基于張吉懷鐵路隧道襯砌缺陷控制的新型信息化襯砌臺車研究與應用

陳文義， 尚 偉

(1. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511455)

0 引言

為適應我國新時代經濟、社會發展的需要，交通基礎工程領域修建了大量的鐵路、公路隧道，隧道建設已成為促進區域經濟協同發展的必需工程。但是，在隧道建設或運營期間，占有相當比例的隧道出現了襯砌開裂、拱頂掉塊、襯砌背后空洞等病害，對鐵路、公路運營造成了極大的安全隱患。

為解決隧道襯砌病害問題，提高襯砌施工質量，降低運營風險，工程技術人員主要從襯砌缺陷修復技術、工藝創新、施工設備創新等方面進行了研究。在襯砌缺陷修復技術方面，鄭贊毅[1]、肖智飛[2]進行了大量研究，但是該類方法屬于產生缺陷后的補救措施，無法從根本上解決襯砌的質量問題。在工藝創新方面，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，實際應用效果不佳；周軍紅[4]從工程設計、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行了分析。由于襯砌施工的邊界條件差異大，解決襯砌質量問題的方法、材料、工藝參數等沒有統一的技術標準，因而應用效果有限。袁成海等[6]對襯砌施工的部分技術方法進行了分析，取得了一定的施工經驗，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，可一定程度減少襯砌脫空問題，但是由于缺少注漿時機、注漿壓力等數據支持，操作不慎易引發壓潰混凝土和爆模的現象。

當前襯砌施工主要以襯砌模板臺車為主，其工作性能對襯砌施工質量存在直接影響。在襯砌施工裝備創新方面，韓賀庚等[9]、林毅等[10]介紹了滑槽式布料系統，但襯砌肩部以上位置的滑槽坡度較小，混凝土流動性差，容易產生離析現象。姬海東等[11]介紹了一種混凝土澆注機械手，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，結構復雜，且機械手成本高、侵占隧道凈空，因而不利于推廣應用；喬烽等[12]介紹了混凝土振搗裝置，但沒有介紹應用于襯砌臺車的具體機械結構；姜良波等[13]分析研究了混凝土施工的振搗原理，但缺少襯砌臺車振搗技術方面的應用研究；黎庶等[14]采用托盤+橡膠墊片的軟性搭接技術，解決了襯砌施工縫處因剛性搭接造成的質量隱患問題，但是在模板壓緊過程中仍然存在壓潰的風險。為實現襯砌模板臺車信息化施工、提高襯砌質量，姬海東等[11]采用信息技術對襯砌臺車進行了改進，但其應用效果有待驗證。

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

1 襯砌施工質量現狀及缺陷原因

當前隧道襯砌施工通常采用鋼模板襯砌臺車，主要依靠人工操作，部分裝置存在設計缺陷，容易引起襯砌質量缺陷。主要存在以下問題：

1)襯砌混凝土澆注不連續、振搗不達標，導致混凝土強度不足，進而發生襯砌開裂和掉塊現象。

2)混凝土澆注時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確的結束判據，提前停止澆注混凝土，導致拱頂空洞。

3)中埋式止水帶偏位導致局部混凝土厚度不足和空鼓。

4)臺車模板搭接時壓潰混凝土；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、脫空等質量缺陷的主要原因在于施工工藝不達標。其次，混凝土澆注耗時長，漏振、欠振現象頻發，搭接防頂裂效果差，堵頭板止水帶夾具工作性能差，現場工人盲目施工等導致襯砌施工質量難以保證。襯砌臺車設計缺陷、功能不完善也是重要影響因素。

2 新型信息化襯砌臺車設計

品質優良的襯砌質量需要品質卓越的施工裝備，解決襯砌質量缺陷應首先革新襯砌臺車。根據襯砌臺車應用中出現的問題，分別從襯砌臺車結構、帶壓灌注自動分料系統、自動振搗系統、V型槽零搭接裝置、堵頭板止水帶夾具方面進行了全新設計。為實現襯砌施工過程可視化，滿足自動化、信息化施工需求，增加了信息采集與控制系統。新型信息化襯砌臺車設計方案如圖1所示，主要設計參數見表1。

