隧道襯砌養護臺車設計及研究

章遠方

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 項目概況

隧道病害是一個世界性、綜合性的難題，導致病害的原因也是多種多樣的。近年來，國內外鐵路運營隧道由于隧道襯砌病害相繼出現了數起危及行車安全的事故[1]。1999年6月27日，日本福岡縣境內一座隧道內重達200 kg的混凝土掉塊砸在高速行駛的列車上，嚴重危及列車運營安全。2001年10月，達成鐵路某隧道內出現大范圍掉塊，2001年12月，寶中線清涼山隧道出現襯砌掉塊。這些襯砌病害都險些造成嚴重的行車事故，危及鐵路運營安全[2]。所以，為保證鐵路隧道運營安全，提高隧道襯砌施工質量，降低病害發生率，針對隧道襯砌混凝土養護技術的研究尤為重要。導致隧道襯砌病害的原因是多種多樣的。例如，地質原因，隧道施工時，一般會對巖體造成一定的損害，導致襯砌自身周圍環境不夠穩定，在自然侵蝕的作用下，壓力逐漸增強，導致襯砌開裂；設計原因，設計人員未能根據現場地質條件及時變更設計。本文主要涉及襯砌施工時對襯砌混凝土進行早期養護。

國內運營的鐵路隧道開裂、腐蝕以及掉渣掉塊的病害多發，原因主要有以下幾方面:施工時混凝土澆筑壓力不夠形成拱頂空洞；混凝土振搗不密實，襯砌質量不過關；襯砌混凝土因養護不到位導致混凝土強度低；施工中對隧道襯砌施工設備監管不到位，對于襯砌臺車沒有統一的標準執行，剛度弱、振搗不合理、形式多、問題多；隧道襯砌混凝土養護沒有制定養護工序和標準，沒有相關的養護設備，對隧道襯砌的質量帶來很大隱患[3-7]。

隧道襯砌混凝土的早期養護是養護過程中的重中之重，其養護質量直接影響后期隧道混凝土的強度與耐久性?；炷琉B護的影響因素是多種多樣的。秦磊等[8]研究出一種用于隧道襯砌養護的噴霧養護裝置；石迎新[9]提出并研發了一種蒸汽覆模養護技術；蘇揚等[10]主要對蒸養制度對混凝土早期強度發展進行了研究；何偉等[11]主要研究了早期高溫養護對混凝土后期宏觀性能的影響。隧道襯砌混凝土施工時，及時對施工后的混凝土進行養護尤為重要。所以為提高隧道襯砌施工質量和使用壽命，研究出一套養護專用設備和養護規程尤為關鍵。

2 隧道襯砌養護臺車

目前，在國內隧道施工中，襯砌養護一般采用自然養護，極個別項目采用簡單的噴水養護處理。上述養護方法受外界環境以及人為因素影響較大，養護效果不佳，難以保證襯砌的質量和使用壽命。為了解該難題，鐵路總公司開展《鐵路隧道襯砌質量控制技術與裝備研究》等相關研究。通過對現有國內外隧道襯砌混凝土澆筑技術和養護技術的研究，結合現場施工工況，研發出一種專用的隧道襯砌養護設備，通過工程實踐和總結，最后形成一套隧道襯砌施工標準化施工裝備和施工技術，并編制一份隧道襯砌混凝土養護的相關標準。

依托新建京張鐵路某隧道工程，研發出一種用于隧道襯砌養護的專用機械設備。該設備能夠實現養護區域內溫度、濕度智能控制，滿足襯砌養護對于溫度和濕度的要求，從而提高隧道襯砌養護質量。

2.1 隧道襯砌智能養護臺車結構組成

隧道襯砌智能養護臺車整體結構設計為門架形式，主要由主結構、外拱、加熱系統、密封系統、霧化系統、智能溫濕度控制系統等組成，見圖1。

圖1 隧道襯砌智能養護臺車結構組成

(1）主結構為整車的中心受力部件，由上部支撐結構及走行驅動系統組成。上部支撐結構采用型材焊接，走行驅動系統為養護臺車向下一個工作面推進提供行動力。

(2）外拱采用折線形設計，為型材焊接結構，布置于主結構外側，與主結構之上部支撐采用螺栓連接。

(3）加熱系統采用定制的防水、耐高溫(300℃）、耐強酸強堿、阻燃隔熱保溫的工業級電加熱裝置，在外拱外側分區域實現加熱，并于每個區域設置獨立溫度傳感器，通過控制器實現智能溫度控制，其中恒溫區域可根據實際使用需求進行設定。

(4）密封系統設置于外拱前、后兩端及底部，密封系統的應用使養護區域處于一個相對封閉的空間，為養護臺車溫度、濕度控制提供保障。

(5）霧化系統采用5～10 μm級霧化噴頭、不銹鋼高壓流體輸送管道等實現區域霧化，并通過濕度傳感器將數據傳送至控制器，以達到智能養護濕度。

(6）智能溫濕度控制系統是養護臺車的核心部分，由溫濕度控制器、傳感器和加熱加濕部分組成，其對養護區域內溫度、濕度可實現智能控制與調節。

2.2 隧道襯砌智能養護臺車技術參數

臺車尺寸:13 m×12.1 m×8.4 m

臺車行走輪中心距:8 m(與襯砌臺車共軌）

臺車行車道凈空:4.55 m

行走速度:10 m/min

智能溫控系統:溫度數顯、實現自動控制、可導出溫度曲線、生成報表等

霧化系統:實現濕度80%以上

總功率:90 kW

3 結構安全分析

采用有限元軟件MIADS/Civil對養護臺車進行整體建模分析。在建模時各結構主要采用梁單元，在4個支撐點施加全約束。主結構采用梁單元建模，由于加熱層質量較小，可忽略不計。隧道襯砌養護臺車有限元模型如圖2所示。

