林春剛，尚 偉，*

(1. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 511458；2. 中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著隧道及地下工程的蓬勃發(fā)展，地下空間開發(fā)逐步從淺層進入深部，規(guī)模從常規(guī)向超常規(guī)發(fā)展，相繼涌現(xiàn)了眾多大跨、巨跨隧道及超大型地下洞庫。這些大型隧道及洞庫相關(guān)的設(shè)計理論、施工技術(shù)超出了現(xiàn)有地下工程建設(shè)理論的應用范疇，其被覆結(jié)構(gòu)(二次襯砌)的力學規(guī)律、穩(wěn)定性面臨諸多不確定性因素，給超大型地下空間開發(fā)帶來了極大的困擾，制約著國家重大戰(zhàn)略的實施。被覆結(jié)構(gòu)是地下工程的永久性承載結(jié)構(gòu)，對洞室的穩(wěn)定性具有決定性影響，通常采用混凝土現(xiàn)澆工藝修建。大型地下工程被覆結(jié)構(gòu)通常采用體型高大、結(jié)構(gòu)高強的支架模板體系澆筑，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1-2]，但施工難度大、風險高。

徐州地鐵1號線站銅區(qū)間(跨度為16.26 m)[3]、長沙市森林防火監(jiān)測站(跨度為17.2 m)[4]、深圳地鐵8號線深外站及連接線(跨度為21.56 m)[5]均為超大斷面隧道，二次襯砌澆筑時均采用臺架、腳手架聯(lián)合支撐鋼模板。青島地鐵2號線李村公園站及折返線區(qū)間(跨度分別為22.8、23.5 m)[6-7]、某儲備洞室穹頂(直徑27 m)[8]，使用腳手架、支撐鋼模板進行二次襯砌澆筑。營盤路湘江隧道主線與匝道的分合流段(寬度為25.3 m)采用側(cè)壁臺車與中導坑鋼模聯(lián)合施工[9]。重慶地鐵3號線紅旗河溝車站(跨度為25.6 m)[10]、烏蒙山2號隧道(跨度為28.42 m)[11]均采用整體式模板臺車完成拱墻襯砌澆筑。深圳市蓮塘隧道分岔部(跨度為30 m)[12]、贛龍鐵路新考塘隧道(跨度為30.26 m)[13]、京張高鐵八達嶺長城站(跨度為32.7 m)[14]，均是在門架式襯砌臺車的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)副門架、加長模板，實現(xiàn)大跨段襯砌施工。海南某地下洞庫擴建后凈跨為40 m、凈高為12 m，混凝土設(shè)計厚度為1～2 m，采用碗扣式腳手架支撐體系和整體自行式貝雷架支撐臺架完成了被覆施工[15]。綜上所述，目前大型地下工程二次襯砌施工裝備以襯砌臺車和滿堂架支撐鋼模為主，部分工程采用了兩者組合式結(jié)構(gòu);在跨度方面,襯砌臺車可達到32.7 m，滿堂架可達到40 m; 在作業(yè)方面，仍舊以人工操作為主，效率低、風險大。

某巨跨超扁平大型地下洞庫為罕見巨跨工程，現(xiàn)有大型地下洞庫施工裝備在結(jié)構(gòu)跨度、自動化施工、風險控制等方面與本巨跨洞庫施工要求相距甚遠，難以滿足需求。成熟的施工裝備和配套施工技術(shù)是保障大型地下工程順利施工的先決條件。本課題以滿足國家重大地下工程需求為導向，依托某在建巨跨地下洞庫，以實現(xiàn)被覆結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土安全、快速澆筑為目標，采用“貝雷架支撐體系+鋼模板”，集成鋼筋綁扎與混凝土澆筑功能，構(gòu)建巨跨地下洞庫被覆結(jié)構(gòu)施工一體化裝備及配套工藝，精準、高效支撐巨跨超扁平大型地下洞庫工程機械化施工。

1 工程概況

某在建工程為巨跨、矢跨比極小的地下洞庫，圍巖為白云質(zhì)灰?guī)r，巖體整體性較好，局部存在斷層和節(jié)理，圍巖基本穩(wěn)定。地下洞庫被覆為單跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻以上部位一次澆筑成型。該洞庫跨度為現(xiàn)有常規(guī)洞室最大跨度的2～3倍，被覆混凝土厚度為常規(guī)隧道的4～5倍，多層鋼筋密集交叉，混凝土單循環(huán)澆筑量超千方、自重數(shù)千噸，但被覆混凝土施工周期僅有5個月。

