基于張吉懷鐵路隧道襯砌缺陷控制的新型信息化襯砌臺(tái)車研究與應(yīng)用

陳文義， 尚 偉

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州 511455)

0 引言

為適應(yīng)我國新時(shí)代經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的需要，交通基礎(chǔ)工程領(lǐng)域修建了大量的鐵路、公路隧道，隧道建設(shè)已成為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展的必需工程。但是，在隧道建設(shè)或運(yùn)營期間，占有相當(dāng)比例的隧道出現(xiàn)了襯砌開裂、拱頂?shù)魤K、襯砌背后空洞等病害，對鐵路、公路運(yùn)營造成了極大的安全隱患。

為解決隧道襯砌病害問題，提高襯砌施工質(zhì)量，降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，工程技術(shù)人員主要從襯砌缺陷修復(fù)技術(shù)、工藝創(chuàng)新、施工設(shè)備創(chuàng)新等方面進(jìn)行了研究。在襯砌缺陷修復(fù)技術(shù)方面，鄭贊毅[1]、肖智飛[2]進(jìn)行了大量研究，但是該類方法屬于產(chǎn)生缺陷后的補(bǔ)救措施，無法從根本上解決襯砌的質(zhì)量問題。在工藝創(chuàng)新方面，王立川等[3]從施工工藝角度提出了防治的具體措施和建議，但由于對施工人員要求較高，實(shí)際應(yīng)用效果不佳；周軍紅[4]從工程設(shè)計(jì)、工程施工方面對襯砌施工縫頂裂問題提出了控制措施；孫春雷[5]從原材料控制、施工工藝、常用的處理方式等方面對二次襯砌施工中的問題進(jìn)行了分析。由于襯砌施工的邊界條件差異大，解決襯砌質(zhì)量問題的方法、材料、工藝參數(shù)等沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因而應(yīng)用效果有限。袁成海等[6]對襯砌施工的部分技術(shù)方法進(jìn)行了分析，取得了一定的施工經(jīng)驗(yàn)，但是未形成完整的防治措施；楊波等[7]和張華[8]分別介紹了利用帶模注漿工藝減少拱頂襯砌脫空的技術(shù)，可一定程度減少襯砌脫空問題，但是由于缺少注漿時(shí)機(jī)、注漿壓力等數(shù)據(jù)支持，操作不慎易引發(fā)壓潰混凝土和爆模的現(xiàn)象。

當(dāng)前襯砌施工主要以襯砌模板臺(tái)車為主，其工作性能對襯砌施工質(zhì)量存在直接影響。在襯砌施工裝備創(chuàng)新方面，韓賀庚等[9]、林毅等[10]介紹了滑槽式布料系統(tǒng)，但襯砌肩部以上位置的滑槽坡度較小，混凝土流動(dòng)性差，容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。姬海東等[11]介紹了一種混凝土澆注機(jī)械手，操作較為方便，但是只適用于中層及以下混凝土自然澆注，拱頂混凝土澆注需要采用另外一套系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且機(jī)械手成本高、侵占隧道凈空，因而不利于推廣應(yīng)用；喬烽等[12]介紹了混凝土振搗裝置，但沒有介紹應(yīng)用于襯砌臺(tái)車的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)；姜良波等[13]分析研究了混凝土施工的振搗原理，但缺少襯砌臺(tái)車振搗技術(shù)方面的應(yīng)用研究；黎庶等[14]采用托盤+橡膠墊片的軟性搭接技術(shù)，解決了襯砌施工縫處因剛性搭接造成的質(zhì)量隱患問題，但是在模板壓緊過程中仍然存在壓潰的風(fēng)險(xiǎn)。為實(shí)現(xiàn)襯砌模板臺(tái)車信息化施工、提高襯砌質(zhì)量，姬海東等[11]采用信息技術(shù)對襯砌臺(tái)車進(jìn)行了改進(jìn)，但其應(yīng)用效果有待驗(yàn)證。

綜上所述，病害修復(fù)技術(shù)無法從根源上解決襯砌質(zhì)量問題；目前工藝創(chuàng)新應(yīng)用不夠成熟，推廣難度大；施工設(shè)備仍存在一定的設(shè)計(jì)缺陷，無法有效解決襯砌的質(zhì)量缺陷。襯砌模板臺(tái)車無法滿足襯砌施工工藝要求是襯砌質(zhì)量缺陷的主要原因之一。本文以襯砌病害與襯砌臺(tái)車的因果關(guān)系為切入點(diǎn)，從襯砌混凝土施工全工序出發(fā)，研發(fā)了新型信息化襯砌臺(tái)車，較好地提升了隧道襯砌質(zhì)量。

