趙曉鋒, 蓋 琛, 張豪祺

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

模板臺車在襯砌工作前，首先需要對其位置定位，以便二次襯砌施工時能夠均勻澆筑，區(qū)域對稱[1-2]。傳統模板臺車定位通常采用懸掛中立垂線和人工測量結合的方法，但實現過程繁瑣，同時存在較大誤差，且不利于下方車輛通過[3]。目前模板臺車定位大多借助全站儀進行測量，確定模板臺車相對理論值的偏移量，最后調整臺車位置至誤差范圍內。此方法需要專業(yè)測量人員配合，測量精度完全依賴于施工經驗，自動化程度較低，操作難度較大[4-7]。為改善這一問題，本文提出一種新型的定位方法，運用激光測距傳感器結合編寫的工控機軟件實現模板臺車的定位工作，達到簡化施工過程，提高定位精度的效果。

隧道襯砌空洞問題十分普遍，隧道空洞會造成襯砌厚度不足、結構受力特性劣化，給隧道的健康安全運營帶來諸多不利影響，在施工中需要采取多方面的措施避免空洞的出現[8-12]。目前，用于隧道病害的檢測方法包括： 敲擊法、地質雷達法、超聲脈沖法、紅外線溫度場照相技術等，其中，現場常用方法是敲擊法和地質雷達法。敲擊法檢測比較直觀，但需要對反饋信號進行處理才可準確檢測，工作效率很低，并具有一定危險性[13]。地質雷達方法因其精度高、無損檢測等特點近幾年被廣泛應用[14-15]，但對于厚度超過0.5 m的襯砌背后注漿質量很難準確識別，且價格比較高。此外，這些方法有一個共同缺陷，均是在襯砌完成之后進行檢測，一旦發(fā)現空洞，再采取剔鑿、注漿、再填實的方法解決空洞，但這樣勢必會損壞拱頂澆筑結構。本文所采用的方法是在帶模注漿的過程中，對空洞現象進行監(jiān)控，該方法有別于其他澆筑完成后的空洞檢測方法，可以在源頭有效預防空洞的產生。

1 定位系統

1.1 組成結構

本文定位系統對模板臺車類型沒有限制，文中選用人字形臺車作為載體進行該系統的說明。人字形設計利于下方車輛通過，在此基礎上，本文模板臺車門架采用固連方式增加定位過程的穩(wěn)定性，并且采用下沉式底梁設計，便于觀測激光傳感器數值。整個定位系統由工控機、控制器、2對激光測距傳感器、行程開關和泵站液壓系統組成，分為橫向定位、縱向定位和開模定位3個部分。傳感器位置分布： 第1對激光測距傳感器(A1、A2)位置如圖1所示，默認以臺車前進方向為前端，兩傳感器分別位于模板臺車前端底縱梁左、右兩側; 第2對激光測距傳感器(B1、B2)位置如圖2所示，位于臺車前后兩端橫梁中心位置處。通過觀察工控機指示燈及距離數值指示，操作泵站上的液壓手柄來控制油缸伸縮完成橫向和縱向定位。在臺車頂模和側模兩端各安裝有行程開關，對開模過程起定位和保護作用。

圖1 模板臺車正面結構圖Fig. 1 Sketch of front structure of formwork trolley

圖2 模板臺車側面結構圖Fig. 2 Sketch of lateral structure of formwork trolley

1.2 定位步驟

該模板臺車具有5種工作狀態(tài)，分別是定位狀態(tài)、澆筑狀態(tài)、閉鎖狀態(tài)、養(yǎng)護狀態(tài)和脫模狀態(tài)，每種狀態(tài)之間功能相互閉鎖，通過多位旋鈕開關進行切換。

將控制柜面板上的旋鈕開關切換到定位模式，該模式界面如圖3所示。啟動泵站，工控機上泵站電機運行指示燈亮起。通過控制本地控制柜面板上前進、后退按鈕或遙控器，使模板臺車在隧道導軌上行走至指定位置，工控機上行走電機指示燈亮起。累計定位時間從切換至定位功能處開始計算。

