姜 軍 郭寶庫(kù) 林 毅

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024）

1 引言

進(jìn)入本世紀(jì)后，鐵路尤其是高速鐵路的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)有了大幅度提升，我國(guó)鐵路進(jìn)入高速建設(shè)期，尤其是高速鐵路如雨后春筍般遍地開花。大量線路開始穿越修建困難的重山區(qū)，隧道長(zhǎng)度占比越來(lái)越大，隧道斷面越來(lái)越大。隧道開挖支護(hù)施工的機(jī)械化程度也逐步提高，甚至已經(jīng)使用了智能裝備，如全電腦三臂鑿巖臺(tái)車、智能濕噴機(jī)械手等。但隧道二次襯砌仍普遍采用整體式鋼模臺(tái)車進(jìn)行二次襯砌澆筑，受設(shè)備自身的缺陷限制，出現(xiàn)了大量的質(zhì)量缺陷，如混凝土冷縫、離析、振搗不密實(shí)、施工縫附近混凝土頂裂、拱頂空洞等質(zhì)量缺陷［1-2］。嚴(yán)重影響了鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

二次襯砌施工經(jīng)歷了人工立模、簡(jiǎn)易模板臺(tái)架、網(wǎng)架式襯砌臺(tái)車、全液壓自動(dòng)行走襯砌臺(tái)車等階段［3］，襯砌臺(tái)車通過(guò)一系列技術(shù)研究［4-11］，襯砌混凝土施工質(zhì)量得到了提升，但存在施工工藝復(fù)雜，工序接口較多，質(zhì)量控制人為因素較大，造成隧道二次襯砌施工質(zhì)量不易控制。

本文結(jié)合羅家山隧道應(yīng)用的自動(dòng)布料帶壓澆筑智能襯砌臺(tái)車，對(duì)施工工藝進(jìn)行深入研究，盡最大可能發(fā)揮該設(shè)備先進(jìn)的功能，有效解決了施工質(zhì)量通病。

2 工程背景

羅家山隧道全長(zhǎng)10 640 m，采用“三平導(dǎo)+一斜井+一橫洞+一泄水洞”輔助坑道方案，隧址區(qū)巖溶發(fā)育，可溶巖段長(zhǎng)6 905 m占隧道總長(zhǎng)的64.9%，存在突水突泥、斷層破碎帶、巖溶、順層、偏壓、危巖落石、高地溫等不良地質(zhì)，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。其中羅家山隧道泄水洞工區(qū)承擔(dān)正洞2 070 m施工任務(wù)，同時(shí)為鄭萬(wàn)全線加強(qiáng)型機(jī)械化配套試驗(yàn)點(diǎn)，全工序采用工裝配置依次為：全電腦三臂鑿巖臺(tái)車、多榀拱架安裝臺(tái)車、濕噴機(jī)械手、自行式仰拱棧橋、防水板及二襯鋼筋安裝臺(tái)架、自動(dòng)布料帶壓澆筑智能襯砌臺(tái)車（以下簡(jiǎn)稱智能襯砌臺(tái)車）、自動(dòng)養(yǎng)護(hù)臺(tái)車、溝槽模板臺(tái)車等，全工序機(jī)械化工裝的配置，形成了“一洞九線”流水化作業(yè)生產(chǎn)線。

3 臺(tái)車技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用

3.1 臺(tái)車技術(shù)特點(diǎn)

智能襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)主要包括模板、門架、輸送管路、行走機(jī)構(gòu)、混凝土輸送泵、滑移軌道系統(tǒng)、自然澆筑系統(tǒng)、帶壓灌注系統(tǒng)及高頻氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)等，如圖1所示。臺(tái)車具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 智能襯砌臺(tái)車示意

表1 智能襯砌臺(tái)車性能參數(shù)

3.2 新技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 雙灌注技術(shù)

智能襯砌臺(tái)車采用雙灌注技術(shù)，如圖2所示。

圖2 智能襯砌臺(tái)車灌注系統(tǒng)

