铁路、地铁隧道的二次衬砌施工是隧道施工的重要工序和环节, 隧道衬砌的施工水平直接影响着隧道的质量、施工速度、施工成本及运营期间的管理等。衬砌台车自20世纪80年代引入中国后, 有效降低了人工劳动强度, 提高了二衬施工的作业效率, 已经成为隧道二衬施工的主要方法^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]}。黄广锴为解决隧道区间砂卵石地层大断面隧道初期开挖及支护, 通过对双侧壁导坑法开挖的大断面隧道二衬施工方法和工艺进行详细研究, 研发设计了拱墙分离式简易台车, 有效提高了施工效率, 解决了眼镜法施工难题^[12]。薛江松等针对兰渝铁路单线隧道存在多断面情况, 结合工程现场施工组织情况, 设计出合理的二次衬砌用台车, 满足工地施工需要, 达到效益最大化^[13]。罗定伦等在石家庄-太原客运线太行山隧道施工中采用整体式衬砌台车, 并对台车使用过程中的技术难题进行解答^[14]。目前依托台车进行二次衬砌施工, 在涉及初衬拆除以及二衬钢筋绑扎过程中, 只能先进行临时支撑结构的拆除, 待拆除完毕后再进行隧道二衬的钢筋绑扎作业, 最后模板台车进行支模浇筑, 此过程中隧道将存在长时间临空, 尤其是在拆除临时支撑结构 (如中隔壁、临时仰拱) 时, 瞬间造成隧道初衬结构的应力重分布, 引起拱顶局部沉降变形较大, 最终造成地面沉降变形^[15]。

针对衬砌台车施工过程中存在的施工临空问题, 依托现有北京某线地铁施工项目, 结合现状台车施工的缺陷, 通过对原有传统衬砌台车的功能性改造, 研发了新一代穿行式数控衬砌台车, 利用穿行支架衔接支撑与模板系统, 确保隧道内拆撑前后均有支撑, 有效解决了拆撑施工的临空问题, 提高了施工过程的安全性, 控制施工引起的沉降变形。

与传统衬砌台车不同, 穿行式数控衬砌台车由台车支撑系统、穿行支架系统以及台车模板系统3部分组合构成, 通过铺设行车轨道进行行走;3部分系统均通过操控平台控制其行走停止、支撑开启以及模板角度调整等功能。如图1所示。

台车支撑系统为左右分体式, 利用液压驱动到达指定位置后通过在临时支撑结构破洞完成连接形成整体结构;在台车支撑系统的支护条件下, 进行隧道临时支撑结构的破除工作, 并利用传感器监测系统监测支撑杆件受力变化。如图2所示。

临时支撑结构拆除后穿行支架即进入隧道工作面, 并可在支撑系统与模板系统间穿行, 通过螺栓与其他系统进行连接固定形成整体;待支撑杆件受力变化稳定后, 台车支撑系统收回支撑杆件, 解体前行至下一工作面进行支撑。

台车模板系统采用整体式, 通过连接杆件和高强螺栓完成与穿行支架连接固定;模板系统可通过操作平台进行调整, 微调模板角度及距离, 控制二次衬砌保护层厚度, 端头进行人工封堵, 便于后期浇筑及养护。

穿行式数控衬砌台车二衬施工工序如图3所示。

为了验证穿行式数控衬砌台车与传统衬砌台车施工的优劣, 运用FLAC3D进行了2种方案的施工模拟。如图4所示。

1) 传统二衬施工临时中隔壁拆除 (隔一换一) →底板绑扎浇筑→临时结构拆除→二衬钢筋绑扎及模板台车定位→二衬浇筑养护。

2) 穿行式数控衬砌模板台车施工底板绑扎浇筑→支撑台车就位, 纵、横向支撑启动→临时结构一次性拆除→穿行支架定位支撑→二衬钢筋绑扎→模板台车定位于穿行支架合体→浇筑完成→穿行支架前行。