2 總體方案設(shè)計

2.1 工程難點及要求

本工程地下洞庫被覆混凝土施工裝備體型巨大，拼裝、移動、拆解、立模、脫模等均面臨巨大挑戰(zhàn)。單組混凝土澆筑長度為12 m，襯砌施工裝備跨度大，縱向長度相對較短，在千噸級現(xiàn)澆混凝土的巨大載荷下，襯砌施工裝備容易發(fā)生扭曲失穩(wěn)，風險防控要求高。在保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的前提下，要求巨跨模板支撐體系具有快速拼裝、自主移動、自動化施工功能，快速實現(xiàn)洞庫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成型。

2.2 設(shè)計思路

被覆結(jié)構(gòu)施工主要包括鋼筋綁扎和混凝土澆筑，2大工序相繼進行，且所需設(shè)備作業(yè)覆蓋面相近，因此可將鋼筋綁扎、混凝土澆筑裝備合二為一，形成一體化施工裝備。同時，拓展縱向長度，提高巨跨施工裝備的抗扭穩(wěn)定性，可實現(xiàn)一次定位，多工序同步施工，提高工效。

目前，全液壓鋼模板襯砌臺車施工技術(shù)較為成熟，而貝雷架強度高、通用性強、租賃成本低、可實現(xiàn)快速拼裝，因此，可將貝雷架支撐體系融入全液壓鋼模板襯砌臺車，研制一體化施工裝備，從而實現(xiàn)巨跨地下洞庫被覆混凝土安全、優(yōu)質(zhì)、高效施工。

2.3 設(shè)計方案

鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化施工裝備上部分為鋼筋綁扎區(qū)和混凝土澆筑區(qū)，中部使用高強度組合式貝雷架支撐體系，底部采用多臺軌行式行走機構(gòu)驅(qū)動一體化施工裝備前、后移動；支撐體系底部預留行車門洞，用于施工設(shè)備、材料進出。整體結(jié)構(gòu)見圖1，整機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

鋼筋綁扎區(qū)位于前端，多臺鋼筋綁扎臺架布置在支撐體系頂部，并可在鋼筋綁扎區(qū)域內(nèi)前、后移動；鋼筋綁扎臺架上方布置有鋼筋定位卡具、升降平臺和鋼筋吊具，可輔助鋼筋綁扎，見圖1(a)。

混凝土澆筑區(qū)位于后端，巨跨弧形模板通過模板支架組成整體式結(jié)構(gòu)，便于立模、脫模動作協(xié)調(diào)；模板頂升、橫移機構(gòu)設(shè)置在模板支架底部與貝雷架支撐體系之間，可用于模板精準定位，見圖1(b)。模板支架上配置有混凝土澆筑系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)和人工作業(yè)平臺，便于混凝土灌注、振搗施工。

(a) 鋼筋綁扎裝備主視圖

(b) 混凝土澆筑裝備主視圖

(c) 混凝土澆筑裝備側(cè)視圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 部件結(jié)構(gòu)

3.1 貝雷架支撐體系

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

貝雷架支撐體系(見圖1)為主要承載結(jié)構(gòu)，由貝雷架基礎(chǔ)、貝雷架主架、工字鋼梁組成。貝雷架基礎(chǔ)底部設(shè)置行走機構(gòu)，頂部承載貝雷架主架；貝雷架主架為支撐體系的中部桁架結(jié)構(gòu)，用于傳遞載荷、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；工字鋼梁設(shè)置在貝雷架主架上方，用于搭建作業(yè)平臺、安裝輔助設(shè)備和支撐模板。

單個貝雷片外形尺寸為3 115 mm×176 mm×1 500 mm，拼裝長度為3 m，主要由上下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成。上下弦桿一端為陰頭，另一端為陽頭，均設(shè)置有銷孔?？v向拼裝時，將2個貝雷片上下弦桿的陰頭、陽頭銷孔對齊后，將銷子插入即可；多排拼裝時，采用斜撐連接對應的豎桿、弦桿，螺栓鎖緊；多層拼裝時將多個貼合弦桿對齊，螺栓鎖緊。采用多排多層貝雷片結(jié)構(gòu)，可提高支撐體系的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。