圖3 定位模式工控機界面Fig. 3 Industrial control interface under location mode

1.2.1 橫向定位

在隧道中線設立測量點，確保前端底縱梁左、右兩側激光測距傳感器能夠將激光點投射在上面，建立反射回路。在工控機上的定位模式界面中，分別顯示左側激光傳感器到隧道中線的距離(mm)和右側激光傳感器到隧道中線的距離(mm)，通過對模板臺車左、右橫移油缸進行操作，對橫向位置實現微調，直至工控機顯示的對正誤差在允許的范圍內，這時說明模板臺車兩側模距離中線位置基本相同，模板臺車處于隧道的橫向中心位置，結束橫向位置調整。將泵站控制柜上的橫移閉鎖旋鈕旋至閉鎖，工控機橫移閥1#、2#指示燈亮起，切斷橫移油缸油路，橫移定位結束。設置橫移閉鎖可以避免施工人員誤操作損壞模板，泵站控制柜面板如圖4所示。

圖4 泵站控制柜面板Fig. 4 Control cabinet panel of pump station

1.2.2 縱向定位

如圖3所示，在工控機上的定位模式界面中，顯示有原始垂直高度，通過控制泵站上的液壓手柄將頂升伸縮油缸降到最低，讀出當前上升距離顯示數值，手動將該數值輸入初始垂直高度條形框中,然后分別對模板臺車升降油缸進行操作。在上升的過程中，不斷對前后位置微調，保持前端上升距離值和后端上升距離值相等(或在允許的誤差范圍內)，確保模板臺車前端和后端相對地面高度基本一致。襯砌第1板時，升降距離值以現場要求為準。從第2板開始，通過模板臺車后端頂模處安裝的行程開關進行縱向定位，行程開關的安裝位置由多次測試后確定。當觸碰到第1板頂部時，頂部行程開關作用，工控機頂升閥圖框中的1#失電、2#失電、3#失電、4#失電指示燈亮起，泵站上的多路閥觸發(fā)，切斷油路，頂升動作停止，至此縱向定位結束。

如果頂模行程開關動作后仍需對頂模位置進行微調，需將泵站上的旋鈕旋至轉換升降的同時按下強制升降按鈕，才可以繼續(xù)操作升降油缸，這里設立了互鎖環(huán)節(jié)，避免由于工作人員誤操作帶來的危險，面板如圖4所示。

1.2.3 開模定位

分別操作泵站上左前開模油缸、右前開模油缸、左后開模油缸和右后開模油缸推桿，對應4個方位的開模幅度，開模幅度以現場要求為準。在側模兩側各安裝有行程開關，開模定位保護原理與縱向定位基本相同，這里不做贅述。

2 空洞監(jiān)控系統

空洞監(jiān)控系統由工控機、控制器、二次注漿管和攝像頭組成，主要可分為空洞控制器監(jiān)控和攝像頭監(jiān)控2部分，二者相互補充，從而預防空洞現象的產生。攝像頭監(jiān)控通過目視的方法對頂模澆筑情況進行把控；空洞控制器監(jiān)控通過接收電極液位開關檢測到的信號，輸出給繼電器，用指示燈信號來反映頂模澆筑情況。若發(fā)現澆注過程沒有注滿，則持續(xù)澆筑；若澆筑后仍存在空洞，還可以打開球閥通過二次注漿管進行補漿操作，直至空洞消除。

2.1 二次注漿管組成結構

二次注漿管的結構如圖5所示，由上至下依次由RPC注漿管、定位法蘭、電極式液位開關、球閥、壓力傳感器、套管、快速接頭的注漿連接套件和注漿壓力管構成。其核心是電極式液位開關，它與控制器配合工作： 當導電液體介質同電極棒沒有接觸時，電極棒之間沒有電流；當電極棒接觸到液體時，電極棒導通，控制器動作。通過控制器供給電極棒的微弱電流，使得產品可以長時間地安全使用。采用RPC注漿管帶模注漿方法，可以有效解決襯砌拱頂脫空問題，并使注漿材料與襯砌混凝土結合成良好的受力整體。

