公路隧道智能襯砌臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)特征與應(yīng)用分析

楊關(guān)飛 馬超 黃曉龍 羅虎 華正仙 司綱 王生玉

摘要 隨著現(xiàn)代隧道襯砌要求的提升，傳統(tǒng)的襯砌臺(tái)車(chē)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此新型隧道襯砌臺(tái)車(chē)成為隧道襯砌施工的必然需求。文章詳細(xì)介紹了襯砌臺(tái)車(chē)的設(shè)計(jì)原理和性能特點(diǎn)，并將其分為簡(jiǎn)易型、全液壓式和網(wǎng)架式襯砌臺(tái)車(chē)三種類(lèi)型；指出襯砌臺(tái)車(chē)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題，如澆筑不平均、振搗不充分和智能化程度低等。對(duì)襯砌臺(tái)車(chē)智能化研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，指出了各系統(tǒng)急需解決的問(wèn)題。依托實(shí)際工程研發(fā)了智能襯砌臺(tái)車(chē)，該襯砌臺(tái)車(chē)包含智能定位系統(tǒng)、智能澆筑振搗系統(tǒng)及視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞 襯砌臺(tái)車(chē)；性能特點(diǎn)；應(yīng)用局限；智能化

中圖分類(lèi)號(hào) U457文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0095-03

0 引言

目前，復(fù)雜和未知的環(huán)境與地質(zhì)條件已經(jīng)成為隧道建設(shè)的常態(tài)，隧道的施工與運(yùn)營(yíng)的難度將會(huì)增加[1]。常規(guī)的施工工藝，會(huì)造成襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，襯砌厚度不夠，襯砌背后空洞，從而導(dǎo)致混凝土脫空、掉塊、裂縫、滲漏水等病害。施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求是導(dǎo)致病害產(chǎn)生的主要原因之一[2-3]。所以，傳統(tǒng)襯砌臺(tái)車(chē)已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代隧道襯砌要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，新型高自動(dòng)化以及智能化的隧道襯砌臺(tái)車(chē)能夠滿(mǎn)足隧道襯砌建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，符合施工技術(shù)要求，新型隧道襯砌臺(tái)車(chē)已經(jīng)成為隧道襯砌施工的必然需求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及各學(xué)科的交叉使用，隧道襯砌臺(tái)車(chē)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多研究人員進(jìn)行了相關(guān)研究。姬海東[4]等通過(guò)數(shù)字化方式對(duì)隧道襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行控制，自動(dòng)化、機(jī)械化地完成隧道襯砌澆筑工作，向著隧道襯砌施工的智能化邁進(jìn)。梁爽[5]通過(guò)對(duì)隧道襯砌臺(tái)車(chē)的計(jì)算以及數(shù)值模擬，對(duì)隧道襯砌臺(tái)車(chē)的應(yīng)用與原理進(jìn)行了研究，并且對(duì)其起到了一定的優(yōu)化效果。

由于傳統(tǒng)澆筑工藝存在一定的缺陷，隧道病害也經(jīng)常發(fā)生，隧道襯砌質(zhì)量也很難保證。隧道襯砌進(jìn)行混凝土施工作業(yè)時(shí)，應(yīng)該及時(shí)地對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。因此，想要保持混凝土的使用時(shí)間以及提高施工過(guò)程中的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)護(hù)的流程以及養(yǎng)護(hù)設(shè)備顯得非常關(guān)鍵。該文總結(jié)了隧道襯砌質(zhì)量缺陷的原因，并且對(duì)新型隧道襯砌臺(tái)車(chē)的構(gòu)成以及在隧道襯砌臺(tái)車(chē)在工程上的應(yīng)用進(jìn)行了概括。

1 襯砌臺(tái)車(chē)類(lèi)型及應(yīng)用局限

1.1 襯砌臺(tái)車(chē)類(lèi)型

1.1.1 簡(jiǎn)易型襯砌臺(tái)車(chē)

