高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體高效拼裝技術

傅重陽/FU Chongyang

（中鐵三局集團第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

歐美等發達國家自20 世紀中葉起，通過開展大規?；A設施建設而逐步擴大工程機械需求，加之人力成本相對較高，從而促進工程機械的研發和實際運用。目前，隧道施工方面，國外已經基本實現全過程機械化作業，研發了針對開挖、掛網、架拱等基礎工序的高效率、高專業化程度的專用設備，拱架安裝設備已大量投入至隧道施工作業中。國內相關拱架安裝設備的研究主要以工程機械改裝式和多臂式拱架安裝臺車為主。

目前，隧道掌子面拱架拼裝時，作業人員站在拼裝臺架上將單榀拱架（一般為5 節）拼裝成整體，底部采用墊板支撐后臨時固定，重復拼裝作業3 次后調整拱架位置，將拱架反復定位后使用連接筋將拱架連接后人工打設鎖腳錨管，拱架拼裝主要存在以下問題：①拱架節段拼裝全部由作業人員完成，工作量大，作業時間長；②拱架拼裝時人員長時間暴露于掌子面下方，拼裝過程中安全風險較大；③拱架拼裝過程中施工空間小，拱架角度控制難度較大，施工質量控制難度大；④人工打設鎖腳錨管角度難以控制，打設過程中容易對已安裝拱架造成影響。

針對上述問題，依托渝昆高鐵川渝段YKCYZQ-6 標來福隧道出口工區施工，研究應用了高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體智能化拼裝工藝，對傳統全人工安裝拱架工藝進行革新，采用專門設計的鉸接結構工裝將單榀拱架鉸接連接，三榀拱架組合形成拼裝段，利用專門研發的智能拱架安裝臺車將拱架拼裝段快速準確定的安裝完成，同時利用臺車上錨桿鉆機快速精確地完成鎖腳錨桿的打設安裝工作，加快了掌子面拱架的安裝速度，有效提高了施工安全，對今后同類型工程具有切實的指導意義。

1 工程概況

渝昆高鐵川渝段站前六標來福隧道全長4 616m，其中來福隧道出口段工區，出口段工區施工總長度2 311m，起訖里程D2K218+537～D2K220+848。隧道主要穿越弱風化的砂巖夾泥巖和泥巖夾砂巖地層，不良地質主要有煤層微瓦斯、采空區、拱部及仰拱緩傾巖層，出口工區為順坡施工。

隧道出口段Ⅴ級圍巖214m、Ⅳ級圍巖1 062m、Ⅲ級圍巖1 020m。Ⅴ級圍巖一般地段采用三臺階法施工，穿越采空區采用臺階法+臨時仰拱施工，Ⅲ級、Ⅳ級圍巖均采用臺階法施工。

2 多榀拱架整體拼裝技術原理

以渝昆高鐵川渝段站前六標來福隧道出口V級、Ⅳ級圍巖施工階段為例，其中V 級圍巖隧道采用三臺階法施工，上臺階高度4m，中臺階4m，下臺階3.32m，臺階長度控制在4m 以內；Ⅳ級圍巖主要分為兩種工藝：①采用微臺階法施工時，上臺階高度6.5m，下臺階4.61m，臺階長度控制在4m 以內；②采用兩臺階法施工時，上臺階高度7.6m，下臺階3.51m，臺階長度控制在20m 以內。

為提高上臺階拱架安裝效率，降低施工安全風險，在充分調研論證的基礎上，提出了高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體智能化拼裝技術，并進行了配套設備選型。

2.1 隧道多榀鉸接鋼拱架整體拼裝技術原理

1）鋼拱架鉸接裝置 如圖1 所示，通過銷軸將組件一和組件二連接為整體，并利用開口銷防止銷軸脫落，然后利用螺栓將預留在組件一與組件二上的固定孔與鋼架腹板進行固定，從而實現鋼架節與節之間的有效連接。

2）鉸接鋼拱架結構優化 將原設計3 根等長同尺寸的A 單元拱架，優化為一長兩短，一長居中，兩短采用帶有鉸接裝置的連接梁進行連接的形式。如圖2 所示，拱架安裝臺車進行抓舉時，將“兩短”沿鉸接方向向中間折疊，待抓舉到安裝位置后展開，采用螺栓將拱架接頭連接完成。

