模板臺(tái)車定位和空洞監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

趙曉鋒, 蓋 琛, 張豪祺

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

模板臺(tái)車在襯砌工作前，首先需要對其位置定位，以便二次襯砌施工時(shí)能夠均勻澆筑，區(qū)域?qū)ΨQ[1-2]。傳統(tǒng)模板臺(tái)車定位通常采用懸掛中立垂線和人工測量結(jié)合的方法，但實(shí)現(xiàn)過程繁瑣，同時(shí)存在較大誤差，且不利于下方車輛通過[3]。目前模板臺(tái)車定位大多借助全站儀進(jìn)行測量，確定模板臺(tái)車相對理論值的偏移量，最后調(diào)整臺(tái)車位置至誤差范圍內(nèi)。此方法需要專業(yè)測量人員配合，測量精度完全依賴于施工經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化程度較低，操作難度較大[4-7]。為改善這一問題，本文提出一種新型的定位方法，運(yùn)用激光測距傳感器結(jié)合編寫的工控機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)模板臺(tái)車的定位工作，達(dá)到簡化施工過程，提高定位精度的效果。

隧道襯砌空洞問題十分普遍，隧道空洞會(huì)造成襯砌厚度不足、結(jié)構(gòu)受力特性劣化，給隧道的健康安全運(yùn)營帶來諸多不利影響，在施工中需要采取多方面的措施避免空洞的出現(xiàn)[8-12]。目前，用于隧道病害的檢測方法包括： 敲擊法、地質(zhì)雷達(dá)法、超聲脈沖法、紅外線溫度場照相技術(shù)等，其中，現(xiàn)場常用方法是敲擊法和地質(zhì)雷達(dá)法。敲擊法檢測比較直觀，但需要對反饋信號(hào)進(jìn)行處理才可準(zhǔn)確檢測，工作效率很低，并具有一定危險(xiǎn)性[13]。地質(zhì)雷達(dá)方法因其精度高、無損檢測等特點(diǎn)近幾年被廣泛應(yīng)用[14-15]，但對于厚度超過0.5 m的襯砌背后注漿質(zhì)量很難準(zhǔn)確識(shí)別，且價(jià)格比較高。此外，這些方法有一個(gè)共同缺陷，均是在襯砌完成之后進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)空洞，再采取剔鑿、注漿、再填實(shí)的方法解決空洞，但這樣勢必會(huì)損壞拱頂澆筑結(jié)構(gòu)。本文所采用的方法是在帶模注漿的過程中，對空洞現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控，該方法有別于其他澆筑完成后的空洞檢測方法，可以在源頭有效預(yù)防空洞的產(chǎn)生。

1 定位系統(tǒng)

1.1 組成結(jié)構(gòu)

本文定位系統(tǒng)對模板臺(tái)車類型沒有限制，文中選用人字形臺(tái)車作為載體進(jìn)行該系統(tǒng)的說明。人字形設(shè)計(jì)利于下方車輛通過，在此基礎(chǔ)上，本文模板臺(tái)車門架采用固連方式增加定位過程的穩(wěn)定性，并且采用下沉式底梁設(shè)計(jì)，便于觀測激光傳感器數(shù)值。整個(gè)定位系統(tǒng)由工控機(jī)、控制器、2對激光測距傳感器、行程開關(guān)和泵站液壓系統(tǒng)組成，分為橫向定位、縱向定位和開模定位3個(gè)部分。傳感器位置分布： 第1對激光測距傳感器(A1、A2)位置如圖1所示，默認(rèn)以臺(tái)車前進(jìn)方向?yàn)榍岸?，兩傳感器分別位于模板臺(tái)車前端底縱梁左、右兩側(cè); 第2對激光測距傳感器(B1、B2)位置如圖2所示，位于臺(tái)車前后兩端橫梁中心位置處。通過觀察工控機(jī)指示燈及距離數(shù)值指示，操作泵站上的液壓手柄來控制油缸伸縮完成橫向和縱向定位。在臺(tái)車頂模和側(cè)模兩端各安裝有行程開關(guān)，對開模過程起定位和保護(hù)作用。