隧道襯砌養護臺車變形云圖如圖3所示。

圖2 隧道襯砌養護臺車有限元模型

圖3 隧道襯砌養護臺車變形云圖

隧道襯砌養護臺車應力云圖如圖4所示。

圖4 隧道襯砌養護臺車應力云圖

梁單元應力最大為27.6 MPa，出現在4個支點處，結構受力滿足要求。

4 隧道襯砌智能養護臺車應用

隧道襯砌智能養護臺車設備包含兩組臺車，施工時緊跟襯砌澆筑模板臺車，前端第一臺具備加升溫、保溫、保濕功能，第二臺具備保溫、加濕功能。隧道襯砌養護臺車在隧道內位置如圖5、圖6所示。

圖5 隧道襯砌養護臺車

圖6 隧道襯砌養護臺車擺放位置

隧道襯砌智能養護臺車四周(前后兩端、兩側邊墻底部）采用氣囊密封，在隧道壁和電加熱系統之間形成一個較為密閉的養護空間，這種密封方式密封效果好，加熱效率高。如圖7、圖8所示。

圖7 隧道襯砌養護臺車橫向密封

圖8 隧道襯砌養護臺車縱向密封

隧道襯砌智能養護采用微米級霧化加濕，利用5～10 μm霧化噴頭、不銹鋼高壓流體輸送管道實現區域霧化，并通過濕度傳感器將數據傳至控制器，以達到養護濕度智能控制。霧化系統配備加熱設施，通過操作界面控制噴出霧化水的溫度，從而使霧化水和襯砌混凝土溫差較小[12]。養護臺車噴出的霧化水效果見圖9。

圖9 隧道襯砌養護臺車霧化效果

隧道襯砌智能養護設備智能化程度高。智能溫濕控制系統是養護臺車的核心，由溫濕度控制器、傳感器和加熱加濕部分組成，對養護區域實現智能控制與調節，降低人為原因的影響。該智能控制系統具備數顯、自動生成曲線、報表、數據保存和輸出等功能，可實現移動終端APP的遠程在線控制。

養護臺車溫度在線監控系統見圖10。溫控系統能記錄各個傳感器的實時溫度，并能導出溫度曲線?？缮蓤蟊聿⒋蛴?。該系統實時顯示24路溫度，3路濕度的數據，支持數據導出打印，支持報警數據查詢，可控制24路繼電器輸出，軟件可以實現手動和自動開啟電熱毯的功能，現場以24個電熱毯做為控制對象，分升溫和降溫兩個部分，每個部分分為6個階段來實現，每個階段可以自由設定需要控制的溫度值和保持恒溫的時間。

圖10 隧道襯砌養護臺車溫度在線監控系統

通過預埋傳感器，測量出隧道襯砌拱頂和拱腰混凝土芯部溫度變化曲線，如圖11所示。

圖11 隧道襯砌芯部溫度養護時間變化曲線圖

襯砌智能養護臺車養護與隧道自然養護效果檢測對比見表1、表2。

表1 表面強度養護效果對比

表2 碳化深度養護效果對比

隧道襯砌經養護后，表面強度提高百分比達到預期，碳化深度明顯降低。結果表明，采用隧道襯砌養護臺車進行襯砌的初期養護能夠有效提高襯砌質量和壽命。

5 養護臺車關鍵技術

(1）自動化程度高

智能溫濕度控制系統是養護臺車的核心部分，由溫濕度控制器、傳感器和加熱加濕部分組成，其對養護區域內溫度、濕度可實現智能控制與調節，減少人為干預。該智能控制系統具備數顯、自動生成溫度曲線、報表、數據保存與輸出等功能。

(2）密封系統適應性強，操作簡單可靠

隧道襯砌養護區域采用氣囊密封，實現快速充放氣，一方面采用軟性材料密封可適應隧道斷面變化；另一方面操作簡單方便，工人操作易掌握。

(3）快速就位

隧道襯砌養護臺車采用輪軌走行方式，軌距和現場施工襯砌臺車相同，可實現與襯砌臺車共軌，減少軌道數量。襯砌臺車在最前方進行施工，后方緊跟兩臺養護臺車，這樣當襯砌施工完成時，養護臺車快速就位，及時對混凝土進行養護。

6 結束語

隧道襯砌養護臺車屬于國內首創，并成功地在京張高鐵某隧道內應用。通過工程實踐，并與傳統養護方式對比，采用隧道襯砌養護臺車控制混凝土養護時周圍的溫度和濕度，能夠提高襯砌混凝土表面強度，并有效地降低了碳化深度，從而提高隧道襯砌養護質量。隧道襯砌養護臺車逐步地推廣應用和鐵路隧道相關養護規程的逐步實施，將大大提高隧道襯砌施工質量，并且對穿越晝夜大溫差地區隧道襯砌養護具有一定的指導意義。