雙跨大凈空智能襯砌臺車設計與應用

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003）

二次襯砌是隧道內部重要的永久性支護結構，施工質量對隧道安全運營具有重要影響。襯砌臺車是隧道二次襯砌施工的專用機械設備，其工作性能決定了襯砌施工質量，研發隧道二次襯砌新型施工設備，踐行“工裝保工藝、工藝保質量、質量保安全”的隧道建設理念，對減少二次襯砌質量缺陷具有重要意義。

針對高速鐵路隧道二次襯砌施工裝備和施工技術，國內外學者已有較多研究。目前，施工項目普遍使用的全液壓鋼模板襯砌臺車結構復雜，凈空小，強度、剛度及穩定性較差，雖經過一定程度上優化提升，但未能完全解決臺車跑模、變形等問題。為解決臺車凈空小的問題，張軍研究了無骨架模板臺車，但模板與邊墻搭接時極易產生錯臺；趙曉鋒等人對襯砌臺車定位、空洞監測進行了研究，姬海東對隧道數字化襯砌臺車進行了研究與應用，并取得了一定的研究成果。

本文將以襯砌臺車結構設計為出發點，同時采用自動化、信息化技術，研發大凈空新型智能襯砌臺車，重點解決襯砌臺車凈空小，混凝土澆筑、振搗質量差等技術難題。

1 雙跨大凈空智能襯砌臺車設計

1.1 結構設計

雙跨大凈空智能襯砌臺車采用兩端支撐的門梁式結構，如圖1 所示，簡化了門架、底縱梁、斜撐桿件等，增大了底部凈空；采用三角形穩定性原理，使模板系統與仰拱填充層形成三角形受力體系，將混凝土載荷通過模板直接傳遞至仰拱填充層，極大減小了門架載荷，為簡化襯砌臺車結構創造條件，如圖2 所示。

圖1 雙跨門梁式結構

圖2 模板底部支撐示意圖

1.2 旋轉對接式灌注系統

智能襯砌臺車采用旋轉對接式灌注系統，可實現混凝土帶壓入模。旋轉對接式灌注系統由1支主管路與多支分管路組成，主管路一端與混凝土泵車連通，另一端通過旋轉可與分管路分別對接，分支管路與拱墻、拱頂灌注窗口分別相通。混凝土可沿主管路、分支管路泵送入模板。主管路的旋轉和對接動作分別采用液壓馬達和液壓油缸驅動，具有自動化程度高、人工勞動強度低，混凝土入模質量高的特點，如圖3 所示。

圖3 旋轉對接式灌注系統原理圖

1.3 拱頂帶壓灌注

拱頂混凝土采用單斜孔一次完成灌注，單斜孔距已襯砌模板端頭0.75～2m。拱頂灌注混凝土時，輸送管內的混凝土先流向模板搭接端，然后反向擠壓、推動頂模板內后續的混凝土向端頭模方向涌動，實現拱頂帶壓灌注，可避免脫空、不密實等襯砌質量缺陷，如圖4 所示。

圖4 拱頂混凝土單斜孔灌注原理圖

1.4 自動振搗系統

自動振搗系統主要由插入式振搗、附著式振搗組成，拱墻混凝土采用插入式振搗，拱部混凝土采用附著式振搗。

1.4.1 插入式振搗

插入式振搗由彈力滾筒、電纜線、插入式振搗器、導向環4 個部分組成，彈力滾筒固定在臺車頂部上，導向環固定在模板腹板上，電纜線一端纏繞在彈力滾筒上，另一端穿過導向環與插入式振搗器相連，如圖5 所示。插入式振搗器在彈力滾筒提拉作用下，上可收回至頂層作業窗口，下可拖拽至底層作業窗口。啟動振動器電源開關即可開始振搗。

圖5 拱墻插入式振搗

1.4.2 氣動式振搗

拱部布置了4 排氣動式振搗器用于混凝土振搗，如圖6 所示。調節壓縮空氣壓力和流量可調整激振力和振搗頻率，嚴格控制振搗時間，可有利于實現標準化、自動化振搗。氣動式振搗頻率高，可避免與臺車產生共振。

