高频振捣系统在隧道二衬施工中的应用

摘 要 ：本文介绍了高频振捣器在隧道二衬混凝土施工中的应用效果及推广经验.

关 键 词 ：高频 振捣 隧道 二衬

高频振捣系统由高频振动电机和高频变频柜组成.高频振动器目前广泛应用于高速铁路的箱梁、T梁、轨道板,高速公路的T梁、箱梁、工字梁、空心板梁,水电大坝等大型水泥构建的预制和建设,从使用效果来看,高频振捣系统具有振频高、激振力大、辐射范围大、振幅小、工作效率高、寿命长等特点,可大大提高混凝土的密实度和表面光洁度.另外由于高频振动器振幅小,可减小钢模板形变,延长钢模板使用寿命.目前未见应用于隧道二衬混凝土振捣的先例,没有现成的经验可供借鉴,有必要将高频振动器引入隧道二衬施工领域,进行研究和试验.

1.兰新二线二衬砼施工现状及采取的对策

兰新铁路第二双线甘青段沿线地质条件复杂,气候环境恶劣,集高原、高寒、冻融、风蚀等自然灾害于一体,二衬混凝土施工质量是兰新铁路甘青段隧道施工控制的重大问题.目前全线二衬混凝土施工捣固方式基本采用插入式振捣棒结合普通附着式振动器的方式进行,而且由于现场工人对于附着式振动器时间不易控制,容易造成过振,出现“砂线”,很多时候附着式振捣器成为摆设.而完全依靠传统的插入式振捣棒振捣有以下弊端,二衬厚度较小,一般只有35cm～55cm厚,台车混凝土窗口间距较大,插入式振动棒无法全面覆盖,容易造成漏振；而且在有钢筋衬砌中捣固更是不易,即使捣固也是窗口左右50～80cm范围,两窗口间的混凝土捣固不到位.因此脱模后二衬表观质量较差,边墙容易出现蜂窝麻面、露骨的情况,拱顶则经常会出现脱空现象,混凝土强度及电通量难以达到设计要求.

针对兰新二线隧道二衬施工现状,业主单位曾召集国内知名专家进行专题研讨,会议一致认为混凝土浇筑过程振捣质量是影响混凝土强度的关键因素.振捣的目的是减少混凝土内部的孔隙,并使混凝土与钢筋及预埋件紧密结合,从而保证混凝土的最大密实度,提高混凝土质量.隧道二次衬砌混凝土质量的提高也应以振捣质量为主线,积极改进施工工艺,并建议在钢筋砼衬砌段,采取以附着式振捣为主（采用带电子控制柜的高频振捣系统）,插入式振捣为辅的振捣方式.

按照会议精神,我单位在陈家山隧道进口二衬台车上安装了高频振捣器,为全线推广使用高频振捣器进行试验和总结.

2.高频振捣器设备选型及工艺确定

2.1 设备选型 目前市场上有多种型号高频振捣器,例如：CGZ-110、CGZ-150、ZKF150-15、ZKF-150-20等,通过比较,最后选用激振力较为适中的行星式ZKF150-15型作为隧道台车用高频振捣器,并与两台DBP系列变频柜配套使用,考虑每组台车安装40台,因此采取一拖20的组合模式,左右侧各用一台变频柜控制20台高频振捣器.

2.2 安装及调试

2.2.1 布置方式.高频振动器平面布置间距一般为2.0m左右；以长度12m模板台车为例：纵向布设5台；环向布设在上下层入灰口（砼注入窗口）中部处；环向共10层（共需50台）,分层错位布设,拱部间距稍大.振动器底座采用厚16mm钢板加工制作,宽度为200mm,长度根据上下槽钢间距确定,螺栓连接紧固,经常检查,防止松动（安装布置图如下）.

2.2.2 固定方式

ZKF150-15高频振动器体积小,重量轻（仅21KG/台）,每台振捣器在模板上仅需一个或者2个螺栓固定即可使用.但由于高频振动器激振力强,地脚螺栓必须有足够的强度并与钢板拧紧,钢板再与台车模板通过肋板焊接在一起,在振捣作业前,必须锁紧夹具,以保证模板和混凝土与台面一起振动.

高频振动器与模板台车按照布置图安装、固定完成后,振动器与电控箱采用截面不小于16mm2的铜线连接,并通过16A工业插头连接到电控箱上,振动器外壳应可靠接地或接零,高频变频柜主电缆线采用最小截面6mm2以上铜线连接.变频器内部参数出厂时已设定完毕,无需调整.

2.2.3 试振.高频振动器与模板台车按照布置图安装固定完成后,按要求接入电源,第一次使用前,检查控制系统是否正常,断开变频柜前面工业插座上面的各路控制振动器的空开开关.接通变频柜上的总电源,打开总开关,确认电压表、电源指标灯显示是否正常,按变频柜上面板的启动按钮进行启动,看上面的运行指标灯是否运行正常.变频柜的启动属于软启动特性,振动器从启动到结束经历一个由低速到高速,然后匀速转动工作,最后自由停止的过程.如果在运行过程中,操作错误或电源缺相及其他原因造成变频器故障蜂鸣报警,需按面板上的故障复位按钮来恢复到正常状态,系统才可重新启动.经过调试正常后即可投入现场使用.