(a) 主視圖

(b) 左視圖

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

圖1新型信息化襯砌臺車設計方案

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

表1新型信息化襯砌臺車主要技術參數

Table 1 Main parameters of new type of informatized lining trolley

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

2.1 雙跨結構

為改善工人勞動環境，增大設備操作空間，新型信息化襯砌臺車上首次研發了雙跨結構，見圖1。臺車兩端分別設置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構，用于承載襯砌臺車各個部件。模板系統通過底部絲杠支撐在仰拱填充面的兩側，與仰拱填充形成穩定的三角形受力體系，保證澆注混凝土時臺車模板具有足夠的強度、剛度和穩定性，同時可降低雙跨結構的載荷，增大襯砌臺車內部空間。

2.2 旋轉式對接快速分料系統

目前襯砌混凝土澆注以滑槽式分料系統為主，依靠混凝土自重滑入模板倉內。當滑槽坡度較小時，混凝土流動速度慢，容易產生離析，無法滿足襯砌質量要求。近來出現的雙澆注系統，即通過機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，存在澆注耗時長、結構復雜、侵占底部空間、設備成本高的缺點，不利于推廣應用。

為提高混凝土澆注效率、保證襯砌施工質量，研發了旋轉式對接快速分料系統。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，保證入模質量。該系統的工作原理見圖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機構和伸縮機構逐一對接。施工時根據澆注位置，將主管路與對應的分支管路對接，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)，在泵送壓力下從臺車后端往前擠壓混凝土，直至充滿整個拱頂模板艙，以提高拱頂混凝土的密實度，防止脫空。

2.3 振搗系統

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，振動對襯砌臺車影響較大，對深層混凝土振搗作用有限，因而實際應用較少。插入式振搗仍采用原始的手持振搗棒逐窗振搗施工，頻繁搬運工作量大，工人使用意愿低，實際振搗效果差。為解決振搗效果差、勞動強度大的問題，研制了新型振搗施工裝置： 邊墻振搗和拱頂振搗。

圖2 帶壓灌注自動分料系統原理圖

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現半自動振搗，能夠降低人工拖拽振搗器的勞動強度。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，導向環用于引導電纜線滑動，插入式振搗棒可沿豎直方向滑動。施工時將振搗棒拖拽至混凝土內，按下振搗啟動開關即可開始邊墻混凝土振搗。振搗結束后，振搗棒在彈力滾筒作用下可輕松收回至上層作業平臺，便于上層振搗使用。為減少設備布置數量，同層臨近澆注窗口可使用同一個插入式振搗裝置。

2.3.2 拱頂振搗

拱頂混凝土采用電動推桿拖動振搗棒，能夠實現全自動振搗施工，操作簡便，最大限度減小了人工勞動強度，工作原理見圖5。驅動電動推桿，振搗棒可沿滑動導軌向上移動，深入到混凝土內部進行振搗施工；振搗完成后，反向驅動電動推桿，振搗棒沿滑動導軌向下移動，振搗棒上端面與拱頂模板平齊時停止移動。插入式振搗棒能夠深入混凝土內部，可實現1.2萬次/min高頻率振搗，快速排除混凝土內殘存的氣泡，提高混凝土的密實度。振搗時間可通過控制系統設置，能夠實現自動化、標準化振搗施工。但是，如果振搗棒觸碰二次襯砌鋼筋，將導致拱頂混凝土無法振搗。為避免此類現象，二次襯砌鋼筋定位時應標記振搗棒位置，預留振搗空間。

圖4 邊墻振搗原理圖

圖5 拱頂自動振搗原理圖

2.4 V型槽零搭接裝置

襯砌臺車模板一般設置100 mm的搭接長度，為提高搭接區的密封性，緩沖搭接壓力，通常在搭接區域設置緩沖橡膠，實現軟搭接。實際使用過程中，搭接精度難以把握，容易發生漏漿，為了提高密封效果，搭接區的壓力通常較大，施工縫頂裂的現象時有發生。

為解決施工縫處的質量缺陷問題，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計，提高混凝土局部接觸強度；施工縫倒角位置設置有三角形實心橡膠條；臺車模板搭接時模板邊緣與施工縫平齊，形成零搭接狀態，并緊貼實心橡膠條，保證密封效果。具體應用時須在模板前端邊緣設計環形角鋼，用以形成施工縫倒角。襯砌臺車就位前，需將實心橡膠條預先粘貼在施工縫倒角上。模板搭接時應保證模板邊緣與施工縫平齊，否則容易出現施工縫混凝土漏漿現象。V型槽消除了襯砌環向施工縫強度薄弱部位，可減少列車通過時風壓引起的掉塊問題，有利于保證行車安全，并且三角槽深度較小，對襯砌結構影響不大，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