圖2 鉸接裝置現場應用

3）多榀鉸接鋼拱架整體拼裝結構 如圖3 所示，利用拱架連接筋將三榀拱架組合整體結構，同時在拱架和連接筋外側安裝網片，使得三榀拱架+連接筋+網片形成整體結構。這樣不僅便于鋼拱架的運輸，還便于鋼拱架在洞內利用拱架安裝臺車一次展開就位，極大地縮短了洞內鋼拱架的安裝時間，提高了施工效率。

圖3 三榀拱架+連接筋+網片形成整體結構

2.2 隧道鉸接鋼拱架及連接板一體化加工技術原理

型鋼拱架連接鋼板精確定位是拱架加工中的薄弱環節，受原材料存放、運輸等諸多環節影響，用于型鋼拱架加工的工字鋼易產生扭曲變形，以扭曲變形的工字鋼為基礎單元焊接連接鋼板，將造成相鄰拱架單元連接板無法密貼或安裝；其次，型鋼拱架各單元獨立進行型鋼與連接板的焊接，也極易導致拱架單元不能精確對位安裝。針對上述問題，研究應用了隧道鉸接鋼拱架及連接板一體化智能化加工技術，主要優化措施如下。

1）隧道鋼拱架+連接板一體化自動生產線 如圖4 所示，主要包括連接板生產輸送線、型鋼上料裝置、旋轉切斷鋸床、旋轉式彎拱機、中道輸送線、連接板抓取機器人、連接板焊接機器人、第一鉗口式焊接變位器和第二鉗口式焊接變位器，實現了原材料、連接板、鋼拱架一次成型，有效保證了成品質量，提高了加工效率。

圖4 隧道專用連接板、鋼拱架自動化生產線

2）連接板自動化生產技術 鋼板原材料通過剪切成條板，利用桁架式機械手全自動抓送料，四孔聯沖和剪切一次性完成，最后放置傳送帶運輸到鋼拱架生產線。

3）連接板智能安裝技術 如圖5 所示，通過采用六軸機器人傳感裝夾連接板定位以及全自動360°變位焊接技術，實現了連接板、鋼拱架一次成型，連接板抓取機器人與連接板焊接機器人自動對位焊接自動對位焊接，確保連接板焊接精度及質量。

圖5 連接板自動定位完成進行點焊固定

2.3 隧道多榀拱架整體拼裝裝備選型及優化

1）LCG312D 智能車載拱架安裝臺車 如圖6 所示，采用集鋼拱架安裝、欠挖及排險處理等功能為一體的智能車載拱架一體化臺車，應用全新滑移結構的三臂架、中臂遙控及側臂手動的控制技術，實現拱架拼裝段快速準確安裝，提升了掌子面拱架拼裝速度。智能車載拱架安裝臺車技術參數如表1 所示。

表1 LCG312D型拱架拼裝臺車主要參數

圖6 智能車載拱架安裝臺車

2）智能車載拱架安裝臺車托舉裝置改造 針對拱架拼裝臺車僅靠單個托舉裝置托舉拱架，導致拱架拼裝對位慢、拱架定位偏差大、存在安全風險等問題，如圖7 所示，研究應用了適用于三榀鋼拱架整體拼裝的智能拱架臺車托舉裝置，將兩連接工字鋼之間通過抓取工字鋼相連，并在兩槽鋼定位結構的首端之間以及尾端之間均卡固有支撐槽鋼，實現了三榀拱架整體托舉。

圖7 適用于三榀鋼拱架整體拼裝的拱架臺車托舉裝置

3 多榀拱架整體拼裝技術

3.1 拼裝技術流程

高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體拼裝工藝流程如下：鋼拱架+連接板加工（采用隧道鋼拱架+連接板一體化自動生產線）→節段拱架打孔→拱架鉸接裝置安裝→拱架連接系安裝（三榀拱架+連接筋+網片形成整體結構）→拱架形成整體（檢查拱架榀間相對位置）→裝載機搬運進掌子面→拱架拼裝臺車安裝拱架（測量拱架位置、定位）→拱架整體展開（利用鉸接裝置）→安裝連接板連接螺栓→拆除鉸接裝置（重復利用）→智能拱錨噴一體機打設鎖腳錨桿（測量角度）→檢查驗收。

