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1、1隧道仰拱衬砌施工成套技术与设备研究高菊如 ，罗建春，涂文轩，王 书科，张 博（中铁西南科学研究院 成都 610031）摘 要：根据国内外隧道施工在施工安全、速度、质量和综合成本等方面存在的问题以及隧道掘进与仰拱、衬砌施工不能实现联合机械化施工的现状，先后在国家科技部、铁道部和中国中铁立项进行了隧道仰拱、衬砌施工新方法、新工艺、新设备及施工配套设备研究，提出了隧道掘进与仰拱、衬砌联合作业的施工模式，研制了适应这种联合作业模式的隧道全环内通式衬砌模板台车和隧道仰拱模板台车并在重大工程中成功应用。本文重点介绍了这种隧道仰拱、衬砌施工的新方法、新工艺和新设备。关键词：隧道掘进；仰拱；衬砌；联合作业；
2、成套技术；设备1 概述近年来，随着国家对基础设施建设方面的大量投入以及隧道施工技术的不断进步，隧道在铁路、公路和水利水电工程中所占的比例越来越大且越修越长。长大隧道往往是控制整个线路施工工期的关键工程。国内外隧道施工普遍采用钻爆法和掘进机法两种，然而，不管是钻爆法还是掘进机法，隧道施工工序大都由掘进、装碴、运碴、初期支护和二次衬砌（包括仰拱）等组成，而掘进和衬砌是隧道施工中两个重要和主要的控制整个工程工期的关键施工工序。因此，如何在有限隧道空间内处理好掘进与衬砌之间顺序关系非常重要。钻爆法和开敞式 TBM 施工中，隧道掘进和衬砌一般采用顺序作业的施工模式，即在掘进完工后，再浇注混凝土。双护盾
3、TBM 虽然可以实现隧道掘进与安装预制混凝土管片平行作业，然而预制混凝土管片形成的隧道衬砌表面质量远不如现浇混凝土衬砌质量。传统的隧道施工模式、工艺、工法和设备均已无法满足现代隧道施工要求。中铁西南科学院有限公司根据国内外隧道施工在施工安全、速度、质量和综合成本等方面存在的问题以及隧道掘进与仰拱、衬砌施工不能实现联合机械化施工的现状，先后在国家科技部、铁道部和中国中铁立项进行了隧道仰拱、衬砌施工新方法、新工艺、新设备及施工配套设备研究，提出了隧道掘进与仰拱、衬砌联合作业的施工模式，研制了适应这种联合作业模式的隧道全环内通式衬砌模板台车和隧道仰拱模板台车并在重大工程中得到成功应用。2 隧道仰拱衬
4、砌施工技术与设备现状2.1 隧道仰拱施工技术与设备现状传统的隧道施工中仰拱施工与开挖运输工序间存在着严重的相互干扰，要解决这种干扰问题，国内外的隧道施工人员采用了很多方法。根据大量的调研统计，主要有：仰拱分幅施工法、仰拱栈桥施工法、平行导坑运输的仰拱施工法、支墩施工法、仰拱预制施工法、仰拱顺序施工法等六种施工方法。（1 ）仰拱分幅施工法采用该方法时将隧道仰拱分成两半幅施作，当其中半幅进行施工时，另外半幅作为掘进运输通道，等一侧施工完成后换另一侧进行施工，二者交叉进行。仰拱大都采用人工摊铺，所使用的机械设备也是一般的混凝土浇注、振捣设备，没有专用的仰拱施工设备。仰拱分幅施工法施工如图 1 所示。
5、例如西合线的黄沙岭隧道仰拱就是采用分幅施工法施作的。高菊如（女，1963-），教授级高工。从事隧道施工机械化、隧道施工机械和隧道消防技术研究。任中国工程爆破协会理事，中国机械工程学会高级会员，中国土木工程学会会员，国际岩石力学学会会员，国际土力学及岩土工程协会会员。Email:21.仰拱；2.填充；3.仰拱施工侧；4.交通运输侧；5.中间施工缝；6. 隧底碴石图 1 仰拱分幅施工法示意图（2）仰拱栈桥施工法采用该方法施工时先在隧道底部的碴石上架设仰拱栈桥，保证运输不中断，接着清理干净栈桥下的碴石，然后进行仰供和填充的混凝土浇筑；等混凝土达到一定强度后即可移动仰供栈桥至下一个施工位置，此时栈桥一
