章遠(yuǎn)方

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 項(xiàng)目概況

隧道病害是一個(gè)世界性、綜合性的難題，導(dǎo)致病害的原因也是多種多樣的。近年來，國內(nèi)外鐵路運(yùn)營隧道由于隧道襯砌病害相繼出現(xiàn)了數(shù)起危及行車安全的事故[1]。1999年6月27日，日本福岡縣境內(nèi)一座隧道內(nèi)重達(dá)200 kg的混凝土掉塊砸在高速行駛的列車上，嚴(yán)重危及列車運(yùn)營安全。2001年10月，達(dá)成鐵路某隧道內(nèi)出現(xiàn)大范圍掉塊，2001年12月，寶中線清涼山隧道出現(xiàn)襯砌掉塊。這些襯砌病害都險(xiǎn)些造成嚴(yán)重的行車事故，危及鐵路運(yùn)營安全[2]。所以，為保證鐵路隧道運(yùn)營安全，提高隧道襯砌施工質(zhì)量，降低病害發(fā)生率，針對隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究尤為重要。導(dǎo)致隧道襯砌病害的原因是多種多樣的。例如，地質(zhì)原因，隧道施工時(shí)，一般會對巖體造成一定的損害，導(dǎo)致襯砌自身周圍環(huán)境不夠穩(wěn)定，在自然侵蝕的作用下，壓力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致襯砌開裂；設(shè)計(jì)原因，設(shè)計(jì)人員未能根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及時(shí)變更設(shè)計(jì)。本文主要涉及襯砌施工時(shí)對襯砌混凝土進(jìn)行早期養(yǎng)護(hù)。

國內(nèi)運(yùn)營的鐵路隧道開裂、腐蝕以及掉渣掉塊的病害多發(fā)，原因主要有以下幾方面:施工時(shí)混凝土澆筑壓力不夠形成拱頂空洞；混凝土振搗不密實(shí)，襯砌質(zhì)量不過關(guān)；襯砌混凝土因養(yǎng)護(hù)不到位導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度低；施工中對隧道襯砌施工設(shè)備監(jiān)管不到位，對于襯砌臺車沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，剛度弱、振搗不合理、形式多、問題多；隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)沒有制定養(yǎng)護(hù)工序和標(biāo)準(zhǔn)，沒有相關(guān)的養(yǎng)護(hù)設(shè)備，對隧道襯砌的質(zhì)量帶來很大隱患[3-7]。

隧道襯砌混凝土的早期養(yǎng)護(hù)是養(yǎng)護(hù)過程中的重中之重，其養(yǎng)護(hù)質(zhì)量直接影響后期隧道混凝土的強(qiáng)度與耐久性。混凝土養(yǎng)護(hù)的影響因素是多種多樣的。秦磊等[8]研究出一種用于隧道襯砌養(yǎng)護(hù)的噴霧養(yǎng)護(hù)裝置；石迎新[9]提出并研發(fā)了一種蒸汽覆模養(yǎng)護(hù)技術(shù)；蘇揚(yáng)等[10]主要對蒸養(yǎng)制度對混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行了研究；何偉等[11]主要研究了早期高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土后期宏觀性能的影響。隧道襯砌混凝土施工時(shí)，及時(shí)對施工后的混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)尤為重要。所以為提高隧道襯砌施工質(zhì)量和使用壽命，研究出一套養(yǎng)護(hù)專用設(shè)備和養(yǎng)護(hù)規(guī)程尤為關(guān)鍵。

2 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車

目前，在國內(nèi)隧道施工中，襯砌養(yǎng)護(hù)一般采用自然養(yǎng)護(hù)，極個(gè)別項(xiàng)目采用簡單的噴水養(yǎng)護(hù)處理。上述養(yǎng)護(hù)方法受外界環(huán)境以及人為因素影響較大，養(yǎng)護(hù)效果不佳，難以保證襯砌的質(zhì)量和使用壽命。為了解該難題，鐵路總公司開展《鐵路隧道襯砌質(zhì)量控制技術(shù)與裝備研究》等相關(guān)研究。通過對現(xiàn)有國內(nèi)外隧道襯砌混凝土澆筑技術(shù)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究，結(jié)合現(xiàn)場施工工況，研發(fā)出一種專用的隧道襯砌養(yǎng)護(hù)設(shè)備，通過工程實(shí)踐和總結(jié)，最后形成一套隧道襯砌施工標(biāo)準(zhǔn)化施工裝備和施工技術(shù)，并編制一份隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