襯砌臺車前端通常為依靠鋼管的組合式木板。安裝過程耗時耗力、缺乏統一標準，止水帶缺乏有效支撐，容易發生漏漿、爆模等施工風險。近年出現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計缺陷導致施工縫處混凝土無法振搗，繼而容易出現混凝土強度不足、脫空等質量缺陷。

堵頭板及止水帶夾具需要解決模板強度、止水帶固定方式、超欠挖斷面適應、操作便利性等問題。本項目設計研制了伸縮式堵頭板結構，可適應超欠挖斷面，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

人工轉動快速扳手可實現橡膠擋板快速上下移動，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，首先，將中埋式止水帶鋪設在固定端模上；然后，將橡膠擋板壓緊中埋式止水帶，轉動快速扳手調整橡膠擋板的高度，使其上端面壓緊初期支護結構，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，應使用橫向加強型止水帶。伸縮式堵頭板及止水帶夾具強度高，解決了固定中埋式止水帶、適應超欠挖斷面的問題，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

以往襯砌臺車主要依靠人工操作，施工盲目性大，施工質量難以控制。新型信息化襯砌臺車采用傳感器測量技術和PLC技術研制了信息采集與控制系統，可實時采集襯砌施工全過程數據，操作人員根據數據分析結果進行施工，有利于提高襯砌施工的自動化、信息化水平，促進標準化施工，保證襯砌質量。信息采集與控制系統主界面見圖8。

圖8 信息采集與控制系統主界面

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

2.6.1 信息采集系統

信息采集系統采集的數據主要有混凝土澆注狀況、拱頂混凝土壓力、拱頂空洞、搭接監測，所有數據以數據報表形式保存和上傳。

2.6.1.1 混凝土澆注狀況

混凝土澆注狀況監測的信息包括混凝土澆注量、溫度、澆注高度，系統監測界面見圖9。

1)混凝土澆注量。通過泵送次數記錄混凝土實時澆注量，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。在臺車模板中部設置有溫度傳感器，可監測混凝土的入模溫度，確保混凝土符合質量控制標準。

3)澆注高度。在臺車模板中部沿環向布置有多個液位傳感器，可實時顯示兩側混凝土澆注高度，便于掌握混凝土澆注進度和控制高度差。

2.6.1.2 拱頂混凝土壓力

在臺車模板頂部沿縱向布置有多個壓力傳感器，可在封頂過程中監測拱頂混凝土壓力變化，借此掌握拱頂澆注進度，為確定結束澆注時間提供參考。拱頂混凝土壓力監測系統界面，見圖10。

圖9 澆注狀況監測界面

圖10 頂部壓力監測界面

2.6.1.3 拱頂空洞監測

拱頂土工布和防水板之間布置有分布式空洞監測傳感器。當單個傳感器給出信號時，表示對應拱頂位置充滿混凝土；當所有傳感器給出信號時，表明本循環襯砌拱頂充滿混凝土，系統界面見圖11。

圖11 拱頂空洞監測界面

2.6.1.4 搭接監測

在臺車后端模板拱頂和兩側模板起拱線處布置測距傳感器，實時監測模板與搭接混凝土表面的距離，當該距離小于閾值時，自動啟動聲光報警，提醒施工人員緩慢展開模板，系統界面見圖12。

2.6.1.5 數據報表

襯砌施工全過程數據可自動采集，并以數據報表的形式存儲在信息采集與控制系統內，便于用戶后期查閱、分析施工數據。

2.6.2 控制系統

控制系統主要包括臺車布料系統、拱頂自動振搗系統、行走控制系統和液壓控制系統(見圖13)。選擇進入控制系統界面，按下操作平臺的控制按鈕，襯砌臺車可按照預設的參數執行命令，并在系統界面顯示。

