混凝土澆筑時，運用云視頻技術實時觀測二襯灌注及充填注漿情況，監控圖像可通過云平臺實時傳遞到后方管理終端。

5）在拱頂混凝土澆筑完畢后，采用自注漿系統進行拱頂帶模注漿作業，二襯工序和注漿工序基本上屬于平行工序，二襯完成的同時注漿也可緊隨完成。

6）當防脫空報警裝置所有只是燈全亮時，可初步判斷拱頂混凝土澆筑密實，同時結合混凝土用量、隧道襯砌及充填注漿管理系統注漿效果評價結果等綜合判斷混凝土是否飽滿。

7）確認混凝土澆筑飽和后關閉防脫空報警裝置電源。

3.11 脫模養護

1）二襯混凝土澆筑完后，達到設計要求、規范條件后進行脫模。

2）使用二襯混凝土養護臺車的自動噴淋裝置進行養護，臺車主要由門形承重架、行走裝置以及噴淋組件構成，其中，噴淋管采用空心外弧形鋼管制作，外弧形鋼管上分布有噴淋灑水口，末端與高壓水管連接，通過繼電器實現噴淋組件自動灑水養護。

4 技術應用效果

1）實現了隧道施工工序實時記錄與永久保存，數據可一鍵導出，方便分析；隧道各工序施工中的進度、用時、人工、機械、材料超耗等情況實時掌握，輔助項目隧道施工工序組織管理，有助于現場技術員進行工序記錄，管理人員可及時掌握施工動態。

2）針對傳統半弧仰拱模板或整體式全弧鋼模板，在施工存在拱底線形不圓順，有錯臺，混凝土澆筑完成后整體式全弧剛模板和中心水溝鋼模拆卸困難等問題，研制應用了一種帶折疊式全環弧形模板的液壓移動設備及其施工工藝，仰拱可折疊全弧模板通過液壓裝置進行合模、拆模，同時在全弧仰拱模板上梅花形布置混凝土澆筑窗口，確保仰拱混凝土澆筑質量，減少了二次返工，大大縮短了仰拱施工每循環的作業時間，有效提高了施工效率，降低了施工成本。

3）采用二襯拱部混凝土帶角度入倉帶壓灌注施工技術與傳統逐窗澆筑工藝對比如表1 所示。

表1 工藝對比

澆筑完成7 天后混凝土強度可達到25～28MPa，14 天可達到32～35MPa，28 天可達到36～40MPa，56 天可達到40～42MPa，有效保證了二襯混凝土實體質量。

4）二襯混凝土澆筑監控圖像可通過云平臺實時傳遞到后方管理終端，在網絡不佳的情況下，也可先在本地存儲，可實現20 天24 小時不間斷監控，同時重要的視頻資料也可備份到外部存儲設備。

5）可實時檢測隧道拱頂混凝土澆筑密實情況，并及時報警，能有效預防拱頂脫空。

5 關鍵技術對比

本文所講的技術與國內外隧道襯砌施工技術相比有如下創新（表2）。

表2 關鍵技術與國內外隧道襯砌施工技術對比

6 結語

目前我國大力推動與促進新技術在行業中的應用，國家十三五規劃明確提出“以信息化技術指導企業實際施工，帶動企業增收創效”的口號，將信息化技術應用于隧道施工項目，可有效提高隧道施工效率和降低施工成本，提高施工精確性及安全性。隧道襯砌信息化與機械化施工技術成功解決了隧道襯砌施工過程中的技術難題，對隧道機械化施工工藝進行進一步優化，運用云視頻技術實時觀測二襯灌注及充填注漿情況，同時采用隧道云端移動信息化綜合管理系統，可輔助使用單位實現隧道襯砌的全過程管理；同時通過應用一種帶折疊式全環弧形模板及中心水溝模板的液壓移動棧橋、一種隧道二襯全自動液壓分倉式混凝土帶壓灌注設備、自注漿設備及隧道拱頂防脫空報警裝置等隧道襯砌機械化施工的配套工裝和設備，有效預防了拱部脫空，提高隧道襯砌施工質量。該技術是一種實用、合理、安全、經濟的施工方法，適用于鐵路隧道襯砌施工，對川藏鐵路特殊地質條件下隧道襯砌施工具有切實的指導意義。