依托新建京張鐵路某隧道工程，研發(fā)出一種用于隧道襯砌養(yǎng)護(hù)的專用機(jī)械設(shè)備。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度智能控制，滿足襯砌養(yǎng)護(hù)對于溫度和濕度的要求，從而提高隧道襯砌養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

2.1 隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車結(jié)構(gòu)組成

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為門架形式，主要由主結(jié)構(gòu)、外拱、加熱系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、智能溫濕度控制系統(tǒng)等組成，見圖1。

圖1 隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車結(jié)構(gòu)組成

(1）主結(jié)構(gòu)為整車的中心受力部件，由上部支撐結(jié)構(gòu)及走行驅(qū)動系統(tǒng)組成。上部支撐結(jié)構(gòu)采用型材焊接，走行驅(qū)動系統(tǒng)為養(yǎng)護(hù)臺車向下一個(gè)工作面推進(jìn)提供行動力。

(2）外拱采用折線形設(shè)計(jì)，為型材焊接結(jié)構(gòu)，布置于主結(jié)構(gòu)外側(cè)，與主結(jié)構(gòu)之上部支撐采用螺栓連接。

(3）加熱系統(tǒng)采用定制的防水、耐高溫(300℃）、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、阻燃隔熱保溫的工業(yè)級電加熱裝置，在外拱外側(cè)分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)加熱，并于每個(gè)區(qū)域設(shè)置獨(dú)立溫度傳感器，通過控制器實(shí)現(xiàn)智能溫度控制，其中恒溫區(qū)域可根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行設(shè)定。

(4）密封系統(tǒng)設(shè)置于外拱前、后兩端及底部，密封系統(tǒng)的應(yīng)用使養(yǎng)護(hù)區(qū)域處于一個(gè)相對封閉的空間，為養(yǎng)護(hù)臺車溫度、濕度控制提供保障。

(5）霧化系統(tǒng)采用5～10 μm級霧化噴頭、不銹鋼高壓流體輸送管道等實(shí)現(xiàn)區(qū)域霧化，并通過濕度傳感器將數(shù)據(jù)傳送至控制器，以達(dá)到智能養(yǎng)護(hù)濕度。

(6）智能溫濕度控制系統(tǒng)是養(yǎng)護(hù)臺車的核心部分，由溫濕度控制器、傳感器和加熱加濕部分組成，其對養(yǎng)護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度可實(shí)現(xiàn)智能控制與調(diào)節(jié)。

2.2 隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車技術(shù)參數(shù)

臺車尺寸:13 m×12.1 m×8.4 m

臺車行走輪中心距:8 m(與襯砌臺車共軌）

臺車行車道凈空:4.55 m

行走速度:10 m/min

智能溫控系統(tǒng):溫度數(shù)顯、實(shí)現(xiàn)自動控制、可導(dǎo)出溫度曲線、生成報(bào)表等

霧化系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)濕度80%以上

總功率:90 kW

3 結(jié)構(gòu)安全分析

采用有限元軟件MIADS/Civil對養(yǎng)護(hù)臺車進(jìn)行整體建模分析。在建模時(shí)各結(jié)構(gòu)主要采用梁單元，在4個(gè)支撐點(diǎn)施加全約束。主結(jié)構(gòu)采用梁單元建模，由于加熱層質(zhì)量較小，可忽略不計(jì)。隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車有限元模型如圖2所示。

隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車變形云圖如圖3所示。

圖2 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車有限元模型

圖3 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車變形云圖

隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車應(yīng)力云圖

梁單元應(yīng)力最大為27.6 MPa，出現(xiàn)在4個(gè)支點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

4 隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車應(yīng)用

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車設(shè)備包含兩組臺車，施工時(shí)緊跟襯砌澆筑模板臺車，前端第一臺具備加升溫、保溫、保濕功能，第二臺具備保溫、加濕功能。隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車在隧道內(nèi)位置如圖5、圖6所示。

圖5 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車

圖6 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車擺放位置

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車四周(前后兩端、兩側(cè)邊墻底部）采用氣囊密封，在隧道壁和電加熱系統(tǒng)之間形成一個(gè)較為密閉的養(yǎng)護(hù)空間，這種密封方式密封效果好，加熱效率高。如圖7、圖8所示。