圖1 模板臺(tái)車正面結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Sketch of front structure of formwork trolley

圖2 模板臺(tái)車側(cè)面結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Sketch of lateral structure of formwork trolley

1.2 定位步驟

該模板臺(tái)車具有5種工作狀態(tài)，分別是定位狀態(tài)、澆筑狀態(tài)、閉鎖狀態(tài)、養(yǎng)護(hù)狀態(tài)和脫模狀態(tài)，每種狀態(tài)之間功能相互閉鎖，通過多位旋鈕開關(guān)進(jìn)行切換。

將控制柜面板上的旋鈕開關(guān)切換到定位模式，該模式界面如圖3所示。啟動(dòng)泵站，工控機(jī)上泵站電機(jī)運(yùn)行指示燈亮起。通過控制本地控制柜面板上前進(jìn)、后退按鈕或遙控器，使模板臺(tái)車在隧道導(dǎo)軌上行走至指定位置，工控機(jī)上行走電機(jī)指示燈亮起。累計(jì)定位時(shí)間從切換至定位功能處開始計(jì)算。

圖3 定位模式工控機(jī)界面Fig. 3 Industrial control interface under location mode

1.2.1 橫向定位

在隧道中線設(shè)立測量點(diǎn)，確保前端底縱梁左、右兩側(cè)激光測距傳感器能夠?qū)⒓す恻c(diǎn)投射在上面，建立反射回路。在工控機(jī)上的定位模式界面中，分別顯示左側(cè)激光傳感器到隧道中線的距離(mm)和右側(cè)激光傳感器到隧道中線的距離(mm)，通過對模板臺(tái)車左、右橫移油缸進(jìn)行操作，對橫向位置實(shí)現(xiàn)微調(diào)，直至工控機(jī)顯示的對正誤差在允許的范圍內(nèi)，這時(shí)說明模板臺(tái)車兩側(cè)模距離中線位置基本相同，模板臺(tái)車處于隧道的橫向中心位置，結(jié)束橫向位置調(diào)整。將泵站控制柜上的橫移閉鎖旋鈕旋至閉鎖，工控機(jī)橫移閥1#、2#指示燈亮起，切斷橫移油缸油路，橫移定位結(jié)束。設(shè)置橫移閉鎖可以避免施工人員誤操作損壞模板，泵站控制柜面板如圖4所示。

圖4 泵站控制柜面板Fig. 4 Control cabinet panel of pump station

1.2.2 縱向定位

如圖3所示，在工控機(jī)上的定位模式界面中，顯示有原始垂直高度，通過控制泵站上的液壓手柄將頂升伸縮油缸降到最低，讀出當(dāng)前上升距離顯示數(shù)值，手動(dòng)將該數(shù)值輸入初始垂直高度條形框中,然后分別對模板臺(tái)車升降油缸進(jìn)行操作。在上升的過程中，不斷對前后位置微調(diào)，保持前端上升距離值和后端上升距離值相等(或在允許的誤差范圍內(nèi))，確保模板臺(tái)車前端和后端相對地面高度基本一致。襯砌第1板時(shí)，升降距離值以現(xiàn)場要求為準(zhǔn)。從第2板開始，通過模板臺(tái)車后端頂模處安裝的行程開關(guān)進(jìn)行縱向定位，行程開關(guān)的安裝位置由多次測試后確定。當(dāng)觸碰到第1板頂部時(shí)，頂部行程開關(guān)作用，工控機(jī)頂升閥圖框中的1#失電、2#失電、3#失電、4#失電指示燈亮起，泵站上的多路閥觸發(fā)，切斷油路，頂升動(dòng)作停止，至此縱向定位結(jié)束。

如果頂模行程開關(guān)動(dòng)作后仍需對頂模位置進(jìn)行微調(diào)，需將泵站上的旋鈕旋至轉(zhuǎn)換升降的同時(shí)按下強(qiáng)制升降按鈕，才可以繼續(xù)操作升降油缸，這里設(shè)立了互鎖環(huán)節(jié)，避免由于工作人員誤操作帶來的危險(xiǎn)，面板如圖4所示。