隧道施工中，簡(jiǎn)易型隧道襯砌臺(tái)車(chē)作為一種特殊設(shè)備，主要作用是將隧道襯砌塊（如混凝土或鋼板）從工作面運(yùn)輸至襯砌位置，并在襯砌過(guò)程中提供支撐[6-7]。相較于其他類(lèi)型的隧道襯砌臺(tái)車(chē)，簡(jiǎn)易型隧道襯砌臺(tái)車(chē)具有體積小、靈活性高、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，且成本相對(duì)較低[8]。但是其承載能力較小，不能夠滿(mǎn)足大型隧道工程的需求。因此，在一些小型、簡(jiǎn)單的隧道工程中，簡(jiǎn)易型隧道襯砌臺(tái)車(chē)仍然得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著隧道工程越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)隧道襯砌臺(tái)車(chē)的要求也在不斷提高[9]。目前，全液壓式隧道襯砌臺(tái)車(chē)和網(wǎng)架式隧道襯砌臺(tái)車(chē)等新型設(shè)備已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1.1.2 全液壓式襯砌臺(tái)車(chē)

全液壓式襯砌臺(tái)車(chē)是一種高效、智能的隧道襯砌設(shè)備，主要用于隧道襯砌工程的施工。該設(shè)備采用全液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)升降、水平移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等多種功能，能夠快速、準(zhǔn)確地將襯砌塊安裝到預(yù)定位置。全液壓式襯砌臺(tái)車(chē)的操作簡(jiǎn)單、效率高，能夠顯著提高隧道襯砌工程的施工速度和質(zhì)量。

全液壓式襯砌臺(tái)車(chē)通常由車(chē)身、臂架、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部分組成。該設(shè)備的液壓系統(tǒng)采用分塊閥控制，可以分別控制不同部分的動(dòng)作，從而使其動(dòng)作更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確。同時(shí)，全液壓式襯砌臺(tái)車(chē)的液壓系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和無(wú)級(jí)控制等功能。它采用液壓缸控制各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)較大的力矩和穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)性能。施工工序如圖1所示。

1.1.3 網(wǎng)架式襯砌臺(tái)車(chē)

網(wǎng)架式隧道襯砌臺(tái)車(chē)，又稱(chēng)隧道襯砌作業(yè)臺(tái)車(chē)，是一種專(zhuān)門(mén)用于隧道襯砌作業(yè)的特定車(chē)輛，能在隧道內(nèi)部移動(dòng)和進(jìn)行作業(yè)，并且被用于安裝和調(diào)整隧道襯砌的鋼筋和混凝土構(gòu)件。網(wǎng)架式隧道襯砌臺(tái)車(chē)的主要組成部分包括作業(yè)平臺(tái)、導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。其中，作業(yè)平臺(tái)是車(chē)輛的主要工作區(qū)域，由鋼架和網(wǎng)格構(gòu)成，能夠承受工人、設(shè)備和材料的重量，并且提供足夠的空間進(jìn)行作業(yè)。

三種襯砌臺(tái)車(chē)的性能特點(diǎn)如表1所示。

1.2 應(yīng)用局限

襯砌臺(tái)車(chē)作為重要的隧道施工設(shè)備，雖然在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在一些通病，整理如下：

（1）自重較大：襯砌臺(tái)車(chē)的自重較大，給設(shè)備的運(yùn)輸和安裝帶來(lái)困難，特別是復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工。

（2）澆筑不平均：襯砌臺(tái)車(chē)在澆筑混凝土?xí)r，由于混凝土的流動(dòng)性差異或其他原因，可能會(huì)導(dǎo)致澆筑不平均，出現(xiàn)坑洼或凸起等問(wèn)題。

（3）振搗不充分：振搗是混凝土澆筑過(guò)程中必要的步驟，但是由于振搗裝置的設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)，振搗不充分可能會(huì)導(dǎo)致混凝土中存在空洞或空隙等問(wèn)題，影響隧道的安全性。