圖5 二次注漿管結構圖(單位： mm )Fig. 5 Sketch of secondary grouting tube (unit: mm)

2.2 安裝及空洞監(jiān)控過程

在模板臺車頂部共設有3個沖頂澆筑孔和6個二次注漿孔，開孔位置如圖2所示。在襯砌臺車拱頂中心線上取孔，12 m臺車鉆取6個注漿孔。具體布置原則： 主注漿孔(1#孔)離二次襯砌封閉端模0.6～1.0 m， 2#、3#、4#、5#、6#孔依次均勻分布，在取孔位置焊接固定法蘭、采取滿焊，并在臺車端部安裝攝像頭。制作RPC注漿管管口，切除RPC注漿管多余長度，并在端頭切割“十”字溢流槽。溢流槽端朝上，緊貼防水板。依次安裝注漿口處的RPC注漿管，其中緊挨已施作襯砌端的注漿孔為主注漿孔，標記為1#注漿孔，之后依次編號為2#、3#、4#、5#、6#注漿孔。通過觀察6個注漿管出漿情況，用安裝在二次襯砌端部的攝像頭監(jiān)控二次襯砌混凝土沖頂澆筑情況，二次襯砌混凝土澆筑完成后即可進行拱頂帶模注漿。

澆筑過程中需將主控制柜面板上的多位旋鈕開關切換到澆筑模式，該模式界面如圖6所示。除了檢測空洞以外，還顯示有累計澆筑時間、累計澆筑方量以及泵送的開始時刻和停止時刻，并配有動畫展示功能，便于工作人員在澆筑過程中的施工?？斩磯毫刂乒衩姘迦鐖D7所示，當沖頂澆筑完成之后，澆筑液會溢入二次注漿孔內，觸發(fā)電極液位開關，空洞控制柜和工控機上對應的空洞指示燈熄滅，說明澆筑良好。若沖頂澆筑完成之后，空洞指示燈常亮未滅，說明當前位置澆筑后存在空洞，需進行二次注漿。除了通過設計二次注漿管來杜絕空洞的產生以外，在模板臺車的前端頂部留有觀察口(如圖2所示)，同時頂部安裝有攝像監(jiān)控，記錄澆筑過程，并將整個澆筑畫面?zhèn)鬏敳⒈４嬷辽衔粰C中，歷史畫面可以無線傳輸到筆記本客戶端,且可回放每個工作循環(huán)的頂部澆筑歷史畫面。在補漿的過程中，為了防止隧道襯砌專用注漿機注漿壓力過大，在注漿管底部安裝有壓力傳感器，可以在空洞柜面板上對應的數字顯示屏中顯示當前補漿壓力值。當端模出漿或者壓力表讀數超過設定壓力上限時，自動切斷與注漿機的連接，注漿停止。

圖6 澆注模式工控機界面Fig. 6 Industrial control interface under casting mode

圖7 空洞壓力控制柜面板Fig. 7 Control cabinet panel of cavity pressure

2.3 視頻監(jiān)控

在模板臺車頂部前端安裝攝像頭，并配有感光器，根據隧道明暗程度運用LED照明燈進行補光，可以有效監(jiān)控拱頂混凝土澆筑厚度和密實度。通過工控機和手機APP 2種方式觀察整個澆筑過程，并將畫面保存為視頻文件存儲在工況機中，方便日后調用和查看。

2.3.1 工控機視頻監(jiān)控

工控機視頻播放分為2種模式： 實時和回放。視頻監(jiān)控工控機界面如圖8所示，實時顯示攝像頭當前捕捉的畫面?；胤攀遣シ糯鎯υ阡浵駲C內的視頻文件，并配有暫停、原速、慢放和快放功能。視頻文件的生成起止時間由泵站控制柜面板上的視頻錄制開關旋鈕控制，存儲路徑如圖9所示，視頻文件格式為： 開始時間_TO_停止時間(循環(huán)ID)。