貝雷架基礎(chǔ)為2組3排單層加強型粱形結(jié)構(gòu)，縱向長度為30 m，共4組。貝雷架主架底層采用貝雷片箱形組合結(jié)構(gòu)(見圖2)，提高抗彎抗扭剛度；上層混凝土澆筑區(qū)采用2組3排單層加強型梁形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。鋼筋綁扎區(qū)采用單組3排單層加強型梁形結(jié)構(gòu)，貝雷架主架層與層之間為縱橫交錯布置，采用螺栓鎖緊，橫向結(jié)構(gòu)可根據(jù)層高分段配置，縱向均勻布置5組。

鋼筋綁扎區(qū)載荷相對較小，貝雷架主架布置1層單排雙層貝雷片箱形結(jié)構(gòu)，頂部采用型鋼搭建鋼筋綁扎作業(yè)平臺。

圖2 貝雷片箱形組合結(jié)構(gòu)

圖3 3排單層組合結(jié)構(gòu)

3.1.2 力學分析

根據(jù)貝雷架支撐體系的結(jié)構(gòu)特點和載荷分布規(guī)律，貝雷架基礎(chǔ)的跨度、載荷最大，可確定為危險結(jié)構(gòu)。按混凝土澆筑過程中最不利載荷作用于支撐體系，采用有限元分析法進行危險結(jié)構(gòu)力學驗算。有限元模型中，模板面板采用虛梁模擬荷載，支撐螺桿、螺桿、貝雷架間斜撐均采用桁架單元，其余均采用梁單元。貝雷架和工字鋼梁的材料型號、力學參數(shù)及驗算結(jié)果見表2。由結(jié)果可知，貝雷架、工字鋼梁的正應力、切應力在容許值范圍內(nèi)，危險結(jié)構(gòu)的變形撓度小于容許值，因此貝雷架支撐體系可滿足結(jié)構(gòu)安全性需求。

表2 支撐體系部件主要力學參數(shù)及驗算結(jié)果

3.2 鋼筋綁扎臺架

3.2.1 方案設(shè)計

被覆配筋設(shè)計為多層鋼筋立體網(wǎng)，完成綁扎后整體頂升到位，隨后通過錨桿懸吊固定。鋼筋綁扎的主要步驟有鋼筋提升、定位、固定、單片網(wǎng)綁扎、接頭焊接、立體網(wǎng)成形等步驟。施工中主要面臨定位精度要求高、豎向作業(yè)距離遠、鋼筋綁扎量巨大等難題。為此，設(shè)計了鋼筋綁扎臺架，以型鋼焊接的空間桁架作為主架，配置鋼筋吊具、升降平臺、鋼筋定位卡具、軌行式驅(qū)動機構(gòu)等功能結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 鋼筋綁扎臺架

具體施工時,可將鋼筋綁扎臺架預先移至施工區(qū)域，使用鋼筋吊具將所需鋼筋吊運至鋼筋綁扎臺架頂部，通過鋼筋定位卡具使鋼筋精確定位，隨后綁扎牢固。當作業(yè)距離較高，超出人手作業(yè)范圍時，可啟動升降平臺，增大人工作業(yè)范圍。通過底部行走機構(gòu)，往復移動鋼筋綁扎臺架，可覆蓋全域鋼筋綁扎需求。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.2.1 主架

主架為鋼筋綁扎臺架的基礎(chǔ)構(gòu)件，是由型鋼焊接而成的門架式結(jié)構(gòu)，上部承載鋼筋吊具、升降平臺、鋼筋定位卡具等，兼做工作平臺，下部為行走機構(gòu)，使其具有較大的作業(yè)范圍。

3.2.2.2 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)用于鋼筋綁扎臺架往復移動，采用軌行式結(jié)構(gòu)，由電機同步驅(qū)動，一端主動，另一端從動。行走機構(gòu)與主架之間采用鉸接連接，具有良好的力學傳遞性能。鋼筋綁扎臺架靜止時應采用鎖軌器固定，防止滑動。

