1 引 言
单洞双线隧道既可节约地下空间，又能提高施工进度，节约施工成本，使得越来越多的盾构隧道开始采用单洞双线布置形式。荷兰绿色心脏高速铁路隧道、西班牙巴塞罗那地铁9号线等工程是国外早期探索该类隧道布置形式的工程案例，近年来国内也对单洞双线盾构隧道布置形式进行了探索与实践。
中隔墙是单洞双线隧道必不可少的构件，是单 洞双线隧道布置形式的载体。按照施工方式，中隔 墙可分为现浇中隔墙、部分预制部分现浇中隔墙和 全预制中隔墙等类型。广州地铁4号线南延段、青 岛地铁11号线崂山隧道等工程采用了现浇中隔墙 的施工方式，在隧道贯通后利用专用施工台车进行 中隔墙现浇施工。上海轨道交通16号线、11号 线采用了部分现浇部分预制中隔墙的施工方式， 采用顶升台车对预制的中隔墙进行翻转、顶升。上 海机场联络线采用了全预制中隔墙的施工方式。
针对单洞双线隧道预制中隔墙拼装施工存在施 工干扰大、施工工序复杂、施工质量难以保障等问 题，研发高效、快速、智能化的中隔墙拼装设备具有十分重要的意义。相关学者对大体积预制中隔 墙翻转及拼装设备进行了研究，阐述了设备的功能 及施工效果。现有的现浇中隔墙台车主要起支护中 隔墙模板及泵送混凝土的功能，其功能较为单一且 台车体量较大，不适用于预制中隔墙的施工。部分 现浇部分预制中隔墙台车由于仅对中隔墙预制部分 进行施工，设备的翻转、顶升能力不足以完成大长 细比全预制中隔墙的施工。现有的预制中隔墙施工 设备均布设于隧道一侧，需待下部弧形件现浇部分 完全达到强度后才可进行中隔墙施工。鉴于此，本 文以上海机场联络线盾构隧道工程为背景，阐述了 大长细比预制中隔墙构件类型、尺寸和连接方式，根 据中隔墙构造特点分析了中隔墙拼装设备的研发思 路、功能需求、设备组成和工作原理，并对中隔墙姿 态控制要求进行了分析，最后将研发的中隔墙设备 应用于施工实践，总结出了预制中隔墙施工方法。
2 预制中隔墙构造
上海机场联络线的预制中隔墙采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种类型标准块，单块中隔墙高约9.14m，厚0.4m，宽1.99 m，重约21.65 t。各类型中隔墙如图1所示。
图1 四类预制中隔墙（单位：mm）
预制中隔墙混凝土等级为C40，内部钢筋为HPB300和HRB400E。中隔墙底部与弧形件之间设有30mm间隙，用于消弭二者间的安装偏差。弧形件与中隔墙采用2排M36、机械性能等级为8.8级的普通螺栓进行连接，每排5根，总计10根。拼装完成后利用自密实高强水泥基灌浆料填充螺栓孔及中隔墙与弧形件间隙，保证中隔墙密闭性。中隔墙底部构造及其与弧形件连接如图2所示。
图2 中隔墙底部构造及其与弧形件连接示意
相邻中隔墙间设置三元乙丙阻燃密封垫，并用5根通长M30螺栓进行连接，螺栓安装完成后用聚合物水泥砂浆封堵螺栓孔。此外相邻中隔墙间间隙用密封胶封堵以防止漏风。中隔墙间连接如图3所示。
图3 中隔墙间连接示意（单位：mm）
3 中隔墙拼装设备研发
3.1 构件自由度方向
忽略预制中隔墙在施工过程中发生的轻微变形，将其视为刚体。大长细比预制中隔墙在施工过程中在空间上拥有6个自由度，包括3个平动方向自由度和3个转动方向自由度，规定各方向自由度和名称如图4所示。
图4 中隔墙各自由度方向和名称
3.2 功能需求
预制中隔墙为大长细比构件，所研发的拼装设备应为大体积设备，且应具备提升、翻转和调整中隔墙能力，以完成中隔墙在各自由度上的拼装和调整。因此，拼装设备应实现如下功能：（1）沿隧道纵向（Z向）的运动；（2）沿Y轴（β向）的翻转；（3）沿垂直方向（X向）的提升、下放；（4）沿水平方向（Y向）的微调；（5）在其余两个转动方向（α和γ向）的微调。