下灌注系統(tǒng)采用機(jī)械手臂分層逐窗自然流下澆筑，避免了以往施工中人工頻繁移動(dòng)滑槽，不能實(shí)現(xiàn)逐窗入模澆筑的弊端。采用機(jī)械手臂施工，澆筑管口直接伸入到窗口內(nèi)，移動(dòng)靈活方便。

上灌注系統(tǒng)采用伸縮輸送管+橡膠密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)拱頂澆筑的輕松對(duì)接，同時(shí)合理的窗口布置實(shí)現(xiàn)水平壓入帶壓澆筑，運(yùn)用“拱頂部水平壓入澆筑工法”實(shí)現(xiàn)帶壓澆筑。

上澆筑系統(tǒng)與下澆筑系統(tǒng)的快速切換，如圖3所示。具有防泄露、防堵管、快速清洗的功能，一套管路兩套機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)輕松切換。通過(guò)“高壓風(fēng)+清洗球”進(jìn)行管路清洗，清洗速度快，效果好。

圖3 雙系統(tǒng)切換

3.2.2 高頻氣動(dòng)振動(dòng)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)大多采用電動(dòng)振動(dòng)器，頻率低，易與臺(tái)車模板形成共振。國(guó)外普遍使用高頻氣動(dòng)振動(dòng)器，通過(guò)高頻氣動(dòng)振動(dòng)器，優(yōu)化設(shè)計(jì)臺(tái)車主體及模板結(jié)構(gòu)，從而解決混凝土密實(shí)問(wèn)題。

通過(guò)在羅家山隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。在襯砌臺(tái)車模板布置高頻氣動(dòng)振動(dòng)器，如圖4所示。對(duì)混凝土密實(shí)振搗效果進(jìn)行分析，振搗效果如圖5所示，電動(dòng)振搗與氣動(dòng)振搗相比，混凝土氣泡數(shù)量明顯減少，振搗質(zhì)量提升明顯。高頻氣動(dòng)振動(dòng)器設(shè)置如圖6所示。

表2 氣動(dòng)振動(dòng)器試驗(yàn)參數(shù)

圖4 高頻氣動(dòng)振動(dòng)器在臺(tái)車上的試驗(yàn)

圖5 振搗效果對(duì)比

圖6 高頻氣動(dòng)振動(dòng)器設(shè)置

3.2.3 軟搭接技術(shù)

智能化二襯臺(tái)車通過(guò)創(chuàng)新和優(yōu)化，采用接近開關(guān)，配合橡膠緩沖材料，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)軟搭接，既能保證臺(tái)車帶模澆筑時(shí)的整體密封性能，又能防止模板位移導(dǎo)致的對(duì)搭接處混凝土造成損壞，從而保證搭接處混凝土的質(zhì)量。

3.2.4 灌注壓力管理技術(shù)

利用智能傳感器，實(shí)現(xiàn)灌注壓力的全方位檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工全過(guò)程。

（1）臺(tái)車澆筑

能夠?qū)崟r(shí)顯示澆筑時(shí)臺(tái)車內(nèi)混凝土的狀態(tài)和澆筑方量，從而對(duì)整個(gè)澆筑過(guò)程進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控。

（2）拱頂灌注

通過(guò)拱頂壓力傳感器，以及防水板低洼處預(yù)埋的電極反饋裝置來(lái)監(jiān)測(cè)拱頂混凝土是否灌滿。當(dāng)預(yù)埋電極反饋裝置短路給出接通信號(hào)或壓力傳感器讀數(shù)大于或等于設(shè)定值時(shí)，從而判定拱頂混凝土已灌滿。

3.2.5 信息化技術(shù)

襯砌臺(tái)車采用了信息集成傳輸系統(tǒng)，通過(guò)智能感應(yīng)器，讀取襯砌混凝土澆筑過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，參數(shù)上傳至臺(tái)車電腦后進(jìn)行匯總分析，實(shí)時(shí)顯示混凝土灌注方量、灌注壓力、實(shí)時(shí)混凝土液位及入模溫度，同時(shí)根據(jù)混凝土灌注飽滿度確定混凝土停止?jié)仓r(shí)間，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)異常情況及時(shí)報(bào)警提醒?；炷翝仓戤叄r砌臺(tái)車根據(jù)混凝土最后澆筑完成時(shí)間設(shè)定臺(tái)車脫模時(shí)間，確保襯砌臺(tái)車在保證混凝土強(qiáng)度的情況下盡早脫模，提高臺(tái)車的利用效率，混凝土振搗系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 振搗系統(tǒng)界面

