自動布料帶壓澆筑智能襯砌臺車施工技術研究

姜 軍 郭寶庫 林 毅

（中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024）

1 引言

進入本世紀后，鐵路尤其是高速鐵路的設計理論和施工技術有了大幅度提升，我國鐵路進入高速建設期，尤其是高速鐵路如雨后春筍般遍地開花。大量線路開始穿越修建困難的重山區，隧道長度占比越來越大，隧道斷面越來越大。隧道開挖支護施工的機械化程度也逐步提高，甚至已經使用了智能裝備，如全電腦三臂鑿巖臺車、智能濕噴機械手等。但隧道二次襯砌仍普遍采用整體式鋼模臺車進行二次襯砌澆筑，受設備自身的缺陷限制，出現了大量的質量缺陷，如混凝土冷縫、離析、振搗不密實、施工縫附近混凝土頂裂、拱頂空洞等質量缺陷［1-2］。嚴重影響了鐵路的運營安全。

二次襯砌施工經歷了人工立模、簡易模板臺架、網架式襯砌臺車、全液壓自動行走襯砌臺車等階段［3］，襯砌臺車通過一系列技術研究［4-11］，襯砌混凝土施工質量得到了提升，但存在施工工藝復雜，工序接口較多，質量控制人為因素較大，造成隧道二次襯砌施工質量不易控制。

本文結合羅家山隧道應用的自動布料帶壓澆筑智能襯砌臺車，對施工工藝進行深入研究，盡最大可能發揮該設備先進的功能，有效解決了施工質量通病。

2 工程背景

羅家山隧道全長10 640 m，采用“三平導+一斜井+一橫洞+一泄水洞”輔助坑道方案，隧址區巖溶發育，可溶巖段長6 905 m占隧道總長的64.9%，存在突水突泥、斷層破碎帶、巖溶、順層、偏壓、危巖落石、高地溫等不良地質，為Ⅰ級風險隧道。其中羅家山隧道泄水洞工區承擔正洞2 070 m施工任務，同時為鄭萬全線加強型機械化配套試驗點，全工序采用工裝配置依次為：全電腦三臂鑿巖臺車、多榀拱架安裝臺車、濕噴機械手、自行式仰拱棧橋、防水板及二襯鋼筋安裝臺架、自動布料帶壓澆筑智能襯砌臺車（以下簡稱智能襯砌臺車）、自動養護臺車、溝槽模板臺車等，全工序機械化工裝的配置，形成了“一洞九線”流水化作業生產線。

3 臺車技術特點及新技術應用

3.1 臺車技術特點

智能襯砌臺車結構主要包括模板、門架、輸送管路、行走機構、混凝土輸送泵、滑移軌道系統、自然澆筑系統、帶壓灌注系統及高頻氣動振動系統等，如圖1所示。臺車具體參數見表1。

圖1 智能襯砌臺車示意

表1 智能襯砌臺車性能參數

3.2 新技術應用

3.2.1 雙灌注技術

智能襯砌臺車采用雙灌注技術，如圖2所示。

圖2 智能襯砌臺車灌注系統

下灌注系統采用機械手臂分層逐窗自然流下澆筑，避免了以往施工中人工頻繁移動滑槽，不能實現逐窗入模澆筑的弊端。采用機械手臂施工，澆筑管口直接伸入到窗口內，移動靈活方便。

上灌注系統采用伸縮輸送管+橡膠密封結構，實現拱頂澆筑的輕松對接，同時合理的窗口布置實現水平壓入帶壓澆筑，運用“拱頂部水平壓入澆筑工法”實現帶壓澆筑。

上澆筑系統與下澆筑系統的快速切換，如圖3所示。具有防泄露、防堵管、快速清洗的功能，一套管路兩套機構的應用，能夠實現輕松切換。通過“高壓風+清洗球”進行管路清洗，清洗速度快，效果好。

圖3 雙系統切換

3.2.2 高頻氣動振動技術

目前國內大多采用電動振動器，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，通過高頻氣動振動器，優化設計臺車主體及模板結構，從而解決混凝土密實問題。

通過在羅家山隧道現場試驗，試驗參數見表2。在襯砌臺車模板布置高頻氣動振動器，如圖4所示。對混凝土密實振搗效果進行分析，振搗效果如圖5所示，電動振搗與氣動振搗相比，混凝土氣泡數量明顯減少，振搗質量提升明顯。高頻氣動振動器設置如圖6所示。

表2 氣動振動器試驗參數

圖4 高頻氣動振動器在臺車上的試驗

圖5 振搗效果對比

圖6 高頻氣動振動器設置

3.2.3 軟搭接技術

智能化二襯臺車通過創新和優化，采用接近開關，配合橡膠緩沖材料，實現精準軟搭接，既能保證臺車帶模澆筑時的整體密封性能，又能防止模板位移導致的對搭接處混凝土造成損壞，從而保證搭接處混凝土的質量。

