自動(dòng)噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車應(yīng)用研究

彭 偉

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 廊坊 065201）

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有隧道施工過(guò)程中針對(duì)二襯混凝土養(yǎng)護(hù)多采用人工噴淋的方式，在實(shí)際應(yīng)用中存在以下缺陷：①勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，需人工操作接管、拖拽管路等；②養(yǎng)護(hù)作業(yè)不規(guī)范，養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)方式隨意性較大；③養(yǎng)護(hù)水取自地下自然水，水溫較低且水溫?zé)o法調(diào)節(jié)，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)水溫與二襯混凝土表面溫差較大，養(yǎng)護(hù)效果不理想；④用水量大，噴灑不均勻，造成水資源等嚴(yán)重浪費(fèi)。

隧道施工過(guò)程中對(duì)混凝土進(jìn)行及時(shí)、有效的養(yǎng)護(hù)是保證隧道砌襯混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和耐久性的一個(gè)重要因素。養(yǎng)護(hù)不及時(shí)、不充分或養(yǎng)護(hù)天數(shù)不夠都將影響砌襯混凝土的施工質(zhì)量和性能。根據(jù)相關(guān)施工規(guī)范和相關(guān)要求，混凝土必須配置養(yǎng)護(hù)裝置，首次保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間控制在脫模后2h內(nèi)，砌襯混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14 天，高溫地區(qū)應(yīng)當(dāng)增加養(yǎng)護(hù)的頻率和天數(shù)。在實(shí)際施工作業(yè)中，通常認(rèn)為長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)溫度較恒定，且洞內(nèi)空氣有一定濕度，混凝土的養(yǎng)護(hù)問(wèn)題沒(méi)有得到足夠的重視，使得養(yǎng)護(hù)工序控制比較困難。目前國(guó)內(nèi)隧道工程大多以傳統(tǒng)的人工養(yǎng)護(hù)為主，人工養(yǎng)護(hù)需要投入較多的人力物力，同時(shí)該方式存在非常明顯的不足，存在對(duì)砌襯混凝土表面狀況缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控而致使養(yǎng)護(hù)不充分、不合理的情況存在，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)表面裂紋甚至強(qiáng)度不足等質(zhì)量缺陷。

為此，中鐵隧道局集團(tuán)有限公司開展《噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車》的專項(xiàng)研究，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)需求分析、市場(chǎng)調(diào)研和施工背景的研究，確定以二處赤喀客專項(xiàng)目部一分部為依托工程，采用噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車進(jìn)行噴霧養(yǎng)護(hù)。

1 工程概況

新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路位于蒙東地區(qū)的赤峰與遼寧省西部朝陽(yáng)市，沿線經(jīng)過(guò)朝陽(yáng)市喀左縣和建平縣、赤峰市寧城縣、喀喇沁旗、元寶山區(qū)、紅山區(qū)和松山區(qū)。線路自京沈客?？ψ笳疽觯鼐€設(shè)建平站、寧城站、平莊西站，終至赤峰西站。

正線線路長(zhǎng)度157.375km，其中遼寧省境內(nèi)54.845km，內(nèi)蒙古境內(nèi)約102.53km。本工程的實(shí)施可強(qiáng)化東北快速客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化快速客運(yùn)網(wǎng)布局，延伸快速客運(yùn)網(wǎng)服務(wù)半徑，對(duì)于保障“振興東北老工業(yè)基地”戰(zhàn)略的順利實(shí)施具有重要意義。

以赤喀客專CFSG-2 標(biāo)段天秀山隧道1#斜井隧道的相關(guān)技術(shù)要求及數(shù)據(jù)參數(shù)為依據(jù)，天秀山隧道全長(zhǎng)9 072m，設(shè)2 座雙車道無(wú)軌運(yùn)輸斜井（1 號(hào)斜井881m，縱坡11%；2 號(hào)斜井837m，縱坡10.5%，后期做避難所使用），地質(zhì)以白云巖為主，隧道穿越8 個(gè)斷層，進(jìn)口端有1 150m 設(shè)中心深埋水溝，出口端有732m 設(shè)中心深埋水溝；楚家溝隧道：440m，以白云巖為主；車杖子隧道：420m，其最大埋深約24m，以泥灰?guī)r為主，其仰拱及襯砌完成后的施工斷面如圖1 所示。

圖1 施工斷面

2 總體方案及工作原理

2.1 總體方案

1)技術(shù)方案 噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車整體設(shè)計(jì)依據(jù)為項(xiàng)目隧道斷面邊界條件、相關(guān)施工規(guī)范和集團(tuán)公司文件要求，根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車總體方案如圖2（a）所示，產(chǎn)品實(shí)物效果見(jiàn)圖2（b）所示。

