新型智能襯砌臺車在高速鐵路隧道施工中的設(shè)計研究與探索運用

楊君華

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著國家加大對鐵路建設(shè)項目的投資，我國鐵路運營里程逐年增加，在開通鐵路線路中，隧道里程占據(jù)了較大的比重，鐵路隧道風險及病害發(fā)生的次數(shù)也在不斷增大。目前，隧道病害主要表現(xiàn)在襯砌嚴重滲漏水、掉塊、厚度不足；據(jù)統(tǒng)計，占隧道病害的75%以上。這些病害直接危及行車安全，制約著列車的運行速度，阻礙正常的交通運營；另一方面，相對于隧道建設(shè)成本，隧道病害整治的成本要高得多，一旦發(fā)生病害，將會消耗極大的資金、物力和人力成本。通過鐵路隧道襯砌施工成套技術(shù)深化研究，來解決隧道襯砌工裝配套施工，達到安全、優(yōu)質(zhì)、高效目的。

1 高速鐵路隧道襯砌施工現(xiàn)狀分析

2016年年底至2017年年初，在京沈客專開展《鐵路隧道襯砌病害防治成套技術(shù)研究》課題，重點是研究解決隧道拱頂空洞、厚度不足問題，提出了澆筑方式、入料方式、止水帶定位等相關(guān)工藝工裝技術(shù)創(chuàng)新，較以往傳統(tǒng)施工方法相比，有所改觀，類似質(zhì)量病害問題仍然存在，尤其是拱頂脫空、厚度不足問題仍還未徹底解決。

2 新型智能化襯砌臺車總體設(shè)計

2.1 新型智能襯砌臺車總體方案

首先，從設(shè)計理念進行革命，通過橫梁和縱梁形成長方形空間桁架結(jié)構(gòu)，保證襯砌臺車的穩(wěn)定性。擴大了整體作業(yè)空間，與傳統(tǒng)襯砌臺車相比，空間使用率提高了60%，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高了40%，周轉(zhuǎn)使用率提高了40%。在滿足基本功能的前提下，帶壓逐層分倉澆筑系統(tǒng)，拱頂柱塞式氣動振搗、信息化控制、澆筑完成判別標準、搭接端混凝土防壓潰、拱頂防脫空工藝、集成信息監(jiān)控檢測系統(tǒng)，重點卡控過程質(zhì)量，解決隧道襯砌施工混凝土質(zhì)量病害。新型智能襯砌臺車設(shè)計方案如圖1所示。

2.2 自動布料帶壓澆筑系統(tǒng)

通過自主研發(fā)自動旋轉(zhuǎn)布料機，利用管道、輸送泵進行混凝土帶壓分倉澆筑。滿足分層逐窗澆筑的工藝要求，自動布料可以360°旋轉(zhuǎn)，分配給19路分管路進料澆筑。系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，主管路的對接通過油缸伸縮實現(xiàn)。該系統(tǒng)的工作原理見圖2。

圖1 新型智能襯砌臺車總體方案

2.3 拱頂澆筑設(shè)計

拱頂部位的混凝土可通過拱頂混凝土灌注孔輸送。為保證拱頂位置混凝土能夠全部澆筑到位，灌注孔通常布置在拱頂最高位置附近，左右頂部模板具有灌注孔，為提高拱頂混凝土的飽滿度，拱頂采用一空灌注工藝，灌注口采用60°傾角設(shè)計。

2.4 振搗系統(tǒng)

拱頂混凝土首次采用柱塞式氣動振搗器，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動振搗施工，工作原理見圖3，在襯砌臺車拱頂位置布置4排氣動式振搗器，通過控制系統(tǒng)提前設(shè)置相對于振搗器的振搗時間，混凝土澆筑到位以后開啟實施自動振搗。

表1 新型信息化襯砌臺車主要技術(shù)參數(shù)單位：mm

圖2 帶壓灌注自動分料工藝原理圖

圖3 拱頂自動振搗原理圖

2.5 施工縫搭接研究

襯砌臺車接縫搭接采用“V”型零搭接措施；“V”型槽零搭接裝置取消了以往的模板搭接區(qū)域，消除了施工縫強度薄弱區(qū)域，搭接時，使用“V”型橡膠條壓緊施工縫“V”型斜面，有效緩沖壓力沖擊，避免壓潰施工縫，有效消除了搭接混凝土裂縫、掉塊、產(chǎn)生錯臺等質(zhì)量缺陷，同時，也保證了搭接端的密封效果，杜絕澆筑混凝土時端部出現(xiàn)漏漿等現(xiàn)象，保證了端部混凝土澆筑質(zhì)量。

