王百泉

(1. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州 511458；2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來(lái)我國(guó)鐵路隧道建設(shè)得到了快速發(fā)展，鐵路運(yùn)營(yíng)里程逐年增加，在開(kāi)通的鐵路線路中，隧道里程占據(jù)了較大的比重，鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)及病害發(fā)生的次數(shù)也在不斷增大。二次襯砌作為隧道施工的重要組成環(huán)節(jié)，直接影響著隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及行車安全。由于傳統(tǒng)澆筑工藝的缺陷，導(dǎo)致內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、襯砌厚度不足及襯砌背后空洞，進(jìn)而引起混凝土開(kāi)裂、掉塊、脫空、滲漏水等病害。而襯砌混凝土質(zhì)量通病產(chǎn)生的原因主要是隧道襯砌施工工藝、工裝的技術(shù)要求等施工技術(shù)不能滿足襯砌質(zhì)量的要求。

普通襯砌臺(tái)車在隧道襯砌施工中存在搭接部位易損壞、澆筑量狀況不能有效監(jiān)控、拱頂不能振搗等問(wèn)題，致使襯砌施工控制自動(dòng)化水平低，施工工藝落后，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工管理難度大問(wèn)題。

在新型智能襯砌臺(tái)車研究方面，國(guó)內(nèi)已有不少專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作。姬海東等[1]對(duì)新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺(tái)車研究與應(yīng)用進(jìn)行了研究，通過(guò)引入數(shù)字化控制技術(shù)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了襯砌施工的機(jī)械化、信息化和智能化；龔成明等[2]針對(duì)一種可帶模注漿的新型鐵路隧道襯砌臺(tái)車開(kāi)展了相關(guān)研究，通過(guò)預(yù)埋RPC注漿管并注入高流動(dòng)性微膨脹早強(qiáng)緩凝充填砂漿,有效解決了傳統(tǒng)二次襯砌空洞缺陷整治難的問(wèn)題；梁爽[3]對(duì)隧道襯砌臺(tái)車輕型化及其應(yīng)用進(jìn)行了分析與研究，通過(guò)計(jì)算與數(shù)值模擬，對(duì)臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；張秀文等[4]對(duì)帶模注漿新型鐵路隧道襯砌臺(tái)車施工技術(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了分析，通過(guò)增加縱向注漿管并使之連通徑向RPC注漿管，優(yōu)化了注漿技術(shù)，克服了注漿管易被堵塞的問(wèn)題；張華[5]對(duì)隧道襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，證明了襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)澆筑的混凝土飽滿、密實(shí)，能有效解決拱頂襯砌厚度不足及脫空問(wèn)題；付春青等[6]對(duì)穿行式數(shù)控襯砌臺(tái)車及其在地鐵中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；余振華[7]對(duì)隧道襯砌臺(tái)車快速定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究；姜良波等[8]對(duì)建筑施工混凝土振搗技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行了分析，歸納了混凝土振搗技術(shù)的特點(diǎn)；葉陽(yáng)升等[9]等對(duì)鐵路橋梁路基隧道關(guān)鍵工序監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了隧道襯砌混凝土灌注密實(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)方案與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

雖然已有相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺(tái)車的研究，僅簡(jiǎn)要介紹了智能控制系統(tǒng)對(duì)于臺(tái)車定位、臺(tái)車澆筑狀態(tài)、拱頂壓力檢測(cè)等方面的功能設(shè)計(jì)與初步應(yīng)用情況，并未對(duì)新型臺(tái)車智能自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究與分析。

本文依托張吉懷鐵路1標(biāo)吉首隧道施工需求，結(jié)合新型智能襯砌臺(tái)車功能設(shè)計(jì)方案，研發(fā)了一套新型智能襯砌臺(tái)車施工自動(dòng)控制系統(tǒng)，集成了臺(tái)車澆筑狀況、臺(tái)車布料系統(tǒng)、臺(tái)車振搗系統(tǒng)、頂部壓力監(jiān)測(cè)、搭接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、臺(tái)車液壓系統(tǒng)、側(cè)部壓力監(jiān)測(cè)、行走控制系統(tǒng)、襯砌數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，實(shí)現(xiàn)了襯砌澆筑過(guò)程中混凝土澆筑量、溫度和壓力檢測(cè)，對(duì)襯砌施工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制，極大提高了襯砌施工自動(dòng)化水平，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了襯砌施工質(zhì)量。