CRD隧道尺寸为9.5m×9.2m, 埋深15m。沿隧道两侧各向外扩展20m, 模型x向长约50m;隧道纵向 (y向) 长40m;沿隧道底部向下扩展15m, 模型z向深约40m, 基本可消除边界效应的影响。模型底部边界为固端约束, 限制x, y, z三向位移;左右边界为滑移边界, 限制x向位移;前后边界为滑移边界, 限制y向位移;上表面为自由边界。如表1所示。

采用穿行式数控衬砌台车施工, 首段拆撑6m后, 支撑台车与穿行支架共同受力, 支撑台车纵向杆件受力最大, 沿隧道开挖方向, 杆件受力较外侧明显增大, 最大值达到3.69MPa。

隧道仰拱完成后, 临时中隔壁受力范围1~2.25MPa, 临时仰拱受力0.25~1.25MPa, 拆撑后支撑台车的竖向支撑受力0.75~2.75MPa, 穿行支架支撑受力0.75~2.75MPa。如图5所示。

采用传统衬砌台车施工后拱顶的沉降变形随着拆撑的进行逐渐增大, 累计最大拱顶沉降达4.7mm;而采用数控衬砌台车, 拱顶沉降在2.5~2.8mm, 表明采用新式数控衬砌台车对拱顶沉降变形有一定的制约作用。如图6所示。

数控台车现场拼装检验后进入隧道内进行拼装, 按照穿行式数控衬砌台车的施工工艺进行施工作业。在进行支撑杆件支起、拆除临时支撑结构以及穿行支架与支撑系统分离等过程中, 均重点关注杆件的受力变化, 以便能够更加主动地掌握地层受力特点, 选择合适的拆撑时机。

因杆件支撑数据较多, 以竖向支撑杆件受力变化为例进行分析。拆撑前台车支撑系统杆件仅与初衬密贴, 杆件内力变化较小, 随着拆撑过程的持续, 隧道拱顶在自重下出现沉降变形, 而支撑杆件在拆撑过程中有效减缓沉降, 其内力变化逐渐增加, 表明在拆撑过程中, 各支撑杆件持续受力缓解拱顶变形, 随着拆撑结束完成, 其受力变化逐渐平稳。通过数控显示屏监测支撑杆件受力情况来看, 在拆撑后支撑杆件的受力出现了明显的增长过程, 随着拆撑的完成, 其受力情况逐渐趋于稳定。衬砌台车的支撑能够在拆撑过程中有效分担荷载, 约束隧道向临空内变形。如图7所示。

使用穿行式数控衬砌台车, 因其实现拆撑与浇筑同时进行的流水化施工, 不仅提高施工作业效率, 其机械化程度的提升也大大减少了人工成本的投入。使用穿行式数控衬砌台车, 虽然材料成本及加工费用为一次性投入, 但施工过程中有效加快了施工进度, 综合分析使用新台车后共节约成本费用24.85万元, 施工不仅满足甲方对工期节点的要求, 也能够有效控制施工安全风险。

新型穿行式数控衬砌台车的研发以及通过数值模拟与传统衬砌台车施工过程的简化模拟表明:穿行式数控衬砌台车的使用能够有效地减小地表沉降, 通过在实际工程中的使用, 利用操作数控平台可实时监控支撑杆件的受力变化, 并可根据杆件的受力变化趋势选择合适时机进行拆撑等工作。使用该数控台车施工技术, 不仅为项目创造了较高的经济效益, 也创造了良好的社会效益。

但是在使用过程中衬砌台车也存在一些缺陷需要进一步改进。目前台车结构设计自重及体积均较大, 虽可实现数控驱动行走但仍显笨重, 需进一步结合隧道受力变化进行台车设计实现轻量化简便模式;此外, 台车的支撑系统也需要进行优化, 考虑拆撑引起的拱顶变形, 虽有支撑系统, 但实质为点荷载, 需要考虑此过程中荷载的形势变化, 以便使支撑由点向线、面方式改进。