運營鐵路隧道套襯施工機械化配套研究與應用

田雪豪,宋 丹,江 帥,付開勇,高立君,王柏松

(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

近年來我國鐵路運營發展迅速,目前鐵路營運里程突破15萬km(高鐵4萬km),運營隧道1.7萬座,約2萬km,隧道數量和長度均居世界首位。受地質、環境、氣候以及反復載荷影響,隨著服役時間的增加,運營隧道的結構不可避免地會產生漏水、裂紋、空洞等病害。一旦隧道內壁的質量問題超出了允許的界限,隧道將無法繼續服役[1-3]。為延長隧道使用壽命,必須對其進行病害整治或改造。另外,為加快區域互通互聯,對既有鐵路隧道提速的需求激增,隧道的缺陷隱患成為阻礙提速的主要因素,同時對既有線路的改造提質也提出需求[4-5]。

李佳翰等[6]通過對國內外已有的266座隧道工程病害資料進行整理與分析得出,隧道工程病害82%以上是由于襯砌開裂造成的。運營鐵路隧道作業時間為運營天窗點,極為有限,大型持續性施工如何高效開展一直是一個難題。馬偉斌等[7]、高菊如等[8]、肖志波[9]、劉建豐[10]對病害整治施工技術進行了研究。遲學新[11]、李秀新[12]、胡慶龍等[13]對套襯加固施工技術進行了研究,認為套襯施工對隧道影響較小,且可利用天窗點作業,不中斷運營線路。張龍等[14]對運營鐵路隧道維護的關鍵工序設備研制及施工工藝進行了研究,提出了“關鍵工序機械化+人工輔助”施工模式,推進了隧道病害整治領域全工序人工作業向關鍵工序機械作業轉變的進程。綜合分析目前的套襯施工,主要依賴人工站立于簡易臺架上作業,費時費力。在當前的高鐵運營背景下,傳統低效率和高風險的人工作業方式已難以適應隧道病害整治需要,亟需針對運營鐵路隧道病害整治關鍵工序研制成套機械作業設備,以提高運營隧道病害綜合整治效率、質量和作業安全性。

鑒于此,本文以2014年開通運營的某高速鐵路為依托,在充分調研隧道套襯人工施工的基礎上,分析其中存在的安全性差、效率低、勞動強度高、施工質量參差不齊等問題,提出成套裝備的技術方案,研制出首臺樣機;并結合套襯施工方法,根據產品特點形成施工流程及施工組織,在某隧道病害整治工程點進行應用驗證,提高了施工工效。

1 概況

1.1 工程概況

某高速鐵路正線全長857 km,隧線比56.8%,設計速度250 km/h,運行速度250 km/h,基礎設施預留了進一步提速條件。經全面排查驗證及統計,隧道內主要病害體現在二次襯砌處的裂隙、漏水、空洞、保護層厚度不足、鋼筋外漏、襯砌不密實等方面。經設計論證,病害整治主要采用套襯工法施工,套襯厚度為20～30 cm,以25 cm為主,套襯完成后凈空不侵限,滿足提速條件。

1.2 人工套襯施工概況

現場采用人工套襯施工,在既有襯砌表面鑿毛設接茬鋼筋布置雙層鋼筋后,采用吊模澆筑混凝土,設計采用厚25 cm的C35混凝土套襯。

人工套襯施工主要包括16道工序:施工準備、既有設備改移及防護、混凝土鑿除及鑿毛、釬釘、邊墻鎖腳錨桿、鋼筋綁扎焊接、模板安裝及澆筑混凝土、模板拆除、混凝土養護、斷面測量、套襯背后注漿填充、涂刷水泥基滲透結晶材料、恢復管線、施工設備清場、高壓水槍除塵清洗、驗收。施工工藝復雜、工序繁瑣、施工效率低、安全性差。人工套襯施工現場如圖1所示。

(a)