（4）智能化程度低：目前的襯砌臺(tái)車(chē)智能化程度較低，大部分襯砌臺(tái)車(chē)的操作都需要人工干預(yù)，自動(dòng)化程度較低，增加了人力成本和操作風(fēng)險(xiǎn)，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代隧道施工對(duì)設(shè)備智能化、自動(dòng)化的需求。

這些通病不僅影響了襯砌臺(tái)車(chē)的施工效率和施工質(zhì)量，還限制了其在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用。因此，針對(duì)這些問(wèn)題需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高襯砌臺(tái)車(chē)的自動(dòng)化程度和工作效率，減少操作風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高隧道工程的施工質(zhì)量和安全性。

2 智能化襯砌臺(tái)車(chē)研發(fā)與應(yīng)用

2.1 工程背景

萬(wàn)里溝隧道進(jìn)口位于青海省尖扎縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)為分離式雙線隧道，萬(wàn)里溝隧道左線長(zhǎng)3 670 m，右線長(zhǎng)3 689 m，二襯均采用防水等級(jí)為P8的C30防水混凝土。針對(duì)普通臺(tái)車(chē)門(mén)架通過(guò)面積小、混凝土澆筑過(guò)程中臺(tái)車(chē)易變形或下沉、環(huán)向中埋止水帶不居中、混凝土澆筑一孔灌到頂、隨意振搗或過(guò)度振搗等問(wèn)題，依托該工程改進(jìn)臺(tái)車(chē)模架，安裝信息化系統(tǒng)設(shè)備，以確保二次襯砌的施工質(zhì)量。

2.2 襯砌臺(tái)車(chē)智能定位系統(tǒng)

在混凝土灌注過(guò)程中，存在混凝土壓力過(guò)大，造成臺(tái)車(chē)變形或下沉的情況。為此研發(fā)了襯砌臺(tái)車(chē)智能定位監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。解決了隧道臺(tái)車(chē)在安裝及使用過(guò)程中靠經(jīng)驗(yàn)、感覺(jué)施工的問(wèn)題，采用數(shù)字化、智能化、方便快捷的方法，進(jìn)行臺(tái)車(chē)定位及施工，避免襯砌環(huán)向施工縫開(kāi)裂。

該智能定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定位臺(tái)車(chē)模板到混凝土襯砌表面的徑向距離，通過(guò)粗調(diào)和精調(diào)定位，智能報(bào)警顯示，指導(dǎo)臺(tái)車(chē)精確定位；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)車(chē)定位時(shí)的壓緊程度及接觸壓力，指導(dǎo)臺(tái)車(chē)定位，避免壓裂襯砌混凝土；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯砌施工時(shí)臺(tái)車(chē)模板的變形程度，及時(shí)掌握臺(tái)車(chē)變形情況，指導(dǎo)及時(shí)對(duì)臺(tái)車(chē)進(jìn)行整形和再加工，及時(shí)監(jiān)控混凝土施工的過(guò)程和速度等優(yōu)勢(shì)。該定位系統(tǒng)安裝后改進(jìn)了施工質(zhì)量，避免了環(huán)向施工縫缺陷。

2.3 襯砌臺(tái)車(chē)智能澆筑振搗系統(tǒng)

混凝土振搗管理信息系統(tǒng)是解決隧道襯砌因未振搗導(dǎo)致的不密實(shí)、強(qiáng)度不足、混凝土不流動(dòng)的一種非常有效的設(shè)備管理系統(tǒng)。HoJa-380混凝土振搗管理信息系統(tǒng)是基于隧道襯砌施工振搗技術(shù)和管理而開(kāi)發(fā)的一種智能管理系統(tǒng)，既方便施工人員使用，也方便項(xiàng)目部加強(qiáng)對(duì)施工人員的管理和監(jiān)督，有利于提升施工質(zhì)量，完善施工管理（如圖3所示）。HoJa-380振搗管理信息系統(tǒng)分為電動(dòng)版（E型）和氣動(dòng)版（A型），分別用于電動(dòng)振搗器和氣動(dòng)振搗器。

