新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車研究與應(yīng)用

姬海東， 劉在政， 張海濤

(中國鐵建重工集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

近年來我國鐵路隧道建設(shè)得到了快速發(fā)展，隧道施工技術(shù)水平不斷提高，二次襯砌作為隧道施工的重要組成環(huán)節(jié)，直接影響著隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及行車安全。目前，國內(nèi)普遍采用整體式鋼模臺車進(jìn)行二次襯砌澆筑，由于傳統(tǒng)澆筑工藝的缺陷，導(dǎo)致內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、襯砌厚度不足及襯砌背后空洞[1-3]，進(jìn)而引起開裂、掉塊、滲漏水等病害。

二次襯砌施工經(jīng)歷了人工立模、簡易模板臺架、網(wǎng)架式襯砌臺車、全液壓自動行走襯砌臺車等階段[4]。蒙華鐵路萬榮隧道采用滑槽逐窗入模施工技術(shù)以及帶模注漿[5-7]技術(shù)，很大程度上提高了襯砌的整體性，但施工工藝較復(fù)雜，數(shù)字化程度低[8]；付春青等[9]針對臨空問題，研發(fā)了穿行式數(shù)控襯砌臺車，但臺車結(jié)構(gòu)質(zhì)量、體積均較大，行走困難，需進(jìn)一步對臺車輕量化設(shè)計；喻致蓉等[10]提出將不銹鋼復(fù)合鋼板面板應(yīng)用于襯砌臺車，能減少脫模劑的消耗，但并沒有確切的數(shù)據(jù)支撐；劉云珠[11]在老尖山隧道對二次襯砌臺車進(jìn)行改裝，完成可變截面襯砌臺車設(shè)計，提高了施工效率；余振華[12]對隧道襯砌臺車的定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究，介紹了定位系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)架構(gòu)，但對定位系統(tǒng)的實際應(yīng)用狀況未作說明。

本文針對現(xiàn)有臺車的施工缺陷及隧道施工需求，研發(fā)了新型帶壓澆筑數(shù)字化襯砌臺車，提出了雙澆筑技術(shù)、高頻振搗技術(shù)、軟搭接技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)，改善了襯砌施工工藝，實現(xiàn)了混凝土的密實振搗，避免了搭接部的損壞，有效降低了人員的勞動強(qiáng)度，提高了襯砌效率與襯砌質(zhì)量，并已進(jìn)行了工業(yè)試驗，得到了施工單位的高度認(rèn)可。

1 隧道襯砌施工現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的襯砌臺車在施工效率、施工質(zhì)量、勞動強(qiáng)度、智能化、信息化水平上仍有提升空間，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1)傳統(tǒng)的襯砌臺車端模板主要采用木板或鋼木組合，端模板在安裝或拆除時，易將防水板劃破，影響防水效果；另外，木板堵頭重復(fù)使用率低，費工費料，且混凝土泄露嚴(yán)重。

2)國內(nèi)混凝土振搗普遍使用低頻振搗器及軟軸式振動棒，振動頻率約50 Hz，頻率在混凝土中還要衰減20%以上。低頻振搗器排氣性能差，有效作用半徑小，振幅大，易與鋼模板產(chǎn)生共振，對模板損傷較大，很少使用。目前，施工時大多采用手持式人工振搗，人力投入大，并會出現(xiàn)振搗不足、混凝土含有大量殘留氣泡等問題。另外，振搗器質(zhì)量低下，損壞頻率極高。

3)襯砌臺車在搭接定位時，依靠人工觀察判斷臺車模板是否頂升到位，因頂升油缸推力較大，容易將上一環(huán)的混凝土破壞或擠裂，嚴(yán)重時會影響整體襯砌質(zhì)量。

