新型智能襯砌臺車施工自動控制系統研究與應用

王百泉

(1. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458；2. 中鐵隧道局集團有限公司隧道結構智能監控與維護重點實驗室， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來我國鐵路隧道建設得到了快速發展，鐵路運營里程逐年增加，在開通的鐵路線路中，隧道里程占據了較大的比重，鐵路隧道風險及病害發生的次數也在不斷增大。二次襯砌作為隧道施工的重要組成環節，直接影響著隧道結構的穩定及行車安全。由于傳統澆筑工藝的缺陷，導致內部襯砌結構強度不足、襯砌厚度不足及襯砌背后空洞，進而引起混凝土開裂、掉塊、脫空、滲漏水等病害。而襯砌混凝土質量通病產生的原因主要是隧道襯砌施工工藝、工裝的技術要求等施工技術不能滿足襯砌質量的要求。

普通襯砌臺車在隧道襯砌施工中存在搭接部位易損壞、澆筑量狀況不能有效監控、拱頂不能振搗等問題，致使襯砌施工控制自動化水平低，施工工藝落后，存在工人勞動強度大、施工管理難度大問題。

在新型智能襯砌臺車研究方面，國內已有不少專家學者進行了相關研究工作。姬海東等[1]對新型帶壓澆筑隧道數字化襯砌臺車研究與應用進行了研究，通過引入數字化控制技術，一定程度上實現了襯砌施工的機械化、信息化和智能化；龔成明等[2]針對一種可帶模注漿的新型鐵路隧道襯砌臺車開展了相關研究，通過預埋RPC注漿管并注入高流動性微膨脹早強緩凝充填砂漿,有效解決了傳統二次襯砌空洞缺陷整治難的問題；梁爽[3]對隧道襯砌臺車輕型化及其應用進行了分析與研究，通過計算與數值模擬，對臺車結構進行了優化；張秀文等[4]對帶模注漿新型鐵路隧道襯砌臺車施工技術的優化進行了分析，通過增加縱向注漿管并使之連通徑向RPC注漿管，優化了注漿技術，克服了注漿管易被堵塞的問題；張華[5]對隧道襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術的應用進行了研究，證明了襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術澆筑的混凝土飽滿、密實，能有效解決拱頂襯砌厚度不足及脫空問題；付春青等[6]對穿行式數控襯砌臺車及其在地鐵中的應用進行了研究；余振華[7]對隧道襯砌臺車快速定位系統進行了研究；姜良波等[8]對建筑施工混凝土振搗技術的發展及應用進行了分析，歸納了混凝土振搗技術的特點；葉陽升等[9]等對鐵路橋梁路基隧道關鍵工序監控技術進行了研究，提出了隧道襯砌混凝土灌注密實監測系統的技術方案與系統設計。

雖然已有相關學者開展了新型帶壓澆筑隧道數字化襯砌臺車的研究，僅簡要介紹了智能控制系統對于臺車定位、臺車澆筑狀態、拱頂壓力檢測等方面的功能設計與初步應用情況，并未對新型臺車智能自動控制系統進行系統的研究與分析。

本文依托張吉懷鐵路1標吉首隧道施工需求，結合新型智能襯砌臺車功能設計方案，研發了一套新型智能襯砌臺車施工自動控制系統，集成了臺車澆筑狀況、臺車布料系統、臺車振搗系統、頂部壓力監測、搭接監測系統、臺車液壓系統、側部壓力監測、行走控制系統、襯砌數據報表等功能，實現了襯砌澆筑過程中混凝土澆筑量、溫度和壓力檢測，對襯砌施工過程進行自動化控制，極大提高了襯砌施工自動化水平，降低了工人勞動強度，提高了襯砌施工質量。

1 依托工程概況

張吉懷鐵路位于湖南省西部，線路全長246 km。ZJHZQ-1標位于湘西土家族苗族自治州古丈縣和吉首市境內，標段全長12.162 km，工程包括隧道1座(吉首隧道)。吉首隧道全長12.162 km，共設置輔助坑道4座，其中無軌運輸平導1座，無軌運輸斜井2座，無軌運輸橫洞1座。該隧道為全線第1長隧，屬I級高風險隧道，除進口段1.3 km為灰巖地層外,其余地段均為泥質粉砂巖,Ⅲ級圍巖占6%、Ⅳ級占78%、V級占16%，為單洞雙線隧道。張吉懷鐵路1標工程概況見圖1。

