0 引言
随着我国长大隧道建设步伐的加快，在隧道施工中二次衬砌紧跟开挖、TBM 掘进与二次模筑衬砌同步施工技术已成为隧道施工的发展趋势［1］，衬砌同步施工技术在施工安全、工程质量、综合进度、施工成本等方面具有明显优势，近年来成为隧道施工领域研究的热点。根据衬砌工作面与隧道断面的关系，将衬砌同步施工技术分为3 类: 第1 类是铁路隧道中较常采用的仰拱预制块同步铺装、边顶拱衬砌现浇同步施工技术，一般适用于上表面为平面的仰拱，便于有轨运输系统铺轨; 第2 类是全圆衬砌现浇同步施工技术; 第3 类是仰拱衬砌现浇同步施工技术。3 类衬砌同步施工技术主要应用情况见表1。第1 类已成功应用在多个铁路隧道工程中，技术较成熟; 后2 类仅在水工隧洞中进行了尝试。
表1 同步衬砌技术应用情况
针对水工隧洞，采用仰拱现浇同步施工相比预制块同步铺设有诸多优势，文献［4 － 5］从节省投资、保证质量、方便施工等方面进行了论述。TBM 施工需在已掘进洞段同步延伸连续皮带、大直径风管、高压电缆、供排水管道、TBM 行走及物料运输轨道，受隧道空间限制，全圆或边顶拱衬砌与TBM 掘进同步作业的干扰问题难以解决; 而仰拱衬砌占用空间小，便于施工布置，干扰问题较为容易解决，并且仰拱衬砌的完成可为后续边顶拱衬砌施工创造有利的交通条件。水工隧洞结构不设置小边墙，一般比铁路隧道断面小，底部不允许铺设仰拱预制块，只能施作现浇混凝土，仰拱同步施工的难度大。大伙房输水工程采用的仰拱台车实现了3． 6 km 仰拱同步衬砌，取得了成功应用，但是使用过程中仍存在诸多有待解决的问题［12］，如: 1) 台车前后坡轨长度大于100 m，台车移动时前后坡轨处理工作量大; 2) 前后坡轨拆除与安装方式不合理，效率低;3) 台车主体结构长度为48 m，每个施工循环为16 m，台车移动频繁，造成前后坡轨拆除与安装工作量大;4) 台车上常用材料摆放和施工人员作业空间不足; 5)仰拱浇筑时混凝土罐车占用单线运输通道［13］，影响TBM 正常掘进。浮放道岔增大了线路的坡度，在起吊、移动时需中断交通，并且移动困难，列车过岔时速度慢、易掉道，严重制约台车作业区列车的通行能力［14］。文献［15］指出现浇仰拱同步衬砌施工需要解决的技术问题，包括洞内轨道布置、有轨运输列车在同步衬砌区域不间断通行、仰拱同步衬砌台车自身结构和行走形式、混凝土浇筑方式、同步衬砌速度与TBM掘进速度匹配等问题。本文针对上述问题进行研究，设计出非对称方形框架结构和双通道方案解决同步施工的空间和交通干扰问题，采用升降坡轨道搭接装置实现轨道的平顺过渡和台车的快速移动，构建仰拱衬砌同步施工技术体系，并结合施工应用过程中遇到的问题指出进一步改进的方向。
1 工程概况
辽宁省重点输供水工程水源工程设计输水流量77m3 /s，成洞洞径7. 3 ～ 8. 5 m，多年平均输水量16. 24 亿m3，为全程有压自流，最大压力0． 9 MPa。工程布置见图1，由进水口、有压隧洞、检修竖井、调压井、出口电站及供水支线组成，主洞全长99． 98 km，沿线布设14 条施工支洞和1 条连通支洞，支洞总长24. 36 km。主体共分为5 个施工标段，采用以TBM 为主、钻爆法为辅的联合施工方法。主洞钻爆法施工段长度为31． 48 km，占主体隧洞总长的31. 5%; TBM 施工段采用4 台TBM，划分成8 个掘进段，总长度为68. 50 km，占主体隧洞总长的68. 5%，开挖洞径8. 5 m。工程穿越的地形地貌主要为长白山南延龙岗山脉侵蚀断褶中低山地形，整体山脉呈NE 向延伸，山峦叠嶂，沟壑密布，山顶多为尖顶状，植被发育。隧洞埋深较大，其中埋深超过600 m 的占13%、超过300 m 的占55%、超过100 m 的占97． 7%、小于50m 的仅占0． 3%。