4)隧道二次襯砌施工中C30—C35混凝土較多，且坍落度一般為17～22 cm，一般采用3層溜槽分層注入臺車模板，混凝土流動性完全取決于溜槽兩端高度差和溜槽傾斜角度。目前10～12 m襯砌臺車已大量應(yīng)用，但因結(jié)構(gòu)限制，一般僅能布置前后2組溜槽，澆筑窗口非常有限；分層澆筑時，由于分布鋼筋密，往往導(dǎo)致澆筑口附近混凝土石子密集，距離澆筑口越遠(yuǎn)，砂漿越多。另外，混凝土的坍落度過小或溜槽的高度、傾斜度布置不合理時，混凝土下滑困難，需要外力作用。這些問題都極大地限制了襯砌效率，影響了襯砌質(zhì)量。溜槽布置見圖1。

圖1 溜槽布置示意圖

5)臺車定位的主要控制手段是專業(yè)測量人員利用全站儀測量，配合臺車操作人員的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)定位，臺車定位自動化程度低，人為因素引起的模板定位誤差不可避免。

6)襯砌混凝土厚度一般通過施工完成后第三方檢測的方式來進(jìn)行測量，有滯后性，對于施工中混凝土是否灌滿，主要通過人工觀察端頭模板是否泌漿來確定，準(zhǔn)確性較差，且缺乏客觀性[7]。

7)脫模時間主要通過人為的經(jīng)驗判斷與記錄，人的主觀性占較大的比重，缺乏必要的強(qiáng)制措施，易造成襯砌開裂。

2 新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車整體設(shè)計

2.1 新型數(shù)字化襯砌臺車結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)

為解決傳統(tǒng)襯砌臺車施工過程中面臨的問題，以及防止襯砌病害的頻繁發(fā)生，對新型數(shù)字化襯砌臺車進(jìn)行研制，其中拱頂與拱肩澆注口采用逆向帶壓澆筑。臺車主要結(jié)構(gòu)包括行走系統(tǒng)、門架系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、附屬機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、雙澆筑系統(tǒng)、高頻振搗系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，如圖2所示。另外，臺車還配備了信息集成傳輸系統(tǒng)，增加了智能化控制和數(shù)字化顯示功能，改良后的端頭模板使整車作業(yè)效果更好。臺車具體性能參數(shù)見表1。

1—行走系統(tǒng)； 2—門架系統(tǒng)； 3—支撐系統(tǒng)； 4—模板系統(tǒng)； 5—附屬機(jī)構(gòu)； 6—液壓系統(tǒng); 7—雙灌注系統(tǒng)； 8—高頻振搗系統(tǒng)； 9—電氣系統(tǒng)。

圖2 數(shù)字化襯砌臺車結(jié)構(gòu)組成

2.2 新型數(shù)字化襯砌臺車結(jié)構(gòu)分析

襯砌臺車整體結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，在Creo中對襯砌臺車的主體門架進(jìn)行建模，通過ANSYS有限元分析軟件對門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

2.2.1 載荷及邊界條件

2.2.1.1 側(cè)壓力計算

新澆混凝土對模板的側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值,按照J(rèn)GJ 74—2003《建筑工程大模板技術(shù)規(guī)程》附錄B中模板荷載及荷載效應(yīng)組合B.0.2規(guī)定，F(xiàn)=Min(F1，F(xiàn)2)，其中:

F1=0.22γct0β1β2v1/2；

(1)

F2=γcH。

(2)

式(1)—(2)中：γc為混凝土重度，取25 kN/m3；t0為初凝時間，6 h；v為澆筑速度，2 m/h；H為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，取10 m；β1為外加劑影響修正系數(shù)，取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，取1.15。

F2=25 kN/m3×10 m=250 kN/m2。

所以，側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值F=Min(F1，F(xiàn)2)=65 kN/m2。

2.2.1.2 各支點受力

模板直徑為13.4 m，長度為12.146 m，模板質(zhì)量約60 t。經(jīng)分析，取模板頂部圓心角為90°的弧面(弧長10.519 m)所受的壓力由主縱梁頂板支點支撐。所以F頂=10.519 m×12.146 m×65 kN/m2+60 t=8 904 645 N。

側(cè)邊的支點只承受來自側(cè)邊模板(弧長2.95 m)的壓力。所以F側(cè)=2.95 m×12.146 m×65 kN/m2=2 323 996 N。

