充填混凝土防水板鋪掛技術及裝備研究

賀顯林

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隨著我國“中長期鐵路網規劃”“八縱八橫“和一帶一路等戰略的實施，我國鐵路建設飛速發展。截至2020年底，我國投入運營的鐵路隧道約1.7萬座，總長接近2萬km，現已成為世界隧道大國[1]。然而，由于我國鐵路隧道數量和長度的不斷增長，大量襯砌施工缺陷陸續暴露。例如，隧道防水板與初支之間的空洞[2]、二襯混凝土不密實[3]、強度及厚度不足、涌水、漏水等[4]。這些問題會嚴重影響隧道運營安全、降低隧道使用壽命。在隧道施工時，防排水系統施工不規范，漏焊和焊穿在防排水板破壞事故中占較大比例[5]。傳統的防排水板施工工藝已經不能保證隧道襯砌防水質量，因此研究新的襯砌防排水板施工技術成為保證隧道襯砌防水質量的必然需求。

2 隧道防水板施工質量問題分析

在隧道初期支護施工中噴射混凝土表面往往凹凸不平，防水板鋪掛時必須保留適當富余量。當富余量過大會造成防水板的扭曲、折皺；而富余量不足會造成防水板拉伸甚至撕裂[6]，背后易形成空洞，這是隧道防水板破損的主因。此外，噴射混凝土面的凹凸約束了混凝土的收縮動態，進而導致二次襯砌產生有害裂縫[7]。隧道施工現場條件艱苦，噴射混凝土表面鋼筋頭外露時有發生，防水板直接鋪掛在噴射混凝土表面時容易被外露的鋼筋頭刺傷或刺穿[8]，因而造成滲漏，這也是防水板破損的主因之一。

由此可見，隧道防水板鋪設施工中，由于施工工藝的落后和現場管理不到位，易造成隧道防水系統施工出現質量問題。因此，必須改進傳統防水板施工工藝，以工裝保工藝、工藝保質量，更好地保證襯砌防排水施工質量和二襯質量。

3 充填混凝土防水板鋪掛技術及流程

為解決上述襯砌施工中存在的問題，國外學者對襯砌背面防水板平滑化的襯砌施工技術進行了研究[9]。在此基礎上，本文進行了深入研究，提出新的防水板施工工藝——充填混凝土防水板鋪掛技術，并研制出配套施工的充填混凝土防水板鋪掛臺車。

3.1 充填混凝土防水板鋪掛技術

將防水板直接攤鋪在充填混凝土防水板鋪掛臺車(簡稱防水板鋪掛臺車)模板外表面，然后向防水板和噴混凝土間的空隙充填輕質混凝土，進而將防水板粘接在混凝土表面。此工法鋪設的防水板表面平整、光滑、背后無空洞如圖1所示。施工流程如圖2所示。

圖1 防水板施工原理

圖2 防水板施工流程

3.2 充填混凝土厚度及材料要求

為了防止頂部充填混凝土在防水板重量作用下發生塌落，同時考慮防水板后隧道排水管布置，充填混凝土厚度不宜過薄并有足夠的強度。因二次襯砌厚度必須滿足設計要求，同時盡量減少因充填混凝土厚度對開挖斷面尺寸的影響，綜合測算后，充填混凝土厚度應控制在8～10 cm。

為保證隧道圍巖內的排水能順利滲出并沿防水板集中排出，充填混凝土應有較好的憎水性能。因防水板后混凝土充填空間小，并且防水板外布置有環向排水管，混凝土需要從端頭注入，因此充填的混凝土需有較好的流動性，并且采用帶壓泵送方式泵入。經試驗分析，充填材料配比見表1，材料表觀密度為2 055 kg/m3。

表1 充填材料配比 kg

4 充填混凝土防水板鋪掛臺車研究

4.1 總體設計

根據工藝要求，充填混凝土防水板鋪掛臺車不僅需要具備防水板自動鋪掛功能，還應具有帶壓澆筑襯砌臺車襯砌功能。此外，臺車在隧道內施工作業時，施工車輛和設備能從其內部穿行，內凈空保證寬×高不小于3.5×4.5 m。

根據工況條件，防水板鋪掛臺車門架與普通襯砌臺車結構相近，走行系統由輪軌式改用輪胎式，方便移動。臺車兩端布置有環向軌道，軌道上安裝有防水板鋪掛小車，用于鋪設寬幅防水板。其中，后鋪掛小車安裝有爬焊機，用于焊接防水板環縫。工作采用遙控控制或全自動控制。

4.2 鋪掛臺車設計

4.2.1 結構組成

充填混凝土防水板鋪掛臺車具有防水板鋪掛和混凝土灌注功能，結構如圖3所示，主要由走行系統、升降橫移機構、爬梯平臺、臺車模板、氣囊端模、掛布小車、掛布小車軌道、臺車門架、液壓系統、電氣系統、換向托滾等部分組成。臺車結構輕便，總重量約35 t。

圖3 充填混凝土防水板鋪掛臺車斷面

臺車具有自動行走、防水板自動鋪設、環向防水板自動焊接等功能。主要技術參數見表2。

表2 充填混凝土防水板鋪掛臺車主要技術參數

4.2.2 臺車門架設計

門架結構由上下縱梁、上下橫梁、斜支撐等組成，是防水板鋪掛臺車主要承力結構。臺車在充填混凝施工時，混凝土壓力通過模板、絲杠等傳遞到門架上。

通過傳統襯砌臺車測試發現，當混凝土灌注高度約到側模頂時，臺車應力和變形最大[10－11]。

(1)臺車混凝土壓力分析計算

?建筑施工模板安全技術規范?(JGJ 162—2008)規定:混凝土側壓力以流體靜壓力原理為基礎，并結合澆筑速度與側壓力試驗數據而得出。新澆筑混凝土作用于模板的最大側壓力可按下列公式計算，取兩者的較小值。