圖1 張吉懷鐵路1標工程概況

Fig. 1 Project profile of Bid No.1 of Zhangjiajie-Jishou-Huaihua Railway

2 設計方案研究

2.1 總體方案設計

隧道襯砌施工的自動化控制系統基于可編程序控制器PLC開發，通過PLC豐富的數字、模擬量接口與相應的檢測終端通信，通過程序控制實現了拱部混凝土澆筑流量、溫度、總澆筑量以及臺車拱頂和起拱線壓力等信息的自動監測，其中，壓力監測與顯示在混凝土澆筑時持續至臺車脫模全過程。同時通過液壓系統集成和PLC組態實現了液壓、行走控制及混凝土分配、拱頂振搗控制。自動化控制系統立體結構示意簡圖見圖2。

1—襯砌臺車； 2—行走機構； 3—液壓系統； 4—混凝土分配器； 5—控制系統； 6—溫度傳感器； 7—流量計； 8—布料系統； 9—視頻監視器； 10—振搗裝置； 11—壓力傳感器。

圖2自動化控制系統立體結構示意簡圖

Fig. 2 Three-dimensional structure sketch of automatic control system

2.2 控制系統設計

控制系統主要集成了臺車澆筑狀況監視系統、臺車布料系統、臺車振搗系統、頂部壓力監測、搭接監測系統、臺車液壓系統、側部壓力監測、行走控制系統、襯砌數據報表等功能，且配備有GPRS無線數傳模塊，能將隧道襯砌澆筑過程中采集的信息上傳至監控室。

該系統能夠進行澆筑量測算、澆筑實時數據顯示、拱頂空洞密實度檢測、澆筑自動控制、振搗自動控制、行走機構控制、液壓系統控制、視頻監控及無線通訊，澆筑量測算搭載有3D斷面掃描儀數據接口，能夠上傳3D斷面掃描儀測得的隧道空間結構尺寸數據。

當隧道襯砌澆筑過程出現較大偏差時控制系統能及時發出報警，根據所記錄的混凝土澆筑過程信息進行故障分析并及時采取有效的應對措施。控制系統主界面見圖3。

圖3 控制系統主界面

2.3 澆筑狀況監視系統

澆筑狀況監視系統主要由實測澆筑量、預測澆筑量、混凝土流量、混凝土溫度及澆筑進度組成。混凝土預測澆筑量可使用3D斷面掃描儀掃描計算得到，將每個襯砌循環的預澆筑量輸入系統，與實測澆筑量進行對比，驗證混凝土是否澆筑滿倉。實測澆筑量和混凝土流量可通過混凝土泵送過程中信號計數器與輸送電路相結合進行計算得出，混凝土溫度通過紅外線測溫儀實時監測顯示，澆筑進度采用液位傳感器信號反饋模擬顯示，可顯示混凝土的灌注高度。澆筑狀況監視見圖4。 襯砌臺車混凝土泵送流量系統采用信號計數器，與輸送泵電路相結合，統計混凝土泵車的泵送次數，與單次泵送混凝土的方量相乘，從而計算出總的混凝土澆筑量，最終由智能系統顯示器顯示混凝土灌注量。計算混凝土總的澆筑量時應減去反泵的工作次數和混凝土余量，同時在控制界面增加不同型號混凝土輸送泵輸出量的輸入選擇。

