林春剛

(1. 中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458；2. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 511458)

0 引言

截至2020年底，中國鐵路營業(yè)里程達(dá)14.5萬km，其中，投入運(yùn)營的鐵路隧道共16 798座，總長約19 630 km[1]。分析歷年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，1980—2020年的40年間，中國共建成隧道12 412座，總長約17 621 km(約占中國鐵路隧道總長度的90%)； 特別是近15年來，中國鐵路隧道發(fā)展極為迅速，共建成鐵路隧道9 260座，總長約15 316 km(約占中國鐵路隧道總長度的78%)。隨著我國鐵路隧道建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程修建規(guī)模不斷擴(kuò)大，工程技術(shù)人員與施工技術(shù)逐漸不滿足發(fā)展需求，隧道施工操作不規(guī)范、施工管理不到位，鐵路隧道風(fēng)險及病害發(fā)生的次數(shù)也在不斷增多，隧道工程質(zhì)量缺陷及病害日益突顯，已經(jīng)成為迫切需要解決和深入思考的問題。長期以來，鐵路隧道缺陷及病害困擾隧道工程成品質(zhì)量，襯砌空洞、裂縫、掉塊、不密實(shí)、滲漏水、施工縫壓潰等質(zhì)量缺陷尤為突出，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，這類病害占隧道混凝土質(zhì)量缺陷的58.5%。缺陷治理是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)，施工企業(yè)和各鐵路局經(jīng)過多年探索實(shí)踐，掌握了基本的治理方法和施工工藝，但限于資金不足及運(yùn)營天窗等因素，缺陷治理停滯在突擊式局部修補(bǔ)方式，不能達(dá)到根治目的[2]。

目前，我國鐵路隧道襯砌施工技術(shù)、襯砌裝備國產(chǎn)化水平雖有一定程度提升，但鐵路隧道襯砌成套施工技術(shù)體系與裝備創(chuàng)新發(fā)展速度緩慢，與國外相比依舊落后，主要表現(xiàn)在鉆爆法隧道襯砌施工技術(shù)體系尚未成熟，襯砌品質(zhì)具有較大提升空間。體現(xiàn)在4個方面： 1)以鉆爆法為基礎(chǔ)的拱墻襯砌機(jī)械化設(shè)備的自主創(chuàng)新開發(fā)品類少、質(zhì)量一般，主要技術(shù)性能與鐵路隧道施工條件不匹配，拱墻襯砌配套設(shè)備不能解決工藝性缺陷問題； 2)鉆爆法隧道仰拱快速施工技術(shù)體系尚不健全，需進(jìn)一步研究配套工裝，適合現(xiàn)有隧道施工技術(shù)發(fā)展，改變工裝落后的局面； 3)以往國內(nèi)鐵路隧道水溝電纜槽襯砌施工存在不同程度的缺陷問題，影響了隧道內(nèi)車輛正常運(yùn)行； 4)對于傳統(tǒng)鐵路隧道，不夠重視混凝土襯砌養(yǎng)護(hù)，采取的養(yǎng)護(hù)方式與方法不夠科學(xué)，嚴(yán)重影響襯砌混凝土耐久性能。

近幾年針對隧道襯砌研究已取得了一些進(jìn)展。林春剛等[3]對模架一體化新型襯砌臺車設(shè)計及應(yīng)用情況進(jìn)行了研究； 李立功等[4]研制了自動布料帶壓澆筑的隧道智能襯砌臺車； 姬海東等[5]對新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車進(jìn)行了研究； 龔成明等[6-7]針對一種可帶模注漿的新型鐵路隧道襯砌臺車開展了相關(guān)研究； 張華[8]從工藝原理、工藝特點(diǎn)和操作要點(diǎn)等方面介紹了隧道襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)； 王百泉[9]研發(fā)出一套集成布料系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)、頂部及側(cè)部壓力監(jiān)測等功能的新型智能臺車施工自動控制系統(tǒng)，并應(yīng)用在張吉懷鐵路1標(biāo)吉首隧道； 楊君華[10]對高速鐵路隧道建設(shè)中新型智能襯砌臺車設(shè)計及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究； 陳文義等[11]基于張吉懷鐵路隧道，系統(tǒng)地研發(fā)了新型信息化襯砌臺車,并形成了以襯砌施工信息為基礎(chǔ)的隧道二次襯砌病害控制方法； 林毅等[12]對鄭萬高鐵隧道施工機(jī)械化配套及信息化管理進(jìn)行了探索研究；賈海龍等[13]對隧道二次襯砌質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

雖然已有相關(guān)學(xué)者開展了諸多研究，且隨著襯砌混凝土分倉灌注、帶模注漿等技術(shù)的推廣應(yīng)用，對襯砌空洞、開裂、掉塊起到了一定的抑制作用，較以往傳統(tǒng)施工方法有所改觀，但是類似質(zhì)量缺陷問題依然存在，尤其是拱頂空洞、襯砌厚度不足問題還未徹底解決。隨著國家鐵路隧道綜合修建技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路隧道襯砌施工工藝及裝備與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求不協(xié)調(diào)、不匹配，現(xiàn)有裝備不能滿足高鐵快速發(fā)展要求的矛盾突顯。以上學(xué)者對工藝裝備進(jìn)行的相關(guān)研究，尚不能完全解決隧道襯砌強(qiáng)度不足、厚度不夠、不密實(shí)、鋼筋間距不均勻、止水帶偏位等缺陷問題。為了進(jìn)一步減少和消除襯砌缺陷影響，還需要深化研究隧道襯砌成套施工技術(shù)與裝備，解決隧道系列質(zhì)量缺陷問題。

因此，優(yōu)化鐵路隧道襯砌施工工藝、研發(fā)成套襯砌施工裝備與關(guān)鍵技術(shù)很有必要。本文以張吉懷鐵路隧道和赤喀鐵路隧道為依托，對鐵路隧道襯砌混凝土分倉自動澆筑、混凝土自動振搗、混凝土帶壓灌注、混凝土自動監(jiān)測、橫向加強(qiáng)型中埋橡膠止水帶、可伸縮復(fù)合式剛?cè)峤Y(jié)合堵頭板、防空洞自動檢測、施工縫零搭接、仰拱及填充模板一體化施工、水溝電纜槽臺車整體施工、噴霧養(yǎng)護(hù)臺車自動化施工等方面的關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備進(jìn)行研究，以適應(yīng)當(dāng)前鐵路隧道工程建設(shè)發(fā)展新形勢，以“高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高要求”發(fā)展需求，解決當(dāng)前鐵路隧道襯砌諸多質(zhì)量缺陷問題，使得隧道襯砌裝備配套施工工藝，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)安全、優(yōu)質(zhì)、高效目標(biāo)。

1 襯砌施工主要問題與成因分析

1.1 概述

近年來，已運(yùn)營高鐵線路部分隧道不同程度地出現(xiàn)了缺陷或病害，個別隧道缺陷及病害問題十分突出。2017年6月，滬昆高鐵接連發(fā)生多起隧道滲漏水、拱頂襯砌混凝土掉塊等缺陷問題，直接危及高鐵運(yùn)營安全，為此鐵路運(yùn)營部門設(shè)置了限速點(diǎn)。為了快速消除鐵路運(yùn)營線上限速點(diǎn)，全路襯砌質(zhì)量缺陷被列入集中整治。根據(jù)限速點(diǎn)整治專題會通報情況，質(zhì)量缺陷問題不容樂觀，急需進(jìn)一步革新工藝工裝技術(shù)水平，針對性地解決質(zhì)量缺陷問題。