2.2.1.3 載荷及邊界條件施加

在底座上施加固定約束，F(xiàn)頂均勻地施加在門架和橫梁上側(cè)的凸臺上，F(xiàn)側(cè)均勻地施加在門架和橫梁兩側(cè)的凸臺上，如圖3所示。

(a) F頂

(b) F側(cè)

2.2.2 應(yīng)力結(jié)果及分析

在2.2.1載荷及邊界條件作用下，臺車主體門架的應(yīng)力云圖如圖4所示。臺車主體門架絕大多數(shù)區(qū)域呈現(xiàn)為藍(lán)色，應(yīng)力較小；應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在連接梁中部的筋板上，最大應(yīng)力值為354 MPa；最大位移位于連接梁中部上側(cè)，為20 mm。連接梁中部筋板應(yīng)力集中點處選用強(qiáng)度較大的材料，以滿足設(shè)計要求。

AsDh Study Group 1998: Abhisamācārika-Dharma Study Group, A Guide to the Facsimile Edition of the Abhisamācārika-Dharma of the Mahāsāghika-Lokottaravādin, Tokyo: The Institute for Comprehensive Studies of Buddhism Taisho University.

(a) 應(yīng)力云圖(單位: Pa)

(b) 變形云圖(單位: m)

2.3 新型數(shù)字化襯砌臺車端頭模板

新型數(shù)字化襯砌臺車端頭模板采用半鋼模與半氣囊形式。雙層鋼堵頭板中間布設(shè)鋼止水帶，氣囊與隧道壁面之間布設(shè)環(huán)向止水帶，氣囊采用檔桿定位。氣囊本身具有很高的強(qiáng)度，且為彈性材料，可有效保證帶壓澆筑時的密封性，避免高頻振搗時的端頭漏漿，且使用簡單，操作方便，勞動強(qiáng)度低，同時大大節(jié)約了木材，如圖5所示。當(dāng)氣囊侵入襯砌時，留有的弧形凹槽由下一環(huán)混凝土來彌補(bǔ)。

(a) 端頭模板(b) 氣囊

圖5氣囊堵頭

Fig. 5 Airbag plug

2.4 新型數(shù)字化襯砌臺車振搗系統(tǒng)

2.4.1 模態(tài)分析

為了避免與模板產(chǎn)生共振，運用ANSYS對襯砌臺車的模板系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，提取了前6階模態(tài)的分析結(jié)果，見圖6。

從圖6可以看出: 第1階模態(tài)對應(yīng)臺車的前后傾斜，其頻率為3.52 Hz；第2階模態(tài)對應(yīng)臺車模板的整體扭轉(zhuǎn)，其頻率為9.10 Hz；第3階和第4階模態(tài)對應(yīng)臺車下縱梁的彎曲，其頻率分別為9.10 Hz和9.36 Hz；第5階模態(tài)對應(yīng)臺車模板和下縱梁的變形，其頻率為11.10 Hz；第6階模態(tài)對應(yīng)臺車下縱梁的扭曲變形，其頻率為12.46 Hz。氣動振動器相當(dāng)于一個外部激勵源，其工作頻率在150 Hz以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于襯砌臺車主體結(jié)構(gòu)的固有頻率，因此，不會發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致模板損壞。

2.4.2 高頻氣動振動器

目前國內(nèi)大多采用電動振動器[13]，頻率低，易與臺車模板形成共振。國外普遍使用高頻氣動振動器，通過高頻振搗作用，引氣劑能更好地使氣泡的體積變小并使之均勻分布，以提高混凝土的耐久性。

(a) 第1階模態(tài)振型(b) 第2階模態(tài)振型(c) 第3階模態(tài)振型(d) 第4階模態(tài)振型(e) 第5階模態(tài)振型(f) 第6階模態(tài)振型

圖6模態(tài)云圖(單位： mm)

Fig. 6 Modal nephograms (unit: mm)