式中:F為新澆混凝土對模板的側壓力計算值(kN/m2)；γc為混凝土的重力密度(kN/m3)，取γc＝20.5；V為混凝土的澆筑速度(m/h)，取V＝1；to為新澆混凝土的初凝時間(h)，取to＝8；β1為外加劑影響修正系數，不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2；H為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m)，取H＝3。β2為混凝土坍落度影響修正系數，當坍落度小于30 mm時，取0.85；坍落度為50～90 mm時，取1.00；坍落度為110～150 mm 時，取 1.15，本文取β2＝1.15。

按式(1)計算:

F1＝49.8 kN/m2

按式(2)計算:

F2＝γcH＝61.5 kN/m2

因F1

(2)臺車應力分析

臺車計算模型前后、左右完全對稱。為減小建模工作量，提高分析效率，分析時取臺車1/4結構進行分析，其有限元分析模型如圖4所示。

圖4 臺車有限元模型

利用有限元分析計算臺車在側模50 kPa面荷載作用下的應力和變形[12]，結果如圖5、圖6所示。

圖5 臺車受力應力云圖

圖6 臺車受力變形云圖

經分析，臺車的應力除1個集中點達294.7 MPa外，整體最大應力178 MPa，其余大部分應力均小于100 MPa(見圖5)；臺車最大變形約4.63 mm(見圖6)。其應力和形變均在許用范圍內。

5 輕質充填混凝土防水板鋪掛臺車應用

5.1 臺車自動走行技術

臺車具有自動走行、升降和橫移功能，用于臺車移位和精調對中。

臺車走行系統由兩組主動輪對和兩組從動輪組組成，其分別布置在臺車的前后端，支撐臺車并驅動臺車移動。所有輪對都安裝有液壓轉向系統，用于控制主動輪組和從動輪組分別同步轉向，方便臺車通過曲線。主動和從動輪對均使用實心輪胎，不需鋪設軌道，減少鋪軌、移軌等環節，移動更加靈活、方便。

臺車兩端都安裝有升降橫移系統，用于保證臺車中心在鋪設防水板時與隧道中心精確對中。

5.2 防水板自動鋪掛技術

防水板采用掛布系統自動鋪掛(見圖7)，防水板環縫由后掛布小車帶動爬焊機自動焊接。

圖7 掛布系統

掛布系統是鋪設臺車的主要工作機構，主要由前掛布小車、后掛布小車和防水板牽引軸、軌道等組成。前后掛布小車均安裝有減速電機，減速電機輸出軸上安裝有齒輪，與軌道頂面的大齒圈嚙合，驅動掛布小車沿軌道爬行。工作時，防水板牽引軸夾持防水板，前后掛布小車的減速電機一起驅動，帶動掛布小車、牽引軸一起拖拽防水板沿臺車模板表面移動，將防水板整體覆蓋在臺車模板外表面。

(1)前掛布小車

前掛布小車由走行輪、輪箱、減速電機、帶立式座軸承、支座和電動卷筒等組成。車輪成對布置卡在弧形軌道內，導引掛布小車沿軌道運動。電動卷筒給減速電機供電，驅動減速電機輸出端的小齒輪與軌道頂部的齒圈相嚙合，沿軌道運動。

(2)后掛布小車

后掛布小車(見圖8)由走行輪、減速電機、導柱、電動卷筒、帶立式座軸承、爬焊機、連桿、電動推桿和輪箱等組成，具有掛布和帶爬焊機自動焊接兩種功能。

圖8 后掛布小車

走行輪成對布置，卡在弧形軌道內，導引掛布小車沿軌道運動。

掛布工作時，功能類似前掛布小車。防水板牽引軸穿過帶立式座軸承，前后掛布小車共同前進，拖拽防水板沿臺車模板表面移動，將防水板整體覆蓋在臺車模板外表面，完成防水板攤鋪作業。

焊接防水板時，后掛布小車上的傳感器自動檢測爬焊機與模板表面的距離，控制電動推桿伸縮，自動調節爬焊機的高度，保證爬焊機焊接面與臺車模板面齊平，確保防水板在焊接時無扯皺。后掛布小車沿軌道一周，爬焊機完成與上一模防水板之間的環縫焊接。

5.3 防水板自動鋪掛技術特性

(1)防水板自動鋪掛，不需人工拖拉，自動焊接固定防水板，機械化、自動化程度高。

(2)防水板鋪掛表面平整、光滑，無褶皺、無撕裂頂穿等質量問題。

(3)防水板背后密實、無空洞。

5.4 樣機試制

防水板自動鋪掛臺車樣機已完成加工、裝配和基本功能試驗，后期計劃在廠內隧道模型完成防水板鋪設試驗和混凝土充填灌注模擬試驗，以驗證防水板自動鋪掛技術和臺車是否達到設計要求。

6 結束語

經理論研究，充填混凝土防水板鋪掛技術能夠保證防水板鋪設平順，無褶皺、無撕裂和頂穿等現象，可以有效提高隧道二襯防水質量。配套的充填混凝土防水板鋪掛臺車可以實現防水板自動鋪掛、自動焊接，確保充填混凝土防水板鋪掛技術得以實現。充填混凝土防水板鋪掛技術和裝備具有較大的應用推廣價值。