3.2.2.3 鋼筋吊具

鋼筋吊具用于提升鋼筋，該設(shè)備主要由驅(qū)動器、制動器、鋼絲繩、定滑輪、吊鉤、放料倉、支架等組成，固定在鋼筋綁扎臺架的主架上，見圖5。吊鉤掛載鋼筋后，啟動驅(qū)動器，在鋼絲繩的牽引力作用下，可將鋼筋提升至鋼筋綁扎臺架頂部;隨后在人工輔助牽引的作用下，緩慢放置在放料倉內(nèi)，便于后續(xù)鋼筋綁扎取用。根據(jù)施工需求，鋼筋吊具可布置在鋼筋綁扎臺架和支撐體系的邊緣，成對布置、使用。

圖5 鋼筋吊具

3.2.2.4 升降平臺

巨跨洞庫被覆混凝土厚度較大，超出人工作業(yè)范圍，需借助升降平臺輔助施工。升降平臺主要選用單極固定式剪叉升降臺，采用液壓驅(qū)動，升降行程較低，結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的操控性和安全性。

3.2.2.5 鋼筋定位卡具

超大跨洞庫被覆鋼筋網(wǎng)通過拱部錨桿接頭固定，自上而下逐層綁扎。作業(yè)過程中采用鋼筋定位卡具精準定位。鋼筋定位卡具分為縱向和環(huán)向2種，均采用小型化、輕便化設(shè)計，便于重復使用，示意圖見圖6。

1—縱向鋼筋； 2—環(huán)向鋼筋； 3—環(huán)向鋼筋定位卡具； 4—縱向鋼筋定位卡具。

1)環(huán)向鋼筋定位卡具。環(huán)向鋼筋定位卡具用于定位和支撐環(huán)向多層鋼筋，沿洞庫斷面弧形設(shè)置在鋼筋綁扎臺架上。鋼筋綁扎臺架上沿縱向預留定位銷孔，環(huán)向鋼筋定位卡具采用定位銷軸放置在鋼筋綁扎臺架上。環(huán)向鋼筋定位卡具主要由面板和面板上的多個分層“L”型卡槽組成。“L”型卡槽數(shù)量和間距取決與鋼筋網(wǎng)設(shè)計層數(shù)和層距。環(huán)向鋼筋定位卡具與鋼筋綁扎臺車之間采用定位銷軸連接，定位銷孔需預先制作，具有位置可調(diào)、定位準確的功能。使用時可預先將環(huán)向鋼筋定位卡具布置在施工位置，然后將環(huán)向鋼筋放置在“L”型卡槽內(nèi)，實現(xiàn)環(huán)向鋼筋定位與臨時支撐，與上層鋼筋完成綁扎后即可拆除，并移動到下一位置繼續(xù)使用。

2)縱向鋼筋定位卡具?？v向鋼筋定位卡具用于定位縱向鋼筋，與環(huán)向鋼筋定位卡具配套使用，其橫斷面為與隧道斷面弧形同心的弧形板狀結(jié)構(gòu)，其頂部設(shè)置有多個“U”型槽，其間距符合縱向鋼筋間距設(shè)計要求。使用時可將縱向鋼筋定位卡具放置在多組縱向鋼筋之間，并與環(huán)向定位鋼筋卡具密貼，保持與縱向垂直，并使其“U”型槽卡在鋼筋上，沿縱向設(shè)置多個縱向鋼筋定位卡具，即可實現(xiàn)縱向鋼筋精準定位。

3.3 模板系統(tǒng)

被覆混凝土澆筑“先墻后拱”，拱部一次澆筑成型。洞庫被覆厚度大、載荷重、質(zhì)量要求高，因而拱部模板采用鋼制弧形模板。為提高模板的整體力學穩(wěn)定性，便于立模、脫模等，模板系統(tǒng)整體固定在模板支架上，經(jīng)模板支架傳遞混凝土載荷以及完成立模、脫模等功能(見圖1(b))。

拱部模板主體結(jié)構(gòu)為弧形，兩側(cè)末端為直墻模板?；⌒文０瀛h(huán)向共11塊，環(huán)向采用鉸接連接，并使用連桿鎖死，保證弧形模板的精度。直墻模板環(huán)向共2塊，分置弧形模板左、右兩端，采用鉸接結(jié)構(gòu)，驅(qū)動液壓油缸可使直墻模板搭接邊墻(見圖7)。