襯砌臺車混凝土澆筑量與混凝土攪拌站的數據進行核對，可得到混凝土澆筑時顯示的偏差值，偏差值為±0.25 m3。

圖4 澆筑狀況監視

2.4 臺車布料系統

臺車布料系統用于將泵車內的混凝土有序地輸送至襯砌澆筑區域，布料系統需要實現的動作有轉動和伸縮，轉動可通過伺服電機實現，伸縮可通過電動推桿實現。主要功能有：

1)通過襯砌臺車布料控制系統，實現各管路之間的自動切換，滿足混凝土分層逐窗澆筑和拱頂分孔澆筑；

2)通過工藝流程和控制系統設計方案，可實現襯砌混凝土自下而上、左右對稱澆筑；

3)具有廢料回收和處理裝置，滿足環保要求。

布料系統的控制系統分為伺服電機轉動控制和布料推桿伸縮控制。伺服電機共有15個轉動位置，每個位置按實際排列順序放置在控制系統的界面上。按下啟動按鈕，伺服電機處于啟動狀態，按下需要轉動到的位置，布料系統即可在伺服電機的驅動下，自動轉動到相應的位置。布料系統的推桿每次伸出、收縮的距離是相同的，因而控制界面只有“伸出”和“縮回”2個按鈕。當布料系統轉動到位后，按下布料推桿的“伸出”命令按鈕，布料推桿將自動伸出，伸出到位后，“伸到位”指示燈將亮起，此時表示布料系統已經完成對中，可以開始混凝土灌注。當灌注完成當前位置的混凝土時，需要將布料系統對中到下一個位置，首先需要先按下布料推桿“縮回”按鈕，將布料推桿退回到原始位置，布料推桿復位后“縮到位”指示燈亮，此時可以按下布料系統下一個需要對中的位置，布料系統將自動轉動到該位置。重復上述布料推桿的操作命令，即可完成對中，并開始灌注混凝土。臺車布料系統見圖5。

2.5 振搗系統

臺車振搗系統的控制系統是用于控制拱頂振搗系統的。拱頂振搗采用氣動式振搗器，可通過電動推桿控制振搗棒伸出和縮回，通過控制振搗棒的通電時間控制振搗作業時間。氣動式振搗器沿拱頂模板環向50°均勻布置4排氣動式振搗器，沿拱頂中線布置2排、單排數量8個，距拱頂中心2 m兩側各布置1排、單排數量4個。可根據需要振搗的位置，選擇相應的振搗系統。振搗系統每次振搗時間可通過“T設定”自行設置。當需要進行振搗施工時，選擇相應位置的振搗棒，按下啟動按鈕，振搗棒處于開啟狀態，按下對應位置的“伸出”按鈕，振搗棒在電動推桿的作用下自動向外伸出，伸出到位后，“伸到位”指示燈亮起，隨后振搗棒通電，開始振搗施工，振搗時間由設定的參數決定。振搗完成后，按下“縮回”按鈕，振搗棒將自動縮回，縮回到位后，“縮到位”指示燈亮起，此后按下“停止”按鈕，對應的振搗棒將處于關停狀態，可防止錯誤地再次啟動振搗棒。臺車振搗系統見圖6。

圖5 臺車布料系統

圖6 臺車振搗系統

2.6 頂部壓力監測系統

臺車模板的拱頂上分布有壓力傳感器，臺車澆筑過程中，通過傳感器傳輸信號至PLC控制系統，并在觸摸屏上顯示該砌筑區域的壓力狀況，從而實現對拱頂位置的混凝土灌注壓力實時監控，當拱頂壓力超過設定值時，頂部壓力監測系統將會報警。頂部壓力監測系統見圖7。

圖7 頂部壓力監測系統

拱頂空洞可通過拱頂壓力值檢測： 當拱頂壓力達到規定的數值時，可認為拱頂不存在空洞；當拱頂壓力小于規定的數值時，認為還存在空腔，需要繼續灌注混凝土。拱頂壓力值可顯示在觸摸屏右側的圖表上。

2.7 搭接監測系統

襯砌模板臺車立模過程中，如果操作失誤，臺車模板與上一循環襯砌結構接觸部位因臺車立模運動時受壓過度而出現裂紋或掉塊。為了避免襯砌結構頂裂，襯砌模板臺車在左、右邊模和拱頂最高位置布置了3個光電傳感器，實時監測立模過程成中模板和搭接面的距離，當距離小于設定值時，搭接監測系統自動報警，提醒工作人員緩慢移動模板，逐漸壓緊已施作襯砌結構。搭接檢測系統控制界面見圖8。