1 依托工程概況

張吉懷鐵路位于湖南省西部，線路全長(zhǎng)246 km。ZJHZQ-1標(biāo)位于湘西土家族苗族自治州古丈縣和吉首市境內(nèi)，標(biāo)段全長(zhǎng)12.162 km，工程包括隧道1座(吉首隧道)。吉首隧道全長(zhǎng)12.162 km，共設(shè)置輔助坑道4座，其中無(wú)軌運(yùn)輸平導(dǎo)1座，無(wú)軌運(yùn)輸斜井2座，無(wú)軌運(yùn)輸橫洞1座。該隧道為全線第1長(zhǎng)隧，屬I級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，除進(jìn)口段1.3 km為灰?guī)r地層外,其余地段均為泥質(zhì)粉砂巖,Ⅲ級(jí)圍巖占6%、Ⅳ級(jí)占78%、V級(jí)占16%，為單洞雙線隧道。張吉懷鐵路1標(biāo)工程概況見(jiàn)圖1。

圖1 張吉懷鐵路1標(biāo)工程概況

Fig. 1 Project profile of Bid No.1 of Zhangjiajie-Jishou-Huaihua Railway

2 設(shè)計(jì)方案研究

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

隧道襯砌施工的自動(dòng)化控制系統(tǒng)基于可編程序控制器PLC開(kāi)發(fā)，通過(guò)PLC豐富的數(shù)字、模擬量接口與相應(yīng)的檢測(cè)終端通信，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)了拱部混凝土澆筑流量、溫度、總澆筑量以及臺(tái)車拱頂和起拱線壓力等信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，其中，壓力監(jiān)測(cè)與顯示在混凝土澆筑時(shí)持續(xù)至臺(tái)車脫模全過(guò)程。同時(shí)通過(guò)液壓系統(tǒng)集成和PLC組態(tài)實(shí)現(xiàn)了液壓、行走控制及混凝土分配、拱頂振搗控制。自動(dòng)化控制系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

1—襯砌臺(tái)車； 2—行走機(jī)構(gòu)； 3—液壓系統(tǒng)； 4—混凝土分配器； 5—控制系統(tǒng)； 6—溫度傳感器； 7—流量計(jì)； 8—布料系統(tǒng)； 9—視頻監(jiān)視器； 10—振搗裝置； 11—壓力傳感器。

圖2自動(dòng)化控制系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

Fig. 2 Three-dimensional structure sketch of automatic control system

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要集成了臺(tái)車澆筑狀況監(jiān)視系統(tǒng)、臺(tái)車布料系統(tǒng)、臺(tái)車振搗系統(tǒng)、頂部壓力監(jiān)測(cè)、搭接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、臺(tái)車液壓系統(tǒng)、側(cè)部壓力監(jiān)測(cè)、行走控制系統(tǒng)、襯砌數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，且配備有GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊，能將隧道襯砌澆筑過(guò)程中采集的信息上傳至監(jiān)控室。

該系統(tǒng)能夠進(jìn)行澆筑量測(cè)算、澆筑實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、拱頂空洞密實(shí)度檢測(cè)、澆筑自動(dòng)控制、振搗自動(dòng)控制、行走機(jī)構(gòu)控制、液壓系統(tǒng)控制、視頻監(jiān)控及無(wú)線通訊，澆筑量測(cè)算搭載有3D斷面掃描儀數(shù)據(jù)接口，能夠上傳3D斷面掃描儀測(cè)得的隧道空間結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)。

當(dāng)隧道襯砌澆筑過(guò)程出現(xiàn)較大偏差時(shí)控制系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，根據(jù)所記錄的混凝土澆筑過(guò)程信息進(jìn)行故障分析并及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施?？刂葡到y(tǒng)主界面見(jiàn)圖3。

圖3 控制系統(tǒng)主界面

2.3 澆筑狀況監(jiān)視系統(tǒng)