圖7 直墻模板

模板系統(tǒng)分層預留多個工作窗口，可用于混凝土澆筑、振搗、觀察澆筑狀況等。拱頂留混凝土灌注孔，用于布置拱頂混凝土泵送管路。模板系統(tǒng)工作窗布置如圖8所示。

圖8 模板系統(tǒng)工作窗布置圖

3.4 模板液壓系統(tǒng)

被覆模筑混凝土施工時，模板應具備立模、脫模的功能。支撐體系定位后，立模時僅需要上下、左右精準調(diào)控模板。因此，模板液壓系統(tǒng)應具備模板頂升、橫移、直墻模板擴展的功能。3.3節(jié)提到模板系統(tǒng)固定在模板支架上，因而模板液壓系統(tǒng)均作用在模板支架上，底部設(shè)置在支撐體系上，具體結(jié)構(gòu)見圖9。模板頂升、橫移液壓系統(tǒng)前后設(shè)置2排，單排設(shè)置12套，設(shè)備中線對稱布置，布置位置見圖1(b)。模板定位時，需采用液壓同步驅(qū)動技術(shù)，確保多套液壓系統(tǒng)動作協(xié)調(diào)。

圖9 模板頂升、橫移系統(tǒng)原理

3.4.1 頂升功能

頂升功能由頂升油缸、伸縮套筒和螺旋絲杠實現(xiàn)，其中，頂升油缸提供驅(qū)動力，伸縮套筒用于導向，螺旋絲杠用于定位后的鎖定并提供支撐力。

3.4.2 橫移功能

橫移功能由橫移油缸與頂升、橫移基座實現(xiàn)，橫移油缸提供驅(qū)動力，頂升、橫移基座可相對支撐體系左右滑動，進而帶動頂升結(jié)構(gòu)、模板支架整體橫向移動。

3.4.3 直墻模板擴展

直墻模板采用液壓驅(qū)動到位后，使用螺旋絲杠鎖緊，具體結(jié)構(gòu)見圖7。由于模板系統(tǒng)跨度、自重均較大，需在多處設(shè)置模板頂升、橫移系統(tǒng)，前、后2排，共24套，均勻分攤模板豎向載荷。直墻模板擴展前、后2排，共4套，承載邊墻段部分載荷。模板液壓系統(tǒng)采用同步控制技術(shù)以保證驅(qū)動模板時的動作協(xié)調(diào)性。

3.5 混凝土澆筑系統(tǒng)設(shè)計

地下洞庫被覆拱部混凝土澆筑按照左右對稱、自下向上、分層澆筑的工藝原則，連續(xù)澆筑、一次成型。被覆跨度大、坡度小、輸送距離長，單循環(huán)澆筑量極大，適合采用封閉管路泵送混凝土，確?；炷寥肽Ｙ|(zhì)量。為提高工效，兩側(cè)可分別設(shè)置一套獨立的澆筑管路，同時澆筑混凝土，并嚴格控制澆筑速度和兩側(cè)混凝土的高度差?；炷翝仓到y(tǒng)見圖10。

圖10 混凝土澆筑系統(tǒng)

混凝土澆筑采用自動旋轉(zhuǎn)對接澆筑系統(tǒng)，可實現(xiàn)混凝土管路快捷變換，其結(jié)構(gòu)主要包括主管路、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、伸縮機構(gòu)和分管路。主管路前端接泵車，后端接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；多套分管路以旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的圓心為中心，呈環(huán)形布置，其前端用于對接伸縮機構(gòu)，后端放置于各個工作窗內(nèi)或接通拱部澆筑孔。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)接通主管路，以液壓馬達驅(qū)動，可回轉(zhuǎn)。伸縮機構(gòu)布置在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的末端，以液壓油缸驅(qū)動，可伸縮、對接分管路，管路接口處使用管箍鎖緊。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與伸縮機構(gòu)配套使用，可實現(xiàn)主管路與分管路逐次對接，自動旋轉(zhuǎn)對接原理見圖11。