2.6 拱頂防脫空控制系統(tǒng)研究

拱頂防脫空監(jiān)測主要利用安裝在防水板背部安裝分布式壓密傳感帶，傳感帶每間隔800mm設(shè)置一組傳感器，澆筑到拱頂最高點時，由于混凝土的擠壓力啟動傳感器信號輸出，有壓力信號輸出時，控制系統(tǒng)顯示燈從紅色變?yōu)榫G色，即可判定該位置混凝土澆筑飽滿。

2.7 自動檢測系統(tǒng)研究

自動檢測系統(tǒng)采用PLC控制，主要集成了襯砌拱頂壓力檢測、混凝土澆筑狀況檢測、澆筑進度檢測、澆筑混凝土溫度檢測、端部搭接預(yù)警檢測、隧道拱頂防脫空監(jiān)測。

2.8 快速信息評估與控制系統(tǒng)

改善傳統(tǒng)混凝土拱頂混凝土澆筑完全依靠施工經(jīng)驗，利用拱頂預(yù)留注漿孔的排氣孔漏漿作為澆筑結(jié)束的判斷標準，如果預(yù)留注漿孔在施作時，沒有完全頂住巖壁，則會造成拱頂空洞出現(xiàn)。新型智能襯砌臺車采用信息化手段，首次提出了拱頂混凝土澆筑結(jié)束控制標準。主要針對襯砌拱頂壓力、混凝土澆筑狀況、布料換窗、拱頂自動振搗、端部搭接預(yù)警、混凝土入模溫度、液壓控制系統(tǒng)、臺車行走系統(tǒng)的評估。提供數(shù)據(jù)信息，為隧道襯砌施工混凝土澆筑結(jié)束作為判別依據(jù)。

圖4 快速信息評估與控制系統(tǒng)主界面示意圖

3 探索應(yīng)用

（1）有效解決了隧道拱頂空洞缺陷，新型智能襯砌臺車在實際運用中采用了多重措施，有效地解決了隧道拱頂空洞出現(xiàn)。

①采用反斜孔拱頂一次性灌注工藝，灌注拱頂部位的混凝土可通過靠近搭接端設(shè)置的60°傾角灌注口一次性封頂，利用輸送泵擠壓力，使混凝土向堵頭端流動，直至充滿拱頂模板空間。在已襯砌端模板臺車拱頂預(yù)留灌筑斜孔，充分利用混凝土流動性和帶壓澆筑使混凝土反向回流原理，斜孔布角度有利于降阻、減壓效果，逐步使拱頂空隙被混凝土填充，再利用泵送壓力壓注混凝土和振動器振搗作用，逐漸使拱頂空氣排出，達到混凝土密實和飽滿目的。

②新型智能襯砌臺車采用信息化手段首次提出了拱頂混凝土澆筑結(jié)束控制標準。拱頂壓力標準：拱頂混凝土壓力達到0.3MPa后，穩(wěn)定3～5min。防脫空預(yù)警標準：在拱頂防水板與土工布之間埋設(shè)15個壓密傳感器，綠燈亮，表示拱頂澆滿?；炷劣昧繉Ρ葮藴剩簩嶋H澆筑方量=3D斷面掃描方量+0～3m3。改變了傳統(tǒng)混凝土拱頂混凝土澆筑完全依靠施工經(jīng)驗來判斷的弊端。

（2）采用“V”型零搭接襯砌施工縫混凝土壓潰掉塊的缺陷徹底得到解決。

（3）新型襯砌臺車拱頂振搗采用氣動式振搗裝置，替換傳統(tǒng)的電動式附著振搗器，提高振搗效果，有效地解決了拱頂振搗不密實導(dǎo)致掉塊的缺陷。

（4）使用自主研發(fā)的自動旋轉(zhuǎn)布料機，利用管道、輸送泵進行混凝土帶壓分倉澆筑，與溜槽法分倉澆筑相比，每循環(huán)混凝土澆筑時間由12～15小時縮短為8～10小時，效率提高了30%，作業(yè)人員由8人減少到6人，節(jié)約人工25%，采用帶壓入模澆筑，混凝土強度得到了保證，有效地避免了襯砌厚度不足、開裂、滲漏水。

（5）新型智能襯砌臺車建立了隧道襯砌質(zhì)量控制信息化系統(tǒng)。

4 結(jié)語

通過研制新型智能襯砌臺車、創(chuàng)新工藝、研發(fā)技術(shù)、制定相關(guān)標準、建立信息，創(chuàng)造出了國內(nèi)外首臺大凈空智能化襯砌臺車，構(gòu)建了鐵路隧道襯砌質(zhì)量控制體系。通過現(xiàn)場實際運用表明：隧道施工縫質(zhì)量病害已得到了徹底解決，襯砌質(zhì)量病害基本消除，提高了鐵路隧道襯砌標準。新型智能化襯砌臺車目前已在張吉懷、鄭萬、昌景黃等多個鐵路隧道中得到了應(yīng)用。