2017年12月，鐵路總公司印發(fā)了《鐵路建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量安全紅線管理規(guī)定》(鐵總建設(shè)〔2017〕310號)，將鐵路隧道初期支護(hù)、襯砌厚度和混凝土強(qiáng)度不足問題納入紅線管理。2018年3月，鐵路總公司發(fā)布了《2018年鐵路建設(shè)質(zhì)量安全重點(diǎn)工作安排》，對鐵路隧道襯砌實(shí)體質(zhì)量做出了控制要求和監(jiān)督管理規(guī)定。為遵循“以工法定工裝、以工裝保工藝、以工藝保質(zhì)量”的指導(dǎo)思想，提出以工藝工裝創(chuàng)新為主線，創(chuàng)新研究智能化工裝，應(yīng)用信息化系統(tǒng)，提升工效。雖然國家高度重視工程質(zhì)量，監(jiān)督部門也嚴(yán)格管控，但是由于隧道工藝工裝發(fā)展與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求不協(xié)調(diào)，未能形成統(tǒng)一模塊體系，致使管理水平參差不齊。2018年11月，國家鐵路局公布新版《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，新標(biāo)準(zhǔn)對隧道質(zhì)量和檢測手段提出了更高要求，提升隧道質(zhì)量適應(yīng)新形勢、深化研究隧道襯砌成套施工技術(shù)勢在必行。

1.2 襯砌施工主要問題

1.2.1 拱墻襯砌施工主要問題

在建及交付運(yùn)營隧道缺陷主要有隧道襯砌厚度不足、混凝土強(qiáng)度不足、襯砌背后空洞及不密實(shí)、襯砌施工縫壓潰、襯砌鋼筋間距偏大、襯砌鋼筋保護(hù)層厚度不足、襯砌裂紋或裂縫、襯砌滲漏水、襯砌施工縫掉塊、襯砌蜂窩麻面及露筋、中埋止水帶偏位等[14]。在鐵路隧道病害類型中，最為突出的是隧道拱頂脫空、施工縫壓潰、拱頂混凝土掉塊及滲漏水等現(xiàn)象，尤其是混凝土掉塊現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著高速鐵路的行車安全，制約著鐵路運(yùn)輸?shù)母哔|(zhì)量發(fā)展。

隨著拱墻襯砌質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生，拱墻襯砌配套設(shè)備功能不完善，未能有效配合施工工藝根治缺陷問題。主要表現(xiàn)在襯砌預(yù)防空洞、增強(qiáng)密實(shí)度、便捷混凝土澆筑、施工縫質(zhì)量控制、信息化監(jiān)測施工等配套功能設(shè)計考慮不周全。襯砌臺車結(jié)構(gòu)形式過于傳統(tǒng)，桿件及支撐縱橫交錯，造成襯砌臺車受力不明晰，模板剛度及門架穩(wěn)定性不足，結(jié)構(gòu)易變形，通行空間及通風(fēng)效果差，配套設(shè)備之間技術(shù)參數(shù)不匹配，因而影響施工作業(yè)效率。

1.2.2 底部襯砌施工主要問題

以往高鐵隧道施工時，仰拱混凝土分2次或多次澆筑，不能實(shí)現(xiàn)一次成型，造成混凝土質(zhì)量不穩(wěn)定、施工縫過多； 仰拱施工過程中，存在仰拱模板施工縫不規(guī)范、止水帶不居中及線形控制差、鋼筋間距不均、底部襯砌施工步距控制不準(zhǔn)、仰拱混凝土施工弧形精度控制差等問題； 仰拱底部虛渣清理不徹底，基底混凝土不密實(shí)，造成仰拱隆起、翻漿冒泥等質(zhì)量隱患。

隨著隧道襯砌工裝的技術(shù)進(jìn)步，對隧道施工質(zhì)量提出了更高的要求，特別是在高速鐵路隧道施工中，若將落后的施工工藝及工法應(yīng)用于高速鐵路隧道仰拱施工中，很難滿足現(xiàn)行高鐵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，不能實(shí)現(xiàn)工裝一體化配套施工。當(dāng)前，隧道施工斷面大、底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、仰拱連接處應(yīng)力集中等因素導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)易破壞，加之隧道仰拱及填充施工質(zhì)量管理與控制難以到位，將對隧道運(yùn)營期間的安全性、耐久性產(chǎn)生重大影響。

1.2.3 水溝電纜槽施工主要問題

鐵路隧道水溝電纜槽傳統(tǒng)上采用小塊組合鋼模板分段施工，施工工序包括組裝、加固、澆筑、拆卸、轉(zhuǎn)場等，投入人力多，工序繁雜，循環(huán)時間長，每循環(huán)需要設(shè)置大量的模板支撐，模板等材料采用人工倒運(yùn)，施工效率低、質(zhì)量差，且作業(yè)場地文明施工難以保持； 同時，溝槽施作質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)為溝槽棱角線條不順直、溝槽混凝土開裂、溝槽蓋板凸臺掉塊、混凝土外露面粗糙、接縫密集、錯臺多，嚴(yán)重影響了隧道表面的整體美觀。

1.2.4 混凝土養(yǎng)護(hù)施工主要問題

隨著鐵路線路列車運(yùn)行速度的提升，對鐵路隧道的工程質(zhì)量要求越來越高，隧道襯砌混凝土既要有足夠的強(qiáng)度，又要滿足耐久性要求。影響隧道混凝土耐久性的因素，除了原材料、配合比等，還有一個重要因素是混凝土養(yǎng)護(hù)。目前，一般采用噴淋及灑水養(yǎng)護(hù)，如果溫度及濕度把控不夠嚴(yán)格、養(yǎng)護(hù)時機(jī)及養(yǎng)護(hù)時間不達(dá)標(biāo)，極易產(chǎn)生混凝土表面裂縫及內(nèi)部強(qiáng)度不足等方面的問題。

混凝土澆筑后，如果氣候炎熱、空氣干燥，不及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，混凝土中水分會蒸發(fā)過快，形成脫水現(xiàn)象，會使已形成的膠凝體水泥顆粒不能充分水化，從而混凝土表面出現(xiàn)片狀或粉狀脫落，影響混凝土強(qiáng)度。此外，在混凝土尚未具備足夠的強(qiáng)度時，水分過早的蒸發(fā)還會產(chǎn)生較大的收縮變形，出現(xiàn)干縮裂紋，影響混凝土的耐久性和整體性。在隧道工程施工過程中，混凝土養(yǎng)護(hù)工序控制不嚴(yán)格、養(yǎng)護(hù)不到位，會使二次襯砌混凝土表面顏色泛白、強(qiáng)度不足，耐久性大受影響[15]。

1.3 襯砌施工缺陷成因分析

1.3.1 施工縫開裂、空鼓、掉塊[14]

1)中埋止水帶偏位，切割混凝土。主要原因是中埋止水帶安裝不到位，止水帶固定不牢靠，埋設(shè)位置距混凝土表面過淺，止水帶橫向剛度不足，混凝土澆筑過程中受擠壓造成止水帶偏位，特別是隧道拱部，由于重力作用造成止水帶下墜，偏移至混凝土表面。

2)臺車支立頂裂或壓潰施工縫處混凝土。主要原因是臺車支立時頂升控制不到位。按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，拱部混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到8 MPa方可脫模，臺車支立時由于混凝土強(qiáng)度不高，又沒有采取有效頂升控制措施，臺車模板上頂過緊(原因是擔(dān)心發(fā)生漏漿)，導(dǎo)致頂裂已襯砌完成的施工縫處混凝土，造成施工縫邊緣混凝土開裂。

3)施工縫處漏漿，產(chǎn)生蜂窩麻面、疏松開裂。由于臺車模板變形、臺車支立不密貼，易形成施工縫處錯臺、混凝土漏漿，導(dǎo)致混凝土粗骨料集中產(chǎn)生蜂窩麻面； 錯臺處粗骨料顆粒裸露、混凝土疏松、毛刺飛邊等缺陷造成開裂掉塊。

1.3.2 襯砌混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度不足

襯砌混凝土不密實(shí)、強(qiáng)度不足，主要原因是澆筑不連續(xù)，產(chǎn)生施工冷縫或“夾層”，造成混凝土未能有效融合，形成密實(shí)度與強(qiáng)度不足。一是混凝土澆筑振搗不到位或漏振，造成襯砌混凝土局部不密實(shí)，特別是澆筑口遠(yuǎn)端施工縫附近問題比較集中，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足； 二是拱部混凝土澆筑不飽滿，缺乏有效的飽滿度監(jiān)測手段，澆筑結(jié)束時機(jī)把握不準(zhǔn)確、澆筑方量不足及振搗效果不理想，導(dǎo)致混凝土密實(shí)度不足，進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度。