圖11 自動旋轉(zhuǎn)對接原理圖

被覆混凝土厚度較大，多層鋼筋網(wǎng)較為密集，拱頂近似水平段從底部泵入混凝土時難以完全填充模板艙，為此需將管路插入模板艙內(nèi)。泵送管路向上穿過模板、鋼筋網(wǎng)，頂部出口距離初期支護20 cm?；炷帘盟凸芸v向布置3排、每排設(shè)置5個，縱向間距3 m，橫向間距5 m，靠近已澆筑段混凝土的間距為0.75～1.00 m，布置方式見圖12和圖13。

圖12 拱頂混凝土泵送管側(cè)向視圖

圖13 拱頂混凝土泵送管端部視圖

模板定位后布置混凝土泵送管路，上穿沿途干涉鋼筋網(wǎng)需切斷處置。脫模時，在模板處切斷混凝土泵送管，模板外側(cè)管路滯留在混凝土內(nèi)。

3.6 振搗系統(tǒng)設(shè)計

被覆混凝土厚度較大，外部附著式振搗器無法有效完成混凝土振搗施工。為滿足現(xiàn)澆混凝土密實度要求，拱墻混凝土采用高頻插入式振搗器搗固，具體施工時采用直插或斜插方式。插入式振搗器采用輕量化設(shè)計，便于人工手持振搗棒穿過鋼筋網(wǎng)間隙，振搗時不接觸鋼筋網(wǎng)。振搗棒采用低壓變頻驅(qū)動，接通電源即可啟動振搗。振搗時間可預先設(shè)置，防止混凝土過度振搗而發(fā)生離析。針對本項目設(shè)計的插入式振搗器參數(shù)見表3。

表3 插入式振搗棒設(shè)計參數(shù)

3.7 行走系統(tǒng)設(shè)計

被覆混凝土結(jié)構(gòu)分段逐次澆筑，施工裝備應具備自行走功能。本裝備自重較大，采用軌行式結(jié)構(gòu)，設(shè)置在支撐體系底部的一體式鋼結(jié)構(gòu)上。每套設(shè)備配置2個行走輪。行走機構(gòu)以電機減速機驅(qū)動，鏈條式傳動，可適應重載、粉塵等不良環(huán)境。

行走系統(tǒng)以12根重型鋼軌為軌道，左右兩側(cè)對稱布置，每根軌道前后分別布置1套行走機構(gòu)，均配置電機減速機驅(qū)動，共24套行走機構(gòu)。行走機構(gòu)采用多電機速度偏差耦合同步控制，嚴格控制各個行走機構(gòu)的移動速度，保證支撐系統(tǒng)底部的一體式鋼結(jié)構(gòu)整體沿軌道直線行走，從而承載整個支撐體系移動，防止架體失穩(wěn)。軌行式行走機構(gòu)如圖14所示。

圖14 軌行式行走機構(gòu)

4 被覆施工工藝

4.1 工藝流程

鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化裝備可實現(xiàn)一次定位，同步完成相鄰2個循環(huán)的鋼筋綁扎和混凝土澆筑，工藝流程見圖15。

圖15 鋼筋綁扎與混凝土澆筑一體化裝備工藝流程圖

4.2 鋼筋綁扎

鋼筋綁扎以鋼筋綁扎平臺為主要施工裝備，主要有鋼筋吊裝、定位、錨固、綁扎等工序，所完成的鋼筋網(wǎng)應滿足布筋準確、綁扎牢固，不因混凝土澆筑、振搗而引起變形。具體方法如下：

1)使用鋼筋吊具將所用鋼筋分批吊裝至鋼筋綁扎平臺上，并將表面處理干凈，按照配筋設(shè)計搭配不同長度、數(shù)量、直徑的鋼筋，以備取用；

2)將縱向鋼筋放入縱向鋼筋定位卡具的“U”型槽內(nèi)，環(huán)向鋼筋從最后端開始布置在環(huán)向鋼筋定位卡具的“L”型卡槽內(nèi)，并將頂層的鋼筋與錨桿連接，徑向連接筋布置在縱向鋼筋與環(huán)向鋼筋的交點處，完成首個環(huán)向單片網(wǎng)。左、右兩側(cè)可同步布置縱向鋼筋與環(huán)向鋼筋，并將接茬處連接牢固；

