空中翻轉技術在仰拱預制塊生產中的應用

劉清泉

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

仰拱預制塊生產作為TBM施工中一項重要的配套施工手段，多是在預制工廠內采用專業生產線模式進行流程化施工的。1997年西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道我國鐵路系統首次引進TBM進行機械化隧道施工并鋪設仰拱預制塊［1］，得益于預制塊生產與管片等預制結構件生產的相似性和管片生產工藝的完備，仰拱預制塊生產技術很快便成熟起來;但是，因為仰拱預制塊與管片的結構差異，吸盤式翻轉機(臺)對預制塊翻轉并不適用，國內采用最普遍的地面翻轉法技術落后、弊端明顯。為了改善預制塊翻轉工藝，新建吐庫二線鐵路中天山隧道率先引入仰拱預制塊翻轉臺法，但遺憾的是經過試生產階段的嘗試，終因機械化程度低、操作復雜、人工需求大、轉運量大被地面翻滾法替代。如何改變當前預制塊翻轉技術的原始與落后的現狀，實現像管片生產一樣的結構體無損翻轉成為一直困擾鐵路建設者的難題。

1 研究背景

1.1 工程概況

2008年9 月，新建蘭渝鐵路全線控制性工程、全長28.236 km的西秦嶺特長隧道開始開工建設，西秦嶺隧道是目前國內鐵路建設史上的第二長隧道，也是國內TBM施工斷面最大、距離最長的鐵路隧道。根據設計要求，西秦嶺隧道為左右線分設的2條單線隧道，分別采用鉆爆法和直徑10.23 m全斷面敞開式TBM掘進聯合施工［2］，其中:XQLS2標9 478 m的出口預備洞鉆爆段、羅家理斜井鉆爆段及12 934m的TBM掘進段需要鋪裝仰拱預制塊，總量達到12 452塊。本工程中仰拱預制塊不僅是施工運輸軌道的基礎，用于TBM施工期間后配套走行和有軌運輸，同時也是隧道襯砌結構的重要組成部分［3］、后期整體道床的基礎，并作為中心水溝用于隧道施工期間及后續永久性排水。這就要求仰拱預制塊必須達到高強度、高質量、高抗滲性能和較好的外觀質量。

1.2 真空吸吊翻轉機

目前國內管片生產廠家大多數采用具備吸吊和翻轉功能的真空吸吊翻轉機，其結構主要由真空系統、真空吸盤、翻轉機構及機架等組成。管片翻轉機構安裝在機架上，真空吸盤活動地連接于管片翻轉機構的吊柱上。工作時整個吸吊機吊鉤在相應的起重設備上，并依靠其自身重力使真空吸盤吸附在混凝土管片的外弧面上，真空系統啟動后，形成密封，管片被吸盤吸牢后脫模吊起;然后利用翻轉機構將吸吊的管片翻轉任意角度，以便于存放和安裝［4－5］。大型真空吸吊翻轉機的輸送能力可達8 t左右。

表1是管片與仰拱預制塊的區別。由表1顯示:在敞開式TBM施工中，仰拱預制塊較管片結構尺寸要大得多，其質量約為同直徑開挖斷面所需管片的7倍，明顯超出真空吸吊翻轉機的輸送能力，且由于外弧面被搓毛處理，很難滿足真空吸吊翻轉機對結構表面平整度的要求。真空吸吊翻轉機通常以預制件弧長方向為中心軸進行翻轉作業，占用空間過大，此外，如果遇到吸盤下面的膠條破損或突然停電，吸盤內真空就會逐漸釋放而導致管片墜落;因此，一旦發生突發事件，必須在很短的時間內將預制件與翻轉機構進行捆綁固定，以免發生重大安全事故。