1.3.3 襯砌背后脫空、厚度不足

目前，通過加強(qiáng)施工過程控制和帶模注漿，襯砌背后脫空、厚度不足問題得到了很大改進(jìn)，但施工縫處混凝土灌注不飽滿、空洞問題比較集中。主要原因是澆筑工藝不落實(shí)、振搗不到位，沒有按照工藝要求逐層、逐窗、逐孔灌注，“一孔到底”現(xiàn)象比較普遍，并且混凝土漏振情況較多。

1.3.4 襯砌表面開裂

由于襯砌拆模時間過早，養(yǎng)護(hù)不到位，造成襯砌表面裂紋，連續(xù)裂紋長度、寬度大，閉環(huán)式裂紋多，存在脫落掉塊風(fēng)險。主要原因是混凝土養(yǎng)護(hù)不規(guī)范，混凝土脫模后沒有按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行噴淋、灑水養(yǎng)護(hù)，普遍認(rèn)為隧道內(nèi)潮濕恒溫，靠自然養(yǎng)護(hù)，造成混凝土表面及接茬部位大量開裂。

2 襯砌施工創(chuàng)新主要需求

2.1 襯砌施工成套工藝創(chuàng)新

2.1.1 預(yù)防中埋止水帶偏位、變形

1)止水帶距襯砌內(nèi)輪廓不應(yīng)小于20 cm，鋼筋混凝土段施工縫處縱向鋼筋宜斷開設(shè)置。

2)采用鋼端模夾具、定位鋼筋相結(jié)合的止水帶安裝工藝，改進(jìn)止水帶結(jié)構(gòu)，增加其橫向剛度。

3)臺車與襯砌搭接處設(shè)置密封條，防止漏漿。

4)改進(jìn)施工縫附近混凝土的振搗方法，保證邊角處混凝土密實(shí)。

5)改進(jìn)鋼堵頭，采用鋼柔結(jié)合堵頭，減少漏漿。

2.1.2 預(yù)防模板臺車頂裂襯砌混凝土

1)嚴(yán)格控制脫模時間，確保脫模后混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計或規(guī)范要求。

2)襯砌臺車模板設(shè)置頂推限位裝置，避免臺車定位時已襯砌段混凝土受到擠傷。

3)優(yōu)化臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少臺車變形，施工過程中及時檢測、校正，避免臺車模板輪廓線變形，導(dǎo)致與已襯砌段輪廓不一致，造成定位時搭接處混凝土損傷。

4)臺車模板與已襯砌段搭接部位應(yīng)敷設(shè)橡膠類緩沖密封材料，避免已襯砌段混凝土損傷。

5)加強(qiáng)臺車信息化設(shè)計，配置聲光警報裝置，將臺車就位時模板與混凝土接觸和壓力情況，通過可視系統(tǒng)、聲光警報等措施及時反饋給操作人員。

2.1.3 預(yù)防模板臺車錯臺及變形

1)合理設(shè)置臺車面板及肋板、門架及大梁，保證其可靠的整體剛度和局部剛度。

2)實(shí)行模板臺車定期校檢及校正制度。

3)端模及卡具的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性應(yīng)滿足帶壓澆筑要求，端模應(yīng)安裝牢靠，不漏漿，具有保壓性能。

4)加強(qiáng)振搗，保證澆筑混凝土流動性及密實(shí)度，有效緩解模板臺車受外力影響。

5)合理控制混凝土泵送壓力，避免泵送壓力過大，導(dǎo)致模板變形而產(chǎn)生錯臺。

2.1.4 預(yù)防隧道襯砌裂紋

1)控制和調(diào)整隧道拱墻、仰拱、水溝電纜槽施工縫位置，保證“三縫”在同一截面； 同時，控制填充層及找平層施工縫位置，與“三縫”在同一位置，減少混凝土收縮應(yīng)力裂紋。

2)加強(qiáng)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格按照《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，細(xì)化養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)頻次等養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，防止混凝土干縮產(chǎn)生裂紋。

3)加強(qiáng)隧道仰拱清底，保證隧底無欠挖、無積水、無虛渣，隧底大面平順，減少仰拱不均勻沉降以及隧底應(yīng)力集中造成的混凝土開裂。

2.2 襯砌施工成套裝備創(chuàng)新

2.2.1 拱墻襯砌施工裝備創(chuàng)新分析

1)可靠的強(qiáng)度和剛度，合理的整體布局。

2)具備便捷布料功能，操作簡單方便，實(shí)現(xiàn)襯砌混凝土自下而上、左右側(cè)對稱澆筑，側(cè)模帶壓灌注，混凝土余料方便清理。

3)具有機(jī)械輔助振搗功能。

4)具備監(jiān)測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土灌注方量測量、灌注壓力測量、拱頂飽滿度測量等功能，相關(guān)數(shù)據(jù)自動記錄并上傳信息平臺。

5)附帶端模止水帶卡具、堵頭板裝置。

2.2.2 底部襯砌施工裝備創(chuàng)新分析

1)自行式移動棧橋與仰拱模板一體化，有效作業(yè)長度不低于24 m。

2)具有仰拱弧形模板，仰拱模板應(yīng)采用兩側(cè)分塊結(jié)構(gòu)形式，利于仰拱全幅施工。

3)具有仰拱和填充層鋼端模，鋼端模與設(shè)備采用一體化形式。

4)具有仰拱環(huán)向止水帶、縱向止水帶夾具。

5)具有中心水溝模板、邊墻鋼筋定位器。

2.2.3 水溝電纜槽施工裝備創(chuàng)新分析

1)水溝和電纜槽模板集成一體，并具備整體移動功能，提高模板的整體剛度和施工效率。

2)采用門架行走式整體溝槽臺車，雙邊水溝電纜槽同步施工。

3)采用移動式澆筑分料漏斗，分料漏斗沿主梁縱向移動，實(shí)現(xiàn)均勻布料。

4)水溝電纜槽臺車長度與拱墻襯砌和仰拱填充混凝土澆筑長度相匹配，做到施工縫對齊。

2.2.4 混凝土養(yǎng)護(hù)施工裝備創(chuàng)新分析

1)具備自動行走及定位功能，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)區(qū)間內(nèi)往復(fù)移動。

2)結(jié)合濕度情況，實(shí)現(xiàn)自動噴淋覆蓋、全斷面養(yǎng)護(hù)。

3)噴淋系統(tǒng)具有自動加熱功能，滿足混凝土養(yǎng)護(hù)水溫要求。

4)具有溫度監(jiān)測功能，自動記錄所養(yǎng)護(hù)的混凝土表面溫度變化情況。

5)具有濕度監(jiān)測功能，自動記錄所養(yǎng)護(hù)的混凝土表面含水率變化情況。

6)滿足隧道施工常用設(shè)備的安全通行。

3 拱墻襯砌施工技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

3.1 施工工藝創(chuàng)新

施工工藝概述： 通過混凝土輸送泵與混凝土澆筑布料系統(tǒng)直連，實(shí)現(xiàn)自動布料系統(tǒng)分層逐窗、對稱澆筑，利用自動布料系統(tǒng)形成封閉管路帶壓入模澆筑混凝土； 結(jié)合襯砌臺車大凈空結(jié)構(gòu)形式，搭載零搭接工藝、自動布料、自動振搗、自動監(jiān)測等系統(tǒng)，創(chuàng)建襯砌臺車自動檢測信息與集成控制系統(tǒng)一體化技術(shù)，提高襯砌臺車自動化、信息化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)混凝土壓力、流量、溫度、方量、澆筑狀態(tài)等信息自動快速評估，自動生成混凝土數(shù)據(jù)報表，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時手機(jī)App查閱，以利于提升混凝土成品質(zhì)量。

