自行式多功能環向切割臺車在隧道擴洞施工中的應用

文章以G72泉南高速公路桂柳段改擴建項目4標大端隧道擴建左洞為工程背景，介紹了一種自行式多功能環向切割臺車在擴建隧道襯砌混凝土全自動拆除中的工作原理與施工工藝。該臺車創新設計將液壓墻鋸機安裝在臺車環向軌道，具備自行行走、橫移、升降、二襯鋼筋混凝土環向自動切割、污水收集集中排放處理、支撐臨時拱架整體移動等功能，以實現“機械化換人、自動化減人、智能化提效”理念。經與傳統鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法對比，該臺車自動化程度高、安全穩固、操作簡單，顯著提高了施工效率。

隧道擴洞；自行式多功能環向切割臺車；襯砌混凝土拆除

U455.3A581893

作者簡介：

唐" 明（1990—），工程師，研究方向：公路工程安全技術管理。

0" 引言

在交通運輸行業的發展進程中，部分地區的公路運營能力與當前實際發展狀況之間存在著較大的差距，無法滿足社會的需求。為了解決這一問題，原有道路改擴建成為了一項重要的工程。然而，改擴建工程中的隧道擴建成為重難點工程，隧道擴建中最突出的是襯砌混凝土的拆除問題。襯砌混凝土的拆除是隧道擴建工程的關鍵環節之一，其質量和效率直接影響到整個隧道的建設進度和安全性能。因此，尋求一種高效、精準、安全的襯砌混凝土拆除解決方案成為了當務之急。

與此同時，隨著科技的不斷進步，越來越多的新技術和新設備被應用于隧道建設中。其中，自行式多功能環向切割臺車是由湖南路橋建設集團有限責任公司自主設計研發的一種高效、精準、安全的工程拆除設備。該設備在桂柳段改擴建工程第四合同段大端隧道擴建左洞襯砌混凝土拆除中取得了良好的成效。因此，本文將詳細介紹自行式多功能環向切割臺車的工作原理及在擴建隧道襯砌混凝土全自動拆除中的施工工藝，旨在為類似隧道擴洞建設提供一種高效、精準、安全的襯砌混凝土拆除解決方案，為相關領域的研究提供有價值的參考和借鑒，促進隧道建設技術的不斷發展和創新。

1" 工程概況

G72泉南高速公路桂柳段改擴建項目4標大端隧道擴建工程ZK線設計起訖里程樁號為ZK1194+800～ZK1195+255，長455 m（包括Ⅴ級圍巖225 m及Ⅳ級圍巖230 m），凈空為（寬×高）11×5 m，設計最大埋深為86 m。原隧道采用傳統的礦山法施工，且已建成通車25年。隧址區屬剝蝕侵蝕丘陵地貌，所穿越山體為單斜構造，局部有小型褶曲，巖體破碎，存在松弛層，開挖后易坍落，施工技術難度大。新擴建隧道需要在原礦山法施工的基礎上，實施新奧法施工［1］，之前沒有相應的施工經驗及技術裝備供借鑒，系廣西首座進行全長擴建的隧道。

2" 研發背景

2.1" 傳統工藝的局限性

隧道擴洞技術運用中最重要的工序在于原有襯砌混凝土的拆除作業［2］，其受制于原有隧道建成后長期運營期間應力分布及地質環境改變導致的不確定因素，而隧道擴建通過拆除及新建襯砌重布隧道受力，施工安全性風險增大。在傳統的隧道建設中，襯砌混凝土的拆除方法主要包括鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法等。這些方法在實施過程中存在較大的局限性，具體包括以下幾個方面。

（1）拆除效率低下。傳統的墻鋸或繩鋸切割法在室外建筑拆除能達到30～50 m3/h的混凝土破除，但在隧道的有限空間內僅能達到1.2～2 m3/h的混凝土破除，拆除效率極低，拆除一個循環的襯砌混凝土需要耗費較長的時間和人力，而鉆爆法拆除受到每日循環次數限制，一天僅能完成2次循環作業，影響了整個隧道建設的進度［3］。