1.2.3 開模定位

分別操作泵站上左前開模油缸、右前開模油缸、左后開模油缸和右后開模油缸推桿，對應(yīng)4個(gè)方位的開模幅度，開模幅度以現(xiàn)場要求為準(zhǔn)。在側(cè)模兩側(cè)各安裝有行程開關(guān)，開模定位保護(hù)原理與縱向定位基本相同，這里不做贅述。

2 空洞監(jiān)控系統(tǒng)

空洞監(jiān)控系統(tǒng)由工控機(jī)、控制器、二次注漿管和攝像頭組成，主要可分為空洞控制器監(jiān)控和攝像頭監(jiān)控2部分，二者相互補(bǔ)充，從而預(yù)防空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生。攝像頭監(jiān)控通過目視的方法對頂模澆筑情況進(jìn)行把控；空洞控制器監(jiān)控通過接收電極液位開關(guān)檢測到的信號(hào)，輸出給繼電器，用指示燈信號(hào)來反映頂模澆筑情況。若發(fā)現(xiàn)澆注過程沒有注滿，則持續(xù)澆筑；若澆筑后仍存在空洞，還可以打開球閥通過二次注漿管進(jìn)行補(bǔ)漿操作，直至空洞消除。

2.1 二次注漿管組成結(jié)構(gòu)

二次注漿管的結(jié)構(gòu)如圖5所示，由上至下依次由RPC注漿管、定位法蘭、電極式液位開關(guān)、球閥、壓力傳感器、套管、快速接頭的注漿連接套件和注漿壓力管構(gòu)成。其核心是電極式液位開關(guān)，它與控制器配合工作： 當(dāng)導(dǎo)電液體介質(zhì)同電極棒沒有接觸時(shí)，電極棒之間沒有電流；當(dāng)電極棒接觸到液體時(shí)，電極棒導(dǎo)通，控制器動(dòng)作。通過控制器供給電極棒的微弱電流，使得產(chǎn)品可以長時(shí)間地安全使用。采用RPC注漿管帶模注漿方法，可以有效解決襯砌拱頂脫空問題，并使注漿材料與襯砌混凝土結(jié)合成良好的受力整體。

圖5 二次注漿管結(jié)構(gòu)圖(單位： mm )Fig. 5 Sketch of secondary grouting tube (unit: mm)

2.2 安裝及空洞監(jiān)控過程

在模板臺(tái)車頂部共設(shè)有3個(gè)沖頂澆筑孔和6個(gè)二次注漿孔，開孔位置如圖2所示。在襯砌臺(tái)車拱頂中心線上取孔，12 m臺(tái)車鉆取6個(gè)注漿孔。具體布置原則： 主注漿孔(1#孔)離二次襯砌封閉端模0.6～1.0 m， 2#、3#、4#、5#、6#孔依次均勻分布，在取孔位置焊接固定法蘭、采取滿焊，并在臺(tái)車端部安裝攝像頭。制作RPC注漿管管口，切除RPC注漿管多余長度，并在端頭切割“十”字溢流槽。溢流槽端朝上，緊貼防水板。依次安裝注漿口處的RPC注漿管，其中緊挨已施作襯砌端的注漿孔為主注漿孔，標(biāo)記為1#注漿孔，之后依次編號(hào)為2#、3#、4#、5#、6#注漿孔。通過觀察6個(gè)注漿管出漿情況，用安裝在二次襯砌端部的攝像頭監(jiān)控二次襯砌混凝土沖頂澆筑情況，二次襯砌混凝土澆筑完成后即可進(jìn)行拱頂帶模注漿。