1 襯砌施工質(zhì)量現(xiàn)狀及缺陷原因

當(dāng)前隧道襯砌施工通常采用鋼模板襯砌臺(tái)車，主要依靠人工操作，部分裝置存在設(shè)計(jì)缺陷，容易引起襯砌質(zhì)量缺陷。主要存在以下問題：

1)襯砌混凝土澆注不連續(xù)、振搗不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足，進(jìn)而發(fā)生襯砌開裂和掉塊現(xiàn)象。

2)混凝土澆注時(shí)未能按照分層逐窗澆注工藝施工，并且缺乏有效振搗，容易引起襯砌脫空；拱頂混凝土澆注缺乏準(zhǔn)確的結(jié)束判據(jù)，提前停止?jié)沧⒒炷粒瑢?dǎo)致拱頂空洞。

3)中埋式止水帶偏位導(dǎo)致局部混凝土厚度不足和空鼓。

4)臺(tái)車模板搭接時(shí)壓潰混凝土；施工縫處漏漿造成開裂、掉塊。

因此，造成襯砌混凝土開裂、掉塊、脫空等質(zhì)量缺陷的主要原因在于施工工藝不達(dá)標(biāo)。其次，混凝土澆注耗時(shí)長，漏振、欠振現(xiàn)象頻發(fā)，搭接防頂裂效果差，堵頭板止水帶夾具工作性能差，現(xiàn)場工人盲目施工等導(dǎo)致襯砌施工質(zhì)量難以保證。襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)缺陷、功能不完善也是重要影響因素。

2 新型信息化襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)

品質(zhì)優(yōu)良的襯砌質(zhì)量需要品質(zhì)卓越的施工裝備，解決襯砌質(zhì)量缺陷應(yīng)首先革新襯砌臺(tái)車。根據(jù)襯砌臺(tái)車應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，分別從襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)、帶壓灌注自動(dòng)分料系統(tǒng)、自動(dòng)振搗系統(tǒng)、V型槽零搭接裝置、堵頭板止水帶夾具方面進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)襯砌施工過程可視化，滿足自動(dòng)化、信息化施工需求，增加了信息采集與控制系統(tǒng)。新型信息化襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

(a) 主視圖

(b) 左視圖

1—模板系統(tǒng)； 2—行走系統(tǒng)； 3—雙跨結(jié)構(gòu)； 4—信息采集與控制系統(tǒng)； 5—液壓系統(tǒng)； 6—絲杠； 7—邊墻振搗系統(tǒng)； 8—布料系統(tǒng)； 9—拱頂振搗系統(tǒng)。

圖1新型信息化襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)方案

Fig. 1 Design scheme of new type of informatized lining trolley

表1新型信息化襯砌臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 Main parameters of new type of informatized lining trolley

項(xiàng)目類別 技術(shù)參數(shù)臺(tái)車襯砌長度/mm12 100襯砌輪廓半徑加大值/mm50臺(tái)車縱向/橫向坡度3%通風(fēng)管直徑/mm1 800臺(tái)車底部凈空尺寸/(mm×mm)7 250×7 200工作窗尺寸/(mm×mm)500×500行走速度/(m/min)6.7 臺(tái)車總質(zhì)量/t160

2.1 雙跨結(jié)構(gòu)

為改善工人勞動(dòng)環(huán)境，增大設(shè)備操作空間，新型信息化襯砌臺(tái)車上首次研發(fā)了雙跨結(jié)構(gòu)，見圖1。臺(tái)車兩端分別設(shè)置2條支腿，支腿之間使用縱向梁和橫向梁連接，形成長方體空間桁架結(jié)構(gòu)，用于承載襯砌臺(tái)車各個(gè)部件。模板系統(tǒng)通過底部絲杠支撐在仰拱填充面的兩側(cè)，與仰拱填充形成穩(wěn)定的三角形受力體系，保證澆注混凝土?xí)r臺(tái)車模板具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)可降低雙跨結(jié)構(gòu)的載荷，增大襯砌臺(tái)車內(nèi)部空間。

2.2 旋轉(zhuǎn)式對接快速分料系統(tǒng)