3.2.4 灌注壓力管理技術

利用智能傳感器，實現灌注壓力的全方位檢測，實時監控施工全過程。

（1）臺車澆筑

能夠實時顯示澆筑時臺車內混凝土的狀態和澆筑方量，從而對整個澆筑過程進行過程監控。

（2）拱頂灌注

通過拱頂壓力傳感器，以及防水板低洼處預埋的電極反饋裝置來監測拱頂混凝土是否灌滿。當預埋電極反饋裝置短路給出接通信號或壓力傳感器讀數大于或等于設定值時，從而判定拱頂混凝土已灌滿。

3.2.5 信息化技術

襯砌臺車采用了信息集成傳輸系統，通過智能感應器，讀取襯砌混凝土澆筑過程中的各項參數，參數上傳至臺車電腦后進行匯總分析，實時顯示混凝土灌注方量、灌注壓力、實時混凝土液位及入模溫度，同時根據混凝土灌注飽滿度確定混凝土停止澆筑時間，并對現場異常情況及時報警提醒?；炷翝仓戤?，襯砌臺車根據混凝土最后澆筑完成時間設定臺車脫模時間，確保襯砌臺車在保證混凝土強度的情況下盡早脫模，提高臺車的利用效率，混凝土振搗系統如圖7所示。

圖7 振搗系統界面

實時灌注流量及總量通過混凝土流量計進行測量統計；混凝土的預澆筑方量可通過車載式3D自動掃描儀或激光斷面儀測量；預埋溫度傳感器，記錄入模溫度，讀取混凝土芯部和表面的溫度，見圖8。

圖8 溫度顯示

4 施工工藝

4.1 工藝原理及流程

臺車采用雙灌注系統，下灌注系統采用自然分層逐窗澆筑混凝土，并通過高頻氣動振動器代替人工振搗，上灌注系統采用帶壓灌注系統灌注混凝土，并利用安裝在拱頂的智能壓力感應器及反饋裝置監測拱頂混凝土密實度，確定混凝土停止澆筑時間。襯砌臺車集成了智能感應器及信息集成傳輸系統，通過智能感應器與信息化系統的完美配合實時反映襯砌施工情況，從而進一步指導現場襯砌混凝土施工。

智能襯砌臺車二襯施工工藝流程如圖9所示。

圖9 智能襯砌臺車施工工藝流程

4.2 工序要點

4.2.1 初支檢測

在隧道襯砌施工之前，先由測量組每3 m一個斷面，采用全站儀對隧道初支斷面凈空測量，對隧道凈空進行檢查并將測量成果上報，提前對侵限部分鑿除處理，完成后進行復測，現場驗收合格后進行下一道工序。

4.2.2 土工布、防水板掛設、鋼筋施工

土工布、防水板掛設及鋼筋安裝采用防水板襯砌鋼筋全自動一體機，由2名作業人員配合操作，通過一體機快速準確地掛設土工布與防水板，將土工布、防水板固定牢固，且松弛率、防水板焊接質量滿足規范要求。土工布、防水板掛設完畢，作業人員安裝襯砌鋼筋保護層墊塊，采用擠壓套筒連接環向襯砌鋼筋，最后采用一體機將環向、縱向鋼筋綁扎固定到位。

4.2.3 預埋槽道定位、檢查

在混凝土澆筑前，作業人員安裝隧道預埋槽道，預埋槽道安裝完畢，由現場技術人員對照設計圖紙對槽道安裝情況進行檢測復核，避免出現槽道漏埋、安裝錯誤等問題。

4.2.4 襯砌臺車定位

襯砌臺車定位由測量組指揮操作手橫移或升降油缸，使臺車模板中線精確對準隧道中線，并根據測量員測量襯砌臺車頂模兩側模板鉸接位置的平面位置及標高校核尺寸繼續操作油缸，使整個頂模調整到符合尺寸位置，關閉油缸截止閥；根據測量員校核尺寸操作邊模油缸，使邊模調整至要求位置后關閉油缸截止閥防止移動；操作角模油缸調整角模至要求位置。

4.2.5 施作止水帶、氣囊封閉端頭

（1）襯砌臺車封端采用氣囊進行封閉，與傳統的施工工法相比，封端氣囊與初支面密貼性更好，減少了混凝土外漏的情況。同時采用氣囊封端避免了用木板封端時反復切割木板造成的人工、材料的浪費。氣囊操作簡便，減少了勞動力的投入，降低了施工風險。

（2）襯砌臺車后端設置了光電感應機械接近開關，配合緩沖材料發泡橡膠墊、梯型橡膠條緩沖密封，實現精準軟搭接，避免損壞已完成襯砌。發泡橡膠墊固定到臺車上，梯形橡膠固定到隧道上，瓦斯釘斜著打入凹槽內部，如圖10所示。