6、端搭于隧底的碴石上，另一端搭于仰拱填充上，开始进行下一个循环的仰供施工。采用该方法施工（如图 2） ，在仰拱施工的同时栈桥上能通过运输车辆，解决了底部仰拱施工与运输车辆通行的干扰问题。1.前坡轨梁；2.前支撑；3.中间梁；4. 运输车辆；5. 后支撑；6.后坡轨梁；7.仰拱图 2 仰拱栈桥施工法示意图（3）平行导坑运输的仰拱施工法采用该方法在隧道正洞进行仰拱施工时，可利用平行导坑进行运输（出碴和进料） 。由于采用该方法时仰拱施工与开挖运输之间相互不干扰，因此施作仰拱时只需要一般的混凝土浇注、振捣设备即可，不需要专用的仰拱施工设备。鉴于平行导坑的设置需要考虑多方面的影响因素，目前在国内应用该方法
7、施工的隧道比较少。（4）支墩施工法采用该方法时先将运输轨道拨向隧道一侧，将另一侧清底后，在长约 30m50m 段上每隔 3m5m 设一混凝土支墩，并在支墩上扣轨架设简易栈桥以便车辆通行，再在另一侧清底，然后分段整幅灌注仰拱，其仰拱混凝土的浇筑大都是由自卸汽车或混凝土搅拌运输车在简易栈桥上直接倾倒，人工进行摊铺，用棒式振捣器进行振捣。严格来说，支敦施工法也是基于仰拱栈桥法的范畴，采用该方法施工时所用的机械设备为：多组专用的简易栈桥及配套的混凝土运输、振捣设备等。例如宜万线堡镇隧道，其支墩间距 4.16m，每次仰拱施工段长度共计 25m（即两根标准轨的长度） ，月施工进度可达 125m。武广客运专
8、线SD 标大瑶山 1#隧道也采用支墩施工法施做仰拱，隧道采用钻爆法开挖，无轨运输，共配备了 8 组 12m 长的简易栈桥，每次灌注 24m，2 天一个小循环， 15 天完成一组长栈桥共96m 的大循环。（5）仰拱预制施工法仰拱预制施工法一般应用于 TBM 法施工的隧道中，其施工方法为：先在专业工厂中3图 3 希默尔贝格隧道仰拱施工专用台车预制生产好仰拱预制块，再用专用运输工具将预制块运至隧道中，然后利用吊装设备调整好仰拱预制块的安装位置，最后进行安装拼接及防水密封处理即可完成仰供施工。国外发达国家在隧道施工技术方面发展比较快，使用 TBM 开挖隧道较多，仰拱施工主要方法为仰拱预制施工法。例如瑞
9、士的费尔艾那隧道、悉尼的地下铁路隧道等就是采用 TBM 开挖，再铺设仰拱预制块来完成仰拱施工的。国内铁路隧道首次采用该施工方法的实例是在西康铁路秦岭线隧道，隧道全长 18.452km，是我国铁路系统首次采用全断面隧道掘进机(TBM)进行开挖的隧道，隧道设计为开挖直径 8.8m 的圆形断面。（6）仰拱顺序施工法仰拱顺序施工法就是在隧道贯通后再进行仰拱施工，该方法在长大隧道中很少采用，只在一些较短的铁路隧道中应用。目前国内外在仰拱顺序施工过程都曾采用过仰拱施工专用台车，确保了隧道仰拱施工质量。例如：德国科隆法兰克福高速铁路线的希默尔贝格隧道采用了仰拱施工专用台车进行仰拱施工，如图 3。中铁隧道集团
10、在辽宁省大伙房输水工程 TBM2 标段也使用了自主研制的仰拱施工专用台车。以上六种施工方法各有特点，但都不能在实现仰拱与掘进平行作业的同时实现模板成型的仰拱混凝土全幅整体浇注，劳动强度大，施工效率低，综合施工成本高。2.2 隧道衬砌施工技术与设备现状在隧道修建过程中，根据不同的结构用途、水文地质条件、围岩等级、安全风险控制和成本投入等方面因素，传统的隧道衬砌施工要么采用仰拱和边顶拱分开浇注的仰拱超前式衬砌施工方法，要么采用仰拱和边顶拱一次成形的全环整体模筑衬砌施工方法。根据不同的施工方法，目前市场上现有的隧道衬砌设备主要有普通衬砌模板台车、针梁式模板台车和穿行式模板台车三种，如图 4。1.普通
11、衬砌模板台车； 2.针梁式模板台车； 3.穿行式模板台车图 4 隧道衬砌模板台车普通衬砌模板台车实现了隧道衬砌施工机械化，减轻了隧道施工人员的劳动强度。然而，采用普通模板台车施作的隧道衬砌，在边墙与矮边墙、底部与矮边墙之间会留下四条施工缝，这种施工缝会大大减弱隧道底部的结构强度，在运营中会成为地下水上翻的通道，底部的破坏又会引起上部乃至整个衬砌结构的破坏，从而给衬砌结构带来严重质量隐患。针梁式模板台车解决了衬砌施工过程中遗留的纵向施工缝问题，确保了隧道衬砌质量和运营安全，降低了隧道运营中的维修费用。然而，由于针梁式模板台车内部不能通过运碴车辆，衬砌作业只能在隧道掘进完工后进行。穿行式模板台车由
