自動噴霧養護臺車應用研究

彭 偉

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 廊坊 065201）

國內現有隧道施工過程中針對二襯混凝土養護多采用人工噴淋的方式，在實際應用中存在以下缺陷：①勞動強度大、效率低，需人工操作接管、拖拽管路等；②養護作業不規范，養護時間和養護方式隨意性較大；③養護水取自地下自然水，水溫較低且水溫無法調節，導致養護水溫與二襯混凝土表面溫差較大，養護效果不理想；④用水量大，噴灑不均勻，造成水資源等嚴重浪費。

隧道施工過程中對混凝土進行及時、有效的養護是保證隧道砌襯混凝土的設計強度和耐久性的一個重要因素。養護不及時、不充分或養護天數不夠都將影響砌襯混凝土的施工質量和性能。根據相關施工規范和相關要求，混凝土必須配置養護裝置，首次保濕養護時間控制在脫模后2h內，砌襯混凝土的養護時間不得少于14 天，高溫地區應當增加養護的頻率和天數。在實際施工作業中，通常認為長大隧道洞內溫度較恒定，且洞內空氣有一定濕度，混凝土的養護問題沒有得到足夠的重視，使得養護工序控制比較困難。目前國內隧道工程大多以傳統的人工養護為主，人工養護需要投入較多的人力物力，同時該方式存在非常明顯的不足，存在對砌襯混凝土表面狀況缺乏實時監控而致使養護不充分、不合理的情況存在，導致混凝土出現表面裂紋甚至強度不足等質量缺陷。

為此，中鐵隧道局集團有限公司開展《噴霧養護臺車》的專項研究，通過對現場需求分析、市場調研和施工背景的研究，確定以二處赤喀客專項目部一分部為依托工程，采用噴霧養護臺車進行噴霧養護。

1 工程概況

新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路位于蒙東地區的赤峰與遼寧省西部朝陽市，沿線經過朝陽市喀左縣和建平縣、赤峰市寧城縣、喀喇沁旗、元寶山區、紅山區和松山區。線路自京沈客專喀左站引出，沿線設建平站、寧城站、平莊西站，終至赤峰西站。

正線線路長度157.375km，其中遼寧省境內54.845km，內蒙古境內約102.53km。本工程的實施可強化東北快速客運網絡、優化快速客運網布局，延伸快速客運網服務半徑，對于保障“振興東北老工業基地”戰略的順利實施具有重要意義。

以赤喀客專CFSG-2 標段天秀山隧道1#斜井隧道的相關技術要求及數據參數為依據，天秀山隧道全長9 072m，設2 座雙車道無軌運輸斜井（1 號斜井881m，縱坡11%；2 號斜井837m，縱坡10.5%，后期做避難所使用），地質以白云巖為主，隧道穿越8 個斷層，進口端有1 150m 設中心深埋水溝，出口端有732m 設中心深埋水溝；楚家溝隧道：440m，以白云巖為主；車杖子隧道：420m，其最大埋深約24m，以泥灰巖為主，其仰拱及襯砌完成后的施工斷面如圖1 所示。

圖1 施工斷面

2 總體方案及工作原理

2.1 總體方案

1)技術方案 噴霧養護臺車整體設計依據為項目隧道斷面邊界條件、相關施工規范和集團公司文件要求，根據理論與實驗相結合的方式進行設計，噴霧養護臺車總體方案如圖2（a）所示，產品實物效果見圖2（b）所示。

圖2 噴霧養護臺車總體方案

2)整體結構 根據以上要求，設計臺車整體結構為全斷面拱形桁架結構，鋪軌行走，應用電纜卷盤輔助持續提供電力供應，大小水箱配合儲水與加熱，經由水路系統、霧化噴頭，噴灑于混凝土上進行養護作業。結構部分主要由骨架部分、行走部分、電纜卷筒，加熱裝置、電控箱以及水路系統等組成。

3)工作原理 根據養護作業施工規范和集團公司下發的相關文件要求，隧道二襯混凝土養護期不能少于14 天，按襯砌一組12m 需要2.5 天計，保證14 天養護時間需要養護臺車在不少于70m 范圍內進行移動養護作業。養護臺架工作原理具體為通過鋪設的軌道、電纜卷盤、行程開關等，使臺車在設定區間、時間內自動往復行走。水路系統經過加熱后，通過設置在仿形拱架上的噴頭噴灑于混凝土上，由溫濕度傳感器調整小水箱水溫，噴霧養護臺車工作流程見圖3 所示。

圖3 噴霧養護臺車作業流程圖

2.2 電氣控制系統設計

2.2.1 電氣控制要求

1)養護臺車行走速度連續可調，以保證養護效果。

2)可以實現養護臺車的自動往復行走，且往復行走次數可調。

3)養護水溫保證與混凝土面的溫差不能超過15℃。

4)當混凝土表面濕度低于設定下限值時養護臺車自動啟動養護。

2.2.2 電氣動作邏輯

在設備啟動養護前先要進行狀態檢測，當檢測到混凝土表面濕度低于系統設定的下限值，且混凝土表面溫度和養護水溫的溫差小于15℃時，設備才會啟動養護，兩個條件任何一個條件不滿足設備都會自動禁止啟動。