3)首個環(huán)向鋼筋單片網(wǎng)完成后，將環(huán)向鋼筋定位卡具向前端移動一個環(huán)向鋼筋間距，隨后再次布置環(huán)向鋼筋、徑向連接筋，并連接牢固，完成第2個環(huán)向鋼筋單片網(wǎng)。隨后使用縱向連接筋，將首片和第2片鋼筋單片網(wǎng)綁扎為整體；

4)重復第2個鋼筋單片網(wǎng)和縱向連接筋綁扎流程，直至所有鋼筋單片網(wǎng)綁扎完成，鋼筋立體網(wǎng)已基本完成。

4.3 混凝土澆筑

被覆混凝土采用自動旋轉(zhuǎn)對接裝置泵送入模。為避免產(chǎn)生施工縫，采用6輛混凝土攪拌車、2臺拖泵從左、右兩側(cè)同時施工，采用先墻后拱的順序，自下而上、分層、對稱澆筑，兩側(cè)高度差不超過30 cm，分層高度30 cm，澆筑速度控制在0.75 m/h以內(nèi)，拱頂澆筑時可適當提高速度。

拱頂近水平段采用先快后慢的澆筑方式，混凝土的澆筑總時長等分成3段，混凝土泵送速度每次降低20%，橫向由邊緣向中間對稱澆筑，縱向由內(nèi)向外依次澆筑，可最大限度緩解水化熱的不利影響。

封頂階段采用帶壓灌注，在泵送壓力作用下，混凝土先填充縱向內(nèi)側(cè)，然后向外側(cè)涌動。根據(jù)拱頂空洞檢測結(jié)果，填充密實后逐次使用中部、端部泵送管路輸送混凝土，直至完成封頂。為便于封頂混凝土澆筑并提高施工質(zhì)量，封頂階段應慢速灌注，并使封頂區(qū)域盡可能小。

4.4 混凝土振搗

混凝土入模后應及時振搗均勻、密實。插入式振搗器通過模板作業(yè)窗直插或斜插入現(xiàn)澆混凝土，一般情況下應連續(xù)振搗25～30 s，每次振動時間不宜少于10 s，不得超過60 s。插入式振搗器應按照“快插慢拔”的原則，逐層逐窗振搗，各振搗點間距不宜超過1.5倍振搗半徑，防止漏振。當模板內(nèi)的混凝土不再下陷、不再出現(xiàn)氣泡、泛漿流動或成水平狀時即可停止振搗。

采用二次振搗技術(shù)，對失去坍落度但仍處于塑性狀態(tài)的混凝土進行二次振搗，提高混凝土的強度、密實度和抗?jié)B性能，降低混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的風險。初凝后的混凝土不得再次振搗。混凝土振搗時應加強質(zhì)量檢查，產(chǎn)生偏差時應及時調(diào)整工藝參數(shù)，確保混凝土振搗效果。被覆拱頂近水平段采用自密實混凝土澆筑，無需振搗。

4.5 拱頂混凝土脫空檢測

拱頂混凝土灌注不飽滿或者不密實的情況下，被覆混凝土背后容易產(chǎn)生空洞，從而對整個被覆結(jié)構(gòu)的耐久性造成不利影響。拱頂混凝土灌注期間采用分布式觸壓傳感器檢測拱部混凝土壓力狀態(tài)，判斷是否存在脫空，并作為拱部混凝土封頂終止的判據(jù)。

分布式觸壓傳感器縱向密貼于拱頂初期支護表面，帶狀結(jié)構(gòu)上設(shè)置有多個檢測單元，對應顯示終端多個指示燈。當檢測單元采集到混凝土壓力時，對應的指示燈亮起，表示檢測位置的混凝土為“密實”狀態(tài)。借助拱頂混凝土脫空檢測，實現(xiàn)拱頂混凝土封頂全過程信息化檢測，可避免僅憑經(jīng)驗或目測判斷封頂結(jié)束時機而導致的拱頂混凝土脫空。拱頂混凝土脫空檢測原理見圖16。