圖2 噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車總體方案

2)整體結(jié)構(gòu) 根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)為全斷面拱形桁架結(jié)構(gòu)，鋪軌行走，應(yīng)用電纜卷盤輔助持續(xù)提供電力供應(yīng)，大小水箱配合儲(chǔ)水與加熱，經(jīng)由水路系統(tǒng)、霧化噴頭，噴灑于混凝土上進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)。結(jié)構(gòu)部分主要由骨架部分、行走部分、電纜卷筒，加熱裝置、電控箱以及水路系統(tǒng)等組成。

3)工作原理 根據(jù)養(yǎng)護(hù)作業(yè)施工規(guī)范和集團(tuán)公司下發(fā)的相關(guān)文件要求，隧道二襯混凝土養(yǎng)護(hù)期不能少于14 天，按襯砌一組12m 需要2.5 天計(jì)，保證14 天養(yǎng)護(hù)時(shí)間需要養(yǎng)護(hù)臺(tái)車在不少于70m 范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)養(yǎng)護(hù)作業(yè)。養(yǎng)護(hù)臺(tái)架工作原理具體為通過(guò)鋪設(shè)的軌道、電纜卷盤、行程開關(guān)等，使臺(tái)車在設(shè)定區(qū)間、時(shí)間內(nèi)自動(dòng)往復(fù)行走。水路系統(tǒng)經(jīng)過(guò)加熱后，通過(guò)設(shè)置在仿形拱架上的噴頭噴灑于混凝土上，由溫濕度傳感器調(diào)整小水箱水溫，噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車工作流程見(jiàn)圖3 所示。

圖3 噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車作業(yè)流程圖

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 電氣控制要求

1)養(yǎng)護(hù)臺(tái)車行走速度連續(xù)可調(diào)，以保證養(yǎng)護(hù)效果。

2)可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)臺(tái)車的自動(dòng)往復(fù)行走，且往復(fù)行走次數(shù)可調(diào)。

3)養(yǎng)護(hù)水溫保證與混凝土面的溫差不能超過(guò)15℃。

4)當(dāng)混凝土表面濕度低于設(shè)定下限值時(shí)養(yǎng)護(hù)臺(tái)車自動(dòng)啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)。

2.2.2 電氣動(dòng)作邏輯

在設(shè)備啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)前先要進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到混凝土表面濕度低于系統(tǒng)設(shè)定的下限值，且混凝土表面溫度和養(yǎng)護(hù)水溫的溫差小于15℃時(shí)，設(shè)備才會(huì)啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)，兩個(gè)條件任何一個(gè)條件不滿足設(shè)備都會(huì)自動(dòng)禁止啟動(dòng)。

當(dāng)檢測(cè)到混凝土表面溫度和養(yǎng)護(hù)水溫的溫差大于15℃時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)加熱裝置給水溫加熱，直到混凝土表面溫度和養(yǎng)護(hù)水溫溫差小于10℃后設(shè)備才會(huì)啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)。在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中一旦檢測(cè)到混凝土表面溫度和養(yǎng)護(hù)水溫溫差大于15℃，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停機(jī)進(jìn)行加熱，直到溫度滿足條件后再次啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)。圖4 為電氣動(dòng)作邏輯圖。

圖4 電氣動(dòng)作邏輯圖

一個(gè)養(yǎng)護(hù)作業(yè)周期完成后，設(shè)備會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的停機(jī)時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)停機(jī)（待機(jī)），待設(shè)定間隔時(shí)間度過(guò)后，設(shè)備將再次自動(dòng)啟動(dòng)，檢測(cè)養(yǎng)護(hù)里程內(nèi)的混凝土表面濕度，當(dāng)檢測(cè)到混凝土表面濕度均值低于系統(tǒng)設(shè)定值后，設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)噴霧養(yǎng)護(hù)；當(dāng)檢測(cè)到混凝土表面濕度均值在規(guī)定范圍內(nèi)，則停止噴霧養(yǎng)護(hù)，待下一個(gè)停機(jī)時(shí)間間隔完成后，設(shè)備重新啟動(dòng)，再次檢測(cè)。

2.2.3 電氣控制說(shuō)明

養(yǎng)護(hù)臺(tái)車的電氣系統(tǒng)是按三相交流電源設(shè)計(jì)的，其電源電壓為380V，頻率為50Hz。

養(yǎng)護(hù)臺(tái)車采用可編程控制器（PLC）、觸摸屏與變頻器通訊控制，可編程控制器、觸摸屏和變頻器電源分別為AC22V、DC24V 和AC380V。接觸器的線圈電壓為AC220V，中間繼電器線圈電壓為DC24V?？删幊炭刂破鳎≒LC）、變頻器、接觸器和中間繼電器安裝在電控箱內(nèi)部，在電控箱面板上安裝有觸摸屏和控制按鈕以方便控制操作。養(yǎng)護(hù)臺(tái)車上裝有行走電機(jī)、水泵、水箱加熱棒、液位傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和限位開關(guān)。