目前襯砌混凝土澆注以滑槽式分料系統(tǒng)為主，依靠混凝土自重滑入模板倉內(nèi)。當(dāng)滑槽坡度較小時(shí)，混凝土流動(dòng)速度慢，容易產(chǎn)生離析，無法滿足襯砌質(zhì)量要求。近來出現(xiàn)的雙澆注系統(tǒng)，即通過機(jī)械手變換澆注窗口使混凝土填充拱墻模板倉，采用帶壓灌注填充拱頂模板倉，存在澆注耗時(shí)長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、侵占底部空間、設(shè)備成本高的缺點(diǎn)，不利于推廣應(yīng)用。

為提高混凝土澆注效率、保證襯砌施工質(zhì)量，研發(fā)了旋轉(zhuǎn)式對接快速分料系統(tǒng)。即通過管路快速變換，滿足分層逐窗澆注的工藝要求；依靠泵送壓力快速輸送混凝土，保證入模質(zhì)量。該系統(tǒng)的工作原理見圖2。主管路與泵車連通，分支管路與模板澆注窗口一一連通，主管路和分支管路通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)逐一對接。施工時(shí)根據(jù)澆注位置，將主管路與對應(yīng)的分支管路對接，隨后即可開始澆注混凝土，澆注完成后更換下一分支管路，直至完成本循環(huán)混凝土澆注。拱頂混凝土采用帶壓單斜孔澆注(見圖3)，在泵送壓力下從臺(tái)車后端往前擠壓混凝土，直至充滿整個(gè)拱頂模板艙，以提高拱頂混凝土的密實(shí)度，防止脫空。

2.3 振搗系統(tǒng)

目前，混凝土振搗方式有附著式振搗和插入式振搗。附著式振搗作用在鋼模板上，振動(dòng)對襯砌臺(tái)車影響較大，對深層混凝土振搗作用有限，因而實(shí)際應(yīng)用較少。插入式振搗仍采用原始的手持振搗棒逐窗振搗施工，頻繁搬運(yùn)工作量大，工人使用意愿低，實(shí)際振搗效果差。為解決振搗效果差、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，研制了新型振搗施工裝置： 邊墻振搗和拱頂振搗。

圖2 帶壓灌注自動(dòng)分料系統(tǒng)原理圖

Fig. 2 Schematic diagram of automatic concrete distribution system

圖3 拱頂混凝土澆注原理圖

2.3.1 邊墻振搗

邊墻混凝土采用彈力滾筒實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)振搗，能夠降低人工拖拽振搗器的勞動(dòng)強(qiáng)度。工作原理見圖4，彈力滾筒用于平衡插入式振搗棒和電纜線重力，導(dǎo)向環(huán)用于引導(dǎo)電纜線滑動(dòng)，插入式振搗棒可沿豎直方向滑動(dòng)。施工時(shí)將振搗棒拖拽至混凝土內(nèi)，按下振搗啟動(dòng)開關(guān)即可開始邊墻混凝土振搗。振搗結(jié)束后，振搗棒在彈力滾筒作用下可輕松收回至上層作業(yè)平臺(tái)，便于上層振搗使用。為減少設(shè)備布置數(shù)量，同層臨近澆注窗口可使用同一個(gè)插入式振搗裝置。

2.3.2 拱頂振搗

拱頂混凝土采用電動(dòng)推桿拖動(dòng)振搗棒，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)振搗施工，操作簡便，最大限度減小了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，工作原理見圖5。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿，振搗棒可沿滑動(dòng)導(dǎo)軌向上移動(dòng)，深入到混凝土內(nèi)部進(jìn)行振搗施工；振搗完成后，反向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿，振搗棒沿滑動(dòng)導(dǎo)軌向下移動(dòng)，振搗棒上端面與拱頂模板平齊時(shí)停止移動(dòng)。插入式振搗棒能夠深入混凝土內(nèi)部，可實(shí)現(xiàn)1.2萬次/min高頻率振搗，快速排除混凝土內(nèi)殘存的氣泡，提高混凝土的密實(shí)度。振搗時(shí)間可通過控制系統(tǒng)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化振搗施工。但是，如果振搗棒觸碰二次襯砌鋼筋，將導(dǎo)致拱頂混凝土無法振搗。為避免此類現(xiàn)象，二次襯砌鋼筋定位時(shí)應(yīng)標(biāo)記振搗棒位置，預(yù)留振搗空間。