表1 管片、仰拱預制塊的區別Table 1 Difference between segment and precast invert block

1.3 傳統地面翻滾法

傳統地面翻滾法主要依靠一塊與預制塊尺寸相配套的砂坑(也有的工地用廢舊輪胎滿鋪代替砂坑)來緩沖預制塊翻轉時的沖擊力，其基本流程是:仰拱預制塊脫模(R脫=20 MPa)—室內靜養3 d—轉運至臨時存放場—預制塊邊角防護及鋼絲繩固定—行吊小車走行將預制塊單側提起、側翻—采用吊具將預制塊轉運至存放區存放。由于翻滾時混凝土尚遠未達到設計強度，且整體呈“U”型的預制塊中心水溝位置混凝土厚度只有40 cm，就如同一個巨大的啞鈴，翻滾落地的瞬間巨大的沖擊力容易對結構體造成較大損傷(尤其是水溝位置)，即便這些損傷是肉眼不可見的，對結構整體的抗滲性還是會造成很大的影響;而且此方法行吊占用時間較長，必須經過二次轉運。

2 液壓起吊翻轉機

2.1 機械構造與作業原理

液壓起吊翻轉機主要由液壓系統、翻轉機構及機架等幾部分組成，主要構造如圖1所示。預制塊翻轉機應用杠桿原理，利用液壓系統提供動力來實現預制塊的夾緊和翻轉［9］。

圖1 仰拱預制塊液壓翻轉機結構圖Fig.1 Structure of hydraulic type invert block overturning machine

2.2 在預制塊翻轉中的優勢

1)結構設計簡捷輕便，造價低廉，輸送能力可達25 t，有充足的安全富余量。

2)預制塊夾緊與翻轉的動力均來源于安裝在機架橫梁頂部的液壓泵站，通過控制夾緊油缸的伸縮借助夾緊連桿傳力帶動立柱張合，通過控制翻轉油缸的伸縮借助翻轉連桿傳力帶動夾緊頭轉動，翻轉油缸伸縮一次可帶動夾緊頭旋轉180°，脫模平移后即可進行翻轉作業，操作簡便。

3)充分發揮仰拱預制塊結構尺寸相一致、中心位置厚度較大的特點，在預制塊上前后兩側各預留2個夾緊用翻轉孔來抵抗預制塊脫模、翻轉期間的剪力，有效防止預制塊松脫。

4)以仰拱預制塊1.8 m長度方向為中心軸進行翻轉作業，作業空間小。

真空吸吊翻轉機和液壓起吊翻轉機脫模和翻轉工藝對比如圖2所示。

圖2 真空吸吊翻轉機和液壓起吊翻轉機脫模、翻轉工藝對比Fig.2 Comparison and contrast between vacuum suction type overturning machine and hydraulic type overturning machine in terms of formwork removing and segment(invert block)overturning

3 仰拱預制塊空中翻轉關鍵技術

3.1 前期準備

3.1.1 模具配套設計

為了增加翻轉機夾緊頭與預制塊的連接，使仰拱預制塊生產模具與預制塊翻轉機配套設計，通過改造模具，在預制塊前后兩側各預留2個夾緊用翻轉孔(見圖3)，其尺寸與翻轉機夾緊探頭的尺寸相一致;此外，模具側模打開的幅度也需要滿足翻轉機在張開模式下伸入模具內作業的要求。西秦嶺隧道仰拱預制塊生產線模具側模打開幅度，可充分滿足翻轉機作業需求。

3.1.2 廠房建設要求

西秦嶺隧道仰拱預制塊生產主要采用1部25 t天車配合生產施工，預制塊翻轉機在作業時通過鋼絲繩懸掛在天車吊鉤上，通過吊鉤的提升從而帶動翻轉機上升來完成預制塊的脫模。在廠房建設時必須保證其建設高度能夠滿足翻轉機作業的空間需要。

圖3 模具翻轉孔設計及脫模后成型效果Fig.3 Overturning hole on the mould and final shape of invert block