（2）安全風險較大。傳統拆除方法在實施過程中需要施工人員及機械至掌子面操作，如進行墻鋸操作時，需要施工人員近距離接觸拆除區域，施工人員容易受到飛濺的混凝土碎片和頂部墜塊物的傷害，而鉆爆法產生的振動和聲噪，將直接對上部巖層及原有隧道結構造成擾動，施工過程有引起巖層松動、掉塊的風險，危及施工人員的生命安全。

（3）拆除精度難以保證。傳統拆除方法在拆除襯砌混凝土時，智能化程度低，絕大部分都取決于操作人員自身的技能和經驗，很難保證操作水平的一致性，也無法保證拆除精度的一致性，容易造成超欠挖情況，影響施工質量。

（4）適用范圍受限。傳統拆除方法在某些特殊情況下可能無法適用，例如隧道內的狹窄空間或者需要拆除的混凝土結構較為復雜時，部分機械無法旋轉、調頭，操作人員無操作面或操作難度較大，不能勝任拆除作業。

2.2" 機械研發

鑒于傳統拆除工藝的局限性，大端擴建隧道須拆除原有襯砌結構后擴挖施工，若采用機械直接破除的方式，安全隱患過大。而采用普通切割工藝一樣存在較大風險，切割行業本身就是安全事故頻發的高危行業，深層次的原因在于混凝土里夾雜著鋼筋，在切割至不同介質的界面時切縫會產生變形，隨時有卡鋸斷鋸的危險，一旦失控，設備瞬間嚴重過載，造成不可估量的破壞力。因此，為了突破傳統拆除方法的局限性，解決隧道襯砌拆除的痛難點問題，由湖南路橋建設集團有限責任公司研發的用于高效、精準、安全地拆除隧道襯砌的自行式多功能環向切割臺車應運而生。

自行式多功能環向切割臺車在隧道擴洞施工中的應用/唐" 明

3" 工作原理

自行式多功能環向切割臺車（圖1）作為隧道擴建施工的關鍵裝備和技術，創新設計將液壓墻鋸機安裝在臺車環向軌道，具備自行行走、橫移、升降、二襯鋼筋混凝土環向自動切割、污水收集集中排放處理、支撐臨時拱架整體移動等功能，以實現“機械化換人、自動化減人、智能化提效”的理念。

3.1" 工字鋼門架系統

臺車門架長4.7 m，全工字鋼設計工3榀，由門架橫梁、上下縱梁、門架立柱、剪刀架斜角支撐、上部臺架、門架立柱連接梁等部件組成。架體頂部搭設有操作平臺以及由六道環向連系梁支撐的工字鋼支撐軌道，門架所有荷載可傳遞至行走輪上的枕梁之上。4個角門架立柱下端裝有液壓頂升裝置，可達到臺車整體上部結構的立向頂升，便于定位安裝，在增加安全性的同時提高操作效率。門架的各個部件及分系統均通過螺栓與整體骨架連為一體，實現了各功能系統的自由組裝與拆除，具有極強的功能適配性，滿足各項施工使用需求。

3.2" 智能切割系統

臺車智能切割系統采用沃鵬VOPEN V7-W307液壓墻鋸機，將墻鋸機安裝在臺車環向軌道，可根據襯砌厚度人工更換墻鋸片，利用液壓行走將切割刀片升至二襯表面后在智能領航的功能下能自主完成環向切割。切割系統引進創新的智能離合器，可實現自動巡航功能。內置智能離合、外置可調操控器，切割工作時可根據施工情況，在機器外部快速調整需要的扭力值，卸掉所有過載荷峰值，此時靈敏的驅動器就不會過載停機保護（俗稱電子離合）而終止巡航，使毫秒級的程序控制系統及時調整切割參數，讓巡航繼續，給自動巡航創造時間和空間，也讓穩定性高的自動巡航成為現實，剛柔并濟以達到循序漸進安全高效的切割效果。目前操作切割環向一道縫的時間為50 min，縫長25 m，縫深30～40 cm。

3.3" 污水收集系統

臺車在環向工字鋼支撐軌道下部用4榀槽鋼設置有污水接洽用的流水槽，流水槽下部設置兩個污水收集裝置，切割施工過程中產生的泥漿、污水、棄渣等。流水槽采用Q235材質的槽鋼和角鋼制作，采用止水帶和橡膠圈進行止水，流水槽的坡度與臺車結構接洽，以便于排除污水。槽鋼及污水收集裝置表面噴涂灰色高強度氟碳涂料漆膜，涂層厚度為20 μm，漆膜具有優異的耐候性、自潔性和防腐蝕性，有效延長了污水收集系統的使用壽命。在流水槽的側面和底部，均安裝有不銹鋼導流板，導流板可以有效地引導污水流向出水口，防止泥漿沉淀堵塞出水口，保證了污水收集系統的排水能力。