水源工程施工3 标TBM 掘进洞段长度为37． 69km，划分成4 个掘进段，采用2 台TBM( TBM1、TBM2)施工，开挖直径为8． 5 m。衬砌结构包括仰拱混凝土和边顶拱混凝土，全洞段通长浇筑仰拱混凝土，最大厚度为0． 93 m，顶面宽度为5． 3 m。Ⅱ、Ⅲa 类围岩仰拱浇筑素混凝土( 长度为28． 25 km) ，Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ类围岩浇筑仰拱和边顶拱混凝土( 长度为9． 44 km) ，衬砌分仓长度为12 m/仓。
图1 辽宁省重点输供水工程水源工程布置示意图( 单位: m)
2 仰拱衬砌同步施工关键技术
2． 1 双通道仰拱同步衬砌台车结构设计
结合工程实际，采用双通道仰拱同步衬砌台车［16 － 17］( 简称仰拱台车) 施工。仰拱台车结构设计见图2，总长约132 m，主要包括行走轨道、衬砌台架、岔道台架、坡道台车、动力机等，采取“前斜坡段+ 前道岔段+ 4 个标准段+ 后道岔段+ 后斜坡段”的布置方式，前后升降坡段坡度为3°。
图2 双通道仰拱同步衬砌台车结构示意图( 单位: mm)
将仰拱台车断面设计为图3 所示的非对称结构形式，以满足TBM 掘进施工及其相关配套设施的布置及运行，主要包括: 1) 上侧2． 2 m 风筒; 2) 左侧供排水管、供电系统、照明、通讯电缆; 3) 右侧连续皮带机出渣系统;4) 台车腹内实现有轨列车编组通行( 编组最大长度60 m，满载质量144 t) ，满足TBM 掘进延伸材料及初期支护材料正常运输，其中最大件为储风筒，尺寸为8 m( 长) ×2． 4m( 宽) ×2． 4 m( 高) 。长达132 m 的结构可使仰拱台车下方划分为多个工作区，具备仰拱混凝土浇筑准备、浇筑、养护等的功能，具体包括清渣准备，排水、清仓、轨道移设，支高架拆除，绑扎钢筋，混凝土浇筑，混凝土待凝、模板滑移停放，混凝土养护、轨道铺设等。
仰拱台车标准段底梁上安装4 条轨道实现双向通行( 见图4( a) ) ，前( 后) 道岔段实现双轨并道( 见图4( b) ) ，用布置双通道的方案解决TBM 掘进与仰拱混凝土浇筑同步施工过程中空间和交通干扰的问题。此外，方形框架结构形式为混凝土通过溜槽直接入仓提供了便利条件，相比泵送入仓方式，可减少泵车投入，提高施工效率。台车行走轨道安装在洞壁上，台车上安装驱动装置和行走轮对，移动速度可达到3． 52 m/min，为快速跟进提供了条件。仰拱台车所受荷载通过台车行走轨道及支座传递到洞壁，不会对混凝土作业区域产生干扰。台车底梁距离仰拱底面1． 51 m、仰拱混凝土上表面0． 58 m，为电缆槽模板安装，钢筋绑扎，止水带安装，混凝土摊铺、振捣、抹面、洒水养护等工序作业提供了足够的空间，并且可以实现仰拱全幅一次性整体浇筑，避免施工纵缝的产生，有效保证混凝土质量。
图3 双通道仰拱同步衬砌台车典型断面图( 单位: mm)
2． 2 物料运输交通综合规划
本工程TBM 单个掘进段最长为11． 45 km，主洞平均埋深450 m、最大埋深1 100 m，最长施工支洞达到2． 45 km，支洞最大坡度12． 45%，施工支洞主支洞交叉口与支洞口高差最大达到245 m。因此，必须采用支洞轮式运输和主洞有轨运输的联合运输方式。在长距离、大坡度的施工支洞内规划为轮式运输，在TBM 组装间、服务区和通过段区域内设置四轨双线( 见图5) ，在TBM 掘进段内设置双轨单线并利用仰拱台车双通道实现主洞内错车，通过组装间的桥机或检修间的门机实现轮式运输材料暂时储存或中间产品的转运。同时，将扩大洞室区段的轨道设置为嵌入式轨道，实现轮胎式车辆与有轨运输车辆的交叉运输作业。在仰拱混凝土浇筑过程中采用“1( 内燃牵引机车) + 3( 卧式混凝土罐车) ”的编组模式，有效保证了混凝土的运力和运速。混凝土运输罐车和内燃牵引机车分别为HNJ60A/B 型6 m3 卧式混凝土搅拌罐车和NＲQ25型牵引机车。
图4 仰拱台车标准段和道岔段实景
图5 轨道运输布置示意图
2． 3 升降坡轨道平顺过渡
