張 龍, 高菊茹, 袁 瑋
(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 四川 成都 611731)
截至2018年底,中國鐵路營業(yè)里程達(dá)13.1萬km,其中投入運(yùn)營的鐵路隧道15 117座,總長16 331 km; 在建鐵路隧道3 477座,總長7 465 km[1]。然而,由于我國地域自然條件差異較大,隧道穿越的山體工程地質(zhì)條件、氣候條件、水文條件等復(fù)雜多變,早期建設(shè)的隧道受限于當(dāng)時(shí)的勘察手段、設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝水平,導(dǎo)致運(yùn)營鐵路隧道出現(xiàn)襯砌裂損、腐蝕、滲漏水等各類病害,其中襯砌裂損是運(yùn)營隧道的主要病害之一。在隧道病害整治過程中,針對嚴(yán)重裂損的襯砌常采用鋼拱架套襯方式進(jìn)行永久性加固,當(dāng)施工過程中需將鋼拱架嵌入襯砌內(nèi)時(shí),不得不進(jìn)行施工難度大、勞動強(qiáng)度高的開槽作業(yè)。
目前,國內(nèi)常用的開槽方法主要基于混凝土切割機(jī)(角磨機(jī))、風(fēng)鎬、電鎬、墻鋸等手持小型開槽機(jī)具。文獻(xiàn)[2-6]介紹了利用切割機(jī)或角磨機(jī)等工具先切槽線,再利用電鎬、風(fēng)鎬等工具鑿槽的工程實(shí)例。文獻(xiàn)[6]依托山西廣靈至渾源高速公路黃龍隧道工程,分別對手持切割機(jī)配合電鎬開槽、墻鋸切縫配合風(fēng)鎬開槽和墻鋸切縫配合電鎬開槽3種方法的施工效率進(jìn)行了分析比較,得出墻鋸切縫配合電鎬開槽的施工效率相對較高。日本提出了一種隧道襯砌內(nèi)壁裂化混凝土切削設(shè)備[7]和一種隧道襯砌內(nèi)壁切槽線設(shè)備[8]。
通過文獻(xiàn)調(diào)研,未見有關(guān)既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽方法與工藝的系統(tǒng)研究資料; 現(xiàn)有文獻(xiàn)局限于先切槽線再鑿槽的施工方法,開槽效率低,勞動力投入大,施工環(huán)境、施工質(zhì)量及施工安全難以保障,且施工風(fēng)險(xiǎn)高,對實(shí)現(xiàn)高效、快速、安全作業(yè)形成了制約。因此,有必要在系統(tǒng)總結(jié)分析現(xiàn)有開槽方法、工藝與設(shè)備的基礎(chǔ)上,提出具有創(chuàng)新性的快速開槽方法。
國內(nèi)外由于在隧道所處地質(zhì)條件、施工管理制度、隧道運(yùn)營管理制度及維護(hù)技術(shù)等方面的不同,其應(yīng)對各類隧道病害時(shí)所采取的措施也不盡相同。
國外隧道技術(shù)較發(fā)達(dá)的日本及歐洲國家較側(cè)重于隧道的施工質(zhì)量控制及運(yùn)營養(yǎng)護(hù),通過定期檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的早期破損及其他異常情況并進(jìn)行修復(fù)[9],隧道發(fā)生嚴(yán)重襯砌裂損病害的情況較少,開槽鑲嵌鋼拱架進(jìn)行裂損襯砌加固的情況不多。
以1999年山陽新干線福岡隧道襯砌脫落事故為鑒,日本運(yùn)輸省頒布了隧道維護(hù)管理指南,實(shí)行隧道襯砌劣化剝離檢查制度[10-11]。在運(yùn)營隧道維修設(shè)備方面,日本研發(fā)了一種可進(jìn)行鐵路隧道襯砌高效修補(bǔ)作業(yè)的聯(lián)合作業(yè)車組; 該作業(yè)車組由能在鐵路軌道上行走且相互連接的2臺作業(yè)車組成,作業(yè)車上分別搭載了可沿前后方向以一定行程滑動的臂式高處作業(yè)平臺以及錨桿鉆孔機(jī)等設(shè)備[12]。此外,日本還提出了一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備[7]和一種用于混凝土管道內(nèi)表面開槽的切槽線設(shè)備[8]。