圖7 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車橫向密封

圖8 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車縱向密封

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)采用微米級霧化加濕，利用5～10 μm霧化噴頭、不銹鋼高壓流體輸送管道實(shí)現(xiàn)區(qū)域霧化，并通過濕度傳感器將數(shù)據(jù)傳至控制器，以達(dá)到養(yǎng)護(hù)濕度智能控制。霧化系統(tǒng)配備加熱設(shè)施，通過操作界面控制噴出霧化水的溫度，從而使霧化水和襯砌混凝土溫差較小[12]。養(yǎng)護(hù)臺車噴出的霧化水效果見圖9。

圖9 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車霧化效果

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)設(shè)備智能化程度高。智能溫濕控制系統(tǒng)是養(yǎng)護(hù)臺車的核心，由溫濕度控制器、傳感器和加熱加濕部分組成，對養(yǎng)護(hù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)智能控制與調(diào)節(jié)，降低人為原因的影響。該智能控制系統(tǒng)具備數(shù)顯、自動生成曲線、報(bào)表、數(shù)據(jù)保存和輸出等功能，可實(shí)現(xiàn)移動終端APP的遠(yuǎn)程在線控制。

養(yǎng)護(hù)臺車溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)見圖10。溫控系統(tǒng)能記錄各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)溫度，并能導(dǎo)出溫度曲線?？缮蓤?bào)表并打印。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示24路溫度，3路濕度的數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出打印，支持報(bào)警數(shù)據(jù)查詢，可控制24路繼電器輸出，軟件可以實(shí)現(xiàn)手動和自動開啟電熱毯的功能，現(xiàn)場以24個(gè)電熱毯做為控制對象，分升溫和降溫兩個(gè)部分，每個(gè)部分分為6個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)階段可以自由設(shè)定需要控制的溫度值和保持恒溫的時(shí)間。

圖10 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)

通過預(yù)埋傳感器，測量出隧道襯砌拱頂和拱腰混凝土芯部溫度變化曲線，如圖11所示。

圖11 隧道襯砌芯部溫度養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化曲線圖

襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺車養(yǎng)護(hù)與隧道自然養(yǎng)護(hù)效果檢測對比見表1、表2。

表1 表面強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)效果對比

表2 碳化深度養(yǎng)護(hù)效果對比

隧道襯砌經(jīng)養(yǎng)護(hù)后，表面強(qiáng)度提高百分比達(dá)到預(yù)期，碳化深度明顯降低。結(jié)果表明，采用隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車進(jìn)行襯砌的初期養(yǎng)護(hù)能夠有效提高襯砌質(zhì)量和壽命。

5 養(yǎng)護(hù)臺車關(guān)鍵技術(shù)

(1）自動化程度高

智能溫濕度控制系統(tǒng)是養(yǎng)護(hù)臺車的核心部分，由溫濕度控制器、傳感器和加熱加濕部分組成，其對養(yǎng)護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度可實(shí)現(xiàn)智能控制與調(diào)節(jié)，減少人為干預(yù)。該智能控制系統(tǒng)具備數(shù)顯、自動生成溫度曲線、報(bào)表、數(shù)據(jù)保存與輸出等功能。

(2）密封系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡單可靠

隧道襯砌養(yǎng)護(hù)區(qū)域采用氣囊密封，實(shí)現(xiàn)快速充放氣，一方面采用軟性材料密封可適應(yīng)隧道斷面變化；另一方面操作簡單方便，工人操作易掌握。

(3）快速就位

隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車采用輪軌走行方式，軌距和現(xiàn)場施工襯砌臺車相同，可實(shí)現(xiàn)與襯砌臺車共軌，減少軌道數(shù)量。襯砌臺車在最前方進(jìn)行施工，后方緊跟兩臺養(yǎng)護(hù)臺車，這樣當(dāng)襯砌施工完成時(shí)，養(yǎng)護(hù)臺車快速就位，及時(shí)對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié)束語

隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車屬于國內(nèi)首創(chuàng)，并成功地在京張高鐵某隧道內(nèi)應(yīng)用。通過工程實(shí)踐，并與傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式對比，采用隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車控制混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)周圍的溫度和濕度，能夠提高襯砌混凝土表面強(qiáng)度，并有效地降低了碳化深度，從而提高隧道襯砌養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺車逐步地推廣應(yīng)用和鐵路隧道相關(guān)養(yǎng)護(hù)規(guī)程的逐步實(shí)施，將大大提高隧道襯砌施工質(zhì)量，并且對穿越晝夜大溫差地區(qū)隧道襯砌養(yǎng)護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。