實(shí)時(shí)灌注流量及總量通過(guò)混凝土流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)；混凝土的預(yù)澆筑方量可通過(guò)車載式3D自動(dòng)掃描儀或激光斷面儀測(cè)量；預(yù)埋溫度傳感器，記錄入模溫度，讀取混凝土芯部和表面的溫度，見(jiàn)圖8。

圖8 溫度顯示

4 施工工藝

4.1 工藝原理及流程

臺(tái)車采用雙灌注系統(tǒng)，下灌注系統(tǒng)采用自然分層逐窗澆筑混凝土，并通過(guò)高頻氣動(dòng)振動(dòng)器代替人工振搗，上灌注系統(tǒng)采用帶壓灌注系統(tǒng)灌注混凝土，并利用安裝在拱頂?shù)闹悄軌毫Ω袘?yīng)器及反饋裝置監(jiān)測(cè)拱頂混凝土密實(shí)度，確定混凝土停止?jié)仓r(shí)間。襯砌臺(tái)車集成了智能感應(yīng)器及信息集成傳輸系統(tǒng)，通過(guò)智能感應(yīng)器與信息化系統(tǒng)的完美配合實(shí)時(shí)反映襯砌施工情況，從而進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)襯砌混凝土施工。

智能襯砌臺(tái)車二襯施工工藝流程如圖9所示。

圖9 智能襯砌臺(tái)車施工工藝流程

4.2 工序要點(diǎn)

4.2.1 初支檢測(cè)

在隧道襯砌施工之前，先由測(cè)量組每3 m一個(gè)斷面，采用全站儀對(duì)隧道初支斷面凈空測(cè)量，對(duì)隧道凈空進(jìn)行檢查并將測(cè)量成果上報(bào)，提前對(duì)侵限部分鑿除處理，完成后進(jìn)行復(fù)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收合格后進(jìn)行下一道工序。

4.2.2 土工布、防水板掛設(shè)、鋼筋施工

土工布、防水板掛設(shè)及鋼筋安裝采用防水板襯砌鋼筋全自動(dòng)一體機(jī)，由2名作業(yè)人員配合操作，通過(guò)一體機(jī)快速準(zhǔn)確地掛設(shè)土工布與防水板，將土工布、防水板固定牢固，且松弛率、防水板焊接質(zhì)量滿足規(guī)范要求。土工布、防水板掛設(shè)完畢，作業(yè)人員安裝襯砌鋼筋保護(hù)層墊塊，采用擠壓套筒連接環(huán)向襯砌鋼筋，最后采用一體機(jī)將環(huán)向、縱向鋼筋綁扎固定到位。

4.2.3 預(yù)埋槽道定位、檢查

在混凝土澆筑前，作業(yè)人員安裝隧道預(yù)埋槽道，預(yù)埋槽道安裝完畢，由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)槽道安裝情況進(jìn)行檢測(cè)復(fù)核，避免出現(xiàn)槽道漏埋、安裝錯(cuò)誤等問(wèn)題。

4.2.4 襯砌臺(tái)車定位

襯砌臺(tái)車定位由測(cè)量組指揮操作手橫移或升降油缸，使臺(tái)車模板中線精確對(duì)準(zhǔn)隧道中線，并根據(jù)測(cè)量員測(cè)量襯砌臺(tái)車頂模兩側(cè)模板鉸接位置的平面位置及標(biāo)高校核尺寸繼續(xù)操作油缸，使整個(gè)頂模調(diào)整到符合尺寸位置，關(guān)閉油缸截止閥；根據(jù)測(cè)量員校核尺寸操作邊模油缸，使邊模調(diào)整至要求位置后關(guān)閉油缸截止閥防止移動(dòng)；操作角模油缸調(diào)整角模至要求位置。