澆筑過程中需將主控制柜面板上的多位旋鈕開關(guān)切換到澆筑模式，該模式界面如圖6所示。除了檢測空洞以外，還顯示有累計(jì)澆筑時(shí)間、累計(jì)澆筑方量以及泵送的開始時(shí)刻和停止時(shí)刻，并配有動(dòng)畫展示功能，便于工作人員在澆筑過程中的施工?？斩磯毫刂乒衩姘迦鐖D7所示，當(dāng)沖頂澆筑完成之后，澆筑液會(huì)溢入二次注漿孔內(nèi)，觸發(fā)電極液位開關(guān)，空洞控制柜和工控機(jī)上對應(yīng)的空洞指示燈熄滅，說明澆筑良好。若沖頂澆筑完成之后，空洞指示燈常亮未滅，說明當(dāng)前位置澆筑后存在空洞，需進(jìn)行二次注漿。除了通過設(shè)計(jì)二次注漿管來杜絕空洞的產(chǎn)生以外，在模板臺(tái)車的前端頂部留有觀察口(如圖2所示)，同時(shí)頂部安裝有攝像監(jiān)控，記錄澆筑過程，并將整個(gè)澆筑畫面?zhèn)鬏敳⒈４嬷辽衔粰C(jī)中，歷史畫面可以無線傳輸?shù)焦P記本客戶端,且可回放每個(gè)工作循環(huán)的頂部澆筑歷史畫面。在補(bǔ)漿的過程中，為了防止隧道襯砌專用注漿機(jī)注漿壓力過大，在注漿管底部安裝有壓力傳感器，可以在空洞柜面板上對應(yīng)的數(shù)字顯示屏中顯示當(dāng)前補(bǔ)漿壓力值。當(dāng)端模出漿或者壓力表讀數(shù)超過設(shè)定壓力上限時(shí)，自動(dòng)切斷與注漿機(jī)的連接，注漿停止。

圖6 澆注模式工控機(jī)界面Fig. 6 Industrial control interface under casting mode

圖7 空洞壓力控制柜面板Fig. 7 Control cabinet panel of cavity pressure

2.3 視頻監(jiān)控

在模板臺(tái)車頂部前端安裝攝像頭，并配有感光器，根據(jù)隧道明暗程度運(yùn)用LED照明燈進(jìn)行補(bǔ)光，可以有效監(jiān)控拱頂混凝土澆筑厚度和密實(shí)度。通過工控機(jī)和手機(jī)APP 2種方式觀察整個(gè)澆筑過程，并將畫面保存為視頻文件存儲(chǔ)在工況機(jī)中，方便日后調(diào)用和查看。

2.3.1 工控機(jī)視頻監(jiān)控

工控機(jī)視頻播放分為2種模式： 實(shí)時(shí)和回放。視頻監(jiān)控工控機(jī)界面如圖8所示，實(shí)時(shí)顯示攝像頭當(dāng)前捕捉的畫面?；胤攀遣シ糯鎯?chǔ)在錄像機(jī)內(nèi)的視頻文件，并配有暫停、原速、慢放和快放功能。視頻文件的生成起止時(shí)間由泵站控制柜面板上的視頻錄制開關(guān)旋鈕控制，存儲(chǔ)路徑如圖9所示，視頻文件格式為： 開始時(shí)間_TO_停止時(shí)間(循環(huán)ID)。

圖8 視頻監(jiān)控工控機(jī)界面Fig. 8 Video supervisory interface of industrial control

圖9 視頻存放路徑Fig. 9 Video storage path

2.3.2 手機(jī)APP視頻監(jiān)控

通過登錄網(wǎng)頁或者掃描二維碼的方式即可下載APP，方便快捷。進(jìn)入模板臺(tái)車手機(jī)APP后，首先需要連接模板臺(tái)車Wifi，該Wifi由工業(yè)交換機(jī)和路由器組建的局域網(wǎng)提供。用戶輸入用戶名和密碼即可進(jìn)入系統(tǒng)開始使用。需要說明的是，本系統(tǒng)中包含2種用戶，即管理員和普通訪客，其中，管理員具有應(yīng)用全部功能的操作權(quán)限，普通訪客只具有在線監(jiān)控功能的操作權(quán)限。