圖8 視頻監(jiān)控工控機界面Fig. 8 Video supervisory interface of industrial control

圖9 視頻存放路徑Fig. 9 Video storage path

2.3.2 手機APP視頻監(jiān)控

通過登錄網頁或者掃描二維碼的方式即可下載APP，方便快捷。進入模板臺車手機APP后，首先需要連接模板臺車Wifi，該Wifi由工業(yè)交換機和路由器組建的局域網提供。用戶輸入用戶名和密碼即可進入系統開始使用。需要說明的是，本系統中包含2種用戶，即管理員和普通訪客，其中，管理員具有應用全部功能的操作權限，普通訪客只具有在線監(jiān)控功能的操作權限。

1)登陸之后，工控機信息進入編輯模式?？删庉嬓畔üた貦CIP地址、名稱以及相關參數理論值，理論值的設定是為之后各個階段的作業(yè)時間提供參考，如圖10所示。

圖10 模板臺車APP配置Fig. 10 APP configuration of formwork trolley

2)選擇在線監(jiān)控，點擊界面右上角的攝像頭圖標，彈出對話框，為方便操作，已將訪問的攝像頭IP路徑進行了綁定，如圖11所示。進入在線監(jiān)控畫面，如圖12所示，在屏幕左上角顯示緩沖速度，右上角顯示當前傳輸速率。

圖11 攝像頭IP路徑Fig. 11 Camera IP path

圖12 通過APP捕捉到的監(jiān)控畫面Fig. 12 Monitoring screen captured by APP

3 結論與討論

本文設計的模板臺車，同時具備激光定位和空洞監(jiān)控功能。經現場施工人員多次實踐測試，定位方式優(yōu)化后，相比傳統鉛墜定位方法更加直觀、更加智能化，且定位時間可以控制在10～15 min完成，較傳統方法快速很多，提高了施工效率。使用該定位系統完成定位后，利用全站儀進行測量，檢驗其定位效果。選取測量距離從23.316 m到50.116 m的5段距離，分別測量模板臺車前端和后端5個定位點，包括頂模中點、兩側模與頂模銜接點和兩側模邊角點。結果顯示，橫移中線誤差和豎直升降及開模誤差均在2 mm內，說明定位精度得到了保證。

空洞監(jiān)控系統能夠有效檢測出空洞的存在，及早發(fā)現并進行襯砌，簡化施工過程，提高整體澆筑的安全性并改善澆筑效果。利用地質雷達對已襯砌過的澆筑面進行檢測，結果顯示運用該空洞監(jiān)控系統可以基本消除頂模脫空量。

除此之外，在數據傳輸及人機交互方面，通過自主開發(fā)工控機程序和客戶端軟件，相對傳統模板臺車，在施工方面有了較大改進，模板臺車信息化系統可以準確地獲知當前設備模式狀態(tài)和進展情況，并可以遠程觀測襯砌畫面，為施工作業(yè)數據的記錄帶來方便。

該自主研發(fā)的定位和空洞監(jiān)控系統已應用于鄭萬鐵路隧道的建設當中，效果良好。目前，在信息傳輸和同步數據功能方面，本文僅基于安卓系統進行了開發(fā)，IOS系統仍在開發(fā)中，并考慮在今后的研發(fā)過程中對系統的兼容性進行優(yōu)化升級，實現不同工況的理想對接。

參考文獻(References)：

[1] 余振華. 隧道襯砌臺車快速定位系統研究[J]. 科技資訊, 2017(5): 92.

YU Zhenhua. A study of rapid positioning system of lining trolley for tunnels [J]. Science & Technology Information, 2017(5): 92.

[2] 但淑英，劉濤. 隧道雙功能全液壓伸縮全自動行走混凝土襯砌臺車結構受力分析[J]. 公路， 2009(7)： 281.

DAN Shuying, LIU Tao. The structural stress analysis of the tunnel concrete lining with double function fully automatic walking [J]. Highway, 2009(7)： 281.