美國將襯砌裂損分為淺層裂損(裂損深度﹤50 mm)及深度裂損(裂損深度≥50 mm)2種。當(dāng)襯砌發(fā)生淺層裂損時(shí),若無鋼筋外露,以20°角(外小內(nèi)大)切除劣化混凝土并清理后,采用聚合物砂漿填平; 若有鋼筋外露,以20°角(外小內(nèi)大)切除劣化混凝土并清理后,先在鋼筋上涂防腐層,然后用聚合物砂漿填平。當(dāng)襯砌發(fā)生深度裂損且有鋼筋裸露銹蝕時(shí),切除劣化混凝土,且深度≥25 mm,鋼筋周圍寬度應(yīng)為鋼筋直徑的一半,深度至少至鋼筋背后25 mm,在鋼筋上涂防腐層(必要時(shí)重新安設(shè)鋼筋)后用聚合物砂漿填平,若面積較大,則需采取噴射混凝土施工[13]。
國內(nèi)在隧道病害整治中需要開槽時(shí),多采用先切槽線再鑿槽的施工方法; 在一些隧道中也采用由金剛石鉆孔機(jī)逐個(gè)鉆孔成槽的開槽方式。
1.2.1 先切槽線再鑿槽
施工時(shí),工人按設(shè)計(jì)要求標(biāo)出開槽軌跡后,先用混凝土切割機(jī)沿開槽軌跡切出槽邊線,然后由風(fēng)鎬或電鎬鑿除槽線內(nèi)混凝土完成開槽作業(yè),每次開槽深度50~60 mm。如京九線花園灣隧道、營盤上隧道、岐嶺隧道、峰福線黃土3號隧道、達(dá)成線湯家灣隧道、拉濱線太平嶺隧道等,在病害整治中都采用了先切槽線再鑿槽的開槽方法[2-5,14]。
先切槽線再鑿槽的方法具有施工工藝較簡單、作業(yè)較為靈活等優(yōu)勢,但不足是開槽由人工手持開槽機(jī)具作業(yè),勞動強(qiáng)度高,施工速度慢。此外,施工時(shí)作業(yè)人員的安全難以得到有效保證,如在拱頂施工時(shí),工人需仰面進(jìn)行切、鑿槽作業(yè),容易被掉落的混凝土塊砸傷。先切槽線再鑿槽的施工工序如圖1所示,其施工實(shí)例如圖2所示。
圖1 先切槽線再鑿槽施工工序
Fig. 1 Construction sequence of method of line cutting first and then concrete chiseling
圖2 先切槽線再鑿槽施工實(shí)例
Fig. 2 Example of method of line cutting first and then concrete chiseling
1.2.2 逐個(gè)鉆孔成槽
在玉林高速公路沙毛嶺隧道襯砌加固工程中,采用了由金剛石鉆孔機(jī)逐個(gè)鉆孔形成鋼拱架安裝槽的開槽方法。金剛石鉆孔機(jī)配有不同直徑的鉆頭,通過更換鉆頭并調(diào)整鉆孔中心間距,即可實(shí)現(xiàn)不同尺寸的鋼拱架安裝槽開槽作業(yè)。
采用逐個(gè)鉆孔成槽法進(jìn)行施工時(shí),在隧道襯砌開槽軌跡標(biāo)記完成后,先由人工手持金剛石鉆孔機(jī)開始鉆孔,然后用風(fēng)鎬等錘擊工具鑿除中心混凝土,如此反復(fù)則可完成開槽作業(yè)。金剛石鉆孔機(jī)鉆孔時(shí)需噴水作業(yè),因此施工粉塵污染較輕,作業(yè)環(huán)境相對較好。但逐個(gè)鉆孔成槽的方法開槽速度慢,施工效率難以滿足隧道病害快速整治的需求。逐個(gè)鉆孔成槽的施工工序如圖3所示,其施工實(shí)例如圖4所示。
圖3 逐個(gè)鉆孔成槽施工工序
圖4 金剛石鉆孔機(jī)開槽實(shí)例