圖8 搭接檢測系統控制界面

2.8 液壓控制系統

襯砌臺車采用液壓系統來進行脫模定位等操作，使臺車部件按預定的軌跡運動從而完成循環動作，不起鎖固作用。

液壓系統通過PLC系統實現遠程遙控及本地控制。襯砌臺車油缸設置了油缸頂推限位，與已襯砌面搭接定位時，達到接觸面后立即停止油缸頂推，防止對混凝土造成破壞。遠距遙控控制采用液壓無線控制系統，方便近距離觀察定位情況，改變傳統2人定位的現狀，保證定位精度。升降油缸可實現同時操作，也可分別操作。臺車液壓控制系統見圖9。

圖9 臺車液壓控制系統

2.9 側部壓力監測

臺車模板的邊模起拱線位置設置有側部壓力傳感器，臺車澆筑過程中，通過傳感器傳輸信號至PLC控制系統，并在觸摸屏上顯示該砌筑區域的壓力狀況，從而實現對邊模位置的混凝土灌注壓力實時監控。在模板起拱線位置，沿縱向布置3個壓力傳感器，左右兩側模板共有6個壓力傳感器，可實時監測側部混凝土灌注壓力的變化，可為混凝土灌注速度、襯砌模板臺車設計計算提供壓力參考。拱頂壓力值可顯示在右側的圖表上。側部壓力監測見圖10。

圖10 側部壓力監測

2.10行走控制系統

行走控制系統采用PLC變頻控制，具有前進、后退、點動前進、點動后退的功能，電機之間可以聯動控制。襯砌臺車在定位過程中不是一次性準確定位，需要多次調整，為此在控制系統中設置前后點動控制，可實現襯砌臺車縱向精準定位。為避免在行走啟動階段產生較大的沖擊，在控制系統中增加了行走電機軟啟動的功能，有利于確保行走安全，延長行走機構的使用壽命。行走控制系統見圖11。

圖11 行走控制系統

2.11拱頂空洞監測裝置

拱頂空洞監測裝置主要利用安裝在土工布與防水板之間的分布式空洞監測傳感器，當防水板因混凝土擠壓與土工布和初期支護密貼時，傳感器將信號實時輸送至信息化控制系統中，同時評估系統中對應的警示燈亮起，提示臺車拱頂此處澆筑完成。拱頂空洞監測裝置見圖12。

圖12 拱頂空洞監測裝置

2.12襯砌數據報表

智能控制系統自動將每個襯砌循環的數據形成報表并自動存儲，數據報表包含壓力、流量、溫度、預測澆筑量、實測澆筑量、流量信息實時存儲，每間隔30 s(此時間可任意設置)生成1組數據。生成的數據可用于襯砌施工質量分析，同時也可為襯砌施工工藝、工裝優化改造提供基礎數據。數據報表見圖13。

3 工程應用效果與設計優化

3.1 液位檢測

澆筑狀況監視系統的液位檢測主要由環向布置的16個液位傳感器及拱頂縱向布置的4個液位傳感器組成。

在現場試驗過程中，由于部分液位傳感器存在著粘連混凝土問題，出現信號故障，需要在單次循環澆筑完成后進行清洗保養，保養1次需要約1 h，存在清洗時間長、工作強度大等問題。

圖13 數據報表

結合現場應用存在的問題，液位傳感器通過優化結構設計及安裝方式，實現了臺車液位準確顯示。在襯砌臺車脫模后，由于傳感器安裝時突出臺車模板3～5 mm，液位檢測表面無混凝土殘留，無需人工清洗，液位自動回歸初始狀態，降低了作業人員的勞動強度。液位傳感器安裝方式見圖14。

圖14 液位傳感器

3.2 布料系統

3.2.1 驅動方式

原設計方案采用伺服電機驅動，驅動轉矩小，不適用于現場復雜環境。通過研究選用液壓馬達旋轉驅動，并增加了手持無線控制器，該驅動方式驅動平穩可靠，且提高了系統的操控性和可靠性，提高了施工效率。

3.2.2 拱頂澆筑口

拱頂澆筑口閘門由原來人工操作改為液壓油缸驅動，極大地降低了人工勞動強度，提高了施工效率和安全性。拱頂澆筑口閘門設計方案見圖15。

3.3 振搗系統

臺車拱頂振搗系統初期方案采用插入式振搗和氣動式振搗聯合施工。由于插入式振搗器容易與鋼筋網干涉，特別是鋼筋網比較密集時，插入式振搗棒的弊端更加明顯，再加上氣動式振搗器數量不足，造成振搗效果不理想。為此，拱頂采用了氣動式振搗裝置，該裝置工作頻率高，可避免與臺車共振，工人勞動強度低。拱頂氣動式振搗系統見圖16。