为实现有轨运输列车双通道行驶的错车要求和提供仰拱混凝土浇筑作业面，将仰拱台车置于距离仰拱底面1． 49 m、轨间距为5． 87 m 的台车行走轨道上，仰拱台车前后升降坡段轨道与TBM 配套标准轨道存在竖向搭接问题，如果按照已有的方法处理，存在前后坡轨安拆效率低、列车运行易出现降速和掉道的问题。本工程采用的升降坡轨道搭接装置［18］( 见图6) 由楔形扁钢轨道、门型连接钢板、限位螺栓组成，2根楔形扁钢轨道对称布置在连接钢板上，与TBM 配套单线标准轨同距，2 根槽钢布置在TBM 单线标准轨外侧与门型钢板焊接，并在槽钢前后设置4个限位孔( 限位孔焊接限位螺栓螺帽) ，采用4 根高强螺栓限位固定。该装置能有效保证轨道的平顺过渡，实现编组列车安全、高效地穿越仰拱台车，避免编组列车升降坡时发生掉道事故; 同时，台车移动前无需将前斜坡段前端或后斜坡段后端吊起，缩短了台车走行的准备时间，实现台车快速移动。
3 仰拱衬砌同步施工应用
3． 1 施工工艺与强度分析
为提高仰拱台车的同步施工效率，实施中对施工工艺进行优化。将仰拱台车标准段下方划分为5 个施工段，每个施工段长12 m，作为1 个仓位，按跳仓浇筑的顺序进行施工( 见图7) ，完成后仰拱台车走行60m，进行下一循环5 个施工段的施工。
图6 升降坡轨道搭接装置( 单位: mm)
每个施工段划分成7 个施工工序，施工工艺流程见图8，依次为轨道轨枕拆除、基岩面清理、钢筋止水模板安装、混凝土浇筑、养护及模板拆除、轨道铺设、台车行走。每个施工段根据各工序完成的时间和施工顺序组织流水施工，施工进度安排见图9。
图7 仰拱台车标准段下方仓位布置示意图
图8 仰拱衬砌同步施工工艺流程
图9 仰拱衬砌同步施工进度横道图
按每月25 个工作日测算，仰拱台车在各类围岩条件下的施工月强度见表2。需要说明的是，在实施过程中随着施工人员操作逐步熟练和工序衔接趋于合理紧凑，施工强度指标仍有提升的空间。
3． 2 施工应用效果
仰拱台车在施工现场应用情况见图10。截至2017 年1 月25 日，施工3 标仰拱衬砌同步施工17． 9 km，预计至2 台TBM 掘进贯通时可完成仰拱同步施工约22 km，占仰拱衬砌总长度的58． 4%。从施工效率上看，经过第1 掘进段设备的磨合改进以及施工人员熟练程度的提高，2 台仰拱台车在第2 掘进段平均月进尺达到398 m 和448 m( 见表3) ，最高月进尺达到648 m，基本可以实现仰拱衬砌同步跟进施工。
表2 仰拱衬砌同步施工强度分析表
图10 仰拱衬砌同步施工实景
表3 仰拱衬砌与TBM 掘进同步施工情况统计表
与采用TBM( TBM3、TBM4) 贯通后先完成仰拱浇筑再进行边顶拱衬砌施工的4 标进行对比，结果见表4，可知仰拱衬砌同步施工可大幅提前边顶拱衬砌启动时间( 由于仍在施工中，表中部分时间节点根据施工进展情况预估) 。仰拱衬砌跟进TBM 掘进同步施工，使得TBM贯通至边顶拱衬砌开始施工的时间间隔缩短，该时间间隔越小，对缩短工期的贡献越大，即仰拱同步施工的效果越显著，对压缩关键线路工期的作用越大。
针对关键线路TBM2 － 2 段，若采用贯通后先仰拱后边顶拱方案，贯通后进行设备拆机、轨道拆除、仰拱面清理、衬砌施工准备需占用直线工期5 个月，考虑2 个作业面同时进行仰拱浇筑，平均月强度为1 100 m，仰拱施工工期为8 个月，该方案TBM 贯通至边顶拱衬砌启动的时间间隔为13 个月; 采用仰拱衬砌紧跟TBM 掘进同步施工方案，预计贯通时仰拱剩余800 m，考虑拆机影响，单个工作面施工，2个月可完成剩余仰拱施工。仰拱台车的使用可以缩短关键线路工期约11 个月。
综上，仰拱台车的应用实现了TBM 正常掘进与仰拱混凝土同步快速施工，提高了隧洞综合施工效率和现浇混凝土质量，改善了施工环境，为后期边顶拱衬砌多工作面交叉施工创造了条件，缩短了关键线路施工工期，降低了工程综合修建成本。
表4 边顶拱衬砌启动时间统计表
4 需进一步解决的问题