澆筑狀況監(jiān)視系統(tǒng)主要由實(shí)測(cè)澆筑量、預(yù)測(cè)澆筑量、混凝土流量、混凝土溫度及澆筑進(jìn)度組成。混凝土預(yù)測(cè)澆筑量可使用3D斷面掃描儀掃描計(jì)算得到，將每個(gè)襯砌循環(huán)的預(yù)澆筑量輸入系統(tǒng)，與實(shí)測(cè)澆筑量進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證混凝土是否澆筑滿倉(cāng)。實(shí)測(cè)澆筑量和混凝土流量可通過(guò)混凝土泵送過(guò)程中信號(hào)計(jì)數(shù)器與輸送電路相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算得出，混凝土溫度通過(guò)紅外線測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，澆筑進(jìn)度采用液位傳感器信號(hào)反饋模擬顯示，可顯示混凝土的灌注高度。澆筑狀況監(jiān)視見(jiàn)圖4。 襯砌臺(tái)車混凝土泵送流量系統(tǒng)采用信號(hào)計(jì)數(shù)器，與輸送泵電路相結(jié)合，統(tǒng)計(jì)混凝土泵車的泵送次數(shù)，與單次泵送混凝土的方量相乘，從而計(jì)算出總的混凝土澆筑量，最終由智能系統(tǒng)顯示器顯示混凝土灌注量。計(jì)算混凝土總的澆筑量時(shí)應(yīng)減去反泵的工作次數(shù)和混凝土余量，同時(shí)在控制界面增加不同型號(hào)混凝土輸送泵輸出量的輸入選擇。

襯砌臺(tái)車混凝土澆筑量與混凝土攪拌站的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，可得到混凝土澆筑時(shí)顯示的偏差值，偏差值為±0.25 m3。

圖4 澆筑狀況監(jiān)視

2.4 臺(tái)車布料系統(tǒng)

臺(tái)車布料系統(tǒng)用于將泵車內(nèi)的混凝土有序地輸送至襯砌澆筑區(qū)域，布料系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作有轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮，轉(zhuǎn)動(dòng)可通過(guò)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，伸縮可通過(guò)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)。主要功能有：

1)通過(guò)襯砌臺(tái)車布料控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各管路之間的自動(dòng)切換，滿足混凝土分層逐窗澆筑和拱頂分孔澆筑；

2)通過(guò)工藝流程和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)襯砌混凝土自下而上、左右對(duì)稱澆筑；

3)具有廢料回收和處理裝置，滿足環(huán)保要求。

布料系統(tǒng)的控制系統(tǒng)分為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制和布料推桿伸縮控制。伺服電機(jī)共有15個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置，每個(gè)位置按實(shí)際排列順序放置在控制系統(tǒng)的界面上。按下啟動(dòng)按鈕，伺服電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)，按下需要轉(zhuǎn)動(dòng)到的位置，布料系統(tǒng)即可在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的位置。布料系統(tǒng)的推桿每次伸出、收縮的距離是相同的，因而控制界面只有“伸出”和“縮回”2個(gè)按鈕。當(dāng)布料系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，按下布料推桿的“伸出”命令按鈕，布料推桿將自動(dòng)伸出，伸出到位后，“伸到位”指示燈將亮起，此時(shí)表示布料系統(tǒng)已經(jīng)完成對(duì)中，可以開(kāi)始混凝土灌注。當(dāng)灌注完成當(dāng)前位置的混凝土?xí)r，需要將布料系統(tǒng)對(duì)中到下一個(gè)位置，首先需要先按下布料推桿“縮回”按鈕，將布料推桿退回到原始位置，布料推桿復(fù)位后“縮到位”指示燈亮，此時(shí)可以按下布料系統(tǒng)下一個(gè)需要對(duì)中的位置，布料系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到該位置。重復(fù)上述布料推桿的操作命令，即可完成對(duì)中，并開(kāi)始灌注混凝土。臺(tái)車布料系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

2.5 振搗系統(tǒng)

臺(tái)車振搗系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是用于控制拱頂振搗系統(tǒng)的。拱頂振搗采用氣動(dòng)式振搗器，可通過(guò)電動(dòng)推桿控制振搗棒伸出和縮回，通過(guò)控制振搗棒的通電時(shí)間控制振搗作業(yè)時(shí)間。氣動(dòng)式振搗器沿拱頂模板環(huán)向50°均勻布置4排氣動(dòng)式振搗器，沿拱頂中線布置2排、單排數(shù)量8個(gè)，距拱頂中心2 m兩側(cè)各布置1排、單排數(shù)量4個(gè)?？筛鶕?jù)需要振搗的位置，選擇相應(yīng)的振搗系統(tǒng)。振搗系統(tǒng)每次振搗時(shí)間可通過(guò)“T設(shè)定”自行設(shè)置。當(dāng)需要進(jìn)行振搗施工時(shí)，選擇相應(yīng)位置的振搗棒，按下啟動(dòng)按鈕，振搗棒處于開(kāi)啟狀態(tài)，按下對(duì)應(yīng)位置的“伸出”按鈕，振搗棒在電動(dòng)推桿的作用下自動(dòng)向外伸出，伸出到位后，“伸到位”指示燈亮起，隨后振搗棒通電，開(kāi)始振搗施工，振搗時(shí)間由設(shè)定的參數(shù)決定。振搗完成后，按下“縮回”按鈕，振搗棒將自動(dòng)縮回，縮回到位后，“縮到位”指示燈亮起，此后按下“停止”按鈕，對(duì)應(yīng)的振搗棒將處于關(guān)停狀態(tài)，可防止錯(cuò)誤地再次啟動(dòng)振搗棒。臺(tái)車振搗系統(tǒng)見(jiàn)圖6。