拱墻襯砌施工工藝流程見圖1。

3.1.1 施工縫質(zhì)量控制技術(shù)

3.1.1.1 “V”型槽零搭接技術(shù)

模板端部搭接采用“V”型槽零搭接裝置，模板邊緣與襯砌施工縫對齊，實(shí)現(xiàn)零搭接，模板與已澆筑混凝土之間“V”型橡膠條可實(shí)現(xiàn)密封，防止漏漿。“V”型槽零搭接裝置從根本上改變了模板搭接方式，創(chuàng)新了模板搭接技術(shù)，徹底解決了臺車頂裂施工縫混凝土的問題，避免施工縫壓潰，杜絕端部漏漿現(xiàn)象?！癡”型槽零搭接技術(shù)原理見圖2。

3.1.1.2 橫向加強(qiáng)型中埋橡膠止水帶技術(shù)

針對中埋式橡膠止水帶橫向剛度差、無法保持定位的問題，研發(fā)了橫向內(nèi)置加筋式中埋橡膠止水帶，提高了中埋橡膠止水帶的橫向剛度，減少了中埋止水帶施工加固時間，解決了中埋止水帶擠壓變形、切割混凝土導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷。橫向內(nèi)置加筋式中埋橡膠止水帶與傳統(tǒng)的中埋式橡膠止水帶相比，具有使用方便、安裝質(zhì)量好、安裝效率高、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)[16]。橫向加強(qiáng)型中埋橡膠止水帶結(jié)構(gòu)示意見圖3。

3.1.1.3 可伸縮式透明橡膠堵頭板技術(shù)

采用高強(qiáng)度高分子復(fù)合材料、快速升降機(jī)構(gòu)、可視化觀察窗等技術(shù)，研制了一套可用于超欠挖斷面的堵頭板，兼具止水帶夾具功能，可通過快速升降機(jī)構(gòu)調(diào)整堵頭板，實(shí)現(xiàn)端?？焖俜舛?； 依靠高強(qiáng)、輕型材料保證了端模強(qiáng)度，降低了人工勞動強(qiáng)度，提高了襯砌端部混凝土施工縫質(zhì)量。端模具有足夠的抵抗變形、保壓和抗壓能力，保壓壓力值不小于0.15 MPa。堵頭板采用模塊化設(shè)計，質(zhì)量輕，安拆方便。可伸縮式透明橡膠堵頭板見圖4。

3.1.2 拱頂澆筑飽滿度控制技術(shù)

混凝土封頂澆筑根據(jù)混凝土澆筑量，結(jié)合人工檢查、澆筑壓力、防空洞監(jiān)測情況等綜合判定拱頂澆筑飽滿度和密實(shí)度，由工程技術(shù)人員負(fù)責(zé)確定澆筑結(jié)束時機(jī)。

1)混凝土澆筑即將終結(jié)時，頂部壓力應(yīng)達(dá)到0.03～0.05 MPa，穩(wěn)壓3～5 min后，防空洞報警裝置觸壓預(yù)警，確保最高部位的溢漿孔排出新鮮的混凝土漿液，混凝土受壓密實(shí)而飽滿，可確認(rèn)結(jié)束混凝土澆筑。

2)混凝土澆筑結(jié)束時，混凝土實(shí)際澆筑量可根據(jù)攪拌站實(shí)測量、3D掃描理論方量、智能臺車實(shí)時監(jiān)測澆筑量綜合判定，不應(yīng)小于三者平均值。

3)混凝土澆筑方量距預(yù)計結(jié)束方量1～3 m3時，應(yīng)將泵送速度降低為正常速度的50%左右(<10 m3/h)，按照“連續(xù)、低壓、慢灌”原則進(jìn)行澆筑。

4)判定拱頂混凝土澆筑飽滿狀態(tài)，采用分布式觸壓傳感器監(jiān)測顯示和防空洞報警裝置監(jiān)測預(yù)警。

5)襯砌臺車堵頭板上觀察孔有新鮮混凝土漿液溢出時，可作為判斷封頂混凝土結(jié)束澆筑條件。

3.1.3 拱墻襯砌預(yù)防空洞施工技術(shù)

3.1.3.1 旋轉(zhuǎn)式對接快速布料技術(shù)

根據(jù)混凝土泵送原理，使用多段圓形鋼管及轉(zhuǎn)彎接頭布設(shè)混凝土輸送管路，混凝土在管路內(nèi)流動時始終保持一定壓力，實(shí)現(xiàn)了混凝土帶壓澆筑，有效保證了澆筑密實(shí)度，預(yù)防襯砌空洞，提高襯砌品質(zhì)。為滿足對稱、分層、逐窗澆筑工藝要求，設(shè)置了1個可共用的主管路、多個與澆筑窗口連通的分支管路，在液壓驅(qū)動下，主管路可自動旋轉(zhuǎn)、伸縮，實(shí)現(xiàn)與分支管路逐一對接，提高了混凝土布料系統(tǒng)換管效率，解決了隧道襯砌混凝土澆筑耗時長、質(zhì)量差的問題。單人3 min內(nèi)可完成對接，降低了人工勞動強(qiáng)度。

混凝土在封閉管路內(nèi)帶壓輸送，且分料裝置管路對接便捷，實(shí)現(xiàn)了快速、連續(xù)澆筑的目標(biāo)，滿足了左右對稱、分層、逐窗澆筑的工藝要求，由此解決了現(xiàn)有技術(shù)難題。臺車前后混凝土高差不超過0.6 m，左右混凝土高差不超過0.5 m，分層厚度不大于0.4 m。混凝土自由下落高度不大于2 m。旋轉(zhuǎn)式對接快速布料技術(shù)原理見圖5，旋轉(zhuǎn)式對接快速布料系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果見圖6。

3.1.3.2 拱頂氣動振搗及邊墻高頻卷筒式振搗技術(shù)

根據(jù)拱頂混凝土振搗施工要求，創(chuàng)新性地采用了氣動式振搗技術(shù)，合理設(shè)置間隔距離，優(yōu)化振搗時間、振搗頻率。拱頂氣動式振搗工序緊隨澆筑進(jìn)行，按左右兩側(cè)對稱振搗原則,單側(cè)12組，共計24組； 同一部位設(shè)置3次振搗，即當(dāng)混凝土液位超過振動器15、30、45 cm高度時,分別振搗1次,每次振搗時長15 s； 振搗深度經(jīng)測試達(dá)300 mm，振搗半徑為0.8 m，有效解決了拱頂混凝土振搗不密實(shí)的問題，提高了拱頂混凝土強(qiáng)度，減少了拱頂空洞。

邊墻采用彈簧卷筒、導(dǎo)向環(huán)、插入式振搗棒等裝置，研發(fā)了一套可沿豎直方向自由滑動的邊墻高頻卷筒式振搗技術(shù)，提出了一種拱墻混凝土自動振搗方法，振搗頻率高，施工質(zhì)量好，降低了人工振搗勞動強(qiáng)度，解決了拱墻襯砌空洞、密實(shí)度不足的問題。

3.1.3.3 拱頂帶壓單斜孔灌注技術(shù)

為解決拱頂襯砌空洞、混凝土不密實(shí)的質(zhì)量缺陷，拱頂混凝土澆筑孔靠近已襯砌端布置，并采用傾斜設(shè)計，混凝土入倉流向與襯砌臺車移動方向夾角為60°。拱頂采用單孔灌注，當(dāng)充滿已襯砌端后，混凝土在泵送壓力下向臺車前端流動，形成反壓填充拱頂模板倉的效果。拱頂帶壓單斜孔灌注工藝實(shí)現(xiàn)了拱頂帶壓灌注，解決了拱頂襯砌空洞、不密實(shí)的問題。