對于采用空中翻轉技術進行仰拱預制塊脫模和翻轉的仰拱預制塊生產線廠房(見圖4)，其建設高度應滿足

式中:H為廠房高度;h1為液壓起吊翻轉機作業高度;h2為液壓起吊翻轉機高度;h3為天車吊鉤及連接翻轉機用鋼絲繩可活動高度范圍;h4為天車高度;h5為天車距廠房頂棚安全高度。

同時，液壓起吊翻轉機作業高度h1還應滿足

式中:W為仰拱預制塊寬度;Δh為液壓起吊翻轉機作業距地面安全高度;h1'為模具高出地面部分高度;h2'為液壓起吊翻轉機脫模后距模具頂部安全高度;h3'為1/2仰拱預制塊厚度。

綜合考慮上述因素，西秦嶺隧道仰拱預制塊生產線廠房高11.5 m。由于吊裝鋼筋籠對天車軌道立柱的要求基本可以滿足翻轉機作業所需要空間，很多時候并不需要刻意增加廠房高度。

3.1.3 翻轉機托架設計

在天車不使用翻轉機進行脫模和翻轉作業時，由于翻轉機本身并不帶有安放裝置(在使用時會極大地干擾施工)，為防止翻轉機安放時傾斜導致液壓油的泄露和零部件的損壞，需要單獨制作翻轉機安放托架，安放托架尺寸除能夠滿足翻轉機的正常安放外，還應設置上下爬梯，供操作人員上下及掛、取吊鉤作業。安放托架應安設在天車可吊裝區域內。

圖4 廠房建設高度示意Fig.4 Height of manufacture plant

3.2 工藝流程

仰拱預制塊空中翻轉技術具體施工流程如下:

1)將天車吊鉤與翻轉機頂部的起吊孔用鋼絲繩相連接，連通電力線并將操作手柄吊至天車操作室，由天車司機負責完成翻轉機的各項操作。

2)檢查翻轉機各動作完成是否正常。

3)25 t天車起吊液壓翻轉機至已打開側邊模的模具正上方，與模具對中就位。

4)伸長夾緊油缸，張開兩邊立柱，調整翻轉機位置至夾緊探頭與預制塊預留翻轉孔對齊，收縮夾緊油缸，夾緊仰拱預制塊。

5)先行試吊，確認天車就位準確且設備安全。

6)提升天車吊鉤完成脫模作業，走行天車小車至翻轉位置。

7)收縮翻轉油缸，帶動夾緊頭180°旋轉，實現預制塊的空中翻轉。

8)將仰拱預制塊吊至臨時存放區存放，翻轉油缸復位，開始下一循環。

4 注意事項

1)因為翻轉機與25 t天車之間完全靠鋼絲繩進行連接，如果鋼絲繩在纏繞時2個吊裝環方向不一致(見圖5(b))，在起吊作業時因為鋼絲繩受力拉緊就會形成扭曲帶動翻轉機偏轉一定的角度，在有限的空間里進行晃動性的翻轉不僅容易損壞設備，而且極易破壞廠房建筑。為防止天車吊鉤本身的旋轉影響，可在吊鉤中心軸與兩面的鋼板間用一弧面楔鐵進行固定，對于吊鉤的控制可以起到非常好的效果。

圖5 鋼絲繩吊裝環纏繞示意Fig.5 Looping of cable rope

2)預制塊翻轉要選擇相對寬敞的場地(例如車行道或者室內臨時存放區)，切忌在模具范圍內進行翻轉，以免發生意外墜落造成模具損傷甚至報廢。翻轉時，由天車司機在地面輔助人員的指揮下完成各種操作，地面輔助人員必須站在安全區域(翻轉機工作范圍2 m外)以內，即便發生翻轉機側扭也應通過天車司機走行小車、控制翻轉等進行調整，嚴禁地面人員手動校正。180°翻轉完成并下落至距地面30 cm以內時方可允許地面人員手工輔助矯正擺放位置。