圖10 軟接搭應用示意

4.2.6 下灌注系統自然澆筑

襯砌臺車下灌注系統是自然流下澆筑系統，采用“6自由度+”機器人手臂設計。機械手臂通過設置在臺車中部的滑移軌道系統進行水平回轉和縱向滑移，從而實現機械手臂的精準定位，將機械手臂出料口精確穩定地伸入到各個澆筑窗口，實現襯砌混凝土分層逐窗澆筑。混凝土澆筑時由1名作業人員觀察電腦顯示器混凝土液位及臺車狀況，及時調整混凝土澆筑速度。同時襯砌臺車留出足夠的行車限界，鑿巖臺車、混凝土罐車及出渣車輛可順利通過，見圖11，臺車泵送砼示意見圖12，下灌注澆筑系統如圖13所示。

圖11 下灌注系統現場布置示意

圖12 臺車泵送砼示意

圖13 下灌注系統澆筑示意

襯砌臺車采用高頻氣動振動器，下灌注系統在混凝土澆筑時，開啟高頻氣動振動器，保證混凝土得到充分搗固。1.5萬轉以上的超高振動頻率，用于襯砌混凝土施工具有良好的排氣性能，頻率無極可調，通過氣量來調整轉數及激振力，振幅是相同振搗力電動振動器的1／3，同時加速越過模板自身共振頻率，較少損害模板；輻射范圍大，減少了振動器的使用數量，壽命長，可達10年，堅固耐用，擾動器效果對比見表3。

表3 電動振動器和氣動振動器的對比

4.2.7 上灌注系統帶壓灌注

上灌注系統由混凝土輸送管、液壓系統、轉向結構組成。灌注系統通過摁下無線操控器三個方向控制鍵實現混凝土輸送管在隧道環向的“左中右”三向精準定位，操作簡便，定位準確。混凝土輸送管采用滑移軌道系統進行縱向平移，輸送管道移動前通過液壓油缸將輸送管降至最低，隨后輸送管進行縱向平移，平移到位后，通過液壓油缸將混凝土輸送管頂升到位，實現輸送管道與灌注窗口的準確對接。上灌注系統采用封閉的混凝土管路系統，保證出料端有一定的壓力值，通過混凝土帶壓入模，實現了混凝土帶壓澆筑。

4.2.8 參數監測

（1）實時灌注流量及總量通過混凝土流量計進行測量統計。

通過混凝土流量計，在混凝土澆筑過程中及時讀取數據，將其上傳至臺車電腦，實時顯示已澆筑混凝土方量，與本次襯砌混凝土總方量對比，計算出當前襯砌未澆筑混凝土方量，指導拌和站合理拌料，減少混凝土的浪費。

（2）實時反映臺車作業狀況

智能傳感器將檢測數據實時上傳電腦，通過電腦可查看混凝土液位，襯砌臺車是否偏壓，監測拱頂混凝土灌注飽滿度、監測混凝壓力是否超過臺車模板承載力，確?；炷翝仓鳂I正常有序進行。

5 應用效果

5.1 施工效率提升

智能化二襯臺車通過雙澆筑系統，極大地提升了施工效率，羅家山隧道12 m襯砌采用傳統襯砌臺車澆筑混凝土需要12 h，采用智能二襯臺車只需8 h即可完成。同時管路布置簡單、清洗方便。新技術的應用取得了較好的效果，現場應用如圖14所示。

5.2 施工質量得到提高

智能化襯砌臺車通過優化設計臺車主體及模板結構，采用高頻氣動振動技術，以往混凝土振搗不到位、拱頂無法振搗問題得到解決，混凝土密實性好，避免襯砌混凝土振搗不當出現骨料堆積，減少襯砌混凝土表面水紋氣泡，保證襯砌混凝土外觀質量。

圖14 現場應用照片

5.3 節約勞動力

智能化襯砌臺車施工作業，無需人工進行振搗，雙澆筑系統智能遙控分層分窗澆筑，僅需1個操作手可完成整機布料，節約勞動力，大幅度提高生產效率。

5.4 智能化程度高

臺車自身具有數據采集和傳輸功能，相關數據自動記錄上傳管理平臺，同時具備異常數據報警和數字分析，從而通過后臺實現對整個混凝土灌注的全過程監控。

5.5 避免了質量通病

采用軟搭接技術及光電傳感技術，配合特殊材料，實現襯砌軟搭接，避免損壞已施工完成的襯砌，通過槽口可以釋放環向、縱向壓力和拉力，防止高速鐵路運營期間發生襯砌混凝土施工縫部位擠裂掉塊事件。

5.6 施工情況實時反饋

灌注壓力管理技術，利用智能傳感器，實現灌注壓力的全方位檢測，實時監控施工情況。

6 結束語

在傳統的襯砌臺車模式下，二襯施工用工較多、存在監控不到位、振搗不到位等質量通病，為運營增加較大隱患。采用智能二襯臺車施工后，提高了機械化、信息化作業程度，減少了作業人員數量和作業強度，加快了施工進度，有效解決振搗密實、二襯背后存在空洞等質量通病，達到了預期目標，可為類似的工程提供借鑒與參考。