圖6 拱頂氣動式振搗器布置圖

1.5 搭接防頂裂系統

搭接防頂裂系統分為“V”型槽零搭接和搭接監測系統兩部分，聯合使用可防止壓潰施工縫混凝土。襯砌臺車關模端的邊緣設置有“V”型角鋼，用于形成施工縫“V”型槽。混凝土搭接端的“V”型面上密貼有“V”型實心橡膠條，呈環形布置。襯砌臺車立模時，模板邊緣與施工縫對齊，形成零搭接，可避免壓潰混凝土結構，同時密封效果良好，如圖7 所示。

襯砌模板臺車搭接端的左、右邊摸起拱線和拱頂布置了3 個光電傳感器，監測模板與混凝土的距離。當間距小于設定值時，系統自動報警，提醒操作人員緩慢移動模板，如圖8 所示。

圖7 “V”型槽零搭接原理示意圖

1.6 混凝土灌注智能監測系統

混凝土灌注智能監測系統主要采集混凝土溫度、實際澆筑量、澆筑進度，實現襯砌施工信息流通、融合，便于施工人員掌握施工動態，并及時調整。

1.6.1 混凝土溫度監測

溫度傳感器固定在模板上，可檢測混凝土入模溫度和水化反應溫度，防止溫度異常產生襯砌質量缺陷。

1.6.2 實際澆筑量監測

實際澆筑量通過記錄正向泵送次數，自動換算出混凝土實際澆筑量。對比分析實際澆筑量與三維激光掃描系統測算的澆筑量，可用于評估混凝土灌注飽滿度狀態。

1.6.3 澆筑進度監測

1）拱墻澆筑進度監測 利用現澆混凝土的導電性，拱墻采用液位傳感器記錄混凝土澆筑高度，有利于實現左右對稱、前后均勻澆筑，確保襯砌臺車受力均衡。

2）拱部澆筑進度監測 拱部混凝土采用帶壓灌注，可根據混凝土與隧道初支間的壓力判斷拱頂混凝土澆筑進度。拱部共設置3 條帶狀的模擬型壓力傳感器，布置在土工布與防水板中間，端頭模一側連接顯示終端，如圖9 所示。壓力傳感器有多個檢測點位，顯示終端上對應有多個指示燈，每個指示燈有紅色、綠色，對應“未澆筑”和“已澆筑”兩個狀態。監測拱頂澆筑狀態可同時避免拱部爆模和脫空，實現雙贏，如圖10 所示。

圖9 拱部壓力傳感器

圖10 澆筑狀況監測界面

2 工程應用

目前，雙跨大凈空智能襯砌臺車已經在鄭萬高鐵、張吉懷高鐵、昌景黃高鐵等項目進行了推廣應用，新型智能襯砌臺車與傳統門架式臺車功效對比見表1。雙跨大凈空智能襯砌臺車，施工效率高、襯砌質量缺陷少，減低了人工勞動強度和施工成本。具體分析如下。

1）采用雙跨門梁式結構提高了30%隧道空間利用率，改善了隧道通風環境和行車條件。

2）旋轉式對接灌注系統換管、清洗等工序平均用時3min，混凝土入模質量高，操作方便、工作可靠，2 人可完成混凝土灌注全序施工。

3）自動振搗系統降低了人工勞動強度，提高了混凝土振搗質量。

4）聯合采用“V”型槽零搭接技術和搭接監測系統實現了立模過程控制、柔性接觸、零搭接，從多維角度出發，系統性解決了施工縫開裂、掉塊、麻面等質量缺陷。

表1 新型智能襯砌臺車與傳統門架式臺車功效對比表

3 結語

隧道驗收標準日益提高，建設速度逐漸加快，面對勞動力短缺、人工勞動強度大，施工質量難以控制的局面，急需研制新型施工裝備，以適應隧道施工技術的發展需求。采用新技術、新原理，研制新型智能化襯砌施工裝備，可有效解決當前礦山法隧道施工技術中遇到的諸多技術難題，為提高襯砌施工質量找到突破口。襯砌臺車模塊化、輕量化設計，振搗盲區消除，襯砌施工信息深度融合，將是今后研究的重點內容和方向。