1 引 言

單洞雙線(xiàn)隧道既可節(jié)約地下空間，又能提高施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本，使得越來(lái)越多的盾構(gòu)隧道開(kāi)始采用單洞雙線(xiàn)布置形式。荷蘭綠色心臟高速鐵路隧道、西班牙巴塞羅那地鐵9號(hào)線(xiàn)等工程是國(guó)外早期探索該類(lèi)隧道布置形式的工程案例，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也對(duì)單洞雙線(xiàn)盾構(gòu)隧道布置形式進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

中隔墻是單洞雙線(xiàn)隧道必不可少的構(gòu)件，是單 洞雙線(xiàn)隧道布置形式的載體。按照施工方式，中隔 墻可分為現(xiàn)澆中隔墻、部分預(yù)制部分現(xiàn)澆中隔墻和 全預(yù)制中隔墻等類(lèi)型。廣州地鐵4號(hào)線(xiàn)南延段、青 島地鐵11號(hào)線(xiàn)嶗山隧道等工程采用了現(xiàn)澆中隔墻 的施工方式，在隧道貫通后利用專(zhuān)用施工臺(tái)車(chē)進(jìn)行 中隔墻現(xiàn)澆施工。上海軌道交通16號(hào)線(xiàn)、11號(hào) 線(xiàn)采用了部分現(xiàn)澆部分預(yù)制中隔墻的施工方式， 采用頂升臺(tái)車(chē)對(duì)預(yù)制的中隔墻進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、頂升。上 海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)采用了全預(yù)制中隔墻的施工方式。

針對(duì)單洞雙線(xiàn)隧道預(yù)制中隔墻拼裝施工存在施 工干擾大、施工工序復(fù)雜、施工質(zhì)量難以保障等問(wèn) 題，研發(fā)高效、快速、智能化的中隔墻拼裝設(shè)備具有十分重要的意義。相關(guān)學(xué)者對(duì)大體積預(yù)制中隔 墻翻轉(zhuǎn)及拼裝設(shè)備進(jìn)行了研究，闡述了設(shè)備的功能 及施工效果?，F(xiàn)有的現(xiàn)澆中隔墻臺(tái)車(chē)主要起支護(hù)中 隔墻模板及泵送混凝土的功能，其功能較為單一且 臺(tái)車(chē)體量較大，不適用于預(yù)制中隔墻的施工。部分 現(xiàn)澆部分預(yù)制中隔墻臺(tái)車(chē)由于僅對(duì)中隔墻預(yù)制部分 進(jìn)行施工，設(shè)備的翻轉(zhuǎn)、頂升能力不足以完成大長(zhǎng) 細(xì)比全預(yù)制中隔墻的施工?，F(xiàn)有的預(yù)制中隔墻施工 設(shè)備均布設(shè)于隧道一側(cè)，需待下部弧形件現(xiàn)澆部分 完全達(dá)到強(qiáng)度后才可進(jìn)行中隔墻施工。鑒于此，本 文以上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)盾構(gòu)隧道工程為背景，闡述了 大長(zhǎng)細(xì)比預(yù)制中隔墻構(gòu)件類(lèi)型、尺寸和連接方式，根 據(jù)中隔墻構(gòu)造特點(diǎn)分析了中隔墻拼裝設(shè)備的研發(fā)思 路、功能需求、設(shè)備組成和工作原理，并對(duì)中隔墻姿 態(tài)控制要求進(jìn)行了分析，最后將研發(fā)的中隔墻設(shè)備 應(yīng)用于施工實(shí)踐，總結(jié)出了預(yù)制中隔墻施工方法。

2 預(yù)制中隔墻構(gòu)造

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的預(yù)制中隔墻采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)塊，單塊中隔墻高約9.14m，厚0.4m，寬1.99 m，重約21.65 t。各類(lèi)型中隔墻如圖1所示。

圖1 四類(lèi)預(yù)制中隔墻（單位：mm）

預(yù)制中隔墻混凝土等級(jí)為C40，內(nèi)部鋼筋為HPB300和HRB400E。中隔墻底部與弧形件之間設(shè)有30mm間隙，用于消弭二者間的安裝偏差?；⌒渭c中隔墻采用2排M36、機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)的普通螺栓進(jìn)行連接，每排5根，總計(jì)10根。拼裝完成后利用自密實(shí)高強(qiáng)水泥基灌漿料填充螺栓孔及中隔墻與弧形件間隙，保證中隔墻密閉性。中隔墻底部構(gòu)造及其與弧形件連接如圖2所示。

圖2 中隔墻底部構(gòu)造及其與弧形件連接示意

相鄰中隔墻間設(shè)置三元乙丙阻燃密封墊，并用5根通長(zhǎng)M30螺栓進(jìn)行連接，螺栓安裝完成后用聚合物水泥砂漿封堵螺栓孔。此外相鄰中隔墻間間隙用密封膠封堵以防止漏風(fēng)。中隔墻間連接如圖3所示。