1)登陸之后，工控機(jī)信息進(jìn)入編輯模式?？删庉嬓畔üた貦C(jī)IP地址、名稱以及相關(guān)參數(shù)理論值，理論值的設(shè)定是為之后各個(gè)階段的作業(yè)時(shí)間提供參考，如圖10所示。

圖10 模板臺(tái)車APP配置Fig. 10 APP configuration of formwork trolley

2)選擇在線監(jiān)控，點(diǎn)擊界面右上角的攝像頭圖標(biāo)，彈出對話框，為方便操作，已將訪問的攝像頭IP路徑進(jìn)行了綁定，如圖11所示。進(jìn)入在線監(jiān)控畫面，如圖12所示，在屏幕左上角顯示緩沖速度，右上角顯示當(dāng)前傳輸速率。

圖11 攝像頭IP路徑Fig. 11 Camera IP path

圖12 通過APP捕捉到的監(jiān)控畫面Fig. 12 Monitoring screen captured by APP

3 結(jié)論與討論

本文設(shè)計(jì)的模板臺(tái)車，同時(shí)具備激光定位和空洞監(jiān)控功能。經(jīng)現(xiàn)場施工人員多次實(shí)踐測試，定位方式優(yōu)化后，相比傳統(tǒng)鉛墜定位方法更加直觀、更加智能化，且定位時(shí)間可以控制在10～15 min完成，較傳統(tǒng)方法快速很多，提高了施工效率。使用該定位系統(tǒng)完成定位后，利用全站儀進(jìn)行測量，檢驗(yàn)其定位效果。選取測量距離從23.316 m到50.116 m的5段距離，分別測量模板臺(tái)車前端和后端5個(gè)定位點(diǎn)，包括頂模中點(diǎn)、兩側(cè)模與頂模銜接點(diǎn)和兩側(cè)模邊角點(diǎn)。結(jié)果顯示，橫移中線誤差和豎直升降及開模誤差均在2 mm內(nèi)，說明定位精度得到了保證。

空洞監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效檢測出空洞的存在，及早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行襯砌，簡化施工過程，提高整體澆筑的安全性并改善澆筑效果。利用地質(zhì)雷達(dá)對已襯砌過的澆筑面進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示運(yùn)用該空洞監(jiān)控系統(tǒng)可以基本消除頂模脫空量。

除此之外，在數(shù)據(jù)傳輸及人機(jī)交互方面，通過自主開發(fā)工控機(jī)程序和客戶端軟件，相對傳統(tǒng)模板臺(tái)車，在施工方面有了較大改進(jìn)，模板臺(tái)車信息化系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地獲知當(dāng)前設(shè)備模式狀態(tài)和進(jìn)展情況，并可以遠(yuǎn)程觀測襯砌畫面，為施工作業(yè)數(shù)據(jù)的記錄帶來方便。

該自主研發(fā)的定位和空洞監(jiān)控系統(tǒng)已應(yīng)用于鄭萬鐵路隧道的建設(shè)當(dāng)中，效果良好。目前，在信息傳輸和同步數(shù)據(jù)功能方面，本文僅基于安卓系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)，IOS系統(tǒng)仍在開發(fā)中，并考慮在今后的研發(fā)過程中對系統(tǒng)的兼容性進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)不同工況的理想對接。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 余振華. 隧道襯砌臺(tái)車快速定位系統(tǒng)研究[J]. 科技資訊, 2017(5): 92.

YU Zhenhua. A study of rapid positioning system of lining trolley for tunnels [J]. Science & Technology Information, 2017(5): 92.

[2] 但淑英，劉濤. 隧道雙功能全液壓伸縮全自動(dòng)行走混凝土襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)受力分析[J]. 公路， 2009(7)： 281.

DAN Shuying, LIU Tao. The structural stress analysis of the tunnel concrete lining with double function fully automatic walking [J]. Highway, 2009(7)： 281.

[3] 倪振利. 隧道襯砌臺(tái)車快速定位系統(tǒng)研究[J]. 國防交通工程與技術(shù), 2014(2): 25.