圖16 拱頂混凝土脫空檢測原理圖

5 工程應用

5.1 應用情況

被覆施工一體化裝備已完成被覆混凝土施工，累計施工5個月，完成混凝土澆筑20余組。所用貝雷架運輸方便，可實現(xiàn)洞內(nèi)快速組裝，形成穩(wěn)固的支撐體系。通過整合鋼筋綁扎與混凝土澆筑裝備，使一體化貝雷架支撐體系縱向長度達到30 m，提高了其結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，在千噸級現(xiàn)澆混凝土的巨大載荷下，保證了立模精度和施工安全。頂部分設(shè)鋼筋綁扎與混凝土澆筑工區(qū)，通過優(yōu)化施工組織，可實現(xiàn)工序協(xié)調(diào)并進，充分調(diào)用人工，實現(xiàn)人工、設(shè)備最優(yōu)配置，從而提高勞動生產(chǎn)率。

鋼筋綁扎臺架、鋼筋吊具、鋼筋綁扎定位卡具等工裝有利于提高多層鋼筋網(wǎng)綁扎效率。整體式鋼模板及其液壓驅(qū)動系統(tǒng)滿足了超大跨度條件下立模、脫模施工需求。自動旋轉(zhuǎn)對接灌注系統(tǒng)實現(xiàn)了高質(zhì)量混凝土快速入模，同時降低了狹小空間內(nèi)頻繁換管的難度。自主行走系統(tǒng)解決了超大型被覆施工裝備縱向移動的難題。拱頂混凝土脫空監(jiān)測裝置可實時反映混凝土飽滿狀態(tài)，可為封頂施工提供信息參考，避免盲目施工。脫模后混凝土表面光滑，未見蜂窩、麻面、錯臺等質(zhì)量缺陷，襯砌強度、密實度、背后脫空率等均滿足襯砌施工質(zhì)量驗收規(guī)范。

被覆施工一體化裝備主要工序作業(yè)時間見表4，除混凝土硬化要求的時間較長外，表中各工序均滿足施工進度要求。此外，組織施工時可充分利用混凝土硬化時間，提高綜合施工效益。

表4 主要工序作業(yè)時間

5.2 配套要求

本設(shè)備所需施工人員和配套設(shè)備均為常見配置，見表5和表6。

表5 襯砌施工勞動力配置

表6 襯砌施工主要設(shè)備配置

5.3 存在的不足

本裝備跨度大、載荷大，應用中軌道鋪設(shè)精度和人工協(xié)作是主要問題。行走機構(gòu)采用速度同步控制，軌道鋪設(shè)精度較差時，行走輪容易發(fā)生偏載，導致局部載荷過重，無法順利行走。同時在行走過程中，應時刻關(guān)注行走的直線度，出現(xiàn)偏差時應及時調(diào)整驅(qū)動速度。

6 結(jié)論與討論

巨跨地下洞室被覆施工是地下工程裝備技術(shù)面臨的行業(yè)難題，采用安全、可靠、高效的施工裝備，是保證襯砌施工質(zhì)量，提高施工效率的必備條件。以高強度模塊化貝雷架組建支撐體系，借鑒全液壓鋼模板襯砌施工技術(shù)，研制了集鋼筋綁扎與混凝土澆筑功能于一體的巨跨被覆施工裝備，取得的主要結(jié)論如下：

1)以貝雷架為基本構(gòu)件的支撐體系通用性強，結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，便于運輸，適用于洞內(nèi)快速組裝巨跨被覆施工裝備，可承受巨跨被覆混凝土載荷。

2)采用鋼筋綁扎與混凝土澆筑裝備一體化形式，可顯著增加縱向尺寸，對于提高巨跨被覆施工裝備的穩(wěn)定性效果顯著，可滿足降低施工風險的需求。

3)巨跨被覆施工裝備一體化技術(shù)實現(xiàn)了鋼筋綁扎和混凝土澆筑一體化施工，能夠?qū)崿F(xiàn)多工序協(xié)同并進，配置多種自動化、信息化工裝可簡化設(shè)備操作難度，降低人工勞動強度，從而提高施工效率，確保按期完成巨跨被覆施工。

巨跨地下洞庫被覆施工一體化裝備為巨跨被覆施工提供了全套裝備、工藝解決方案，但在施工中需要投入較多的施工人員和設(shè)備，施工組織難度大、風險管控壓力大。下一步可研究采用自動化、信息化施工技術(shù)，提高施工裝備的自動化程度，實現(xiàn)少人化施工。