圖3 中隔墻間連接示意（單位：mm）

3 中隔墻拼裝設(shè)備研發(fā)

3.1 構(gòu)件自由度方向

忽略預(yù)制中隔墻在施工過(guò)程中發(fā)生的輕微變形，將其視為剛體。大長(zhǎng)細(xì)比預(yù)制中隔墻在施工過(guò)程中在空間上擁有6個(gè)自由度，包括3個(gè)平動(dòng)方向自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向自由度，規(guī)定各方向自由度和名稱(chēng)如圖4所示。

圖4 中隔墻各自由度方向和名稱(chēng)

3.2 功能需求

預(yù)制中隔墻為大長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)件，所研發(fā)的拼裝設(shè)備應(yīng)為大體積設(shè)備，且應(yīng)具備提升、翻轉(zhuǎn)和調(diào)整中隔墻能力，以完成中隔墻在各自由度上的拼裝和調(diào)整。因此，拼裝設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）沿隧道縱向（Z向）的運(yùn)動(dòng)；（2）沿Y軸（β向）的翻轉(zhuǎn)；（3）沿垂直方向（X向）的提升、下放；（4）沿水平方向（Y向）的微調(diào)；（5）在其余兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向（α和γ向）的微調(diào)。

3.3 設(shè)備組成與工作原理

依據(jù)中隔墻底部尺寸，在弧形件頂部上面中隔墻擬安裝位置兩側(cè)鋪設(shè)導(dǎo)軌以完成拼裝設(shè)備Z向的行進(jìn)，基于導(dǎo)軌需研發(fā)配套的行走機(jī)構(gòu)和行走設(shè)備，包括行走輪箱和夾軌器。

考慮中隔墻構(gòu)造及隧道內(nèi)部空間，中隔墻施工將先沿平行于Z向的隧道軸線(xiàn)進(jìn)場(chǎng)，隨后沿β向進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。在中隔墻重心附近開(kāi)洞作為插銷(xiāo)孔，用于中隔墻的抓取、翻轉(zhuǎn)和調(diào)整。因此需研制高強(qiáng)度、高剛度、連接牢靠的大型車(chē)架，并在車(chē)架頂部?jī)蓚?cè)配備兼具導(dǎo)向作用的側(cè)向支撐，用以防止施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的失穩(wěn)、傾覆現(xiàn)象。中隔墻拼裝設(shè)備車(chē)架及組成如圖5所示。

圖5 中隔墻拼裝設(shè)備車(chē)架及組成示意

完成拼裝設(shè)備車(chē)架研發(fā)后，需對(duì)設(shè)備的抓取系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化。在車(chē)架兩側(cè)中部設(shè)置輔助車(chē)架，其是實(shí)現(xiàn)中隔墻抓取、翻轉(zhuǎn)和精調(diào)的核心部件。通過(guò)下部行走架與中隔墻拼裝設(shè)備車(chē)架連接，以同樣實(shí)現(xiàn)沿Z向移動(dòng)的功能。輔助車(chē)架設(shè)置有提升架、弓形梁、伸縮架、中隔墻抓取機(jī)構(gòu)等構(gòu)件。中隔墻抓取機(jī)構(gòu)包括插銷(xiāo)、控制中隔墻各自由度的油缸、端面限位、旋轉(zhuǎn)限位等裝置。輔助車(chē)架示意如圖6所示。

圖6 輔助車(chē)架及組成示意

輔助車(chē)架可在中隔墻拼裝設(shè)備車(chē)架鎖定后繼續(xù)在Z向移動(dòng)，以滿(mǎn)足中隔墻在不同距離下的精調(diào)。提升架可對(duì)中隔墻進(jìn)行垂直方向即X向的提升和下放。輔助車(chē)架中間設(shè)置有弓形梁，其是完成中隔墻抓取的主要構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)繞Y向翻轉(zhuǎn)。弓形梁中間配備有插銷(xiāo)、插銷(xiāo)油缸、端面限位和旋轉(zhuǎn)限位裝置，利用插銷(xiāo)油缸可推動(dòng)插銷(xiāo)穿過(guò)中隔墻上的預(yù)留插銷(xiāo)孔，使得設(shè)備完成中隔墻的提升、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作。插銷(xiāo)上下兩側(cè)設(shè)置有端面限位裝置，并配備有端面壓緊油缸，在插銷(xiāo)固定后可對(duì)中隔墻寬度方向進(jìn)行固定并對(duì)中隔墻進(jìn)行Y方向的微調(diào)。旋轉(zhuǎn)限位裝置分別位于弓形梁橫梁的上下兩側(cè)，可防止中隔墻沿β向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。翻轉(zhuǎn)油缸位于弓形梁一側(cè)，與中隔墻車(chē)架相連，帶動(dòng)弓形梁繞Y軸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使中隔墻沿β方向翻轉(zhuǎn)。弓形梁還配置有平移油缸、鉸接油缸、徑向油缸、軸向壓緊油缸和微調(diào)軸承，通過(guò)上述各油缸的控制與配合可實(shí)現(xiàn)中隔墻在其余兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向即α和γ方向上的運(yùn)動(dòng)。抓取機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7 抓取機(jī)構(gòu)組成示意