該智能澆筑振搗系統(tǒng)可自行根據(jù)圍巖等級(jí)和混凝土厚度設(shè)計(jì)振搗時(shí)間、振搗次數(shù)等，且對(duì)振搗全過(guò)程進(jìn)行記錄，記錄振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)次數(shù)等，能夠避免漏振，且由屏幕動(dòng)態(tài)顯示。此外，還具有操作安全方便、節(jié)省人力成本等優(yōu)勢(shì)。

2.4 襯砌臺(tái)車(chē)智能監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由探針式監(jiān)測(cè)器及電腦處理系統(tǒng)兩大部分組成，探針式監(jiān)測(cè)器設(shè)置包括主攝像頭、兩側(cè)攝像頭、混凝土實(shí)時(shí)高度檢測(cè)模板的集成監(jiān)測(cè)器。使用時(shí)從端頭模處頂部插入，混凝土達(dá)到厚度后會(huì)自動(dòng)報(bào)警，抽出檢測(cè)器即可。鋼管內(nèi)有電池供電，可采用電池供電或者外接電源供電。電腦處理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻顯示，分窗記錄主側(cè)、兩側(cè)攝像頭的實(shí)時(shí)圖像以及混凝土實(shí)時(shí)高度。視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.5 工程應(yīng)用效益

襯砌臺(tái)車(chē)研發(fā)成功后應(yīng)用于萬(wàn)里溝隧道，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，大幅縮短了隧道施工循環(huán)周期。二次襯砌全工序（含防水卷材鋪設(shè)、止水帶安裝、鋼筋安裝、模板安裝、澆筑混凝土）施工循環(huán)周期為3.5 d（12 m/循環(huán)），較傳統(tǒng)工藝的6 d減少2.5 d，且能保證施工進(jìn)度和質(zhì)量效益雙贏。集成信息化系統(tǒng)襯砌臺(tái)車(chē)，12 m/循環(huán)，全工序施工班組人員由傳統(tǒng)工藝的12人減少到6人，減員50%。機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人效果，實(shí)現(xiàn)從根源上降低人員安全風(fēng)險(xiǎn)隱患和施工成本的目標(biāo)。初步預(yù)估項(xiàng)目完工后，每套新型臺(tái)車(chē)可直接節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本200萬(wàn)元以上。

3 結(jié)論

（1）襯砌臺(tái)車(chē)根據(jù)其設(shè)計(jì)原理及性能特點(diǎn)可分為簡(jiǎn)易型襯砌臺(tái)車(chē)、網(wǎng)架式襯砌臺(tái)車(chē)及全液壓式襯砌臺(tái)車(chē)。簡(jiǎn)易型襯砌臺(tái)車(chē)具有較低的制造成本和操作難度，適用于一些簡(jiǎn)單隧道工程。然而，由于依賴(lài)于人工操作，其施工效率較低且受限于人力的局限性。網(wǎng)架式襯砌臺(tái)車(chē)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，適用于大多數(shù)隧道工程。全液壓式襯砌臺(tái)車(chē)適應(yīng)不同類(lèi)型和尺寸的隧道襯砌，具有自動(dòng)化的特點(diǎn)，能夠提高施工效率和工作安全性，減少人工操作的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）襯砌臺(tái)車(chē)作為一個(gè)重要的隧道施工設(shè)備，雖然在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在如自重較大、澆筑不平均、振搗不充分及智能化程度低等通病。

（3）依托實(shí)際工程研發(fā)了智能襯砌臺(tái)車(chē)，該襯砌臺(tái)車(chē)包含智能定位系統(tǒng)、智能澆筑振搗系統(tǒng)及視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，縮短了施工周期，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了成本。

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