4.2.5 施作止水帶、氣囊封閉端頭

（1）襯砌臺(tái)車封端采用氣囊進(jìn)行封閉，與傳統(tǒng)的施工工法相比，封端氣囊與初支面密貼性更好，減少了混凝土外漏的情況。同時(shí)采用氣囊封端避免了用木板封端時(shí)反復(fù)切割木板造成的人工、材料的浪費(fèi)。氣囊操作簡(jiǎn)便，減少了勞動(dòng)力的投入，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

（2）襯砌臺(tái)車后端設(shè)置了光電感應(yīng)機(jī)械接近開關(guān)，配合緩沖材料發(fā)泡橡膠墊、梯型橡膠條緩沖密封，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)軟搭接，避免損壞已完成襯砌。發(fā)泡橡膠墊固定到臺(tái)車上，梯形橡膠固定到隧道上，瓦斯釘斜著打入凹槽內(nèi)部，如圖10所示。

圖10 軟接搭應(yīng)用示意

4.2.6 下灌注系統(tǒng)自然澆筑

襯砌臺(tái)車下灌注系統(tǒng)是自然流下澆筑系統(tǒng)，采用“6自由度+”機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)。機(jī)械手臂通過(guò)設(shè)置在臺(tái)車中部的滑移軌道系統(tǒng)進(jìn)行水平回轉(zhuǎn)和縱向滑移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的精準(zhǔn)定位，將機(jī)械手臂出料口精確穩(wěn)定地伸入到各個(gè)澆筑窗口，實(shí)現(xiàn)襯砌混凝土分層逐窗澆筑?；炷翝仓r(shí)由1名作業(yè)人員觀察電腦顯示器混凝土液位及臺(tái)車狀況，及時(shí)調(diào)整混凝土澆筑速度。同時(shí)襯砌臺(tái)車留出足夠的行車限界，鑿巖臺(tái)車、混凝土罐車及出渣車輛可順利通過(guò)，見(jiàn)圖11，臺(tái)車泵送砼示意見(jiàn)圖12，下灌注澆筑系統(tǒng)如圖13所示。

圖11 下灌注系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置示意

圖12 臺(tái)車泵送砼示意

圖13 下灌注系統(tǒng)澆筑示意

襯砌臺(tái)車采用高頻氣動(dòng)振動(dòng)器，下灌注系統(tǒng)在混凝土澆筑時(shí)，開啟高頻氣動(dòng)振動(dòng)器，保證混凝土得到充分搗固。1.5萬(wàn)轉(zhuǎn)以上的超高振動(dòng)頻率，用于襯砌混凝土施工具有良好的排氣性能，頻率無(wú)極可調(diào)，通過(guò)氣量來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)數(shù)及激振力，振幅是相同振搗力電動(dòng)振動(dòng)器的1／3，同時(shí)加速越過(guò)模板自身共振頻率，較少損害模板；輻射范圍大，減少了振動(dòng)器的使用數(shù)量，壽命長(zhǎng)，可達(dá)10年，堅(jiān)固耐用，擾動(dòng)器效果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 電動(dòng)振動(dòng)器和氣動(dòng)振動(dòng)器的對(duì)比

4.2.7 上灌注系統(tǒng)帶壓灌注

上灌注系統(tǒng)由混凝土輸送管、液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)組成。灌注系統(tǒng)通過(guò)摁下無(wú)線操控器三個(gè)方向控制鍵實(shí)現(xiàn)混凝土輸送管在隧道環(huán)向的“左中右”三向精準(zhǔn)定位，操作簡(jiǎn)便，定位準(zhǔn)確?；炷凛斔凸懿捎没栖壍老到y(tǒng)進(jìn)行縱向平移，輸送管道移動(dòng)前通過(guò)液壓油缸將輸送管降至最低，隨后輸送管進(jìn)行縱向平移，平移到位后，通過(guò)液壓油缸將混凝土輸送管頂升到位，實(shí)現(xiàn)輸送管道與灌注窗口的準(zhǔn)確對(duì)接。上灌注系統(tǒng)采用封閉的混凝土管路系統(tǒng)，保證出料端有一定的壓力值，通過(guò)混凝土帶壓入模，實(shí)現(xiàn)了混凝土帶壓澆筑。