適當(dāng)提高封頂混凝土的坍落度，采用中高流動混凝土澆筑，有利于提高混凝土密實(shí)度和流動性。封頂時適當(dāng)減緩泵送速度、減小泵送壓力，密切觀察堵頭板排氣孔排氣與溢漿孔排漿狀況，通過監(jiān)測澆筑壓力數(shù)據(jù)和防脫空報警裝置預(yù)警情況，綜合判定混凝土結(jié)束澆筑標(biāo)準(zhǔn)。封頂(90°范圍內(nèi))混凝土澆筑時間不大于3.5 h。拱頂單孔斜口澆筑結(jié)構(gòu)示意見圖7。

3.1.4 拱墻襯砌信息化施工技術(shù)

采用信息化技術(shù)、自動化控制技術(shù)，研制了混凝土壓力監(jiān)測、輸送流量監(jiān)測、澆筑方量監(jiān)測、澆筑高度監(jiān)測、溫度監(jiān)測等襯砌施工過程信息采集、處理和顯示的集成控制系統(tǒng)，形成了一套以施工數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的施工標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，改變了傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的施工現(xiàn)狀，提高了襯砌施工技術(shù)水平，有利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工。

3.2 施工裝備創(chuàng)新

拱墻襯砌施工是利用智能襯砌臺車模筑工藝體系，實(shí)現(xiàn)模板整體移動定位、自動布料、帶壓澆筑、止水帶安裝、混凝土逐層分窗灌注、同步振搗、參數(shù)監(jiān)測、信息集成傳輸?shù)裙δ?，提升拱墻襯砌結(jié)構(gòu)成品質(zhì)量。

3.2.1 總體方案

新型智能襯砌臺車采用雙跨結(jié)構(gòu)承載襯砌臺車各結(jié)構(gòu)部件，為模板定位提供固定基礎(chǔ)，有利于實(shí)現(xiàn)模板快速定位，同時取消了門架結(jié)構(gòu)設(shè)計，增大了通行空間。模板系統(tǒng)底部支撐在填充體兩側(cè)邊溝內(nèi)，其左、右側(cè)模板與底部混凝土填充體形成封閉三角形受力結(jié)構(gòu)，自身穩(wěn)定性較高，足以承載混凝土澆筑載荷。模板系統(tǒng)頂模放置在雙跨結(jié)構(gòu)頂部縱梁上，通過橫移油缸驅(qū)動，可沿水平方向調(diào)整模板中線位置。模板系統(tǒng)兩側(cè)邊模與頂模采用鉸接連接，通過邊模油缸驅(qū)動，可使邊模繞鉸接銷軸轉(zhuǎn)動，調(diào)整邊模位置，實(shí)現(xiàn)邊模的立模與脫模功能。行走系統(tǒng)設(shè)置在雙跨結(jié)構(gòu)底部，共有4套行走機(jī)構(gòu)，采用同步驅(qū)動設(shè)計，提高襯砌臺車整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。智能襯砌臺車總體方案設(shè)計見圖8。

3.2.2 自動布料系統(tǒng)

自動布料系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與伸縮機(jī)構(gòu)相結(jié)合的分料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括主管路、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、分支管路、工作平臺等部分。分支管路以主管路為中心，環(huán)形布置，實(shí)現(xiàn)管路封閉，形成帶壓澆筑路徑設(shè)計； 采用液壓驅(qū)動，主管路與分支管路接頭依次旋轉(zhuǎn)對接，使得混凝土輸送泵、主管路、旋轉(zhuǎn)接頭、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、分支管路和入窗軟管等形成單條澆筑管路通道，極大地減少了單條管路通道彎頭設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了快速連續(xù)澆筑二次襯砌混凝土，增加了混凝土帶壓澆筑的流動性，避免堵管發(fā)生，從而創(chuàng)新設(shè)計了封閉管路帶壓澆筑自動布料系統(tǒng)。主管路與分支管路對接原理見圖9。

3.2.3 自動振搗系統(tǒng)

邊墻自動振搗系統(tǒng)主要由彈力滾筒、導(dǎo)向環(huán)、振搗棒和電控柜等組成。彈力滾筒固定在襯砌臺車主梁側(cè)部，彈簧彈力可平衡振搗棒和電纜線重力，便于施工人員豎直方向拖拽振搗棒。導(dǎo)向環(huán)固定在襯砌臺車模板內(nèi)，振搗棒電纜線從導(dǎo)向環(huán)中穿過，導(dǎo)向環(huán)引導(dǎo)振搗棒沿豎直方向軌跡運(yùn)動。振搗棒采用42 V電壓驅(qū)動，保障人員用電安全，使用時直接插入混凝土內(nèi)部，接通振搗棒電源后即可自動振搗施工，免激振。振搗施工結(jié)束后，關(guān)閉電源，松開振搗棒，振搗棒可在彈力滾筒作用下，沿導(dǎo)向環(huán)自動向上收回，放置在上一層作業(yè)平臺，便于后續(xù)振搗施工使用。邊墻振搗原理見圖10。

3.2.4 智能化控制系統(tǒng)

采用PLC編程、WICC軟件、觸摸屏等研制了智能化控制系統(tǒng)，主要集成了臺車澆筑狀況、臺車布料系統(tǒng)、臺車振搗系統(tǒng)、頂部壓力監(jiān)測、搭接監(jiān)測系統(tǒng)、臺車液壓系統(tǒng)、側(cè)部壓力監(jiān)測、行走控制系統(tǒng)、襯砌數(shù)據(jù)報表等9大系統(tǒng)[9]。其中，液壓控制系統(tǒng)集成了本地和遠(yuǎn)程控制功能，便于臺車定位及脫模操作； 行走控制系統(tǒng)設(shè)置了點(diǎn)動行走功能，便于臺車縱向精準(zhǔn)定位。智能化控制系統(tǒng)平臺主界面見圖11。

3.3 應(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用效果顯示，每循環(huán)襯砌180～200 m3混凝土，新型智能襯砌臺車在8～10 h內(nèi)澆筑完成，普通臺車在12～15 h內(nèi)澆筑完成； 新型智能襯砌臺車混凝土澆筑量差為±3 m3，普通臺車混凝土澆筑量差為±6 m3。由此可見，新型智能襯砌臺車能夠在10 h內(nèi)澆筑12 m長拱墻襯砌，3D掃描量與實(shí)際澆筑量差控制在0～3 m3，較普通臺車量差控制效果更準(zhǔn)確。

在襯砌質(zhì)量方面，經(jīng)現(xiàn)場第三方檢測，新型智能襯砌臺車相比普通襯砌臺車，二次襯砌空洞率減少100%，不密實(shí)度減少85.2%。

在經(jīng)濟(jì)性方面，參考張吉懷項(xiàng)目吉首隧道進(jìn)口采集數(shù)據(jù)，臺車使用壽命為10 km，新型智能襯砌臺車較普通臺車節(jié)約直接成本100萬元，節(jié)約間接成本336萬元，共可節(jié)約成本436萬元(折合每延米節(jié)約成本436元，數(shù)據(jù)來源于工業(yè)試驗(yàn)報告)。

采用新型智能襯砌臺車澆筑襯砌混凝土所產(chǎn)生的缺陷相對較少,襯砌質(zhì)量顯著提高。拱墻襯砌施工效果見圖12，襯砌施工縫“V”形槽零搭接效果見圖13。

4 底部襯砌施工技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

4.1 施工工藝創(chuàng)新

施工工藝概述： 采用底部襯砌一體化澆筑施工工藝，端模整裝整拆、鋼筋及止水帶精確定位、中心水溝快速安拆、仰拱全幅施工、鋼筋綁扎與混凝土澆筑同步平行作業(yè)、仰拱及填充施工與交通運(yùn)行互不干擾、仰拱及填充層一體化快速施工，提高底部襯砌施工效率及成品質(zhì)量。

底部襯砌施工工藝流程見圖14。

4.1.1 底部襯砌一體化施工技術(shù)

仰拱混凝土采用整幅澆筑，一次成型，配置弧形模板及振搗系統(tǒng)。每循環(huán)澆筑長度與拱墻襯砌長度相匹配，確保環(huán)向施工縫與拱墻襯砌施工同縫。