3)液壓翻轉機作為空中翻轉技術的核心輔助工具，在實際應用中起著舉足輕重的作用。由于是國內首家應用該翻轉機，新設備的投產對操作、保養、維修人員都提出了更高的要求，在沒有相應經驗且大部分專用零部件都缺少普遍性的情況下，一旦使用不當或超過設計使用壽命造成零部件的損毀都可能會直接影響到施工生產;因此，從確保生產進度的角度出發，對所有專用零部件都進行了備份，以便損壞時能夠及時修復。隨著空中翻轉技術的越來越成熟、廣泛，作業工人操作、保養、維修經驗和水平的不斷提高以及對設備本身的不斷改造和完善，該問題可逐步得到解決。

4)當翻轉機夾緊仰拱預制塊后，在油缸不進行任何伸縮變化的情況下，翻轉機與仰拱預制塊為剛性接觸，這種接觸方式可以視二者為一個整體，而預制塊生產模具自身加工偏差僅0.2 mm、脫模強度20 MPa，如果模具不水平、翻轉機翻轉油缸伸縮不到位、天車位置定位不準確都會造成起吊作用力與仰拱預制塊停放位置水平中心線不垂直，引發仰拱預制塊在模具內因偏拉向一側擠壓形成掉塊(見圖6)。

只要日常加強模具水平度檢查，模具不水平的問題便可以有效解決。為便于天車停車定位，現場采用“三線重合歸一法”［9］，即:當天車操作室玻璃上豎向刻線a、天車中部倒懸等腰三角形定位板垂線b、天車軌道鋼架梁正立等腰三角形定位板垂線c三線位于同一條豎線上時則表明天車恰好停在仰拱塊中間位置。翻轉機每次脫模前應先檢查翻轉油缸伸縮是否到位并及時作出調整。每循環使用一段時間后對翻轉油缸進行檢查，以便重新確定伸縮限位。

圖6 掉塊原因分析Fig.6 Analysis on causes for defects of invert block

5 應用效果

截至2011年6月1日，仰拱預制塊空中翻轉技術在西秦嶺隧道仰拱預制塊生產線使用已經10個月，翻轉預制塊5 548塊，設備運轉正常，操作人員能夠較好地完成各項操作、規避各類風險。通過實踐的檢驗，空中翻轉法無論是在人員配置、作業時間、外觀質量控制等方面都明顯優于地面翻滾法(見表2);而且由于空中翻轉法預制塊翻轉與脫模同步完成，不需要像地面翻滾法一樣在室外存放場內進行，無需額外占用掘進所需預制塊、鋼軌、拱架、網片等材料裝卸門吊的作業時間，可以確保掘進材料的及時供應。

表2 方法對比Table 2 Comparison and contrast between method of overturning on ground and that of overturning in air

6 結論與建議

1)鑒于對仰拱預制塊的結構特點以及真空吸吊翻轉機在預制塊翻轉中不適用性和缺點的充分研究，液壓吸吊翻轉機規避了前者的使用缺陷，通過空中無損翻轉消除了地面翻滾法對結構體的損傷。

2)脫模夾緊與預制塊翻轉實現動力一體化，減小了設備自身的體積，更加輕便、靈巧。

3)通過夾緊頭與預制塊之間的剪力和摩擦力代替真空吸盤的吸力，連接更牢靠，對于突發事件應變能力更強。

4)空中翻轉技術機械化程度高、操作簡便，只需1人輔助天車司機作業便可實現預制塊脫模、翻轉同步完成，極大地減輕了人員勞動強度、減少了轉運次數及對行吊的占用時間。

5)雖然空中翻轉技術中由于液壓翻轉機的引入增加了項目的初始設備成本支出，但是該技術的長遠效益不可低估，對于預制塊的生產進度和產量提高進而確保TBM的順利掘進與快速步進起到了非常積極的作用。

6)由于新技術的應用所產生的各類潛在風險可以通過經驗的不斷積累和對技術的充分掌握有效規避，不會產生長遠的影響。

7)隨著敞開式TBM掘進機的應用空間越來越廣闊，空中翻轉法也將逐漸取代地面翻滾法，成來未來的行業發展趨勢。

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