目前,日本在隧道襯砌開槽設(shè)備方面已有相關(guān)研究,如“一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備”、“一種混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備”等; 此外,美國提出了“一種路面混凝土切削設(shè)備”,用于機(jī)場跑道及路面混凝土開槽。國內(nèi)開槽作業(yè)通常采用角磨機(jī)、云石機(jī)、風(fēng)鎬、電鎬、金剛石鉆孔機(jī)等建筑通用設(shè)備。
2.1.1 圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備[7]
圖5示出一種圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備,能利用較小的驅(qū)動力完成小口徑隧道內(nèi)周劣化混凝土的切削。整個(gè)設(shè)備在行走支腿(5)的支撐下可沿隧道(1)的軸線方向移動,設(shè)備就位后由支撐構(gòu)件(2)進(jìn)行固定,此時(shí)設(shè)備軸線C1與隧道軸線基本一致。設(shè)備工作時(shí),首先將設(shè)備移動到預(yù)定位置固定后,由機(jī)械臂(4)將切削裝置(3)壓緊在隧道襯砌表面; 然后機(jī)械臂(4)繞C1軸轉(zhuǎn)動,由于切削刀具與隧道襯砌間的摩擦作用,使得切削刀具繞C2軸線轉(zhuǎn)動,如此可完成對隧道內(nèi)周劣化混凝土的切削。
(a) 主視圖
(b) 左視圖
1—隧道; 2—浮動支撐機(jī)構(gòu); 3—切削裝置及滾刀; 4—切削浮動機(jī)構(gòu); 5—行走支腿; C1—設(shè)備軸線; C2—滾刀軸線。
圖5圓形隧道襯砌內(nèi)壁劣化混凝土切削設(shè)備
Fig. 5 Cutting equipment for peripheral edge portion inside tunnel
2.1.2 混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備[8]
圖6示出一種混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備。該設(shè)備能夠在混凝土管道里靈活動作并按設(shè)計(jì)在隧道內(nèi)表面切出一定寬度的槽線。導(dǎo)軌(2)由安裝在其兩端的支撐裝置(包括固定支腿(6)、伸出支腿(1)和支腿安裝座(5))支撐,且能自由旋轉(zhuǎn)。安裝在3個(gè)固定支腿(6)上的伸出支腿(1)可向外伸縮。切削部件(4)的刀具支架(3)通過導(dǎo)向裝置(8)與導(dǎo)軌(2)相連,開槽深度是通過刀具支架(3)在導(dǎo)向裝置(8)的凹槽內(nèi)沿管道(7)徑向移動控制的。導(dǎo)向裝置(8)沿管道軸向移動即可實(shí)現(xiàn)軸向方向的開槽; 而圓周方向開槽作業(yè)通過導(dǎo)軌(2)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。槽線內(nèi)混凝土通過撬棒插入槽內(nèi)進(jìn)行鑿除。
(a) 主視圖
(b) 左視圖
1—伸出支腿; 2—導(dǎo)軌; 3—刀具支架; 4—切削部件; 5—支腿安裝座; 6—固定支腿; 7—管道; 8—導(dǎo)向裝置。
圖6混凝土管道內(nèi)表面切槽線設(shè)備
Fig. 6 Cutting machine for inner surface of concrete pipe
當(dāng)采用先切槽線再鑿槽的開槽方法時(shí),可由混凝土管道內(nèi)表面切槽裝置進(jìn)行槽線切割,有效提高了切割槽線的效率。此外,該設(shè)備能同時(shí)實(shí)現(xiàn)混凝土管道縱向切槽線作業(yè),但其不足是僅適用于圓形管道。
2.1.3 艾卡特切割輪