4.1.2 混凝土澆筑及振搗控制技術(shù)[17]

1)仰拱及填充混凝土澆筑采用罐車運(yùn)輸、溜槽布料方式入模，溜槽出料口距混凝土澆筑面高度不超過2 m。

2)仰拱應(yīng)一次性整幅施工，由仰拱中心向兩側(cè)對稱連續(xù)澆筑，每次分層厚度不大于30 cm。

3)底部襯砌混凝土采用高頻插入振搗器與高頻氣動附著式振搗器配合振搗。

4)混凝土振搗時，應(yīng)加強(qiáng)施工縫附近振搗質(zhì)量，振搗過程中防止觸碰防水板和止水帶，避免偏位。

5)填充層混凝土澆筑完畢后，采用人工或輔助工具及時抹平收面，頂面平整度不大于1 cm/m。

4.1.3 混凝土脫模及養(yǎng)護(hù)技術(shù)[18]

1)仰拱及填充混凝土模板脫模時，脫?；炷翉?qiáng)度應(yīng)達(dá)到2.5 MPa； 特殊環(huán)境下，脫?；炷翉?qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計要求，設(shè)計無要求時脫模強(qiáng)度不應(yīng)低于設(shè)計強(qiáng)度的70%。

2)脫模時，混凝土內(nèi)部與表層、表層與環(huán)境之間溫差不得大于20 ℃，混凝土內(nèi)外側(cè)表面溫差不得大于15 ℃，混凝土內(nèi)部開始降溫前不得脫模。

3)襯砌拆模后應(yīng)及時采取保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，養(yǎng)護(hù)時間不得少于14 d。

4.2 施工裝備創(chuàng)新

底部襯砌施工是通過底部襯砌臺車配套移動棧橋、仰拱模板、仰拱填充模板、中心水溝模板、止水帶夾具及鋼筋定位器等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道仰拱及填充混凝土施工、鋼筋綁扎、混凝土養(yǎng)護(hù)等各工序平行作業(yè)一體化施工，提高了施工效率，解決了隧道車輛通行與底部襯砌施工干擾難題，提高了仰拱成型質(zhì)量及縱向施工縫精度，保證拱墻襯砌搭接效果，提升混凝土成品品質(zhì)。

4.2.1 總體方案

底部襯砌臺車主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為針梁模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，具有適于變跨、方便運(yùn)輸、快速拼裝等特點(diǎn)。作業(yè)循環(huán)施工長度為24 m，主體棧橋行車道寬度為3.7 m，仰拱與回填高度為2.3 m，前、后坡橋坡度不大于15%，允許通過最大質(zhì)量為55 t，棧橋移動速度為6 m/min。底部襯砌臺車方案設(shè)計見圖15和圖16。

4.2.2 針梁式移動棧橋

移動棧橋主要由主橋和引橋構(gòu)成。主橋主要由鋼桁架作為主體承重結(jié)構(gòu)，通過行車道橫梁將鋼桁架結(jié)構(gòu)連成一體，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。引橋分為前引橋、后引橋，其中，前引橋搭接于隧底虛渣，后引橋搭接于填充路面； 主體棧橋移動時，前、后引橋均處于提升狀態(tài)。

4.2.3 仰拱模板系統(tǒng)

仰拱模板系統(tǒng)主要由整體仰拱模板、起吊定位架、螺旋絲桿、液壓油缸和電動單軌小車等構(gòu)成，應(yīng)用于仰拱混凝土成型施工。

4.2.4 鋼端模及中心水溝模板系統(tǒng)

鋼端模系統(tǒng)主要由填充端頭模板(含仰拱弧形端模板)、填充側(cè)模板、模板吊架和螺旋絲桿等構(gòu)成，應(yīng)用于仰拱及填充混凝土澆筑成型施工。中心水溝模板系統(tǒng)主要由整體中心水溝模板、定位卡、懸掛梁、脫模架和液壓油缸等構(gòu)成，應(yīng)用于填充混凝土及中心水溝成型施工。

4.2.5 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要由縱向、環(huán)向止水帶夾具，棧橋平移機(jī)構(gòu)，鋼筋定位器，移動式溜槽布料裝置，行走系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，電控系統(tǒng)，操作平臺和防護(hù)結(jié)構(gòu)等組成。

4.3 應(yīng)用效果

根據(jù)吉首隧道進(jìn)口現(xiàn)場施工應(yīng)用情況表明，隧道仰拱作業(yè)循環(huán)時間由原來的48 h縮短為18 h，工序循環(huán)時間縮短50%以上。底部襯砌臺車配合模板一體化施工，采用懸臂吊架定位固定，整體模板剛度好，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)仰拱成型結(jié)構(gòu)尺寸，仰拱混凝土均勻密實(shí)。結(jié)果證明： 仰拱與填充界限分明，結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度均達(dá)標(biāo)。

底部襯砌臺車配合模板一體化施工工藝，優(yōu)化了洞內(nèi)施工組織和工序分區(qū)，有利于標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)和安全文明施工，只需保留1個仰拱作業(yè)面，減少了工序分區(qū)間的相互干擾，減少了掌子面與二次襯砌之間的作業(yè)面數(shù)量和總長度，有利于二次襯砌及時跟進(jìn)，保障隧道施工安全、洞內(nèi)開挖及出渣作業(yè)的交通順暢。

在經(jīng)濟(jì)性方面，參考張吉懷項(xiàng)目吉首隧道進(jìn)口采集數(shù)據(jù)，臺車使用壽命為10 km，新型底部襯砌臺車較簡易棧橋配合普通鋼模板工裝，可節(jié)約成本176萬元(折合每延米節(jié)約成本176元，數(shù)據(jù)來源于工業(yè)試驗(yàn)報告)。

底部襯砌臺車現(xiàn)場應(yīng)用效果見圖17。

5 水溝電纜槽施工技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

5.1 施工工藝創(chuàng)新

施工工藝概述： 通過雙邊移動水溝電纜槽臺車，能夠?qū)崿F(xiàn)兩側(cè)溝槽同步一次性澆筑，解決以往單側(cè)或半幅溝槽施工不能同步的缺陷，采用模板整體移動、精確定位、固定、連續(xù)澆筑、脫模、同步振搗等功能，提高水溝電纜槽整體施工質(zhì)量，有效減少勞動力，降低勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

水溝電纜槽施工工藝流程見圖18。

5.1.1 混凝土質(zhì)量控制技術(shù)[17]

1)為提高模板定位精度，前后搭接順暢，溝槽臺車模板前端截面應(yīng)適當(dāng)加寬8 mm，作為預(yù)留彌補(bǔ)混凝土收縮量，減少混凝土錯臺。

2)混凝土灌注采用移動式分料漏斗澆筑，確?；炷翝仓鳂I(yè)連續(xù)進(jìn)行。

3)混凝土澆筑應(yīng)采用插入式振搗棒配合附著式振搗器聯(lián)合振搗。

4)混凝土澆筑完畢，應(yīng)采取粗抹面、中抹面、精抹面等措施收面，保證溝槽頂面標(biāo)高、線型一致。

5.1.2 混凝土脫模及養(yǎng)護(hù)技術(shù)[18]

1)水溝電纜槽混凝土強(qiáng)度不小于2.5 MPa，且表面及棱角不因脫模而受損時，方可脫模。

2)為了便于脫模，溝槽臺車兩側(cè)箱型模板的拔模斜度不應(yīng)小于3%。

3)脫模時，混凝土內(nèi)部與表層、表層與環(huán)境之間溫差不得大于20 ℃，結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)表面溫差不得大于15 ℃，混凝土內(nèi)部開始降溫前不得脫模。

4)拆模后應(yīng)及時采取保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，養(yǎng)護(hù)時間不得少于14 d。

5.2 施工裝備創(chuàng)新

水溝電纜槽施工是通過溝槽臺車配套模板、門架、液壓、行走、電控、澆筑等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)模板整體移動、精確定位、快速固定、連續(xù)澆筑、同步振搗等功能； 其中，封閉式箱體結(jié)構(gòu)具有一定拔模斜度，便于脫模施工。水溝和電纜槽模板集成一體，有利于提高模板的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。采用移動式澆筑分料漏斗進(jìn)行快速施工，減少勞動力配置，降低勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