圖5 臺(tái)車布料系統(tǒng)

圖6 臺(tái)車振搗系統(tǒng)

2.6 頂部壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

臺(tái)車模板的拱頂上分布有壓力傳感器，臺(tái)車澆筑過(guò)程中，通過(guò)傳感器傳輸信號(hào)至PLC控制系統(tǒng)，并在觸摸屏上顯示該砌筑區(qū)域的壓力狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)拱頂位置的混凝土灌注壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)拱頂壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，頂部壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警。頂部壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖7。

圖7 頂部壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

拱頂空洞可通過(guò)拱頂壓力值檢測(cè)： 當(dāng)拱頂壓力達(dá)到規(guī)定的數(shù)值時(shí)，可認(rèn)為拱頂不存在空洞；當(dāng)拱頂壓力小于規(guī)定的數(shù)值時(shí)，認(rèn)為還存在空腔，需要繼續(xù)灌注混凝土。拱頂壓力值可顯示在觸摸屏右側(cè)的圖表上。

2.7 搭接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

襯砌模板臺(tái)車立模過(guò)程中，如果操作失誤，臺(tái)車模板與上一循環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)接觸部位因臺(tái)車立模運(yùn)動(dòng)時(shí)受壓過(guò)度而出現(xiàn)裂紋或掉塊。為了避免襯砌結(jié)構(gòu)頂裂，襯砌模板臺(tái)車在左、右邊模和拱頂最高位置布置了3個(gè)光電傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)立模過(guò)程成中模板和搭接面的距離，當(dāng)距離小于設(shè)定值時(shí)，搭接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員緩慢移動(dòng)模板，逐漸壓緊已施作襯砌結(jié)構(gòu)。搭接檢測(cè)系統(tǒng)控制界面見(jiàn)圖8。

圖8 搭接檢測(cè)系統(tǒng)控制界面

2.8 液壓控制系統(tǒng)

襯砌臺(tái)車采用液壓系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行脫模定位等操作，使臺(tái)車部件按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)從而完成循環(huán)動(dòng)作，不起鎖固作用。

液壓系統(tǒng)通過(guò)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控及本地控制。襯砌臺(tái)車油缸設(shè)置了油缸頂推限位，與已襯砌面搭接定位時(shí)，達(dá)到接觸面后立即停止油缸頂推，防止對(duì)混凝土造成破壞。遠(yuǎn)距遙控控制采用液壓無(wú)線控制系統(tǒng)，方便近距離觀察定位情況，改變傳統(tǒng)2人定位的現(xiàn)狀，保證定位精度。升降油缸可實(shí)現(xiàn)同時(shí)操作，也可分別操作。臺(tái)車液壓控制系統(tǒng)見(jiàn)圖9。

圖9 臺(tái)車液壓控制系統(tǒng)

2.9 側(cè)部壓力監(jiān)測(cè)

臺(tái)車模板的邊模起拱線位置設(shè)置有側(cè)部壓力傳感器，臺(tái)車澆筑過(guò)程中，通過(guò)傳感器傳輸信號(hào)至PLC控制系統(tǒng)，并在觸摸屏上顯示該砌筑區(qū)域的壓力狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)邊模位置的混凝土灌注壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控。在模板起拱線位置，沿縱向布置3個(gè)壓力傳感器，左右兩側(cè)模板共有6個(gè)壓力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)側(cè)部混凝土灌注壓力的變化，可為混凝土灌注速度、襯砌模板臺(tái)車設(shè)計(jì)計(jì)算提供壓力參考。拱頂壓力值可顯示在右側(cè)的圖表上。側(cè)部壓力監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖10。

圖10 側(cè)部壓力監(jiān)測(cè)

2.10行走控制系統(tǒng)

