自動化襯砌臺車在公路隧道施工中的應用分析

宋小強

（中交四航局第六工程有限公司，廣東 珠海 519000）

隨著我國隧道建設的快速發展，對隧道襯砌臺車的需求日益增加，臺車是各類隧道襯砌實現機械化施工的重要設備，與混凝土泵送設備配套使用，可大大提高作業效率，減輕工人勞動強度，提高襯砌質量。傳統的襯砌臺車由于受力結構復雜、支撐桿件繁多、自動化程度低、人工勞動強度大、操作空間狹小、施工效率低、安全狀況差、加之面板拼縫較多，襯砌外觀質量無法保障。引進自動化襯砌臺車可以很好地解決以上問題，本文針對自動化襯砌臺車在某隧道施工中的實際使用情況，從使用安全性、施工效率、質量保障等方面進行綜合論述。

1 工程概況

某高速公路隧道位于湖南省境內，起訖樁號：左線ZK4+505～ZK6+987,長2392m,右線K4+475～ZK6+875，長2400m，設計為雙向六車道，屬山嶺長大隧道。隧道采用進出口對向掘進的方式施工，進出口各施工1200m，為滿足施工需要配置了四臺自動化襯砌臺車。

2 自動化襯砌臺車簡介

該高速公路隧道使用三線公路自動化襯砌臺車，臺車按照隧道內凈空尺寸進行設計與制造。其結構主要由模板總成、門架結構、走行系統、頂升機構、橫移機構、支撐桿件系統、平臺輔助系統、電氣液壓系統、自動化澆筑系統、自鋪軌系統、智能化信息監測系統等部分組成。自動化襯砌臺車結構，如圖1所示。

圖1 自動化襯砌臺車結構示意圖

3 應用分析

3.1 使用安全分析

3.1.1 傳統臺車

（1）傳統臺車多采用以骨架為支撐主體的門架式結構。襯砌施工時，模板及混凝土自重和混凝土澆筑產生的側壓力先作用于模板上，然后經模板和骨架間的縱連撐管和支撐千斤頂作用于門架上，再經門架縱梁和門架千斤頂傳遞至軌道上，最后經枕木作用在仰拱填充面上。由于其整體設計的局限性，結構受力較為復雜，尤其在大跨度三線公路隧道使用時門架結構跨度加大，在混凝土澆筑過程中存在門架受力過大變形、結構件變形、模板變形、跑模等所導致的坍塌風險。

（2）傳統臺車結構門架為主要受力部位，為增加門架穩定性而增加了大量的支撐桿件，致門架車輛通行空間不足，施工過程中存在車輛通行障礙，存在車輛碰撞風險。同時，由于支撐桿件增多導致操作空間狹小，工人操作不便通行困難，存在工人作業高處墜落風險。

3.1.2 自動化臺車

（1）自動化臺車的設計突破傳統臺車結構的受力原理，將模板系統作為主受力承載件，設計成板式箱型梯結構，強度高穩定性好，混凝土澆筑時產生的側壓力及拱頂混凝土的自重直接作用在模架系統上，在通過底部的支撐傳遞到路面。門架系統作為載具，設計成四只腳門框結構，與模板間無連接，不承受側壓力及混凝土的重量，只承擔模架系統的自重，大大減少了門架及桿件受力變形坍塌的風險，同時，模板系統用大而厚實的環向筋板和肋板支撐，降低了模板變形的風險。整個結構傳力路線短、節點少，澆筑過程不易發生跑模。通過對模架結構和骨架結構進行有限元分析，整個臺車結構滿足最不利受力情況下的強度要求，從技術方面保證了臺車施工安全性。

（2）自動化臺車由于門架系統受力小，結構大大精簡，提高了通風截面，便于施工車輛通行，減少了車輛碰撞風險，同時，支撐桿件系統比傳統減少了一半，整體零部件大大減少，增大了內部作業空間，梯子平臺經人性化設計方便人員通行和施工，提高了作業安全和文明施工水平。

