新型防水板自動鋪掛臺車在隧道施工中的應用

■劉偉鋒

（福建建工集團有限責任公司，福州 350000）

隧道的防排水工程是隧道施工的重要環節，防水板施工質量直接影響隧道工程整體的質量。 隨著社會的發展，傳統的人工鋪設方法已無法滿足施工標準化的要求。 本項目對傳統簡易臺架進行了技術革新、反復計算論證，應用齒輪齒條傳動機構、電纜卷線機構、卷材提升機構、安全制動和防護機構等先進技術，提高隧道防水板鋪設的自動化和機械化水平，可以大大減少人工操作，實現機械化、自動化作業，提高施工效率和質量，降低施工成本和風險，為項目施工帶來了更多的便利和效益。

1 工程概況

國道G324 線南安水頭新營至廈門界段公路工程系省級重點項目，項目總投資12.68 億元，建安費8.56 億元，建設工期36 個月。 項目起點位于南安市水頭鎮新營村西側，終點位于勞光水庫北側，道路全長6.704 km，路寬55 m/33 m，采用雙向六/八車道一級公路兼城市道路功能標準建設。其中福鼎山隧道為雙洞三車道隧道， 隧道單洞長3.453 km，設計速度為80 km/h，橫坡為單向坡，縱坡主要為人字坡，最大縱坡為1.2%，最小縱坡為-0.5%，最大埋深370 m。 本隧道為特長隧道單向掘進，且反坡排水、通風除塵難度大，是本項目的重點與難點。

2 新型防水板自動鋪掛臺車結構及工作原理

2.1 產品結構

本項目引用的新型防水板自動鋪掛臺車，其結構設計見圖1，主要由走行系統、臺車主體、牽引系統、液壓系統等部分構成。

圖1 新型防水板臺車結構設計

2.1.1 走行系統

走行系統分臺車主體和提升系統的爬行小車兩部分構成。 臺車主體部分行走系統由行走輪箱、實心胎、 齒輪傳動系統、 電機減速機等部分組成走行裝置，分別置于臺車立柱下端，主要為實現臺車主體自動行走。 軌道爬行小車部分由電機減速機、鋼絲繩、傳動系統、導向鋼輪、鋼絲繩及拉緊系統等部分組成走行裝置，主要為實現帶動防水板環向移動和定位。

2.1.2 臺車主體

臺車主體由門架、弧形軌道、軌道支撐、操作平臺、爬梯及防護欄桿等部分構成。 臺車長度最大值為13.9 m，工作平臺長度12 m，防水板鋪設寬度6 m，設計時要考慮過車凈空高度≥4.5 m，寬度≥3.5 m。 各構件為鋼板及型材而成，將不同的標準構件通過螺栓連接組裝成臺車主體。

2.1.3 牽引系統

牽引系統分防水板伸縮定位裝置、臺車頂升裝置及防水板吊裝裝置三部分構成。 防水板伸縮定位由液壓油缸、液壓系統、內外伸縮滑套等組成，安裝于爬行小車上，主要為實現不同二襯厚度自由切換。臺車頂升裝置由液壓油缸、內外伸縮滑套、液壓系統等組成，主要為實現臺車整體高程控制，可使工人在不同的工況下始終處于合理的工作環境。 防水板吊裝裝置由旋轉臂、小車軌道、葫蘆跑車及電動葫蘆等組成，主要是將防水板等施工用品及機具吊裝至工作平臺上。

2.1.4 液壓系統

液壓系統由電動機、變量泵、液壓油箱、液壓油缸、冷卻器、控制閥等部分組成，液壓系統分頂升油缸和防水伸縮胎架兩部分。 在防水板鋪設過程中，液壓系統主要用于驅動鋪掛臺車的移動，以及控制鋪設機的各種動作，如頂升、展開、對齊等。

2.2 工作原理

新型防水板自動鋪掛臺車工作原理是在傳統鋼筋臺車的基礎上，增加了弧形軌道、液壓系統和牽引系統。 首先，牽引系統以液壓馬達作為動力，卷揚機通過弧形軌道牽引防水卷材沿隧道輪廓面環向展開，防水卷材初步就位后，通過液壓系統的伸縮支撐將防水卷材精確就位并進行有效支撐，從而實現防水卷材的機械化自動鋪設和支撐[1]，新型防水板臺車實體見圖2。

圖2 新型防水板臺車實體

3 新型防水板自動鋪掛臺車施工工藝

本項目隧道起訖樁號為ZK232＋393～ZK235＋846，隧道單洞長3 453 m。 隧道的防水層按設計要求采用400 g/m2的無紡布作為基層、厚度1.5 mm、寬度為5 m 的EVA 防水板作為面層，環向搭接寬度不小于10 cm。施工中采用12 m 長的新型防水板臺車進行土工布和防水板的掛設，采用系帶懸吊法固定，縱向搭接處用爬焊機進行焊接施工，工藝流程圖見圖3。

圖3 防水板施工工藝流程

3.1 準備工作

在施工前根據隧道輪廓線，設計組裝臺車并調試驗收。 驗收合格后，做好人員、材料、機具等各方面資源的準備工作， 特別是防水卷材在進場檢驗時，其物理力學性能指標應符合設計要求。 同時，防水層鋪設前應保證初期支護表面平整， 不得有鼓包、凹坑或者系統錨桿突出的情況，發現堅硬物和不平整的地方應立即處理。

3.2 鋪設土工布

作業臺車就位后，將整捆土工布放置于連接卷揚機的軸心管上，其鋪設原理是通過卷揚機的提升，由軸心管帶動土工布環向展開并及時固定，實現邊鋪設邊固定。 鋪設作業應從下往上進行，先將土工布下邊緣反包在縱向排水管上，并安裝第一排固定器，用以固定土工布初始位置。 隨后，卷揚機帶動軸心管每上升1.5～2 m 需停頓1 次， 便于固定土工布，依次類推直至完成整環土工布的鋪設。