行走控制系統(tǒng)采用PLC變頻控制，具有前進(jìn)、后退、點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)、點(diǎn)動(dòng)后退的功能，電機(jī)之間可以聯(lián)動(dòng)控制。襯砌臺(tái)車在定位過(guò)程中不是一次性準(zhǔn)確定位，需要多次調(diào)整，為此在控制系統(tǒng)中設(shè)置前后點(diǎn)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)襯砌臺(tái)車縱向精準(zhǔn)定位。為避免在行走啟動(dòng)階段產(chǎn)生較大的沖擊，在控制系統(tǒng)中增加了行走電機(jī)軟啟動(dòng)的功能，有利于確保行走安全，延長(zhǎng)行走機(jī)構(gòu)的使用壽命。行走控制系統(tǒng)見(jiàn)圖11。

圖11 行走控制系統(tǒng)

2.11拱頂空洞監(jiān)測(cè)裝置

拱頂空洞監(jiān)測(cè)裝置主要利用安裝在土工布與防水板之間的分布式空洞監(jiān)測(cè)傳感器，當(dāng)防水板因混凝土擠壓與土工布和初期支護(hù)密貼時(shí)，傳感器將信號(hào)實(shí)時(shí)輸送至信息化控制系統(tǒng)中，同時(shí)評(píng)估系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的警示燈亮起，提示臺(tái)車拱頂此處澆筑完成。拱頂空洞監(jiān)測(cè)裝置見(jiàn)圖12。

圖12 拱頂空洞監(jiān)測(cè)裝置

2.12襯砌數(shù)據(jù)報(bào)表

智能控制系統(tǒng)自動(dòng)將每個(gè)襯砌循環(huán)的數(shù)據(jù)形成報(bào)表并自動(dòng)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)報(bào)表包含壓力、流量、溫度、預(yù)測(cè)澆筑量、實(shí)測(cè)澆筑量、流量信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，每間隔30 s(此時(shí)間可任意設(shè)置)生成1組數(shù)據(jù)。生成的數(shù)據(jù)可用于襯砌施工質(zhì)量分析，同時(shí)也可為襯砌施工工藝、工裝優(yōu)化改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)報(bào)表見(jiàn)圖13。

3 工程應(yīng)用效果與設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 液位檢測(cè)

澆筑狀況監(jiān)視系統(tǒng)的液位檢測(cè)主要由環(huán)向布置的16個(gè)液位傳感器及拱頂縱向布置的4個(gè)液位傳感器組成。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，由于部分液位傳感器存在著粘連混凝土問(wèn)題，出現(xiàn)信號(hào)故障，需要在單次循環(huán)澆筑完成后進(jìn)行清洗保養(yǎng)，保養(yǎng)1次需要約1 h，存在清洗時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大等問(wèn)題。

圖13 數(shù)據(jù)報(bào)表

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在的問(wèn)題，液位傳感器通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝方式，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)車液位準(zhǔn)確顯示。在襯砌臺(tái)車脫模后，由于傳感器安裝時(shí)突出臺(tái)車模板3～5 mm，液位檢測(cè)表面無(wú)混凝土殘留，無(wú)需人工清洗，液位自動(dòng)回歸初始狀態(tài)，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。液位傳感器安裝方式見(jiàn)圖14。

圖14 液位傳感器

3.2 布料系統(tǒng)

3.2.1 驅(qū)動(dòng)方式

原設(shè)計(jì)方案采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，不適用于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境。通過(guò)研究選用液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并增加了手持無(wú)線控制器，該驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)可靠，且提高了系統(tǒng)的操控性和可靠性，提高了施工效率。

3.2.2 拱頂澆筑口

拱頂澆筑口閘門由原來(lái)人工操作改為液壓油缸驅(qū)動(dòng)，極大地降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率和安全性。拱頂澆筑口閘門設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖15。

3.3 振搗系統(tǒng)

臺(tái)車拱頂振搗系統(tǒng)初期方案采用插入式振搗和氣動(dòng)式振搗聯(lián)合施工。由于插入式振搗器容易與鋼筋網(wǎng)干涉，特別是鋼筋網(wǎng)比較密集時(shí)，插入式振搗棒的弊端更加明顯，再加上氣動(dòng)式振搗器數(shù)量不足，造成振搗效果不理想。為此，拱頂采用了氣動(dòng)式振搗裝置，該裝置工作頻率高，可避免與臺(tái)車共振，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低。拱頂氣動(dòng)式振搗系統(tǒng)見(jiàn)圖16。

圖16 拱頂氣動(dòng)式振搗系統(tǒng)