1.3 機械化套襯施工設備需求

經調研,運營高鐵隧道病害整治對設備總的需求為:安全可靠、技術可行、便于施工、綜合整治、不產生新隱患。

1)高速鐵路接觸網[11]是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路,其由接觸懸掛、支撐裝置、定位裝置、支柱與基礎等部分組成。鑒于高壓電的危險性以及其對高鐵線路正常運營的重要性,在施工中應避免接觸和損害,設備作業時避障要求嚴格。接觸網線及既有管線現場懸掛位置如圖2所示。

(a) 接觸網線懸掛圖

2)施工報批時間均在運營天窗點,通常為6 h。由于天窗期具有非連續性、單位工時短的特點,施工裝備需要有能快速展開和收回的能力,并且在異常情況下也能及時收回,確保及時撤場。

3)施工設備應適用于250～350 km/h高速鐵路、200 km/h客貨共線鐵路雙線隧道斷面,同時可拓展至200 km/h以下鐵路單雙隧道斷面。要求設備有足夠大的行程、覆蓋面和穩定性,滿足單洞單線和單洞雙線斷面隧道一次駐車約6 m范圍的套襯作業。

4)施工設備需適應鐵路段外軌最大超高175 mm/6°、30‰的線路縱坡和最小曲率半徑的施工要求。

5)鐵路隧道內掛載有許多必要的線路設施,為了避免干涉造成事故,通行的設備需滿足GB 146.1—2020《標準軌距鐵路限界 第1部分:機車車輛限界》規范要求,以限界作為制約施工設備設計時的最大輪廓尺寸。機車車輛限界如圖3所示。

圖3 機車車輛限界(單位:mm)

6)功能需求包括:鑿毛功能;管線改移、釬釘植入、掛網、模板安裝等所需的作業平臺;混凝土實時制備及泵送功能、全輪廓面注漿功能;隧道通風功能;物料吊運及存儲功能。

7)以鐵路局現有牽引機車和NX70軌道平板車為載體。

2 套襯施工機械化配套研究

在制約條件下,根據施工需求形成的設備功能模塊包括:混凝土鑿毛車、作業平臺車、混凝土制備車、混凝土布料車、通風工具車。施工裝備編組列車示意如圖4所示。

圖4 施工裝備編組列車示意圖

施工裝備編組列車采用分布式動力配置,根據實際施工有2種編組方案:1)整列長編組,適用于長距離集中作業; 2)拆分成多列短編組,適用于短距離多點分布作業。推薦采用2組短編組,一組作為作業平臺及機械化鑿毛模塊,另一組作為混凝土制備、泵送、澆筑模塊。短編組1由牽引車、混凝土鑿毛車、作業平臺車、通風工具車組成,主要完成鑿毛作業、物料轉運、接觸網防護、管線改移、鋼筋綁扎、模板安裝等;短編組2由牽引車、混凝土制備車、混凝土布料車、通風工具車組成,主要完成混凝土制備、泵送、澆筑等。各系統主要技術參數如表1所示。

表1 各系統主要技術參數

2.1 混凝土鑿毛系統

此系統具有混凝土鑿毛、物料存儲及吊運功能。通過小車滑移與臂架回轉伸縮實現雙線鐵路隧道6 m套襯的覆蓋。

鑿毛模塊采取主要區域鑿毛機械化,搭配頂部接觸網復雜區域人工站立在作業平臺上處理的模式。通過鑿毛路徑規劃設置傳感器限制臂架俯仰角度,避免接觸和損害接觸網,確保施工安全。機械化鑿毛示意如圖5所示。

(a) 臨近側

物料運輸及鑿毛廢渣通過可拆卸物料箱轉運。作業前,吊機將物料箱吊下,鑿毛臂在軌道滑移進行鑿毛作業,鑿毛作業結束后將產生的廢渣回收放置到可拆卸物料箱內,通過吊機將物料箱吊裝復位。釬釘作業工序和模板安裝工序主要涉及鋼筋、釬釘、鋼制模板等材料的轉運,也通過吊機直接將物料從物料箱內吊出,然后吊運到工作平臺車上,作業人員站立于作業平臺上進行作業。物料吊運示意如圖6所示。