3.3 鋪設防水板

土工布鋪設好后，開始鋪掛防水板，防水板的鋪設原理與鋪掛土工布原理一致，先將防水板放置于連接卷揚機的軸心管上，通過卷揚機的上升，帶動防水板的環向展開。 卷揚機提升的過程中，防水板的鋪設與錨固作業也是同時且交叉進行，邊鋪設邊固定。 本項目防水板的固定采用系帶懸吊法，即由生產廠家定制掛繩，在防水板固定點的背面鋪設，到固定點時通過掛繩與土工布上的固定器相連，即完成了單點的固定。 與傳統的熱熔焊接相比，該方法具有操作簡單、施工方便、造價低、錨固質量好等優點。 防水板完成2 環鋪掛后，使用爬焊機由下向上將兩幅防水板搭接處焊接牢固，形成整體。

4 新舊防水板臺車工藝對比分析

4.1 施工質量

與傳統的人工鋪設法相比， 新型防水板自動鋪掛臺車可實現防水卷材的自動鋪掛， 減少了防水板因工人拖拉拽導致破損現象， 同時新型臺車單次鋪設寬度可達6 m，與傳統的3 m 板相比減少了防水板焊接接縫的數量，可以提高防水板整體的防水效果。

4.2 安全風險

新型防水板臺車主體框架由專業廠家加工制作并經過荷載驗算，其剛度滿足規范要求，施工中能保證臺車結構安全可靠。 同時臺車的操作平臺為電動控制可伸縮式，可將平臺伸出靠近初支面，避免操作人員高處墜落[2]。

4.3 進度

采用新型防水板自動鋪掛臺車，因每循環的鋪掛寬度達6 m，與傳統的3 m 板相比，其施工效率高出近1 倍，在特長隧道的施工中，可大幅度降低防水板的鋪設和搭接時間。 同時，臺車可通過走行系統自動行走，解決了傳統臺車需要使用機械設備輔助移動的問題，施工中具有更加靈活方便的優點[2]。

4.4 工效

傳統的防水板簡易臺架施工需要8 人及裝載機、挖機等機械共同協作，方可完成鋪設工作。 采用新型防水板自動掛鋪掛臺車， 每次作業僅需4 人，且鋪設過程防水板可通過卷揚機自動提升，不需要輔助設備轉移臺車和起吊防水板，本項創新不僅可以節約大量的人力物力，還可以最大化地減輕工人的工作強度。 新舊防水板臺車每循環的工效對比見表1。

表1 新舊防水板臺車每循環工效對比

4.4.1 人工費用

傳統的防水板簡易臺架施工需要8 人協作方能完成防水板的鋪設工作，采用使用新型臺車僅需4 人即可完成。 本項目防水板每循環鋪設寬度為12 m，隧道總長3 453 m×2，當地工人月平均工資按6 000 元計算，本項目雙洞隧道可節約人工費用為（1 190÷60÷8）×（3453×2÷12）×200=28.53 萬元。即在本項目采用新型臺車在人工費上至少可以節約28.53 萬元。

4.4.2 材料費用

根據設計要求，本項目防水板設計搭接寬度需大于10 cm，因傳統工藝人工鋪設寬度有限且生產廠家常規的防水板鋪設寬度為3 m，簡化后搭接寬度約3.33 cm/延米，新型防水板臺車每循環可鋪6 m 寬，簡化后搭接寬度約1.67 cm/延米。 新舊臺車在防水板的搭接寬度可節約1.66 cm/延米。 本項目隧道單洞長為3 453 m，則可節約防水板2×3 453×1.66/100=114.64 m，本項目隧道單洞每延米防水板環向面積為42 m2，目前防水板的市場價格約35 元/m2，簡化計算本項目采用新型臺車在材料費上至少可節約費用約：114.64×42×35=16.85 萬元。

4.4.3 機械費用

傳統人工鋪設工藝需用裝載機、挖機等設備輔助配合臺車定位及上料工作，新型防水板自動鋪掛臺車可實現全面自動化、機械化，無需裝載機等設備配合。 本項目工期3 年，采用傳統人工鋪設每天需1 部裝載機、1 部挖機輔助工作3 h，按自有設備單價200 元/h 簡化計算，本項目采用新型臺車在機械費上至少可節約費用約（1+1）×3×200×365×3=131.4 萬元。

綜上，本項目在采用新型防水板自動鋪掛臺車后，在人工費、材料費、機械費上的節約可達176.78 萬元，與傳統的簡易臺車人工鋪設法相比，在特長隧道中使用新型防水板自動鋪設臺車的施工經濟效益顯著。

5 結論

本項創新技術在福鼎山隧道上的應用，實現了土工布、防水板機械化、自動化作業，保障了防水卷材的鋪設質量，較好地預防了以往隧道二襯表面滲漏水病害的出現；通過采用新型防水板臺車，本項目在人工費、材料費、機械費上產生較大的經濟效益，為項目的建設起到了促進作用，其顯著優勢如下：（1）以機械化作業代替體力勞動，省時省力，并且提高了安全風險系數；（2）該設備操作簡單、方便，操控性強；（3）防水板鋪設寬度大，施工進度快，從而加快了隧道施工進度；（4）消除了防水層縱向接縫，減少了環向接縫，保證防水板平整，達到防水的目的。 該創新技術在工期、效益、質量、安全均得到了有效保證，符合“四節一環保”的要求，具有很高的推廣價值[3]。