對意大利SOTAI的SPV4000高頻氣動振動器與ZW-10電動振動器進(jìn)行了參數(shù)對比，見表2。可以看出： 在同樣振動力的作用下，高頻氣動振動器的振幅是電動振動器的1/3倍，對模板的損傷??；高頻氣動振動器的有效作用半徑為1 500 mm，能在混凝土中有效傳播；通過壓縮氣流能夠高頻振搗，迅速排除混凝土中殘存的氣泡，有效增強(qiáng)混凝土的流動性和密實度；體積小、質(zhì)量輕，無電作業(yè)安全可靠，對空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電動振動器； 能減小二次襯砌操作工人的勞動強(qiáng)度，并為未來二次襯砌施工無人化操作提供可能。

表2電動振動器與高頻氣動振動器參數(shù)對比

Table 2 Comparison of parameters between electric vibrator and high frequency pneumatic vibrator

項目電動振動器高頻氣動振動器同樣振動力下振幅對比11/3振動頻率/Hz50254振幅/mm1～72～3作用半徑/mm1 0001 500質(zhì)量/kg3514.5

在襯砌臺車模板上布置高頻氣動振動器(如圖7所示)與電動振動器進(jìn)行試驗。利用振動檢測儀對混凝土的密實振搗效果進(jìn)行頻譜分析，了解振動力在各個點和方向上的狀況，振搗效果如圖8所示。可以看出，高頻振搗后的混凝土氣泡數(shù)量明顯減少，襯砌質(zhì)量明顯提高。高頻氣動振動器在臺車上的布置如圖9所示。

圖7 高頻氣動振動器在臺車上的試驗

(a) 電動振搗

(b) 高頻振搗

Fig. 8 Comparison of effects between electric vibrator and high frequency pneumatic vibrator

圖9 高頻氣動振動器布置(單位： mm)

2.5 軟搭接

數(shù)字化襯砌臺車通過創(chuàng)新和優(yōu)化，在鋼模板頂升時采用雙限位方式： 1)電控限位； 2)在搭接部位采用特殊彈性材質(zhì)，既能保證臺車帶模澆筑時的密封性能，又能防止模板頂升幅度過大對搭接處混凝土造成損壞，保證搭接處混凝土的質(zhì)量，如圖10所示。

圖10 軟搭接技術(shù)

2.6 雙澆筑系統(tǒng)

新型數(shù)字化襯砌臺車采用雙澆筑系統(tǒng)，底層配有移動式澆筑機(jī)械手，頂層配有移動式伸縮布料機(jī)，保證每層每個窗口可進(jìn)行均勻澆筑,見圖11。澆筑機(jī)械手能夠分層逐窗澆筑，并配備遠(yuǎn)程操作手柄，整個自然澆筑過程僅需1人通過操作手柄即可完成。由于澆筑時能抵達(dá)每層窗口，大幅減少了因鋼筋密集而導(dǎo)致的混凝土顆粒流動干擾。移動式伸縮布料機(jī)能夠?qū)绊敽凸凹邕M(jìn)行逆向澆筑，實現(xiàn)帶壓入模。澆筑機(jī)械手與頂部伸縮布料機(jī)均采用“高壓風(fēng)+清洗球”的方式進(jìn)行管路清洗，清洗速度快，效果好。

2.7 智能化控制系統(tǒng)

數(shù)字化襯砌臺車的研發(fā)引入了施工過程智能化控制[14]理念，能夠數(shù)字化顯示整個襯砌臺車的施工參數(shù)等數(shù)據(jù)，并能對施工步驟和過程進(jìn)行控制,工作原理見圖12。

Fig. 12 Sketch of working principle of intelligent control system for lining trolley

1)臺車定位。臺車前端安裝有掃描儀，后端安裝有全站儀，2臺設(shè)備上下錯位安裝，掃描儀、全站儀均以自動照準(zhǔn)的方式獲取激光標(biāo)靶的測量數(shù)據(jù)和PSD讀數(shù)，上傳至中控計算機(jī)進(jìn)行計算，并修正各自空間坐標(biāo)；獲取2臺設(shè)備的空間坐標(biāo)后，進(jìn)而求出襯砌臺車自身軸線的空間姿態(tài)和位置(俯仰、航向、橫移和高度偏差)，提供給控制系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