圖4 邊墻振搗原理圖

圖5 拱頂自動(dòng)振搗原理圖

2.4 V型槽零搭接裝置

襯砌臺(tái)車模板一般設(shè)置100 mm的搭接長度，為提高搭接區(qū)的密封性，緩沖搭接壓力，通常在搭接區(qū)域設(shè)置緩沖橡膠，實(shí)現(xiàn)軟搭接。實(shí)際使用過程中，搭接精度難以把握，容易發(fā)生漏漿，為了提高密封效果，搭接區(qū)的壓力通常較大，施工縫頂裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

為解決施工縫處的質(zhì)量缺陷問題，提出了“零搭接”理念，研制了V型槽零搭接裝置，工作原理見圖6。施工縫搭接處采用倒角設(shè)計(jì)，提高混凝土局部接觸強(qiáng)度；施工縫倒角位置設(shè)置有三角形實(shí)心橡膠條；臺(tái)車模板搭接時(shí)模板邊緣與施工縫平齊，形成零搭接狀態(tài)，并緊貼實(shí)心橡膠條，保證密封效果。具體應(yīng)用時(shí)須在模板前端邊緣設(shè)計(jì)環(huán)形角鋼，用以形成施工縫倒角。襯砌臺(tái)車就位前，需將實(shí)心橡膠條預(yù)先粘貼在施工縫倒角上。模板搭接時(shí)應(yīng)保證模板邊緣與施工縫平齊，否則容易出現(xiàn)施工縫混凝土漏漿現(xiàn)象。V型槽消除了襯砌環(huán)向施工縫強(qiáng)度薄弱部位，可減少列車通過時(shí)風(fēng)壓引起的掉塊問題，有利于保證行車安全，并且三角槽深度較小，對襯砌結(jié)構(gòu)影響不大，因此襯砌施工完成后V型槽可不做處理。

圖6 V型槽零搭接原理圖

2.5 堵頭板及止水帶夾具

襯砌臺(tái)車前端通常為依靠鋼管的組合式木板。安裝過程耗時(shí)耗力、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，止水帶缺乏有效支撐，容易發(fā)生漏漿、爆模等施工風(fēng)險(xiǎn)。近年出現(xiàn)的氣囊式堵頭板同樣存在上述問題。堵頭板及止水帶夾具設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致施工縫處混凝土無法振搗，繼而容易出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度不足、脫空等質(zhì)量缺陷。

堵頭板及止水帶夾具需要解決模板強(qiáng)度、止水帶固定方式、超欠挖斷面適應(yīng)、操作便利性等問題。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)研制了伸縮式堵頭板結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)超欠挖斷面，能夠方便地封閉端模和固定止水帶，伸縮式堵頭板的工作原理見圖7。

圖7 堵頭板及止水帶夾具原理圖

人工轉(zhuǎn)動(dòng)快速扳手可實(shí)現(xiàn)橡膠擋板快速上下移動(dòng)，木楔子和支撐桿為橡膠擋板提供支撐反力，抵抗混凝土壓力。施工時(shí)，首先，將中埋式止水帶鋪設(shè)在固定端模上；然后，將橡膠擋板壓緊中埋式止水帶，轉(zhuǎn)動(dòng)快速扳手調(diào)整橡膠擋板的高度，使其上端面壓緊初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，防止漏漿；最后，將木楔子夾入橡膠擋板和支撐桿之間。為防止中埋式止水帶受混凝土擠壓變形，應(yīng)使用橫向加強(qiáng)型止水帶。伸縮式堵頭板及止水帶夾具強(qiáng)度高，解決了固定中埋式止水帶、適應(yīng)超欠挖斷面的問題，操作方便，有利于解決施工縫混凝土掉塊、空洞問題。

2.6 信息采集與控制系統(tǒng)

以往襯砌臺(tái)車主要依靠人工操作，施工盲目性大，施工質(zhì)量難以控制。新型信息化襯砌臺(tái)車采用傳感器測量技術(shù)和PLC技術(shù)研制了信息采集與控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集襯砌施工全過程數(shù)據(jù)，操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行施工，有利于提高襯砌施工的自動(dòng)化、信息化水平，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化施工，保證襯砌質(zhì)量。信息采集與控制系統(tǒng)主界面見圖8。

圖8 信息采集與控制系統(tǒng)主界面

Fig. 8 Main interface diagram of information acquisition and control system

2.6.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要有混凝土澆注狀況、拱頂混凝土壓力、拱頂空洞、搭接監(jiān)測，所有數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)報(bào)表形式保存和上傳。