4.2.8 參數(shù)監(jiān)測(cè)

（1）實(shí)時(shí)灌注流量及總量通過(guò)混凝土流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。

通過(guò)混凝土流量計(jì)，在混凝土澆筑過(guò)程中及時(shí)讀取數(shù)據(jù)，將其上傳至臺(tái)車電腦，實(shí)時(shí)顯示已澆筑混凝土方量，與本次襯砌混凝土總方量對(duì)比，計(jì)算出當(dāng)前襯砌未澆筑混凝土方量，指導(dǎo)拌和站合理拌料，減少混凝土的浪費(fèi)。

（2）實(shí)時(shí)反映臺(tái)車作業(yè)狀況

智能傳感器將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳電腦，通過(guò)電腦可查看混凝土液位，襯砌臺(tái)車是否偏壓，監(jiān)測(cè)拱頂混凝土灌注飽滿度、監(jiān)測(cè)混凝壓力是否超過(guò)臺(tái)車模板承載力，確保混凝土澆筑作業(yè)正常有序進(jìn)行。

5 應(yīng)用效果

5.1 施工效率提升

智能化二襯臺(tái)車通過(guò)雙澆筑系統(tǒng)，極大地提升了施工效率，羅家山隧道12 m襯砌采用傳統(tǒng)襯砌臺(tái)車澆筑混凝土需要12 h，采用智能二襯臺(tái)車只需8 h即可完成。同時(shí)管路布置簡(jiǎn)單、清洗方便。新技術(shù)的應(yīng)用取得了較好的效果，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖14所示。

5.2 施工質(zhì)量得到提高

智能化襯砌臺(tái)車通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)臺(tái)車主體及模板結(jié)構(gòu)，采用高頻氣動(dòng)振動(dòng)技術(shù)，以往混凝土振搗不到位、拱頂無(wú)法振搗問(wèn)題得到解決，混凝土密實(shí)性好，避免襯砌混凝土振搗不當(dāng)出現(xiàn)骨料堆積，減少襯砌混凝土表面水紋氣泡，保證襯砌混凝土外觀質(zhì)量。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片

5.3 節(jié)約勞動(dòng)力

智能化襯砌臺(tái)車施工作業(yè)，無(wú)需人工進(jìn)行振搗，雙澆筑系統(tǒng)智能遙控分層分窗澆筑，僅需1個(gè)操作手可完成整機(jī)布料，節(jié)約勞動(dòng)力，大幅度提高生產(chǎn)效率。

5.4 智能化程度高

臺(tái)車自身具有數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄上傳管理平臺(tái)，同時(shí)具備異常數(shù)據(jù)報(bào)警和數(shù)字分析，從而通過(guò)后臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)混凝土灌注的全過(guò)程監(jiān)控。

5.5 避免了質(zhì)量通病

采用軟搭接技術(shù)及光電傳感技術(shù)，配合特殊材料，實(shí)現(xiàn)襯砌軟搭接，避免損壞已施工完成的襯砌，通過(guò)槽口可以釋放環(huán)向、縱向壓力和拉力，防止高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生襯砌混凝土施工縫部位擠裂掉塊事件。

5.6 施工情況實(shí)時(shí)反饋

灌注壓力管理技術(shù)，利用智能傳感器，實(shí)現(xiàn)灌注壓力的全方位檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)的襯砌臺(tái)車模式下，二襯施工用工較多、存在監(jiān)控不到位、振搗不到位等質(zhì)量通病，為運(yùn)營(yíng)增加較大隱患。采用智能二襯臺(tái)車施工后，提高了機(jī)械化、信息化作業(yè)程度，減少了作業(yè)人員數(shù)量和作業(yè)強(qiáng)度，加快了施工進(jìn)度，有效解決振搗密實(shí)、二襯背后存在空洞等質(zhì)量通病，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可為類似的工程提供借鑒與參考。