3.4" 行走系統

臺車配備液壓系統，行走方式為輪胎式自動行走，最大升降量為600 mm，最大平移量為200 mm，各有4個油缸控制平移及升降。行走系統配備了防傾翻裝置，確保在隧道內的安全運行。同時還配備有多種驅動模式，可以根據不同的施工需求進行選擇，如快速升降、慢速平移等，以滿足切割作業的不同要求。此外，臺車還配備了遠程控制盒，可實現無線遙控操作，方便在危險區域或難以接近的地方進行控制。整個行走系統設計精良，性能穩定，能夠滿足各種隧道施工需求，為隧道切割工作帶來更大的便利和安全保障。行走系統配備高度的自動化和智能化，能夠為隧道切割工作提供高效、安全、可靠的解決方案。

4" 施工要點

4.1" 超前支護，臨時護拱

隧道二襯拆除作業前要提前做好超前導管注漿、臨時噴漿等加固措施，對原有隧道可能存在的松動、空腔等病害進行加固處理［4］，確保達到切割作業使用要求。然后利用多功能環向切割臺車按照5 m×0.6 m作業區作業，整體拱架間隔3 m施作臨時護拱，通過臺車配備的液壓系統控制平移及升降，自動行走至施工位置，將臨時護拱的拱架整體頂升，進行定位安裝，最大限度貼合原結構洞壁。貼合到位后在每個護拱拱腳焊接撐腿，使整體穩固并起到良好的支護作用。

4.2" 墻鋸切割，循環作業

臺車完成臨時護拱支護后，行走至裝配區，將液壓墻鋸機安裝固定在切割臺車環向軌道上，通過行走系統移動至做好超前支護的切割作業區，開啟全自動鋸縫施工。

全自動鋸縫施工中鋸縫分兩道進行，第一道沿老隧道面環切切割，第二道縱向側沿上下臺階分界線縱向鋸縫，鋸縫深度控制在50 cm，按照洞壁鋸縫至洞頂鋸縫的順序完成一個單作業區循環切割作業。每次單作業區循環切割作業會造成少量泥漿及鋸末濺落，需要現場及時進行簡單的沖洗，避免泥漿沉積，使得地面易滑，形成隱患。范圍完成切割后，臺車向前進行下一組鋸縫施工，每次縱向長度為3 m，循環作業。施工流程如圖2所示。

5" 比較優勢

隧道擴建二襯拆除采用自行式多功能環向切割臺車施工與傳統的鉆爆法、墻鋸或繩鋸切割法對比，其自動化程度高、安全穩固、操作簡單能顯著提高施工效率。對比分析如表1所示。

6" 結語

本文主要介紹了自行式多功能環向切割臺車在隧道施工中的應用和工作原理。該臺車首次應用于大端隧道擴洞工程，并在7個月的時間內完成了左洞擴洞全過程施工，是廣西首例全斷面隧道改擴建工程。臺車實現了隧道擴建環切工作要求，具有高度自動化和智能化特點，且操作簡單，在機械化換人、智能化減人、施工安全性、運行效率等方面有顯著提升。臺車的運用減少了勞動力的消耗，提高了工效，加快了施工進度，具有實踐指導性。此外，該臺車的驅動器、電機、控制系統可以100%兼容繩鋸機墻鋸機動力驅動，可拓展兼容控制其他工程機械，具有推廣價值。對于類似工程的施工，該臺車的使用具有一定的借鑒意義。

［1］馮忠華.高速公路隧道新奧法施工應用［J］.交通世界，2012（11）：282-283.

［2］黃建波.隧道擴洞施工技術［J］.城市建設旬刊，2011，000（2）：274-276.

［3］顧晶彪.公路隧道不同鉆爆法對施工進度的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學，2013.

［4］張立柱.高速公路隧道施工中的超前支護技術［J］.交通世界，2021（25）：51-52.

20240129