3.3 设备组成与工作原理
依据中隔墙底部尺寸，在弧形件顶部上面中隔墙拟安装位置两侧铺设导轨以完成拼装设备Z向的行进，基于导轨需研发配套的行走机构和行走设备，包括行走轮箱和夹轨器。
考虑中隔墙构造及隧道内部空间，中隔墙施工将先沿平行于Z向的隧道轴线进场，随后沿β向进行翻转。在中隔墙重心附近开洞作为插销孔，用于中隔墙的抓取、翻转和调整。因此需研制高强度、高刚度、连接牢靠的大型车架，并在车架顶部两侧配备兼具导向作用的侧向支撑，用以防止施工过程中可能产生的失稳、倾覆现象。中隔墙拼装设备车架及组成如图5所示。
图5 中隔墙拼装设备车架及组成示意
完成拼装设备车架研发后，需对设备的抓取系统进行细化。在车架两侧中部设置辅助车架，其是实现中隔墙抓取、翻转和精调的核心部件。通过下部行走架与中隔墙拼装设备车架连接，以同样实现沿Z向移动的功能。辅助车架设置有提升架、弓形梁、伸缩架、中隔墙抓取机构等构件。中隔墙抓取机构包括插销、控制中隔墙各自由度的油缸、端面限位、旋转限位等装置。辅助车架示意如图6所示。
图6 辅助车架及组成示意
辅助车架可在中隔墙拼装设备车架锁定后继续在Z向移动，以满足中隔墙在不同距离下的精调。提升架可对中隔墙进行垂直方向即X向的提升和下放。辅助车架中间设置有弓形梁，其是完成中隔墙抓取的主要构件，可实现绕Y向翻转。弓形梁中间配备有插销、插销油缸、端面限位和旋转限位装置，利用插销油缸可推动插销穿过中隔墙上的预留插销孔，使得设备完成中隔墙的提升、翻转等动作。插销上下两侧设置有端面限位装置，并配备有端面压紧油缸，在插销固定后可对中隔墙宽度方向进行固定并对中隔墙进行Y方向的微调。旋转限位装置分别位于弓形梁横梁的上下两侧，可防止中隔墙沿β向转动时可能出现失稳的现象。翻转油缸位于弓形梁一侧，与中隔墙车架相连，带动弓形梁绕Y轴运动，进而使中隔墙沿β方向翻转。弓形梁还配置有平移油缸、铰接油缸、径向油缸、轴向压紧油缸和微调轴承，通过上述各油缸的控制与配合可实现中隔墙在其余两个转动方向即α和γ方向上的运动。抓取机构如图7所示。
图7 抓取机构组成示意
3.4 施工测量系统
通过激光测距仪与相机检测控制中隔墙施工过程中的姿态、顶部与管片间及底部与弧形件间隙。中隔墙控制系统放置于中隔墙拼装设备车架下方，并可将测量信息集成于中隔墙控制系统。控制系统用于操作车架各部件及油缸的行程。此外，中隔墙拼装设备车架下方还配置有可旋转的观察平台，以观察中隔墙施工过程中插销油缸的姿态。操作系统和观察平台如图8和图9所示。
图8 中隔墙操作系统
图9 观察平台
激光测距仪及相机布置在中隔墙拼装设备车架顶部及辅助车架上，激光测距仪主要监测中隔墙翻转过程中中隔墙顶部与上部管片间隙，相机主要用于识别中隔墙的姿态。激光测距仪及相机布置如图10所示。
图10 激光测距仪及相机布置
4 中隔墙姿态控制
由于中隔墙放置于弧形件上，因此中隔墙姿态主要受下部弧形件姿态控制。因中隔墙底部与弧形件留有间隙，设备精调完成后需在中隔墙底部填塞钢垫板以满足姿态要求，钢垫片厚度有1mm、3mm和5mm，组合后可满足不同间隙要求。依据下部弧形件姿态制定中隔墙姿态控制指标，见表1。
表1 预制中隔墙施工质量标准
利用测量棱镜、全站仪对中隔墙姿态坐标进行测量，棱镜杆分别插入中隔墙底部两侧的螺栓孔中，使其呈矩形布置（图11）。在中隔墙的拼装过程中，通过测量棱镜的坐标，可换算出中隔墙实际前后端中心坐标，再与设计轴线及实际轴线比较，可得到中隔墙轴线与上述二者间的水平、垂直偏差以及姿态信息。将上述信息输入中隔墙控制系统，可得到中隔墙精调的目标参数。