2.6.1.1 混凝土澆注狀況

混凝土澆注狀況監(jiān)測的信息包括混凝土澆注量、溫度、澆注高度，系統(tǒng)監(jiān)測界面見圖9。

1)混凝土澆注量。通過泵送次數(shù)記錄混凝土實(shí)時(shí)澆注量，與混凝土3D掃描量對比分析，可作為判定拱頂飽滿度的參考。

2)溫度。在臺(tái)車模板中部設(shè)置有溫度傳感器，可監(jiān)測混凝土的入模溫度，確?；炷练腺|(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

3)澆注高度。在臺(tái)車模板中部沿環(huán)向布置有多個(gè)液位傳感器，可實(shí)時(shí)顯示兩側(cè)混凝土澆注高度，便于掌握混凝土澆注進(jìn)度和控制高度差。

2.6.1.2 拱頂混凝土壓力

在臺(tái)車模板頂部沿縱向布置有多個(gè)壓力傳感器，可在封頂過程中監(jiān)測拱頂混凝土壓力變化，借此掌握拱頂澆注進(jìn)度，為確定結(jié)束澆注時(shí)間提供參考。拱頂混凝土壓力監(jiān)測系統(tǒng)界面，見圖10。

圖9 澆注狀況監(jiān)測界面

圖10 頂部壓力監(jiān)測界面

2.6.1.3 拱頂空洞監(jiān)測

拱頂土工布和防水板之間布置有分布式空洞監(jiān)測傳感器。當(dāng)單個(gè)傳感器給出信號(hào)時(shí)，表示對應(yīng)拱頂位置充滿混凝土；當(dāng)所有傳感器給出信號(hào)時(shí)，表明本循環(huán)襯砌拱頂充滿混凝土，系統(tǒng)界面見圖11。

圖11 拱頂空洞監(jiān)測界面

2.6.1.4 搭接監(jiān)測

在臺(tái)車后端模板拱頂和兩側(cè)模板起拱線處布置測距傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測模板與搭接混凝土表面的距離，當(dāng)該距離小于閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警，提醒施工人員緩慢展開模板，系統(tǒng)界面見圖12。

2.6.1.5 數(shù)據(jù)報(bào)表

襯砌施工全過程數(shù)據(jù)可自動(dòng)采集，并以數(shù)據(jù)報(bào)表的形式存儲(chǔ)在信息采集與控制系統(tǒng)內(nèi)，便于用戶后期查閱、分析施工數(shù)據(jù)。

2.6.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括臺(tái)車布料系統(tǒng)、拱頂自動(dòng)振搗系統(tǒng)、行走控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)(見圖13)。選擇進(jìn)入控制系統(tǒng)界面，按下操作平臺(tái)的控制按鈕，襯砌臺(tái)車可按照預(yù)設(shè)的參數(shù)執(zhí)行命令，并在系統(tǒng)界面顯示。

圖12搭接監(jiān)測系統(tǒng)界面

Fig. 12 Interface of lap joint monitoring system

(a) 臺(tái)車布料控制系統(tǒng)界面(b) 拱頂振搗控制系統(tǒng)界面

(c) 行走控制系統(tǒng)界面 (d) 液壓控制系統(tǒng)界面

圖13控制系統(tǒng)

Fig. 13 Control system

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 工程概況

新型信息化襯砌臺(tái)車首次應(yīng)用于新建的張吉懷鐵路吉首隧道，該隧道設(shè)計(jì)速度350 km/h，全長12.162 km，是全線最長隧道，縱坡為人字坡，進(jìn)口段5 km為10‰上坡，出口段7 km為11.8‰下坡。隧道洞身穿越巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)、4處斷層、1處不整合接觸帶，是全線控制性重點(diǎn)工程。

3.2 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證新型信息化襯砌臺(tái)車的應(yīng)用效果，對比分析了多組襯砌施工數(shù)據(jù)，其結(jié)果表明襯砌混凝土整體強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土表面平整光滑，襯砌混凝土開裂、掉塊、脫空現(xiàn)象顯著減少，徹底解決了施工縫開裂、漏漿的問題。同時(shí)，新型信息化襯砌臺(tái)車增大了工作人員的操作空間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率，為保證襯砌施工質(zhì)量創(chuàng)造了條件。現(xiàn)場應(yīng)用中的新型信息化襯砌臺(tái)車見圖14，應(yīng)用效果見圖15。