圖12搭接監測系統界面

Fig. 12 Interface of lap joint monitoring system

(a) 臺車布料控制系統界面(b) 拱頂振搗控制系統界面

(c) 行走控制系統界面 (d) 液壓控制系統界面

圖13控制系統

Fig. 13 Control system

3 現場應用效果

3.1 工程概況

新型信息化襯砌臺車首次應用于新建的張吉懷鐵路吉首隧道，該隧道設計速度350 km/h，全長12.162 km，是全線最長隧道，縱坡為人字坡，進口段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發育區、4處斷層、1處不整合接觸帶，是全線控制性重點工程。

3.2 應用效果分析

為驗證新型信息化襯砌臺車的應用效果，對比分析了多組襯砌施工數據，其結果表明襯砌混凝土整體強度均滿足設計要求，混凝土表面平整光滑，襯砌混凝土開裂、掉塊、脫空現象顯著減少，徹底解決了施工縫開裂、漏漿的問題。同時，新型信息化襯砌臺車增大了工作人員的操作空間，降低了勞動強度，提高了施工效率，為保證襯砌施工質量創造了條件。現場應用中的新型信息化襯砌臺車見圖14，應用效果見圖15。

圖14 襯砌臺車現場應用

圖15 襯砌施工效果

1)新型信息化襯砌臺車雙跨大凈空結構具有良好的適應性，結構強度和模板剛度滿足施工需求，勞動空間和底部凈空顯著增大，改善了隧道通風條件，為研制新型信息化襯砌臺車奠定了基礎。

2)旋轉式對接快速分料系統換管只需單人操作，可在3 min內可完成，1環襯砌混凝土(147 m3)可在10 h內完成澆注，顯著縮短了換管時間降低了勞動強度，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、勞動強度低、結構簡單、成本低的優點。

3)自動振搗系統提高了混凝土的密實度，特別是拱頂襯砌強度不高和空洞問題得到改善，同時也降低了振搗施工的勞動強度，但是存在插入式振搗棒與鋼筋網干涉的問題。

4)采用V型槽零搭接技術后，襯砌施工縫整齊光滑，強度達標，解決了襯砌施工縫酥松、裂紋、掉塊的問題，壓潰混凝土的現象得到控制。

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，能夠適應超欠挖斷面需求，具有強度高、操作方便、勞動強度低的特點。

6)信息采集與控制系統實現了信息化、自動化施工。信息采集系統可實時采集混凝土實際澆注量、混凝土溫度和拱頂混凝土壓力數據，實現了拱頂空洞檢測和搭接檢測。混凝土澆注量與3D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，隨著混凝土逐漸充滿模板倉，張吉懷鐵路項目測得的壓力值逐漸穩定在0.03 MPa，混凝土初凝后，壓力有降低趨勢。混凝土溫度變化平穩，整體呈線性增加的趨勢，見圖18。根據混凝土實際澆注量、拱頂壓力和空洞監測結果，可得到拱頂停止澆注混凝土的時機，其結果是可靠的。控制系統操作方便，可實現標準化施工，減少人工勞動，提高襯砌施工質量。

圖16 澆注量監測數據對比分析

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 結論與討論

襯砌施工質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，采用新技術原理，研發新型施工裝備，避免傳統襯砌施工裝備的設計缺陷和功能不足，提高施工裝備的適應性，對于減少襯砌施工質量缺陷具有顯著作用。新型信息化襯砌臺車采用雙跨結構增大了底部空間，改善了操作空間和隧道通風條件；旋轉式對接快速分料系統實現了混凝土帶壓澆注，換管耗時短、澆注效率高、人工勞動強度低，提高了襯砌混凝土澆注質量，避免了施工冷縫；自動振搗系統實現了混凝土自動搗固，有利于提高混凝土的密實度，減少背后脫空現象；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度，配合橫向加強型止水帶，可減少施工縫混凝土強度不足、脫空的問題；信息采集與控制系統可實時采集襯砌施工數據，提高施工決策的科學性，避免盲目施工，有助于提高襯砌施工質量。

襯砌臺車研制是一個伴隨著施工理念和技術進步而持續創新的過程。新型信息化襯砌臺車自動化、信息化施工已經取得初步的研究成果，但其自動振搗系統仍然存在振搗盲區，鋼筋干涉問題影響自動振搗的實際應用效果，仍需要在更多的工程項目中進行驗證和完善。