3.1.3 使用安全對比分析

自動化臺車對比傳統臺車，在整體結構安全，人員施工安全、人員操作安全，人員作業環境、現場文明施工程度等方面有了很大的提高。

3.2 施工效率分析

一模二次襯砌作業循環過程，如圖2所示，就過程的每個步驟進行施工效率分析。

圖2 一模二次襯砌作業循環

3.2.1 行走和就位

傳統臺車由于自動化程度不高，行走和就位過程，需要人工搬運枕木和鋼軌，人工勞動強度大、工作效率低、行走和就位過程耗用時間長。

自動化臺車配備專用軌道及軌道提升輸送裝置，取消傳統臺車軌道支墊枕木，軌道無須人工搬運可自主鋪軌，有效降低工人勞動強度，減少作業人數，可大大提高施工效率，減少行走和就位時間。

3.2.2 模板定位調整

傳統臺車全液壓系統程度較低，支撐桿件多，模板調整空間小，人工勞動強度大，模板定位調整過程復雜且時間長。

自動化臺車配備橫移液壓油缸操作系統、頂升液壓油缸操作系統、側向模板液壓油缸操作系統，側向模板快速撐地絲桿等，油缸伸縮量長，調整空間大，操作簡單、可快速準確也完成模板定位調整。

3.2.3 端頭模安裝

傳統臺車端頭模采用小塊木模板拼裝，強度低、材料用量大、周轉率低，拼裝耗時長、人工耗用量多，影響混凝土質量的同時，降低施工效率，耗費大量人工和時間。

自動化臺車端頭模封堵采用可視化高分子伸縮模板，模板伸縮可調節，適用性強、拆裝方便、模板可多次重復使用，徹底替代木模封堵，大幅降低勞動強度，提高工效，降低施工成本，且相鄰部件緊密接觸，密封性好避免漏漿、爆模等情況發生，有效節省了端頭模安裝時間。可視化高分子端頭模板，如圖3所示。

圖3 可視化高分子端頭模板

3.2.4 混凝土澆筑

傳統臺車混凝土澆筑采用混凝土泵車連接泵送管道至澆筑窗口，澆筑過程需要大量人工不斷的移管、換管、接管、拆管且管道清洗麻煩、費時費力，整個混凝土澆筑過程人工勞動強度大，耗費時間較多，施工效率低。

自動化臺車配備自動化遙控布料系統，配備的布料小車可縱向行走換位、左右擺動分流和上下升降對位、配套管路系統，可將混凝土分流到所需澆筑部位和拱頂，特設的汽、水結合管路清洗裝置，操作簡單方便，縮短了管路清洗時間。整個布料系統不需要人工拆管、接管、換管和清洗，僅需一名操作人員輕松操作遙控器，即可實現混凝土分層逐窗澆筑，從根本上實現了全自動化操作，簡化了混凝土澆筑過程，節省了人工成本，縮短了混凝土澆筑時間。

對該隧道圍巖占比高達45.21%的S-Ⅲa級圍巖施工段，按隧道正洞每12m一模襯砌，統計分析自動化臺車10模襯砌混凝土澆筑作業中的施工時間，從而得出其施工工效。

通過現場實際收集的數據由表1可知，每循環平均澆筑方量為147.5m3，每一模平均澆筑施工時間為9.1h，平功效為16.18m3/h。

表1 自動化襯砌臺車澆筑施工數據統計表

3.2.5 施工效率對比分析

表3 一模襯砌施工人員投入統計表

如表2、3所示，一模襯砌施工自動化臺車較傳統臺車節約6.3h，減少人工5人。

表2 一模襯砌施工效率對比分析表

3.3 質量保障分析

3.3.1 傳統臺車

傳統臺車一般采用單管布料，澆筑混凝土時，工人勞動強度大，很難做到逐倉、分層、均勻、對稱澆筑，容易出現一灌到底或各部位澆筑高差過大，易產生跑模、混凝土強度不均、混凝土離析、人字坡冷縫等混凝土缺陷，加之澆筑窗口布置不合理，容易產生混凝土澆筑落差較大，混凝土沖刷面板而產生較大面積的沖印。在拱頂混凝土澆筑過程中，混凝土澆筑不能實現帶壓澆筑，拱頂部位易形成脫空、密實度不夠、強度不足、蜂窩麻面等缺陷。