5.2.1 總體方案

水溝電纜槽臺車單循環(huán)襯砌長度為12 m。臺車采用軌行式行走系統(tǒng)，選用2臺2.2 kW擺線針輪減速機(jī)，行走速度為6.7 m/min。支吊架系統(tǒng)采用型鋼拼焊連接，作為溝槽臺車的主要受力結(jié)構(gòu)，支吊架系統(tǒng)能滿足施工荷載承受的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求。水溝電纜槽臺車總體方案設(shè)計見圖19。

5.2.2 箱型模板

溝槽臺車箱型模板根據(jù)澆筑速度、混凝土工作性能、左右兩側(cè)水溝及電纜槽澆筑高度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和加工制造。溝槽模板設(shè)計為倒梯形微型結(jié)構(gòu)； 為實(shí)現(xiàn)模板快速安裝、精確定位、快速脫模、均衡移動、便捷周轉(zhuǎn)等功能，確保溝槽結(jié)構(gòu)整體施工質(zhì)量，溝槽模板采用整裝、整澆和整拆結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高溝槽整體性能。溝槽臺車模板設(shè)計和加工制造應(yīng)考慮箱型溝槽整體脫模，設(shè)置拔模斜度不應(yīng)小于3%，斷面上、下寬度偏差不大于5 mm，平、縱直線度偏差不大于2 mm/2 m。

5.2.3 主門架系統(tǒng)

溝槽臺車應(yīng)設(shè)計為整體式門架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)采用懸臂式支吊架系統(tǒng)，滿足兩側(cè)模板的懸掛，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)溝槽同時施工，提高施工效率。中間采用門架式桁架結(jié)構(gòu)，內(nèi)凈空要保證隧道內(nèi)車輛和人員安全通行； 同時，要考慮隧道內(nèi)鑿巖臺車、裝載機(jī)等重型施工機(jī)械設(shè)備安全通行和順利穿越。

5.2.4 其他輔助系統(tǒng)

溝槽臺車設(shè)計移動式布料裝置，混凝土澆筑采用溜槽集中布料，提高溝槽施工效率； 溝槽臺車應(yīng)配置可靠的液壓系統(tǒng)，在液壓油缸作用下，能快速、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)模板定位、脫模； 溝槽臺車設(shè)計自動混凝土振搗系統(tǒng)，混凝土澆筑采用插入式振搗棒和附著式振動器搭配使用，有利于提高混凝土襯砌質(zhì)量。

5.3 應(yīng)用效果

根據(jù)吉首隧道進(jìn)口現(xiàn)場施工應(yīng)用情況表明，隧道兩側(cè)溝槽對稱且一次成型，線型順直。兩側(cè)箱型模板設(shè)置3.5%拔模斜度，有效解決了拆模時對混凝土的傷害，尤其是邊角部位，減少了對缺棱掉角混凝土的修補(bǔ)。模板采用箱涵式整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，強(qiáng)度高，線型精度高；主架采用門架式設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單可靠； 模板定位、脫模采用全液壓設(shè)計，效率高，作業(yè)人員勞動強(qiáng)度低； 移動式分料漏斗裝置使用便捷、高效。

在經(jīng)濟(jì)性方面，參考張吉懷項(xiàng)目吉首隧道進(jìn)口采集的數(shù)據(jù)，臺車使用壽命為10 km，新型軌行式液壓水溝電纜槽臺車較普通單邊水溝電纜槽工裝可節(jié)約成本35萬元(折合每延米節(jié)約成本35元，數(shù)據(jù)來源于工業(yè)試驗(yàn)報告)。

水溝電纜槽臺車現(xiàn)場應(yīng)用效果見圖20。

6 混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

6.1 施工工藝創(chuàng)新

施工工藝概述： 自動噴霧養(yǎng)護(hù)工藝是利用噴霧養(yǎng)護(hù)臺車，對襯砌混凝土表面進(jìn)行噴霧水化養(yǎng)護(hù)作業(yè)。模板臺車脫模后，噴霧養(yǎng)護(hù)臺車通過檢測元器件，對施工區(qū)域內(nèi)混凝土表面溫度、濕度等狀態(tài)信息自動感應(yīng)和識別，并經(jīng)過控制系統(tǒng)進(jìn)行信息分析、數(shù)據(jù)處理、發(fā)出指令，最終利用儲水箱、封閉管路水系統(tǒng)、霧化噴頭等裝置，將水溫適宜的養(yǎng)護(hù)用水霧化后，均勻噴灑在混凝土內(nèi)壁表面，實(shí)施混凝土噴霧養(yǎng)護(hù)作業(yè)，起到自動化、智能化噴霧養(yǎng)護(hù)作用，保證混凝土養(yǎng)護(hù)及時性和有效性。

自動噴霧養(yǎng)護(hù)施工工藝流程見圖21。

6.1.1 噴霧養(yǎng)護(hù)自動化控制技術(shù)

1)噴霧養(yǎng)護(hù)臺車啟動后，濕度檢測儀實(shí)時檢測混凝土表面濕度。當(dāng)檢測值低于90時，設(shè)備自行啟動噴霧養(yǎng)護(hù)作業(yè)； 當(dāng)檢測值達(dá)到100時，設(shè)備停止噴霧養(yǎng)護(hù)作業(yè)(檢測值為濕度檢測儀采集混凝土表面含水量信息，經(jīng)PCL程序轉(zhuǎn)化后對應(yīng)模擬量，混凝土表面充分濕潤時，檢測值為100； 混凝土表面較干燥時，檢測值為90及以下)。

2)養(yǎng)護(hù)用水與混凝土表面溫差大于15 ℃時，加熱系統(tǒng)對養(yǎng)護(hù)用水自動開啟加熱； 二者溫差小于15 ℃時，自動停止加熱。

3)噴霧養(yǎng)護(hù)臺車開啟后，自動在軌道區(qū)間內(nèi)往復(fù)循環(huán)行走，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測元器件采集的相關(guān)信息，控制設(shè)備對混凝土表面實(shí)施噴霧養(yǎng)護(hù)作業(yè)。

4)噴霧養(yǎng)護(hù)臺車大水箱水量低于總儲量20%時，低水位警報燈閃爍并發(fā)出蜂鳴警報，巡視人員應(yīng)及時進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)。

5)噴霧養(yǎng)護(hù)臺車工作過程中，巡視人員應(yīng)每隔8 h對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查。

6.1.2 噴霧養(yǎng)護(hù)評價標(biāo)準(zhǔn)[17-18]

1)混凝土脫模后立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)，混凝土芯部與表面、表面與環(huán)境溫差不大于20 ℃，養(yǎng)護(hù)用水與混凝土表面溫差不大于15 ℃。

2)混凝土在冬期或夏期脫模后，若天氣驟然變化，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋?冬期)或隔熱(夏期)措施，防止混凝土產(chǎn)生過大的溫差應(yīng)力。

3)晝夜平均氣溫低于5 ℃，或最低氣溫低于-3 ℃時，按冬期施工處理。環(huán)境溫度低于5 ℃時，禁止對混凝土表面進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，應(yīng)采取保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施。

4)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)期間，升溫、降溫速度不應(yīng)大于10 ℃/h。

5)養(yǎng)護(hù)水質(zhì)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不得使用海水養(yǎng)護(hù)混凝土。

6)不同混凝土保溫、保濕養(yǎng)護(hù)最低期限見表1。

6.2 施工裝備創(chuàng)新

混凝土養(yǎng)護(hù)施工是利用噴霧養(yǎng)護(hù)臺車，根據(jù)隧道斷面輪廓線布設(shè)等距霧化噴頭，結(jié)合噴頭霧化范圍、噴頭與混凝土有效距離等因素，確定合理的噴頭布置位置和數(shù)量； 通過檢測元器件和控制系統(tǒng)對混凝土表面溫度、濕度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，利用水路系統(tǒng)輸送養(yǎng)護(hù)用水，經(jīng)噴頭霧化后，進(jìn)行適溫、均勻養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)水霧噴灑在混凝土表面的養(yǎng)護(hù)效果，還可達(dá)到隧道除塵、降溫的目的。