圖7示出德國艾卡特公司開發(fā)的可切割巖石與鋼筋混凝土的切割輪。該切割輪需配置在挖掘機(jī)上進(jìn)行切割作業(yè),通過配置不同的圓桿銑挖刀可完成混凝土等的開槽作業(yè)。如配置ER17/64/60/25C等規(guī)格的銑挖刀可完成混凝土及巖石等的切削作業(yè)。
A—切槽寬度; B—切槽深度。
該切割輪的優(yōu)點(diǎn)是可以借助挖掘機(jī)平臺改裝,節(jié)約成本,并且可切割鋼筋混凝土,切削力強(qiáng); 但不足是刀具尺寸固定,應(yīng)用于隧道病害整治作業(yè)時(shí)需多次切削成槽。
目前,國內(nèi)在隧道病害整治中一般采用建筑領(lǐng)域通用的切、鑿槽設(shè)備進(jìn)行隧道襯砌開槽作業(yè)。用于切槽作業(yè)的設(shè)備通常有角磨機(jī)、云石機(jī)等; 用于鑿槽作業(yè)的設(shè)備有風(fēng)鎬、電鎬等。此外,還有用于逐個(gè)鉆孔成槽的金剛石鉆孔機(jī)等。
2.2.1 通用開槽機(jī)械
2.2.1.1 切槽機(jī)械
1)角磨機(jī)。角磨機(jī)常見型號按照所使用的切片規(guī)格劃分為100 mm、125 mm、150 mm、180 mm及230 mm。在隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽作業(yè)中,多采用直徑為230 mm的角磨機(jī),一次有效切削深度為50~60 mm。
2)云石機(jī)。云石機(jī)主要用于切割石料、瓷磚及混凝土等,施工時(shí)可根據(jù)不同的切割材料選擇不同的切割片。云石機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)0°~45°斜角切削,應(yīng)用于隧道襯砌開槽作業(yè)時(shí)可進(jìn)行梯形鋼拱架安裝槽的槽線切割。
2.2.1.2 鑿槽機(jī)械
常用的鑿槽機(jī)械有風(fēng)鎬和電鎬等,主要用于鑿除槽邊線內(nèi)的混凝土。
1)風(fēng)鎬。風(fēng)鎬是以壓縮空氣為動力,利用沖擊作用破碎堅(jiān)硬物體的手持施工機(jī)具,具有結(jié)構(gòu)緊湊、攜用輕便等特點(diǎn)。目前,市場上風(fēng)鎬種類繁多,鑿槽風(fēng)鎬多以輕型為主,有G7、G10、G15型風(fēng)鎬等。
2)電鎬。電鎬是以電動機(jī)為動力的雙重絕緣手持式電動工具,具有安全可靠、效率高、操作方便等特點(diǎn)。電鎬主要用于建筑、鐵路建設(shè)、城市建設(shè)及加固等行業(yè)。綜合考慮設(shè)備單重與作業(yè)效率等因素,鑿槽可考慮選用博士GSH388/GSH388H型、牧田HM0830型、日立H45SR型、東成Z1G-FF-6型、科成Z1G-KG-41型電鎬等。
2.2.1.3 金剛石鉆孔機(jī)
金剛石鉆孔機(jī)(又稱水鉆、混凝土鉆孔機(jī))是一種在鋼筋混凝土、陶瓷、玻璃、耐火材料上鉆孔的新型工具,具有無粉塵作業(yè)、效率高、孔壁光滑、尺寸精確等特點(diǎn)。金剛石鉆孔機(jī)應(yīng)用于隧道襯砌開槽作業(yè)時(shí)粉塵污染小、作業(yè)環(huán)境較好,但因其開槽速度較慢,在隧道襯砌病害整治中的應(yīng)用較少。
2.2.2 專用開槽機(jī)械——環(huán)形軌道開槽機(jī)
圖8示出西安歐凱開發(fā)的環(huán)形軌道開槽機(jī),主要包括環(huán)形軌道和切削頭,由切削頭沿著軌道滑動完成隧道襯砌開槽作業(yè)。設(shè)備可根據(jù)要求變換開槽深度和寬度,但受限于其設(shè)備功率,開槽深度較淺,無法實(shí)現(xiàn)鋼拱架安裝槽的一次切削成槽作業(yè)。
圖8 環(huán)形軌道開槽機(jī)