图11 棱镜安装点位
此外，需考虑极限工况（转弯半径R=500m）下中隔墙的姿态，其分析结果如图12所示。
图12 极限工况下中隔墙姿态分析
经计算可得中隔墙侧面铅锤度≤10mm，填充间隙为20～30mm，倾角β≤0.06°。在倾角β≤0.06°的限制条件下，可计算得到仰角α和转角γ均在0.15°范围内。
5 中隔墙拼装施工
采用研发的中隔墙拼装设备，进行上海机场联络线盾构隧道中隔墙的拼装施工。
5.1 施工方法
预制中隔墙拼装施工流程如图13所示，具体施工流程如下所述：
图13 中隔墙拼装施工流程
（1）起吊并利用中隔墙运输车运输中隔墙构件进入设备和相机测量范围内（图14）；
图14 中隔墙运输就位
（2）相机检测出中隔墙预留插销孔，由控制系统控制辅助车架的行走架、提升油缸行程，引导弓形梁中的插销系统对准中隔墙预留插销孔；
（3）插销油缸推动插销穿过中隔墙插销孔，到位后锁定插销（图15）；
图15 中隔墙抓取机构就位
（4）弓形梁中的端面限位油缸和旋转油缸依次伸出并固定，完成对中隔墙宽度和厚度方向的限制（图16）；
图16 端面压紧和旋转压紧
（5）提升油缸将中隔墙抬升，中隔墙运输车退场（图17）；
图17 运输车退场
（6）利用线激光传感器检测中隔墙顶部间隙，若翻转间隙满足要求，控制系统引导提升油缸提升，待中隔墙达到一定高度后操作翻转油缸对抓取机构和中隔墙一同进行90°翻转；若翻转间隙不满足翻转要求操作系统将给出警报信号（图18）；
图18 中隔墙翻转
（7）中隔墙拼装车整体后退至已拼装中隔墙位置时，停止整机后退（图19）；
图19 拼装车设备后退
（8）基于测量棱镜坐标得到的中隔墙姿态信息及其与设计、施工轴线偏差，引导抓取设备对中隔墙姿态进行调整。依次利用翻转油缸、平移油缸、铰接油缸、径向油缸、轴向压紧油缸和微调轴承分别对中隔墙β、a、γ 3个转动方向自由度进行精调，调整完成后分别利用提升油缸、端面压紧油缸和行走架对中隔墙X、Y、Z3个平动方向自由度进行精调，使待拼中隔墙与已拼装中隔墙和箱涵对正（图20）；
图20 中隔墙精调示意
（9）利用垫片填塞中隔墙底部间隙，插入中隔墙与弧形件连接螺栓并拧紧。完成后利用螺栓安装平台完成相邻中隔墙连接螺栓安装；
（10）中隔墙抓取机构各油缸复位，使拼装设备与中隔墙分离，行进至下一环中隔墙进场位置，循环上述步骤进行下一块中隔墙拼装施工。
5.2 施工效果
施工完成后对中隔墙施工精度进行检测，以第311~315环为例，检测数据见表2。结果表明，中隔墙施工过程中可较好克服和适配下部弧形件的施工误差，其施工精度远小于规定要求，施工质量优异（图21）。
表2 中隔墙检测数据
图21 中隔墙施工效果
6 结 论
本文对上海机场联络线大长细比预制中隔墙智能拼装设备进行了研究，针对中隔墙构造特点，研发了智能拼装设备，阐述了设备开发思路及设备构成，形成了相关施工方法，并进行了施工实践，得到了如下结论：
（1）基于预制中隔墙构造特点研发了中隔墙拼装设备，具备抓取、翻转和精调中隔墙的能力，可实现对中隔墙各自由度的控制及调整；
（2）分析了中隔墙在极限状态下的姿态，结果表明设备可满足中隔墙在极限状态下的要求。同时利用所研发的中隔墙拼装设备，形成了中隔墙施工方法；
（3）利用研发的设备及施工方法进行了中隔墙施工实践，结果表明中隔墙施工过程中可有效克服施工误差，施工完成后中隔墙精度高，中隔墙施工效果良好，可为后续类似工程提供借鉴经验。
摘自《现代隧道技术》