NI Zhenli. A study of the rapid positioning system of the lining trolley for tunnels[J]. Traffic Engineering & Technology for National Defence, 2014(2): 25.

[4] 祝志恒， 陽軍生， 肖超， 等. 基于形函數(shù)的隧道襯砌內(nèi)壁影像展平方法及其應(yīng)用[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2014(3)： 101.

ZHU Zhiheng, YANG Junsheng, XIAO Chao, et al. A method for tunnel lining surface photo flattening based on shape functions transform[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014(3)： 101.

[5] 張世卓， 王泰典， 林銘郞， 等. 影像展開與嵌接技術(shù)在隧道檢測之應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2008, 4(4)： 670.

ZHANG Shizhuo, WANG Taidian, LIN Minglang, et al. Application of image spread and mosaic technology in tunnel inspection[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2008, 4(4)： 670.

[6] 汪偉. 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用與分析[J]. 資源環(huán)境與工程， 2009, 23(1)： 63.

WANG Wei. Application and analysis of geological radar on tunnel lining quality detection[J]. Resources Environment & Engineering， 2009, 23(1)： 63.

[7] 王策民. 盾構(gòu)機(jī)和襯砌環(huán)的定位測量及偏差控制體系[J]. 都市快軌交通， 2008, 21(2)： 49.

WANG Cemin.Orientation and deviation control system for shield and lining ring [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2008, 21(2)： 49.

[8] 蔣玉波. 襯砌后空洞對隧道動(dòng)力穩(wěn)定性影響規(guī)律研究[D]. 北京： 中國礦業(yè)大學(xué), 2015.

JIANG Yubo. Study of the influence of cavity behind lining on dynamic stability of tunnels[D]. Beijing: China University of Mining and Technology, 2015.

[9] 應(yīng)國剛. 襯砌背后空洞對隧道結(jié)構(gòu)體系安全性的影響機(jī)理研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué), 2016.

YING Guogang. Study of affecting mechanism of tunnel structure-system safety with voids behind lining[D]. Beijing： Beijing Jiaotong University, 2016.

[10] 王鋒. 某鐵路隧道襯砌空洞病害整治技術(shù)[J]. 施工技術(shù), 2014, 43(增刊1): 417.

WANG Feng. Treatment of a railway tunnel lining cavity defect [J]. Construction Technology, 2014, 43(S1): 417.

[11] 姜寧. 襯砌背后空洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響研究[D]. 煙臺(tái)： 煙臺(tái)大學(xué), 2016.

JIANG Ning. Study of the influence of cavity behind the lining on the safety of tunnel lining structure[D].Yantai： Yantai University, 2016.

[12] 袁成海, 湯曉輝, 伍毅敏. 隧道二次襯砌空洞的成因與對策[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化, 2010(10): 109.

YUAN Chenghai, TANG Xiaohui, WU Yimin. Reasons and solutions for cavity in secondary lining of tunnel[J]. Transport Standardization, 2010(10): 109.

[13] 武鑫星. 暗挖隧道空洞初步普查施工及處理[J].山西建筑, 2014, 40(17): 207.

WU Xinxing. On Propaedeutic survey stage of bored tunnels hole and treatment[J]. Shanxi Architecture, 2014, 40(17): 207.

[14] 楊睿, 薛亞東, 楊健. 雷達(dá)探測隧道壁后空洞的現(xiàn)場驗(yàn)證及空洞影響分析[J]. 隧道建設(shè), 2017, 37(2): 185.

YANG Rui, XUE Yadong, YANG Jian. In-situ verification of voids behind tunnel lining detected by ground penetrating radar and numerical analysis of influence of voids on tunnel structure [J]. Tunnel Construction, 2017, 37(2): 185.

[15] 路剛. 地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J]. 隧道建設(shè), 2012, 32(4): 459.

LU Gang. Application of geological radar in quality detection of railway tunnel lining [J]. Tunnel Construction, 2012, 32(4): 459.