圖16 拱頂氣動式振搗系統

新型智能臺車拱頂振搗系統選用特制的氣動式振搗器，振搗器采用電磁換向閥控制，遠端可通過遙控及智能控制系統觸屏控制，振搗時1名作業工人在操作室進行對振搗器進行按需啟動。振搗時間可根據現場實際情況進行調整。現場試驗后，經過測量數據分析，拱頂二次襯砌空洞明顯減少，密實度得到提高，取得了良好的應用效果。

3.4 壓力監測系統

原設計方案選用的壓力傳感器量程大、結構設計不合理，傳感器檢測表面有殘留混凝土，導致檢測壓力不能有效顯示。壓力傳感器原設計方案如圖17所示。

通過傳感器選型和現場試驗，最終確定了新型壓力傳感器，其參數為： 兩線制，量程0～0.3 MPa，電壓DC24 V，輸出電流4～20 mA。拱頂壓力監測裝置布置了4個壓力傳感器，新型壓力傳感器安裝布置見圖18，混凝土澆筑時拱頂壓力檢測見圖19。

(a) (b)

圖17壓力傳感器原設計方案

Fig. 17 Original design scheme of pressure sensor

圖18 新型壓力傳感器安裝布置圖

(a) (b)

圖19新型壓力傳感器及安裝方式

Fig. 19 New type of pressure sensor and its installation method

以張吉懷吉首隧道為例，二次襯砌混凝土厚度為450 mm，混凝土坍落度為160～200，一次襯砌長度為12 m。經過多次現場試驗后，拱頂混凝土澆筑時的壓力平均峰值最大為0.04 MPa，峰值出現時，自動控制系統自動報警，即拱頂澆筑完成，且新型壓力傳感器使用過程中，由于對安裝方式進行了優化，傳感器檢測表面突出襯砌臺車3～5 mm，在混凝土澆筑時浮漿不易在傳感器表面殘留。當襯砌臺車脫模時，傳感器表面沒有混凝土殘留，不需要清洗，可循環使用，降低了現場工人勞動強度。混凝土澆筑時拱頂壓力檢測結果見圖20。

3.5 搭接監測系統

搭接監測系統主要包含端部光電傳感器預警系統與端部V型搭接。光電傳感器可實時監測搭接距離，提前預警，而模板“V”形橡膠提高了模板搭接端的密封性。通過以上措施有效避免了漏漿和端部混凝土頂裂的現象。臺車模板“V”形橡膠示意圖見圖21，光電傳感器見圖22。

圖20 混凝土澆筑時拱頂壓力檢測結果

圖21 臺車模板V形橡膠示意圖

圖22 光電傳感器

4 結論與建議

新型智能襯砌臺車施工自動控制系統的成功應用，實現了對襯砌澆筑過程中的混凝土澆筑量、溫度和壓力等功能的自動化監測和信息化控制，提高了隧道襯砌施工效率，確保了襯砌施工質量。

1)基于可編程控制器PLC控制系統，通過方案設計與系統集成，實現了拱部混凝土澆筑流量、溫度、總澆筑量以及臺車拱頂和起拱線壓力等信息的自動監測。

2)隧道襯砌臺車施工自動控制系統能夠實現隧道襯砌施工的信息采集和自動化控制，完善隧道襯砌施工質量監控和控制措施，減少隧道病害發生概率，提高施工質量。

3)實現了隧道襯砌施工過程信息可視化，能夠實時了解隧道襯砌澆筑過程中的混凝土狀態，為隧道襯砌施工過程管理提供有效的數據信息，提高施工組織管理水平。

4)能提高襯砌臺車施工的自動化水平，降低工人勞動強度，提高施工效率和混凝土振搗效果，保證施工質量。

下一步可通過對隧道襯砌施工數據庫的施工數據進行深入分析，并考慮是否可以搭載混凝土脫模強度檢測方法或系統，不斷完善隧道襯砌臺車施工自動控制系統，提高施工控制水平。