4． 1 移动式滑模使用效果不佳
原设计在仰拱台车下方安装移动式滑模，以实现混凝土摊铺整平功能，模板长度为3 020 mm、宽度为700 mm。滑模由安装在台车下部的行走装置、卷扬机提供行走动力，模板由2 组行走轮和4 根单行丝杆支撑抵抗混凝土向上的浮托力。滑轨为固定在台车标准段桁架结构下方的Ⅰ16 横梁上，滑动模板通过4 根可调节丝杆及滚轮与滑轨连接，3 t 卷扬机提供滑模行走的牵引力。混凝土浇筑前安装好模板滑行到起始端，调节好高度使其刚好接触预留槽模板顶面，混凝土一边浇筑一边用3 t 卷扬机牵引滑模移动。
在工程实践中，由于TBM 物料运输车辆和仰拱混凝土运行车辆通行频繁，通行车辆为列车编组，包括质量为25 t 的内燃机车、15． 8 t 的卧式混凝土6 m3 运输罐车、材料运输平板车等，列车编组行驶时由于静荷载和动荷载组合，仰拱台车横向大梁结构出现了5 ～ 10mm 挠度，原设计的仰拱顶面移动式滑模未能成功应用，改为人工作业。
4． 2 主动轮摩擦力不足
仰拱台车在前后端的道岔段上共设置4 套驱动装置，采用链轮传动，主动轮直径为250 mm，行走速度为3． 52 m/min。台车总长度达到132 m，总质量约132 t，由驱动装置传动主动轮，依靠主动轮与轨道间的摩擦力驱动台车走行。在使用过程中主动轮出现打滑空转现象，原因是主动轮与轨道间的摩擦力不足以带动仰拱台车，需要在道岔段增加配重( 一般采用停放内燃机车的方式) 来解决该问题。
4． 3 在Ⅳ、Ⅴ类围岩中仰拱台车与施工面存在干扰
1) 开敞式TBM 隧道掘进施工中，不良地质段采取“钢筋排+ 钢拱架+ 锚喷支护”的联合支护措施，Ⅳ、Ⅴ类围岩安装全环HW150 型钢拱架，厚度150 mm，设计阶段未充分考虑仰拱台车的行走轨道( 文献［16］中有示意图) 铺设与钢拱架的冲突，施工时需要将钢拱架切断开口以便于轨道铺设，台车通行之后再进行恢复。2) Ⅳ、Ⅴ类围岩仰拱和边顶拱衬砌结构布置双层钢筋，最大钢筋直径达到32 mm，仰拱先行浇筑，双层钢筋接头外露仰拱顶面1 ～ 2 m，与驱动装置的传动链条存在空间冲突，需要在仰拱浇筑前后加以处理。这2 个问题可通过抬高轨道支座的方式加以解决，通过计算与模拟，将仰拱台车轨道支座抬高150 mm，即可不影响仰拱台车通行。
4． 4 出渣皮带接力驱动影响
本工程TBM2 － 1 段和TBM1 － 2 段采用在掘进过程中设置出渣皮带接力驱动的方案，2# 仰拱台车在TBM2 － 1 段进行衬砌同步跟进施工时未充分考虑接力驱动( 在掘进5 672 m 处安装) 的影响，无法通过接力驱动继续进行仰拱同步施工; 1# 仰拱台车在TBM1 － 2段中汲取了教训，加强施工组织，目前正紧跟TBM 掘进同步进行仰拱施工，按计划将在接力驱动安装前完成相应位置的仰拱施工，继续实现后续的仰拱衬砌同步施工。建议后续研究中缜密考虑仰拱台车运行的边界条件，提前谋划施工组织，充分发挥仰拱台车同步施工的效能。
5 结论与建议
双通道仰拱台车解决了现浇仰拱同步衬砌施工面临的技术难题: 1) 采用非对称方形框架结构设计，避让与TBM 施工同步延伸的连续皮带、大直径风管、高压电缆、供排水管道等设施; 2) 仰拱台车腹内双通道设计满足TBM 施工所需有轨运输车辆不间断通行，解决了TBM 施工与仰拱衬砌的空间和交通干扰问题;3) 仰拱台车下方空间组织流水施工，效率得以提升;4) 仰拱台车走行轨道紧贴岩壁布置，与列车走行轨道互不干扰，便于开展轨道拆除和安装工作; 5) 升降坡轨道搭接装置实现轨道平顺过渡，提高了列车通行和台车移动速度; 6) 结合施工支洞长、隧洞坡度大、运输距离长的特点，采用轮式运输与有轨运输相结合的方式，保障物料运输有序、快捷。
虽然双通道仰拱台车在辽宁省重点输供水工程中取得了较好的应用效果，但使用过程中也发现了一些问题，建议在类似工程推广应用时，结合工程的实际特点，统筹规划，并研究改进，以便更好地实现仰拱衬砌同步施工。
摘自：隧道建设