針對如何實(shí)現(xiàn)既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽高效、安全施工,選擇合理的施工方法至關(guān)重要。通過調(diào)研目前已經(jīng)應(yīng)用于建筑工程中的開槽技術(shù),可用于隧道襯砌快速開槽的技術(shù)主要有組合式刀具一次切削成槽、水射流切槽以及多次切削成槽3種方法。
金剛石鋸片切削混凝土等脆性材料時(shí),切出槽的寬度要大于鋸片本身的寬度,最大時(shí)可達(dá)到鋸片寬度的2倍,因此,可采用組合式鋸片進(jìn)行鋼拱架安裝槽的切槽作業(yè)。采用組合式刀具一次切削成槽方法進(jìn)行既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽的施工工藝如圖9所示。
水射流切割技術(shù)已成功應(yīng)用于金屬、鋼材及混凝土等的切割,可切割厚度為5 m的混凝土塊。因此,可采用水射流切槽法進(jìn)行既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽。由于接觸網(wǎng)及承力索的影響,采用水射流切槽法開槽時(shí),開槽作業(yè)需分2步完成。水射流切槽法的施工工藝如圖10所示。
圖9 組合式刀具一次切削成槽施工工藝圖
圖10 水射流切槽法施工工藝圖
對于切割輪以及環(huán)形軌道切槽機(jī)等工具,若無法實(shí)現(xiàn)一次切削成槽,則需要進(jìn)行多次開槽作業(yè),其施工工藝如圖11所示。
國內(nèi)廣泛應(yīng)用的“先切槽線再鑿槽”和“逐個(gè)鉆孔成槽”2種施工方法因機(jī)械化程度、開槽速度以及施工安全等方面的限制,已不符合未來運(yùn)營隧道激增情況下的病害整治作業(yè)要求。因此,開展對既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽技術(shù)的研究以及開槽設(shè)備的研制,在有限的“天窗”時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)隧道病害的快速整治已迫在眉睫。
圖11 多次切削成槽施工工藝圖
目前,國內(nèi)現(xiàn)有的既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽技術(shù)與設(shè)備無法滿足市場需求,已有的環(huán)形軌道開槽設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)一次切削成槽,中鐵西南院提出的既有鐵路隧道襯砌開槽機(jī)(專利號: 201410766639.0)雖然可實(shí)現(xiàn)一次切削成槽,但是并未進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。因此,有必要就既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽設(shè)備的研究重點(diǎn)進(jìn)行探討,以期開發(fā)適應(yīng)現(xiàn)場要求的設(shè)備。
對開槽設(shè)備的研究建議從開槽方法的選擇和設(shè)備的研制2方面進(jìn)行考慮。
建議根據(jù)市場需求并結(jié)合不同開槽方法的特點(diǎn),選擇合適的方法進(jìn)行開槽設(shè)備設(shè)計(jì)。各開槽方法的特點(diǎn)如下:
1)“組合式刀具一次切削成槽法”具有施工工藝簡單、施工速度快等優(yōu)勢,但因鋸片數(shù)量多、鋸片直徑大,使得設(shè)備功率較大,且該技術(shù)目前仍未完成轉(zhuǎn)化,鋸片布置間距等參數(shù)仍需進(jìn)一步研究。
2)“水射流切槽法”具有施工環(huán)境好、切削力對襯砌的影響小等優(yōu)勢,但水射流施工設(shè)備成本較高,且無法實(shí)現(xiàn)一次切削成槽,施工工藝較復(fù)雜。在既有鐵路隧道施工中,切割水難以回收以及保護(hù)切割水不對接觸網(wǎng)產(chǎn)生影響是該技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)。