3 臺(tái)車結(jié)構(gòu)有限元分析

養(yǎng)護(hù)臺(tái)架選用材料為Q235，下部主骨架使用100mm×5mm 方管，拱架部分使用?38mm×4mm 圓管和40mm×2mm 方管，臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖如下圖5 所示。采用Midas 建模如圖6 所示。

圖5 臺(tái)車結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 Midas建立模型

建模后添加邊界條件及荷載?？勺兒奢d：在臺(tái)架中部加載100kg 力；永久荷載：永久荷載即結(jié)構(gòu)自重，Midas 軟件自動(dòng)計(jì)算，系數(shù)取-1.2；荷載組合：1.2 倍永久荷載+1.4 倍可變荷載。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：最大變形10.1mm，滿足剛度要求。

整體應(yīng)力計(jì)算得：最大應(yīng)力90.7MPa＜210MPa，滿足GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求最大應(yīng)力[s]=210MPa。計(jì)算說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足實(shí)際使用要求。

局部應(yīng)力計(jì)算得：前部拱架最大應(yīng)力90.6MPa，后部拱架最大應(yīng)力90.7MPa。

采用Midas 屈曲分析模塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析，設(shè)置自重荷載為不變量，可變荷載為變量，其屈曲模態(tài)特征值如圖7 所示，即在29.3 倍可變荷載的情況下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)，其特征值較大，穩(wěn)定性較好。其失穩(wěn)狀態(tài)見(jiàn)圖8 所示，拱架會(huì)發(fā)生側(cè)部失穩(wěn)。

圖7 屈曲模態(tài)特征值

圖8 拱架失穩(wěn)狀態(tài)示意

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2018 年6 月，首套設(shè)備運(yùn)抵中鐵隧道二處赤峰至喀左鐵路CFSG-2 標(biāo)，2018 年6 月開始安裝，當(dāng)月完成洞內(nèi)安裝及調(diào)試；2018 年6 月24日～2018 年11 月15 日為設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，在此期間對(duì)設(shè)備各部件功能進(jìn)行了檢驗(yàn)，共試驗(yàn)5 個(gè)月，設(shè)備共計(jì)完成34 個(gè)循環(huán)的噴淋養(yǎng)護(hù)作業(yè)，累計(jì)養(yǎng)護(hù)工長(zhǎng)度約412m，噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段整體運(yùn)行狀態(tài)良好，養(yǎng)護(hù)施工效率高，操作簡(jiǎn)單，可靠性、安全性高，能夠滿足鐵路噴淋養(yǎng)護(hù)的要求（圖9）。

圖9 產(chǎn)品應(yīng)用照片

如圖10 所示，在整體數(shù)據(jù)的分布上，左側(cè)噴霧養(yǎng)護(hù)對(duì)砌襯混凝土強(qiáng)度的提升效果最為明顯，噴霧養(yǎng)護(hù)的拱頂位置效果次之，流水養(yǎng)護(hù)的右側(cè)位置效果相對(duì)較差，其中左側(cè)噴霧養(yǎng)護(hù)位置混凝土強(qiáng)度平均值為46.50MPa，右側(cè)流水養(yǎng)護(hù)位置混凝土強(qiáng)度平均值43.59MPa，拱頂噴霧養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度平均值為44.67MPa，左側(cè)位置較右側(cè)位置高出6.7%。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況發(fā)現(xiàn)，左側(cè)位置噴霧養(yǎng)護(hù)最為均勻，拱頂位置由于氣流擾動(dòng)，霧化效果稍差于左側(cè)，而右側(cè)位置的流水養(yǎng)護(hù)均勻度不及拱頂及左側(cè)，綜上所述，噴霧養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度有明顯的提升效果。

圖10 天秀山隧道正洞二襯混凝土回彈強(qiáng)度折線圖

5 結(jié)語(yǔ)

以方案設(shè)計(jì)—理論支撐—現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為敘述主線，重點(diǎn)論述了解決隧道二襯養(yǎng)護(hù)應(yīng)用的主要思路與初步試用效果。通過(guò)自動(dòng)噴霧養(yǎng)護(hù)臺(tái)車的使用，提高了隧道二襯的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，降低了勞動(dòng)力的投入和使用，提高了現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化施工水平，并且噴霧大大提高了水資源的利用率，節(jié)省了水的使用，產(chǎn)生了良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)保效果。在后續(xù)的研究或使用中，還需要在現(xiàn)場(chǎng)施工組織與設(shè)備配置方面做進(jìn)一步優(yōu)化、總結(jié)與探討。