新型智能臺(tái)車拱頂振搗系統(tǒng)選用特制的氣動(dòng)式振搗器，振搗器采用電磁換向閥控制，遠(yuǎn)端可通過(guò)遙控及智能控制系統(tǒng)觸屏控制，振搗時(shí)1名作業(yè)工人在操作室進(jìn)行對(duì)振搗器進(jìn)行按需啟動(dòng)。振搗時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，經(jīng)過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，拱頂二次襯砌空洞明顯減少，密實(shí)度得到提高，取得了良好的應(yīng)用效果。

3.4 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

原設(shè)計(jì)方案選用的壓力傳感器量程大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，傳感器檢測(cè)表面有殘留混凝土，導(dǎo)致檢測(cè)壓力不能有效顯示。壓力傳感器原設(shè)計(jì)方案如圖17所示。

通過(guò)傳感器選型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定了新型壓力傳感器，其參數(shù)為： 兩線制，量程0～0.3 MPa，電壓DC24 V，輸出電流4～20 mA。拱頂壓力監(jiān)測(cè)裝置布置了4個(gè)壓力傳感器，新型壓力傳感器安裝布置見(jiàn)圖18，混凝土澆筑時(shí)拱頂壓力檢測(cè)見(jiàn)圖19。

(a) (b)

圖17壓力傳感器原設(shè)計(jì)方案

Fig. 17 Original design scheme of pressure sensor

圖18 新型壓力傳感器安裝布置圖

(a) (b)

圖19新型壓力傳感器及安裝方式

Fig. 19 New type of pressure sensor and its installation method

以張吉懷吉首隧道為例，二次襯砌混凝土厚度為450 mm，混凝土坍落度為160～200，一次襯砌長(zhǎng)度為12 m。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，拱頂混凝土澆筑時(shí)的壓力平均峰值最大為0.04 MPa，峰值出現(xiàn)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，即拱頂澆筑完成，且新型壓力傳感器使用過(guò)程中，由于對(duì)安裝方式進(jìn)行了優(yōu)化，傳感器檢測(cè)表面突出襯砌臺(tái)車3～5 mm，在混凝土澆筑時(shí)浮漿不易在傳感器表面殘留。當(dāng)襯砌臺(tái)車脫模時(shí)，傳感器表面沒(méi)有混凝土殘留，不需要清洗，可循環(huán)使用，降低了現(xiàn)場(chǎng)工人勞動(dòng)強(qiáng)度?；炷翝仓r(shí)拱頂壓力檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖20。

3.5 搭接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

搭接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含端部光電傳感器預(yù)警系統(tǒng)與端部V型搭接。光電傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)搭接距離，提前預(yù)警，而模板“V”形橡膠提高了模板搭接端的密封性。通過(guò)以上措施有效避免了漏漿和端部混凝土頂裂的現(xiàn)象。臺(tái)車模板“V”形橡膠示意圖見(jiàn)圖21，光電傳感器見(jiàn)圖22。

圖20 混凝土澆筑時(shí)拱頂壓力檢測(cè)結(jié)果

圖21 臺(tái)車模板V形橡膠示意圖

圖22 光電傳感器

4 結(jié)論與建議

新型智能襯砌臺(tái)車施工自動(dòng)控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)襯砌澆筑過(guò)程中的混凝土澆筑量、溫度和壓力等功能的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和信息化控制，提高了隧道襯砌施工效率，確保了襯砌施工質(zhì)量。

1)基于可編程控制器PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了拱部混凝土澆筑流量、溫度、總澆筑量以及臺(tái)車拱頂和起拱線壓力等信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2)隧道襯砌臺(tái)車施工自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道襯砌施工的信息采集和自動(dòng)化控制，完善隧道襯砌施工質(zhì)量監(jiān)控和控制措施，減少隧道病害發(fā)生概率，提高施工質(zhì)量。

3)實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌施工過(guò)程信息可視化，能夠?qū)崟r(shí)了解隧道襯砌澆筑過(guò)程中的混凝土狀態(tài)，為隧道襯砌施工過(guò)程管理提供有效的數(shù)據(jù)信息，提高施工組織管理水平。

4)能提高襯砌臺(tái)車施工的自動(dòng)化水平，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率和混凝土振搗效果，保證施工質(zhì)量。

下一步可通過(guò)對(duì)隧道襯砌施工數(shù)據(jù)庫(kù)的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，并考慮是否可以搭載混凝土脫模強(qiáng)度檢測(cè)方法或系統(tǒng)，不斷完善隧道襯砌臺(tái)車施工自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高施工控制水平。