[3] 倪振利. 隧道襯砌臺車快速定位系統研究[J]. 國防交通工程與技術, 2014(2): 25.

NI Zhenli. A study of the rapid positioning system of the lining trolley for tunnels[J]. Traffic Engineering & Technology for National Defence, 2014(2): 25.

[4] 祝志恒， 陽軍生， 肖超， 等. 基于形函數的隧道襯砌內壁影像展平方法及其應用[J]. 鐵道科學與工程學報， 2014(3)： 101.

ZHU Zhiheng, YANG Junsheng, XIAO Chao, et al. A method for tunnel lining surface photo flattening based on shape functions transform[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014(3)： 101.

[5] 張世卓， 王泰典， 林銘郞， 等. 影像展開與嵌接技術在隧道檢測之應用[J].地下空間與工程學報， 2008, 4(4)： 670.

ZHANG Shizhuo, WANG Taidian, LIN Minglang, et al. Application of image spread and mosaic technology in tunnel inspection[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2008, 4(4)： 670.

[6] 汪偉. 地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用與分析[J]. 資源環(huán)境與工程， 2009, 23(1)： 63.

WANG Wei. Application and analysis of geological radar on tunnel lining quality detection[J]. Resources Environment & Engineering， 2009, 23(1)： 63.

[7] 王策民. 盾構機和襯砌環(huán)的定位測量及偏差控制體系[J]. 都市快軌交通， 2008, 21(2)： 49.

WANG Cemin.Orientation and deviation control system for shield and lining ring [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2008, 21(2)： 49.

[8] 蔣玉波. 襯砌后空洞對隧道動力穩(wěn)定性影響規(guī)律研究[D]. 北京： 中國礦業(yè)大學, 2015.

JIANG Yubo. Study of the influence of cavity behind lining on dynamic stability of tunnels[D]. Beijing: China University of Mining and Technology, 2015.

[9] 應國剛. 襯砌背后空洞對隧道結構體系安全性的影響機理研究[D]. 北京： 北京交通大學, 2016.

YING Guogang. Study of affecting mechanism of tunnel structure-system safety with voids behind lining[D]. Beijing： Beijing Jiaotong University, 2016.

[10] 王鋒. 某鐵路隧道襯砌空洞病害整治技術[J]. 施工技術, 2014, 43(增刊1): 417.

WANG Feng. Treatment of a railway tunnel lining cavity defect [J]. Construction Technology, 2014, 43(S1): 417.

[11] 姜寧. 襯砌背后空洞對隧道襯砌結構安全性的影響研究[D]. 煙臺： 煙臺大學, 2016.

JIANG Ning. Study of the influence of cavity behind the lining on the safety of tunnel lining structure[D].Yantai： Yantai University, 2016.

[12] 袁成海, 湯曉輝, 伍毅敏. 隧道二次襯砌空洞的成因與對策[J]. 交通標準化, 2010(10): 109.

YUAN Chenghai, TANG Xiaohui, WU Yimin. Reasons and solutions for cavity in secondary lining of tunnel[J]. Transport Standardization, 2010(10): 109.

[13] 武鑫星. 暗挖隧道空洞初步普查施工及處理[J].山西建筑, 2014, 40(17): 207.

WU Xinxing. On Propaedeutic survey stage of bored tunnels hole and treatment[J]. Shanxi Architecture, 2014, 40(17): 207.

[14] 楊睿, 薛亞東, 楊健. 雷達探測隧道壁后空洞的現場驗證及空洞影響分析[J]. 隧道建設, 2017, 37(2): 185.

YANG Rui, XUE Yadong, YANG Jian. In-situ verification of voids behind tunnel lining detected by ground penetrating radar and numerical analysis of influence of voids on tunnel structure [J]. Tunnel Construction, 2017, 37(2): 185.

[15] 路剛. 地質雷達在鐵路隧道襯砌質量檢測中的應用[J]. 隧道建設, 2012, 32(4): 459.

LU Gang. Application of geological radar in quality detection of railway tunnel lining [J]. Tunnel Construction, 2012, 32(4): 459.