2.3 操作方法

输送泵接管→将出砼口弯管逐次接1-1#～1-4#入砼串桶上→泵送混凝土→高频振捣器捣固关闭1-1#～1-4#窗口→将出混凝土口弯管逐浆接入2-1#～2-4入砼串桶上→泵送混凝土→高频振捣器捣固关闭2-1#～2-4窗口→将出混凝土口弯管逐浆接入3-1#～3-4#入砼串桶上→泵送混凝土→高频振捣器捣固关闭3-1#～3-4#窗口→将出混凝土口弯管逐浆接入4-1#～4-4#入砼串桶上→泵送混凝土→高频振捣器捣固关闭4-1#～4-4#窗口→将出混凝土口弯管逐浆放入GD5-1#～GD-3#入砼口→泵送混凝土→高频振捣器捣固关闭GD5-1#～GD-3#窗口→浇筑完毕.

3.现场试验情况及需要注意的问题

3.1 试验对比情况

3.1.1 插入式振捣器.陈家山隧道二衬混凝土前期施工均采用插入式振捣器振捣.该方法对于素混凝土地段振捣效果较好,而对于钢筋混凝土,由于钢筋干扰影响,两层窗户中间无法满足振捣棒 “垂直插入、快插、慢拔、三不靠”要求,造成局部漏振,混凝土表面出现蜂窝、麻面及强度不一致等质量缺陷. 3.1.2 高频振捣器试验情况.高频振动器在陈家山隧道进口安装完成后共进行了3次试验,经比较后第三次试验砼表观质量为最佳,具体参数如下：

采用对称浇筑,并分层振捣,第一层和第二层窗口均采用溜槽灌入,其他层窗口采用输送管直接泵入,待混凝土浇筑到高出振捣器约1m处,开动该排高频振动器同时振动15秒,脱模后观表面整体平整度及光洁度较好.

3.1.3 取芯强度对比情况.在DK245+878～890（为采用振捣器）及在DK245+890～902（采用振捣器）取芯三组（芯样如图9）,进行强度抗压试验,结果如下：

由上表可以看出,采用振捣器振捣后强度较无振捣器强度有提高,芯样也明显振捣密实,气泡少.

3.2 需要注意的问题 ①由于高频振捣器采用螺栓固定,因此每次混凝土浇筑前要对所有的螺母进行检查并拧紧,避免振捣器使用过程中脱落.②使用高频振动器模板有一定的振幅,因此要求对模板进行加固检查,为避免台车发生偏移,台车两端丝杠以斜撑方式进行加固.③在第一次使用前,应检查控制系统是否正常.程序如下：接通控制操作柜电源,确认电源指示显示正常；断开所有预置开关,启动控制操作柜.再依次启动,检查振动器是否工作正常.④系统采用变频控制器控制,电机启动为软启动特性,在振动器启动后,不允许在中途增加启动其他振动器.⑤在砼浇筑前应认真检查模板台车就位是否符合要求,检查项目包括台车空间位置、结构尺寸符合设计要求,堵头板加固牢靠,走行部分锁定,底部支撑牢固、不漏浆.⑥严格二衬浇筑工艺,坚持“对称、分层、连续、振捣”之原则,严格值守制度,禁止违规操作.⑦振动时间的确定：在二衬混凝土浇筑过程中,应根据模板刚度、振动器安装位置、混凝土坍落度、振动器台数等具体情况来确定.根据现场实际情况,在浇筑到第一层入灰窗口下缘时,人工配合插入式振捣棒摊平混凝土表面,启动控制操作柜面板上的开关,分层分组振动；若坍落度在16-18cm时,振动时间宜设置为25-40秒；振动第二层时可按以上方法依次进行；但应注意下层不能复振.⑧砼搅拌和运输时间要严格控制,和易性要好,坍落度应适当.⑨在变频器启动进行中严禁拔插连接振动器16A工业插头,由于变频器是采用软启动,振动器直接通电启动会产生极大的扭距,从而造成振动器损坏,瞬时冲击电流过大也易击穿变频器整流桥而产生爆炸.

4.工艺改进及推进计划

4.1 工艺改进 由于目前台车安装的高频振动器数量一共40台,总共试验3板混凝土,对整个工艺的掌握还处于摸索阶段,因此,有必要进一步继续开展相关研究,掌握最佳振捣时间及振捣的顺序（单排一起振捣好,还是单个分别振捣好）.

4.2 推进计划 根据目前初步振捣效果,采用高频振捣器能提高混凝土振捣效果及强度,对管段内所有二衬台车安装高频振捣器,每组台车振捣器设备及安装费用约7万元,分项如下：

振捣器：730元/台×40台等于29200元

1拖20控制柜：18000×2等于36000元

16mm2电缆：800m×3.5元/m等于2800元

6mm2主电缆：50m×8.6元/m等于430元

钢板：50块×50元块等于2500元

螺栓：100个×3.5元/m等于350元

合计：71280元

由于振捣器用量较大,因此有必要进行市场调研,在确保产品质量的前提下降低采购单价从而控制总成本.