3.4 施工測(cè)量系統(tǒng)

通過(guò)激光測(cè)距儀與相機(jī)檢測(cè)控制中隔墻施工過(guò)程中的姿態(tài)、頂部與管片間及底部與弧形件間隙。中隔墻控制系統(tǒng)放置于中隔墻拼裝設(shè)備車(chē)架下方，并可將測(cè)量信息集成于中隔墻控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)用于操作車(chē)架各部件及油缸的行程。此外，中隔墻拼裝設(shè)備車(chē)架下方還配置有可旋轉(zhuǎn)的觀察平臺(tái)，以觀察中隔墻施工過(guò)程中插銷(xiāo)油缸的姿態(tài)。操作系統(tǒng)和觀察平臺(tái)如圖8和圖9所示。

圖8 中隔墻操作系統(tǒng)

圖9 觀察平臺(tái)

激光測(cè)距儀及相機(jī)布置在中隔墻拼裝設(shè)備車(chē)架頂部及輔助車(chē)架上，激光測(cè)距儀主要監(jiān)測(cè)中隔墻翻轉(zhuǎn)過(guò)程中中隔墻頂部與上部管片間隙，相機(jī)主要用于識(shí)別中隔墻的姿態(tài)。激光測(cè)距儀及相機(jī)布置如圖10所示。

圖10 激光測(cè)距儀及相機(jī)布置

4 中隔墻姿態(tài)控制

由于中隔墻放置于弧形件上，因此中隔墻姿態(tài)主要受下部弧形件姿態(tài)控制。因中隔墻底部與弧形件留有間隙，設(shè)備精調(diào)完成后需在中隔墻底部填塞鋼墊板以滿(mǎn)足姿態(tài)要求，鋼墊片厚度有1mm、3mm和5mm，組合后可滿(mǎn)足不同間隙要求。依據(jù)下部弧形件姿態(tài)制定中隔墻姿態(tài)控制指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 預(yù)制中隔墻施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

利用測(cè)量棱鏡、全站儀對(duì)中隔墻姿態(tài)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，棱鏡桿分別插入中隔墻底部?jī)蓚?cè)的螺栓孔中，使其呈矩形布置（圖11）。在中隔墻的拼裝過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量棱鏡的坐標(biāo)，可換算出中隔墻實(shí)際前后端中心坐標(biāo)，再與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)及實(shí)際軸線(xiàn)比較，可得到中隔墻軸線(xiàn)與上述二者間的水平、垂直偏差以及姿態(tài)信息。將上述信息輸入中隔墻控制系統(tǒng)，可得到中隔墻精調(diào)的目標(biāo)參數(shù)。

圖11 棱鏡安裝點(diǎn)位

此外，需考慮極限工況（轉(zhuǎn)彎半徑R=500m）下中隔墻的姿態(tài)，其分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 極限工況下中隔墻姿態(tài)分析

經(jīng)計(jì)算可得中隔墻側(cè)面鉛錘度≤10mm，填充間隙為20～30mm，傾角β≤0.06°。在傾角β≤0.06°的限制條件下，可計(jì)算得到仰角α和轉(zhuǎn)角γ均在0.15°范圍內(nèi)。

5 中隔墻拼裝施工

采用研發(fā)的中隔墻拼裝設(shè)備，進(jìn)行上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)盾構(gòu)隧道中隔墻的拼裝施工。

5.1 施工方法

預(yù)制中隔墻拼裝施工流程如圖13所示，具體施工流程如下所述：

圖13 中隔墻拼裝施工流程

（1）起吊并利用中隔墻運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸中隔墻構(gòu)件進(jìn)入設(shè)備和相機(jī)測(cè)量范圍內(nèi)（圖14）；

圖14 中隔墻運(yùn)輸就位

（2）相機(jī)檢測(cè)出中隔墻預(yù)留插銷(xiāo)孔，由控制系統(tǒng)控制輔助車(chē)架的行走架、提升油缸行程，引導(dǎo)弓形梁中的插銷(xiāo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)中隔墻預(yù)留插銷(xiāo)孔；