3)“多次切削成槽法”采用市場成熟設(shè)備,具有設(shè)備成本低,應(yīng)用簡便等優(yōu)勢,但由于無法實(shí)現(xiàn)一次切削成槽,開槽工藝較復(fù)雜。
1)開槽設(shè)備應(yīng)統(tǒng)籌考慮病害整治作業(yè)線進(jìn)行設(shè)計(jì),研究集開槽、鋼拱架安裝、鉆孔、注漿等功能于一體的綜合整治設(shè)備。
2)開槽設(shè)備的研發(fā)應(yīng)重點(diǎn)攻克以下技術(shù):
①高效的一次切削成槽刀具。刀具是開槽設(shè)備的核心,刀具的可靠性和切削效率決定設(shè)備的性能。要完成鋼拱架安裝槽的一次快速成槽,開發(fā)出高效的切削刀具是關(guān)鍵。
②刀具沿隧道襯砌軌跡曲線走行控制技術(shù)。設(shè)備在隧道襯砌上開槽需要進(jìn)行曲線行走,且不同隧道、同一隧道不同段的襯砌斷面軌跡不盡相同,因此,實(shí)現(xiàn)刀具沿隧道斷面軌跡的自適應(yīng)曲線行走是實(shí)現(xiàn)快速開槽的關(guān)鍵。
③接觸網(wǎng)背后開槽技術(shù)。既有鐵路隧道內(nèi)有接觸網(wǎng)系統(tǒng),開槽施工應(yīng)在保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全的前提下進(jìn)行,設(shè)備研發(fā)應(yīng)重點(diǎn)考慮刀具如何安全繞過接觸網(wǎng)系統(tǒng)完成開槽作業(yè)。
3)開槽設(shè)備應(yīng)具有以下技術(shù)優(yōu)勢:
①快速化。對于繁忙的鐵路線路來說,“天窗”時(shí)間是十分珍貴的,要在有限的“天窗”時(shí)間內(nèi)高效率完成開槽作業(yè),開槽設(shè)備必須具備快速作業(yè)能力。其不僅能實(shí)現(xiàn)快速開槽作業(yè),同時(shí)應(yīng)具備快速就位與撤場能力。僅就開槽作業(yè)本身來說,在1個(gè)單線綜合維修“天窗”時(shí)間內(nèi)(一般為120 min)應(yīng)至少能開鑿3榀鋼拱架安裝槽。
②環(huán)?;?。隧道內(nèi)是一個(gè)相對封閉的空間,因此開槽作業(yè)產(chǎn)生的粉塵等不容易排出,嚴(yán)重時(shí)將影響施工效率,長時(shí)間作業(yè)對作業(yè)人員的健康也會造成危害。研制開槽設(shè)備時(shí),可采用噴水降塵加廢物收集的方式,降低施工對隧道內(nèi)環(huán)境的污染,實(shí)現(xiàn)隧道開槽作業(yè)環(huán)?;?。
③安全性。隧道襯砌鋼拱架安裝槽通多位于拱部,現(xiàn)有開槽方法開槽作業(yè)過程中產(chǎn)生的廢渣(通常是混凝土塊)、廢水等容易對下方人員造成傷害,對隧道附屬電氣設(shè)備及病害整治作業(yè)設(shè)備造成破壞。開槽設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮對設(shè)備、特別是施工人員的保護(hù),如將開槽廢渣粉碎化并集中收集不失為一種好的選擇。
④標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)盡快研究制定既有鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽開槽尺寸、開槽設(shè)備就位速度、開槽速度、粉塵量以及施工安全防護(hù)等方面的標(biāo)準(zhǔn),為開槽設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。