當檢測到混凝土表面溫度和養護水溫的溫差大于15℃時，設備會自動啟動加熱裝置給水溫加熱，直到混凝土表面溫度和養護水溫溫差小于10℃后設備才會啟動養護。在養護過程中一旦檢測到混凝土表面溫度和養護水溫溫差大于15℃，設備會自動停機進行加熱，直到溫度滿足條件后再次啟動養護。圖4 為電氣動作邏輯圖。

圖4 電氣動作邏輯圖

一個養護作業周期完成后，設備會根據預設的停機時長自動停機（待機），待設定間隔時間度過后，設備將再次自動啟動，檢測養護里程內的混凝土表面濕度，當檢測到混凝土表面濕度均值低于系統設定值后，設備自動啟動噴霧養護；當檢測到混凝土表面濕度均值在規定范圍內，則停止噴霧養護，待下一個停機時間間隔完成后，設備重新啟動，再次檢測。

2.2.3 電氣控制說明

養護臺車的電氣系統是按三相交流電源設計的，其電源電壓為380V，頻率為50Hz。

養護臺車采用可編程控制器（PLC）、觸摸屏與變頻器通訊控制，可編程控制器、觸摸屏和變頻器電源分別為AC22V、DC24V 和AC380V。接觸器的線圈電壓為AC220V，中間繼電器線圈電壓為DC24V。可編程控制器（PLC）、變頻器、接觸器和中間繼電器安裝在電控箱內部，在電控箱面板上安裝有觸摸屏和控制按鈕以方便控制操作。養護臺車上裝有行走電機、水泵、水箱加熱棒、液位傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和限位開關。

3 臺車結構有限元分析

養護臺架選用材料為Q235，下部主骨架使用100mm×5mm 方管，拱架部分使用?38mm×4mm 圓管和40mm×2mm 方管，臺架結構示意圖如下圖5 所示。采用Midas 建模如圖6 所示。

圖5 臺車結構示意圖

圖6 Midas建立模型

建模后添加邊界條件及荷載。可變荷載：在臺架中部加載100kg 力；永久荷載：永久荷載即結構自重，Midas 軟件自動計算，系數取-1.2；荷載組合：1.2 倍永久荷載+1.4 倍可變荷載。

經過計算得出：最大變形10.1mm，滿足剛度要求。

整體應力計算得：最大應力90.7MPa＜210MPa，滿足GB 50017-2017《鋼結構設計規范》要求最大應力[s]=210MPa。計算說明結構設計強度滿足實際使用要求。

局部應力計算得：前部拱架最大應力90.6MPa，后部拱架最大應力90.7MPa。

采用Midas 屈曲分析模塊進行穩定性分析，設置自重荷載為不變量，可變荷載為變量，其屈曲模態特征值如圖7 所示，即在29.3 倍可變荷載的情況下會發生結構失穩狀態，其特征值較大，穩定性較好。其失穩狀態見圖8 所示，拱架會發生側部失穩。

圖7 屈曲模態特征值

圖8 拱架失穩狀態示意

4 現場應用情況

2018 年6 月，首套設備運抵中鐵隧道二處赤峰至喀左鐵路CFSG-2 標，2018 年6 月開始安裝，當月完成洞內安裝及調試；2018 年6 月24日～2018 年11 月15 日為設備的現場試驗階段，在此期間對設備各部件功能進行了檢驗，共試驗5 個月，設備共計完成34 個循環的噴淋養護作業，累計養護工長度約412m，噴霧養護臺車在現場應用階段整體運行狀態良好，養護施工效率高，操作簡單，可靠性、安全性高，能夠滿足鐵路噴淋養護的要求（圖9）。

圖9 產品應用照片

如圖10 所示，在整體數據的分布上，左側噴霧養護對砌襯混凝土強度的提升效果最為明顯，噴霧養護的拱頂位置效果次之，流水養護的右側位置效果相對較差，其中左側噴霧養護位置混凝土強度平均值為46.50MPa，右側流水養護位置混凝土強度平均值43.59MPa，拱頂噴霧養護混凝土強度平均值為44.67MPa，左側位置較右側位置高出6.7%。結合現場工況發現，左側位置噴霧養護最為均勻，拱頂位置由于氣流擾動，霧化效果稍差于左側，而右側位置的流水養護均勻度不及拱頂及左側，綜上所述，噴霧養護對混凝土強度有明顯的提升效果。

圖10 天秀山隧道正洞二襯混凝土回彈強度折線圖

5 結語

以方案設計—理論支撐—現場應用為敘述主線，重點論述了解決隧道二襯養護應用的主要思路與初步試用效果。通過自動噴霧養護臺車的使用，提高了隧道二襯的養護質量，降低了勞動力的投入和使用，提高了現場的自動化施工水平，并且噴霧大大提高了水資源的利用率，節省了水的使用，產生了良好社會經濟環保效果。在后續的研究或使用中，還需要在現場施工組織與設備配置方面做進一步優化、總結與探討。