圖14 襯砌臺(tái)車現(xiàn)場應(yīng)用

圖15 襯砌施工效果

1)新型信息化襯砌臺(tái)車雙跨大凈空結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模板剛度滿足施工需求，勞動(dòng)空間和底部凈空顯著增大，改善了隧道通風(fēng)條件，為研制新型信息化襯砌臺(tái)車奠定了基礎(chǔ)。

2)旋轉(zhuǎn)式對接快速分料系統(tǒng)換管只需單人操作，可在3 min內(nèi)可完成，1環(huán)襯砌混凝土(147 m3)可在10 h內(nèi)完成澆注，顯著縮短了換管時(shí)間降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有效避免了混凝土施工冷縫，具有混凝土澆注施工效率高、安全可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

3)自動(dòng)振搗系統(tǒng)提高了混凝土的密實(shí)度，特別是拱頂襯砌強(qiáng)度不高和空洞問題得到改善，同時(shí)也降低了振搗施工的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是存在插入式振搗棒與鋼筋網(wǎng)干涉的問題。

4)采用V型槽零搭接技術(shù)后，襯砌施工縫整齊光滑，強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，解決了襯砌施工縫酥松、裂紋、掉塊的問題，壓潰混凝土的現(xiàn)象得到控制。

5)堵頭板及止水帶夾具可滿足混凝土澆注壓力要求，有利于保證中埋式止水帶的姿態(tài)，能夠適應(yīng)超欠挖斷面需求，具有強(qiáng)度高、操作方便、勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)。

6)信息采集與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息化、自動(dòng)化施工。信息采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集混凝土實(shí)際澆注量、混凝土溫度和拱頂混凝土壓力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了拱頂空洞檢測和搭接檢測?；炷翝沧⒘颗c3D掃描量基本吻合，誤差可控制在±2.5 m3，見圖16。如圖17所示，拱頂混凝土壓力存在波動(dòng)，隨著混凝土逐漸充滿模板倉，張吉懷鐵路項(xiàng)目測得的壓力值逐漸穩(wěn)定在0.03 MPa，混凝土初凝后，壓力有降低趨勢?；炷翜囟茸兓椒€(wěn)，整體呈線性增加的趨勢，見圖18。根據(jù)混凝土實(shí)際澆注量、拱頂壓力和空洞監(jiān)測結(jié)果，可得到拱頂停止?jié)沧⒒炷恋臅r(shí)機(jī)，其結(jié)果是可靠的?？刂葡到y(tǒng)操作方便，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工，減少人工勞動(dòng)，提高襯砌施工質(zhì)量。

圖16 澆注量監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

Fig. 16 Comparison and analysis of pouring quantity monitoring data

圖17 拱頂混凝土壓力曲線

圖18 混凝土溫度變化圖

4 結(jié)論與討論

襯砌施工質(zhì)量通常是由多種因素綜合作用的，在特定的工藝水平條件下，采用新技術(shù)原理，研發(fā)新型施工裝備，避免傳統(tǒng)襯砌施工裝備的設(shè)計(jì)缺陷和功能不足，提高施工裝備的適應(yīng)性，對于減少襯砌施工質(zhì)量缺陷具有顯著作用。新型信息化襯砌臺(tái)車采用雙跨結(jié)構(gòu)增大了底部空間，改善了操作空間和隧道通風(fēng)條件；旋轉(zhuǎn)式對接快速分料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了混凝土帶壓澆注，換管耗時(shí)短、澆注效率高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度低，提高了襯砌混凝土澆注質(zhì)量，避免了施工冷縫；自動(dòng)振搗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了混凝土自動(dòng)搗固，有利于提高混凝土的密實(shí)度，減少背后脫空現(xiàn)象；V型槽零搭接裝置避免了施工縫頂裂的問題；堵頭板及止水帶夾具提高了端模板的強(qiáng)度，配合橫向加強(qiáng)型止水帶，可減少施工縫混凝土強(qiáng)度不足、脫空的問題；信息采集與控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集襯砌施工數(shù)據(jù)，提高施工決策的科學(xué)性，避免盲目施工，有助于提高襯砌施工質(zhì)量。

襯砌臺(tái)車研制是一個(gè)伴隨著施工理念和技術(shù)進(jìn)步而持續(xù)創(chuàng)新的過程。新型信息化襯砌臺(tái)車自動(dòng)化、信息化施工已經(jīng)取得初步的研究成果，但其自動(dòng)振搗系統(tǒng)仍然存在振搗盲區(qū)，鋼筋干涉問題影響自動(dòng)振搗的實(shí)際應(yīng)用效果，仍需要在更多的工程項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證和完善。