3.2 拼裝技術操作要點

3.2.1 型鋼拱架打孔

拱架鉸接裝置為多次循環使用工裝，需要在拱架上開孔安裝鉸接裝置。通過卡尺在工字鋼鋼架腹板上準確標示出鉆孔位置，沖床精確開孔后運輸至現場，打孔位置偏差≤1mm。

3.2.2 鉸接裝置安裝

如圖8 所示，在拼裝場地內安裝鉸接裝置，通過專用螺栓將拱架與鉸接裝置密貼，緊密固定。每榀拱架安裝2 套鉸接裝置，安裝完成后試驗鉸接對接情況，確保對位精度≤2mm。

圖8 鉸接裝置安裝

3.2.3 拱架連接系安裝和拱架驗收

1）3 榀拱架的6 套鉸接裝置安裝完成試驗合格后，利用龍門吊按照設計將拱架放置于拼裝架體上。尺量相對位置無誤后焊接安裝拱架間連接筋，連接筋背貼型鋼拱架外弧頂面，連接筋偏差不得大于±20mm。

2）連接筋安裝完成后安裝網片，網片搭接長度≥0.2m，網片外露長度≥0.2m。

3）整體拱架鉸接連接均在工廠化作業環境下完成，完成后使用拱架拼裝臺車抓舉試拼，檢查合格后放至存放處等待使用。

3.2.4 三榀拱架整體安裝

1）掌子面欠挖測量工作完成后拱架拼裝臺車就位，使用裝載機將整體拱架送至掌子面后，拼裝臺車開始安裝作業。

2）機械臂提升拱架至設計位置（圖9）。利用鉸接裝置打開后連接螺栓，測量定位拱架。

圖9 機械臂提升拱架至設計位置

3）拆除鉸接裝置，兩側機械臂松開，連接與上一循環之間的鋼筋網片及連接筋后中臂緩慢撤離，臺車收車離場。

4）收回拆除后鉸接裝置和連接螺栓，運輸至安裝場地重復使用。

3.2.5 打設鎖腳錨桿

利用智能拱錨噴一體機快速完成鎖腳錨桿的打設工作，快速完成鉸接拱架底部的錨固鎖定，完成拱架安裝作業。

4 實施效果

4.1 Ⅴ級圍巖地段應用結果分析

在Ⅴ級圍巖地段進行了3 個循環的三臺階法上臺階拱架鉸接洞內拼裝試驗工作，每循環進尺為1.8m，拱架從進場至就位用時1.5～2h，較人工拼裝3～3.5h 縮短1～2h。主要結果分析見圖10 對三臺階法工序用時進行對比分析。

圖10 三臺階法工序用時對比分析

4.2 Ⅳ級圍巖地段應用結果分析

在Ⅳ級圍巖地段進行了臺階法上臺階拱架鉸接和組拼式洞內拼裝試驗工作，每循環進尺為3m，拱架從進場至安裝完成用時1.5～2h，較人工拼裝3h 縮短1～2h。

兩臺階微臺階法工序用時主要結果分析見圖11 對兩臺階微臺階法工序用時進行對比分析。

圖11 兩臺階微臺階法工序用時對比分析

兩臺階短臺階法工序用時主要結果分析見圖12 對兩臺階短臺階法工序用時進行對比分析。

圖12 兩臺階短臺階法工序用時統計表

4.3 三種工法應用用人數量分析

根據V 級圍巖三臺階法、Ⅳ級圍巖微臺階法、Ⅳ級圍巖短臺階法三種工法應用情況，初步總結3 種工法工序用人與傳統用人對比數據如表2 所示。

表2 3種工法作業立架人員對比表

5 結論

1）采用專門設計的鉸接結構工裝將單榀拱架鉸接連接，利用鉸接裝置，拱架結構形成整體工作在洞外施工完成，在洞內進行整體拼裝，鋼筋拱架拼裝質量得到了提升，有效保證了初支鋼架質量。

2）優化了施工工序，利用拱架連接筋將三榀拱架組合整體結構，同時在拱架和連接筋外側安裝網片，使得三榀拱架+連接筋+網片形成整體結構，減少洞內安裝工序。

3）拱架在洞內拼裝過程中任何偏位均能通過臺車精確調整，保證了拱架安裝精度，也能夠更直接地反映出初支開挖的超欠挖情況，確保初支厚度滿足要求。

4）拱架安裝采用鉸接式和組拼式作業，從組織鋼架進場至鋼架安裝完成，3 榀鋼架平均立架時間為1.5～2h，相對于傳統人工立架效率提升1倍，且傳統人工拼裝拱架需要人員不少于14 人，采用拼裝臺車+人工立架體最多只需要10人。