3.3.2 自動化臺車

（1）自動化分層澆筑。臺車配備自動化的分層布料系統，采用布料分配小車加泵送管路結合的形式，布料小車可縱向行走換位、左右擺動分流和上下升降對位完成泵送管路自動切換對接，臺車模板上設有單邊四層13個混凝土澆筑窗口，封閉式混凝土輸送管路分別直通各個澆筑窗口，并通過智能遙控控制系統實現輕便快捷將混凝土分流到所需位置，真正實現了逐倉、分層、均勻、對稱澆筑，有力地保障了混凝土襯砌質量。

（2）全方位振搗系統。臺車配置插入式和附著式高頻自動振搗器，邊墻和拱腰部位采用插入式和附著式振搗器配合使用，拱頂部位安裝插入式振搗器，通過插入式高頻振動器的往復運動對拱部混凝土進行深入充分振搗，作業人員通過PLC程序控制系統，遙控控制振搗持續時間、間隔時間、振動次數，實現環向、縱向及厚度方向的振搗全覆蓋，結合拱頂部位帶壓澆筑，有效提升混凝土強度和密實度，大大減少了拱頂混凝土松散、脫空的質量缺陷。

（3）拱頂帶模注漿。臺車配備帶模注漿專用設備，拱頂部位澆筑完成2～3h后，通過拱頂設置的4個注漿口，利用專用注漿設備，對拱頂及時進行注漿，避免了傳統臺車要等襯砌強度達到設計值后再進行注漿而導致注漿液與襯砌結構結合完整性不好，形成兩層皮的弊病，保障了襯砌結構的完整性和強度要求。

（4）信息化監測系統。臺車搭載智能信息化監控系統，可檢測記錄混凝土澆筑入倉順序、澆筑位置、對應澆筑口流量、澆筑方量、混凝土入模溫度、環境溫度，澆筑開始和結束時間并對拱頂混凝土澆筑進行防空洞預警和壓力檢測，實現澆筑過程可控制可追溯，并通過澆筑過程進行數據優化，最終實現標準化施工，利用信息技術手段保障襯砌混凝土質量。

該隧道二次襯砌混凝土的設計強度等級為C30防水混凝土，防水抗滲等級不低于P8，抗壓強度要求為30.0MPa，針對圍巖占比高達45.21%的S-Ⅲa級圍巖段作為主要分析對象，該段混凝土厚度設計要求為45cm。取施工高峰期5～9月施工的襯砌作為質量分析，通過隧道作業施工實測統計，得到使用自動化臺車澆筑的襯砌混凝土質量數據，如表4所示。

表4 自動化臺車襯砌混凝土質量數據統計表

根據現場實際收集數據得出，5～9月施工段襯砌混凝土平均厚度為49.42cm，平均抗壓強度為33.2MPa，質量均達到施工規范標準，滿足隧道設計要求。

3.3.3 質量保障對比分析

為檢驗傳統襯砌臺車和自動化臺車已完工隧道襯砌施工實體質量，根據相關質量檢驗評定標準，分別進行襯砌混凝土質量檢測，實測項目偏差對比如表5所示。

表5 襯砌混凝土質量檢測偏差表

如表5所示，自動化臺車較傳統臺車在襯砌施工質量方面有明顯的提高。

4 綜合評價分析

根據該隧道襯砌施工實測數據統計分析，自動化澆筑襯砌臺車對比傳統臺車，綜合評價如表6所示。

表6 綜合評價

5 結語

目前，隨著對隧道施工安全的高度重視以及人工成本的不斷提高，施工機械化自動化成了必然的趨勢，該隧道工程引入自動化襯砌臺車，很好地順應了這一趨勢，并通過自動化臺車在實際施工的應用，從使用安全性、施工效率、質量保障等方面以相關實測數據為依據與傳統臺車進行了應用對比分析，自動化臺車在隧道襯砌施工中克服了傳統臺車的種種弊端，大大提高了作業安全性，降低了人工和成本投入，提高了施工效率，有效地保障了襯砌質量。