2)臺車澆筑。能夠時刻顯示澆筑時模注空間內(nèi)混凝土的狀態(tài)和澆筑方量，可對整個澆筑過程進(jìn)行詳細(xì)記錄顯示。

3)拱頂灌滿。在拱頂安裝壓力傳感器，同時，在防水板低洼處預(yù)埋電極反饋裝置，雙重手段來檢測拱頂混凝土是否灌滿。當(dāng)預(yù)埋電極反饋裝置短路給出接通信號或壓力傳感器讀數(shù)大于或等于設(shè)定值時，判定拱頂混凝土已灌滿。壓力傳感器與反饋裝置如圖13所示。

4)臺車脫模。通過對脫模時間進(jìn)行設(shè)定，防止人為過早脫模而導(dǎo)致的襯砌開裂。

(a) 壓力傳感器(b) 反饋裝置

圖13壓力傳感器與反饋裝置

Fig. 13 Pressure sensor and feedback device

3 實際應(yīng)用

該新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車在湖北省保康縣馬橋鎮(zhèn)羅家山隧道進(jìn)行初次使用，取得了良好的施工效果。通過雙澆筑系統(tǒng),極大地提高了施工效率，12 m襯砌傳統(tǒng)施工澆筑混凝土一般需要12 h，而數(shù)字化襯砌臺車只需8 h即可完成，同時數(shù)字化襯砌臺車管路布置簡單，清洗方便。新型的端頭模板、高頻振搗、軟搭接等技術(shù)以及灌滿提醒、灌注壓力監(jiān)測、脫模時間設(shè)定等信息化功能得到了初步驗證，取得了較好的效果，現(xiàn)場應(yīng)用如圖14所示。

(a) 澆筑機(jī)械手

(b) 顯示界面

(c) 整體結(jié)構(gòu)

通過實踐應(yīng)用，得出數(shù)字化襯砌臺車與傳統(tǒng)臺車相比有以下優(yōu)勢。

1)施工效率高。雙澆筑系統(tǒng)大大降低了人工換管時間，同時氣囊堵頭配合高頻振搗能有效避免端頭模板漏漿，進(jìn)一步提高澆筑速度。

2)施工質(zhì)量好。拱頂帶壓澆筑具備信號反饋和壓力檢測雙重監(jiān)測，能有效防止頂部空洞，確保拱頂充滿混凝土。同時，高頻振搗增強(qiáng)了混凝土的密實性。

3)降低勞動強(qiáng)度。雙澆筑系統(tǒng)智能遙控分層分窗澆筑，僅需1個操作手就可完成整機(jī)布料。輸送管路采用清洗球進(jìn)行迅速清洗，降低了勞動強(qiáng)度，提升了工作效率。

4)智能化、信息化程度高。具備自動定位、自動振搗、混凝土澆筑狀況(方量、位置、壓力、凝固后強(qiáng)度值)顯示、拱頂灌滿提醒等功能，并能將澆筑信息記錄上傳，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 結(jié)論與討論

1)新型隧道數(shù)字化襯砌臺車獨有的澆筑機(jī)械手，能遙控智能分層逐窗依次完成邊墻混凝土的澆筑；頂部伸縮布料機(jī)左右擺動分流，上下升降對位，完成拱頂與拱肩的帶壓澆筑，將二次襯砌澆筑時間由12 h縮短至8 h,避免了人工換管，降低了勞動強(qiáng)度，極大地提高了襯砌施工效率。

2)高頻氣動振動器的應(yīng)用使混凝土得到了充分搗固，提高了襯砌質(zhì)量。

3)拱頂壓力傳感器以及預(yù)埋反饋裝置的布置，以量化、可視的方式檢測拱頂是否灌滿混凝土，能有效防止拱頂空洞。

4)智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了混凝土澆筑的全過程監(jiān)控，為操作人員的施工提供了便利。

數(shù)字化襯砌臺車在羅家山隧道的應(yīng)用過程中也存在一些缺陷，如頂部伸縮布料機(jī)在進(jìn)行拱頂與拱肩澆筑時，由于內(nèi)部截面變徑較大，存在堵管問題，從而影響襯砌施工效率。然而，隨著頂部伸縮布料機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，堵管現(xiàn)象將會逐漸消除。