圖6 物料吊運示意圖

2.2 作業平臺系統

作業平臺模塊在整個套襯施工中占據重要地位,作業人員在平臺上可以完成接觸網線防護、頂部人工鑿毛、釬釘植入、鋼筋綁扎、鋼制模板安裝與拆除、涂防水基料等。作業平臺車主要結構有搭載平板車的副車架、用于調平的調平車架、支腿支撐系統、雙回轉系統、2個上裝平臺總成以及動力控制系統。運輸時固定在限界范圍內,到達作業點后通過雙回轉伸縮平臺展開,疊加剪叉升降平臺的升降滑移獲取全輪廓作業面可覆蓋的工位。作業平臺車如圖7所示。

圖7 作業平臺車

當處于轉彎處外軌超高工況時,通過兩側調平油缸伸縮調平后打開機械支撐系統。通過雙系統聯合作用完成調平,既能保障作業臺面水平,又能避免液壓系統失效引起的事故。作業平臺調平效果如圖8所示。

圖8 作業平臺調平效果

完成調平后,再逐步進行作業平臺支撐與展開,展開時關注接觸網線的位置,通過2組中間固定升降+4組可滑移升降平臺有效避讓頂部接觸網線。作業平臺車展開作業狀態示意如圖9所示。

圖9 作業平臺車展開作業狀態示意圖

2.3 混凝土實時制備、泵送、澆筑系統

混凝土實時制備、泵送、澆筑模塊分2節車實現,制備車通過吊機在洞外完成上料;到達作業點后,制備站將存儲箱內的骨料等按配比制漿并泵送至布料車;通過布料車多自由度動作實現雙線鐵路隧道6 m套襯作業范圍的注漿。另外,布料車也可用于高空作業。

布料時通過小車滑移,臂架回轉、俯仰、伸縮、滑移,復合吊籃的升降擺動實現注漿輪廓面的覆蓋,同時有效避免臂架動作過程中觸碰接觸網。混凝土布料示意如圖10所示。

圖10 混凝土布料示意圖

2.4 通風工具車系統

深長隧道作業對通風要求較高,隧道通風工具車主要實現隧道內通風、提供集裝工具箱應對突發狀況,以及提供物料存儲箱為編組物料的轉運提供條件。

3 套襯機械化施工現場應用

3.1 裝備配套與套襯施工工序

套襯施工首先在既有襯砌表面鑿毛,設接茬鋼筋,布置雙層鋼筋,然后采用吊模澆筑混凝土,常設計厚25 cm的C35混凝土套襯。套襯施工工序如圖11所示。

圖11 套襯施工工序

區間病害點呈現多點分布特征,采用短編組模式分布作業,編組1是作業平臺及鑿毛模塊,編組2是混凝土制備、泵送、澆筑模塊。其中,編組2主要用于混凝土制備、泵送、澆筑工序作業,編組1用于其余工序作業。

3.2 施工組織

可供施工的時間短、空間窄,需立體交叉作業,天窗作業時間除去來回途中、作業準備、收車點檢,實際作業時間在3 h左右,合理進行施工組織是確保高質量、高效率、安全施工的關鍵。施工組織遵循的原則如下:

1)安全第一。減小施工對運營線的影響,確保既有線行車安全及現場既有設備設施的安全。

2)施工質量。綜合治理、標本兼治,不產生新隱患。

3)確保工期。合理安排進度,設計好工序銜接,進行進度監控,確保實現工期目標。

4)科學配置。科學安排進場設備編組、機具物料、施工管理人員及作業人員。

套襯施工資源配置如表2所示。

表2 套襯施工資源配置

以某工點套襯整治的機械化施工為例,根據報批通過的天窗點施工計劃,1個天窗點內大概的施工時間為:自21:00開始準備進洞,至次日5:00完成出洞。依次進行:1)設備運輸安全復檢; 2)班前會議,安全教育,清點攜帶的工具、隨車人員; 3)上車等待; 4)工區內啟動車輛至工區與車站之間的門后停留等待; 5)工區至車站,等待出發調度命令; 6)一般23:05從車站出發前往工點; 7) 安全員下車指揮停車(病害整治點距離工區的遠近會對時間有影響),編組列車進場如圖12所示; 8)作業人員下車就位,取工具,完成地面、軌道防護,燈具布置等準備工作; 9)列車解綁,限位解除; 10)根據所處工序采用相應設備開始作業,作業到2:40,各模塊現場作業如圖13所示; 11)開始出洞行車流程,回收,清點,進行運輸安全檢查; 12)上車,并等待發車; 13)約3:00出發返回至車站; 14)在車站等待調車指令,然后返回至維修工區; 15)下車,并將安全帽、反光背心等放回倉庫,結束1個天窗點的作業。

圖12 編組列車進場

(a) 拱頂鑿毛作業

3.3 施工工效分析

成套設備于2023年4月入場,應用至2023年7月全線工程結束,共進行了約15處病害點套襯施工,每處病害長度為2～6 m。設備作業時,作業人員≤16人,對比人工作業,設備作業人員減少一半以上,施工工效提升2倍以上。套襯機械化施工與人工作業人員數量對比如表3所示。套襯機械化施工與人工作業工效對比如表4所示。

表3 套襯機械化施工與人工作業人員數量對比

表4 套襯機械化施工與人工作業工效對比

設備套襯施工過程中發現了一些需要解決的問題以及可提升的地方:

1)鑿毛工序中鑿毛深度、速度等依賴操作手的水平,施工自動化、智能化水平仍需提高。

2)頂部復雜區域處理,如拱頂鑿毛、釬釘作業等工序,設備依然是只能提供作業平臺,只能減少臺架搭建工序,而不能做到減輕具體作業工序的勞動強度。

3)故障診斷與反饋處理系統欠缺,設備穩定性及故障處理及時性需進一步提高。

套襯施工經濟性主要影響因素為人、機、料、工效。經統計,相比傳統“人工+簡單機具+作業臺架”模式,機械化施工在減人增效方面表現突出,在物料使用方面實現了從倒運商品混凝土到實時制備、澆筑的轉變;但是大型機械配套一次性投入大,是考察施工經濟性的重大指標。

4 應急解決方案

完成天窗點內套襯施工撤場后,緊接著是鐵路的正常運營時間,設備的安全回收撤場對鐵路系統的正常運行至關重要,否則將可能造成鐵路被迫停運的嚴重后果。施工裝備的應急回收預案涉及結構、控制系統、操作系統,通風工具車集裝工具箱配備的應急維修工具及配件應滿足應急預案需求,保證應急回收的可靠性。各系統應急解決方案如表5所示。

表5 各系統應急解決方案

5 結論與展望

1)通過機械化套襯施工設備的研究與應用形成了成套設備及配套方案、施工組織、配套施工工法,提高了施工質量與施工安全性,作業人員減少一半以上,工效提升2倍以上。

2)將各模塊應急預案詳細到各模塊子系統的具體問題,并形成列表及相應的處理清單,在應對突發狀況時,一步式處理故障,避免對天窗點后的鐵路運營造成影響。

3)成套設備施工仍處于前期探索階段,隨著設備、工法、作業人員適配度的提高,施工調度協同程度提高,施工工效也將逐步提高;進一步研究故障檢測與反饋控制技術,可提升成套設備應用的可靠性及故障預處理的及時性;拱頂復雜區域處理是施工難題,也是進一步提升設備應用效果的重點。

4)經濟性是影響設備應用推廣的重要指標,雖然設備在減人增效方面成果顯著,但一次性投入大。下一階段將深化研究增強減人增效優勢、削弱成本劣勢。隨著設備在不同工程、多處隧道的應用推廣,將深入開展施工綜合工效分析、經濟性分析,以不斷提高施工裝備綜合工效與施工經濟性。