12、于采用了两套以上交替浇筑模板，从而提高了隧道衬砌施工效率。然而，穿行式模板台车与针梁式模板台车一样，由于其内部不能通过运碴车辆，未能从整个隧道施工流程中提高隧道施工的综合施工效率。以上几种衬砌模板台车，都不能在实现衬砌与掘进平行作业的同时实现衬砌混凝土全4环整体浇注，施工效率低，综合施工成本高。综上所述，传统的掘进、衬砌、仰拱施工模式与设备（即顺序作业模式及其设备）的综合施工速度低，施工总工期长，施工综合成本高，无法满足隧道在施工速度、施工质量、综合成本和运营安全等方面要求越来越高的现状以及隧道越修越多、越修越长的市场需求。鉴于以上原因，非常有必要探索研究一种新的高效、经济、安全的施工模式并研
13、制与之配套的施工设备，以提高隧道的综合施工速度、降低综合成本、提高施工质量，满足越来越多的隧道施工建设的需要。3 隧道施工联合作业模式研究隧道施工联合作业模式是指在不影响隧道掘进（钻爆法和 TBM 法）施工速度的前提下，同时进行仰拱作业或衬砌作业的隧道施工模式。该模式打破了传统的隧道顺序作业施工模式，可提高隧道综合施工效率和隧道施工机械化水平，缩短隧道施工总工期，降低隧道综合施工成本，同时在相关隧道施工工艺和设备的保障下，该模式还可提高隧道现浇混凝土仰拱或衬砌质量。根据不同的隧道施工方法、水文地质条件和围岩等级等状况，本文研究提出了两种不同的隧道施工联合作业模式，即掘进与全环衬砌联合作业模式以
14、及掘进、仰拱、边顶拱衬砌联合作业模式。现结合 TBM 掘进特点，介绍 TBM 掘进条件下的掘进与全环衬砌联合作业模式以及掘进、仰拱、边顶拱衬砌联合作业模式。3.1 隧道 TBM 掘进与运输的特点3.1.1 TBM 掘进工作原理与运输的特点在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转的同时绕自身轴线自转，在刀盘强大的推力、 扭矩作用下， 滚刀在掌子面固定的同心圆切缝上滚动，当推力超过岩石的抗压强度时，盘形滚刀下的岩石直接破碎，盘形滚刀贯入岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石的剪切强度和拉
15、伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落。刀具破岩原理见图 5。在掘进时，支撑系统把 TBM 主机牢固地锁定在开挖的隧洞洞壁上，承受刀盘扭矩和推进的反力。推进油缸以支撑系统为支点，把推力施加给刀盘，推动刀盘破岩掘进。崩落在隧洞底部的岩渣被随刀盘旋转的均布在刀盘上的铲斗、刮板收集到主机内的皮带机上，通过主机皮带机转载至后配套皮带机，利用编组列车或连续皮带运输机运送出洞。图 5 刀具破岩原理图3.1.2 TBM 掘进配套设备作为安全、快速、高效的隧道 TBM 掘进设备，掘进施工期间的配套设备主要包括连续皮带运输机、进排水管、高压电缆、大直径通风设备和运输车辆等（见图 6、图 7 和图8） 。3.2
16、 隧道施工联合作业模式关键技术难题5由于一般隧道的断面都较小，TBM 配套设备（连续皮带运输机、运输车辆、高压电缆、供排水管和大直径风管等管线系统）结构复杂，要在不改变隧道洞内原有 TBM 配套设备（尤其是连续皮带运输机）布置的情况下进行隧道仰拱或全环衬砌设备与 TBM 配套，实现隧道掘进与图 6 TBM 外形及其配套设备 图 7 TBM 掘进隧道洞内设施布置图图 8 连续皮带运输机、高压电缆、供排水管、风管和运输车辆等配套设备仰拱或全环整体模筑衬砌联合作业模式，就必须彻底解决 TBM 连续皮带运输机、高压电缆、供排水管、风管和运输车辆通过仰拱或全环衬砌设备等关键性技术难题。3.3 隧道施工联合作业模式施工工艺研究3.3.1 仰拱、全环衬砌合理循环长度的研究根据隧道相关设计、施工规范（如铁路隧道施工规范 、 公路隧道施工规范 、 水工隧洞设计规范 ）的要求、典型施工实例以及实际隧道的具