（3）插銷(xiāo)油缸推動(dòng)插銷(xiāo)穿過(guò)中隔墻插銷(xiāo)孔，到位后鎖定插銷(xiāo)（圖15）；

圖15 中隔墻抓取機(jī)構(gòu)就位

（4）弓形梁中的端面限位油缸和旋轉(zhuǎn)油缸依次伸出并固定，完成對(duì)中隔墻寬度和厚度方向的限制（圖16）；

圖16 端面壓緊和旋轉(zhuǎn)壓緊

（5）提升油缸將中隔墻抬升，中隔墻運(yùn)輸車(chē)退場(chǎng)（圖17）；

圖17 運(yùn)輸車(chē)退場(chǎng)

（6）利用線(xiàn)激光傳感器檢測(cè)中隔墻頂部間隙，若翻轉(zhuǎn)間隙滿(mǎn)足要求，控制系統(tǒng)引導(dǎo)提升油缸提升，待中隔墻達(dá)到一定高度后操作翻轉(zhuǎn)油缸對(duì)抓取機(jī)構(gòu)和中隔墻一同進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)；若翻轉(zhuǎn)間隙不滿(mǎn)足翻轉(zhuǎn)要求操作系統(tǒng)將給出警報(bào)信號(hào)（圖18）；

圖18 中隔墻翻轉(zhuǎn)

（7）中隔墻拼裝車(chē)整體后退至已拼裝中隔墻位置時(shí)，停止整機(jī)后退（圖19）；

圖19 拼裝車(chē)設(shè)備后退

（8）基于測(cè)量棱鏡坐標(biāo)得到的中隔墻姿態(tài)信息及其與設(shè)計(jì)、施工軸線(xiàn)偏差，引導(dǎo)抓取設(shè)備對(duì)中隔墻姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。依次利用翻轉(zhuǎn)油缸、平移油缸、鉸接油缸、徑向油缸、軸向壓緊油缸和微調(diào)軸承分別對(duì)中隔墻β、a、γ 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向自由度進(jìn)行精調(diào)，調(diào)整完成后分別利用提升油缸、端面壓緊油缸和行走架對(duì)中隔墻X、Y、Z3個(gè)平動(dòng)方向自由度進(jìn)行精調(diào)，使待拼中隔墻與已拼裝中隔墻和箱涵對(duì)正（圖20）；

圖20 中隔墻精調(diào)示意

（9）利用墊片填塞中隔墻底部間隙，插入中隔墻與弧形件連接螺栓并擰緊。完成后利用螺栓安裝平臺(tái)完成相鄰中隔墻連接螺栓安裝；

（10）中隔墻抓取機(jī)構(gòu)各油缸復(fù)位，使拼裝設(shè)備與中隔墻分離，行進(jìn)至下一環(huán)中隔墻進(jìn)場(chǎng)位置，循環(huán)上述步驟進(jìn)行下一塊中隔墻拼裝施工。

5.2 施工效果

施工完成后對(duì)中隔墻施工精度進(jìn)行檢測(cè)，以第311~315環(huán)為例，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。結(jié)果表明，中隔墻施工過(guò)程中可較好克服和適配下部弧形件的施工誤差，其施工精度遠(yuǎn)小于規(guī)定要求，施工質(zhì)量?jī)?yōu)異（圖21）。

表2 中隔墻檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖21 中隔墻施工效果

6 結(jié) 論

本文對(duì)上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)大長(zhǎng)細(xì)比預(yù)制中隔墻智能拼裝設(shè)備進(jìn)行了研究，針對(duì)中隔墻構(gòu)造特點(diǎn)，研發(fā)了智能拼裝設(shè)備，闡述了設(shè)備開(kāi)發(fā)思路及設(shè)備構(gòu)成，形成了相關(guān)施工方法，并進(jìn)行了施工實(shí)踐，得到了如下結(jié)論：

（1）基于預(yù)制中隔墻構(gòu)造特點(diǎn)研發(fā)了中隔墻拼裝設(shè)備，具備抓取、翻轉(zhuǎn)和精調(diào)中隔墻的能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)中隔墻各自由度的控制及調(diào)整；

（2）分析了中隔墻在極限狀態(tài)下的姿態(tài)，結(jié)果表明設(shè)備可滿(mǎn)足中隔墻在極限狀態(tài)下的要求。同時(shí)利用所研發(fā)的中隔墻拼裝設(shè)備，形成了中隔墻施工方法；

（3）利用研發(fā)的設(shè)備及施工方法進(jìn)行了中隔墻施工實(shí)踐，結(jié)果表明中隔墻施工過(guò)程中可有效克服施工誤差，施工完成后中隔墻精度高，中隔墻施工效果良好，可為后續(xù)類(lèi)似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

摘自《現(xiàn)代隧道技術(shù)》