6.2.1 總體方案

噴霧養(yǎng)護(hù)臺車主要由支撐架、拱架、行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水路系統(tǒng)等組成。噴霧操作具備自動噴霧和手動噴霧2種模式。自動噴霧是在控制系統(tǒng)中設(shè)定作業(yè)濕度檢測啟動值、養(yǎng)護(hù)循環(huán)次數(shù)和養(yǎng)護(hù)間隔時間等信息，當(dāng)達(dá)到設(shè)定作業(yè)濕度檢測啟動值后，養(yǎng)護(hù)臺車自動進(jìn)行噴霧養(yǎng)護(hù)作業(yè)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)循環(huán)次數(shù)后，自動停止養(yǎng)護(hù)作業(yè)； 手動噴霧是人工通過控制系統(tǒng)按鈕操作，根據(jù)現(xiàn)場需要適時進(jìn)行噴霧養(yǎng)護(hù)作業(yè)。噴霧養(yǎng)護(hù)臺車總體方案設(shè)計見圖22。

6.2.2 溫度自動化控制系統(tǒng)

水箱內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，量程為0～100 ℃，用于檢測養(yǎng)護(hù)水溫度； 水溫控制模塊加熱功率為30 kW，用于養(yǎng)護(hù)水加熱。水箱外部設(shè)置紅外溫度傳感器，量程為0～100 ℃，用于檢測混凝土表面溫度。

設(shè)備啟動養(yǎng)護(hù)前先進(jìn)行狀態(tài)檢測，當(dāng)檢測混凝土表面濕度低于系統(tǒng)設(shè)定的下限值，且混凝土表面溫度與養(yǎng)護(hù)水溫的溫差小于15 ℃時，設(shè)備啟動養(yǎng)護(hù)，2個條件需同時滿足。

當(dāng)檢測混凝土表面溫度與養(yǎng)護(hù)水溫的溫差大于15 ℃時，設(shè)備自動啟動加熱裝置進(jìn)行水溫加熱，直至二者溫差小于10 ℃，設(shè)備啟動養(yǎng)護(hù)。在養(yǎng)護(hù)過程中，一旦檢測二者溫差大于15 ℃，設(shè)備自動停機(jī)進(jìn)行加熱，直到溫度滿足條件后再次啟動養(yǎng)護(hù)。

6.2.3 濕度自動化控制系統(tǒng)

濕度傳感器采用非接觸近紅外線檢測方式，由在線紅外水分儀主機(jī)和探測裝置2部分組成。利用安裝在轉(zhuǎn)輪上的高精密紅外濾光片，參照光和測量光交替地通過濾光片，過濾保留的光束聚焦在受測試樣品上，參照光首先投影在樣品上，測量光其次投影在樣品上，這2個具有時序的光能脈沖被反射回到探測器，依次轉(zhuǎn)換成2個電信號，這2個電信號結(jié)合形成一個比例，即可測量出水分含量。

濕度傳感器型號為YJ-M-100，測量精度為0.1%～0.5%，測量高度為(250±100) mm，環(huán)境溫度為0～50 ℃，響應(yīng)時間為0～60 s，功率為100 W。

6.2.4 水路自動化控制系統(tǒng)

1)水路系統(tǒng)壓力值應(yīng)保持在0.4～0.5 MPa。

2)小水箱水量低于其總儲量的20%時，水位傳感器發(fā)出信號，控制系統(tǒng)啟動水源處理器，自動將養(yǎng)護(hù)水從大水箱過濾并泵入小水箱中。

3)大、水箱內(nèi)水位均下降至總儲量的10%時，養(yǎng)護(hù)臺車自動停止養(yǎng)護(hù)作業(yè)，低水位警報燈保持閃爍并持續(xù)發(fā)出蜂鳴警報，巡視人員應(yīng)及時進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)。

4)霧化噴頭環(huán)向布置間距為250～350 mm，噴頭距混凝土表面距離為400～500 mm，噴頭采用工業(yè)霧化噴頭。

6.3 應(yīng)用效果

自動噴霧養(yǎng)護(hù)臺車應(yīng)用于赤喀鐵路2標(biāo)段天秀山隧道1#斜井，根據(jù)現(xiàn)場噴霧養(yǎng)護(hù)應(yīng)用情況表明，設(shè)備自動行走系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，運(yùn)行正常； 水路系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，水溫控制準(zhǔn)確可靠，加熱效率可實(shí)現(xiàn)每2 min提高1 ℃； 控制系統(tǒng)溫度、濕度傳感器信號準(zhǔn)確，控制流程與運(yùn)動邏輯合理，現(xiàn)場應(yīng)用達(dá)到噴淋及時、水量合理、霧化均勻的養(yǎng)護(hù)效果。

經(jīng)隧道邊墻與拱頂混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場測試，自動噴霧養(yǎng)護(hù)與人工灑水養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)對比分析，混凝土強(qiáng)度平均提升20%，尤其是在人工灑水養(yǎng)護(hù)方式較難覆蓋的拱頂部位有顯著提升。

現(xiàn)場應(yīng)用證明，噴霧養(yǎng)護(hù)臺車控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測隧道表面溫度和濕度狀態(tài)，及時有效地進(jìn)行隧道混凝土養(yǎng)護(hù)作業(yè)，解決了養(yǎng)護(hù)作業(yè)環(huán)節(jié)監(jiān)控困難的問題； 自動養(yǎng)護(hù)過程中無需人工干預(yù)，大大減少了施工人員投入，同時，提高了水資源利用效率，減少了不必要的浪費(fèi)，提升了混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

噴霧養(yǎng)護(hù)臺車現(xiàn)場應(yīng)用見圖23。

7 結(jié)論與建議

1)研制了雙跨大凈空新型智能拱墻襯砌臺車，構(gòu)建了鐵路隧道高品質(zhì)襯砌及拱頂預(yù)防空洞快速施工技術(shù)體系、拱頂灌注飽滿度判斷標(biāo)準(zhǔn)、隧道襯砌施工縫技術(shù)體系、隧道襯砌信息化施工標(biāo)準(zhǔn)，提高了拱頂混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度，有效減少了襯砌開裂、掉塊、空洞、厚度不足等質(zhì)量缺陷。

2)建立了底部襯砌施工工藝和工裝施工技術(shù)要求； 創(chuàng)新了仰拱與填充層澆筑施工技術(shù)，形成了鐵路隧道仰拱與填充層一體化澆筑快速施工工藝及方法，解決了隧道底部襯砌快速施工難題，保證了施工質(zhì)量。

3)研制了水溝電纜槽臺車，創(chuàng)新了水溝電纜槽施工工藝及方法，解決了傳統(tǒng)溝槽施工存在的自動化程度低、施工效率低、施工質(zhì)量差等問題。

4)研制了隧道襯砌自動噴霧養(yǎng)護(hù)臺車，建立了鐵路隧道襯砌養(yǎng)護(hù)施工技術(shù)體系，達(dá)到了養(yǎng)護(hù)監(jiān)測、水溫、濕度等自動控制，實(shí)現(xiàn)了混凝土襯砌養(yǎng)護(hù)自動化、信息化，提高了襯砌養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

下一步可通過鐵路隧道襯砌施工成套技術(shù)持續(xù)深入研究，結(jié)合新型智能襯砌臺車、底部襯砌臺車、軌行式液壓水溝電纜槽臺車、噴霧養(yǎng)護(hù)臺車現(xiàn)場應(yīng)用情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并綜合分析，在提升鐵路隧道襯砌施工無人化、信息化、智能化水平，降低工裝設(shè)備制造成本，保證施工安全及提高施工進(jìn)度，降低人材機(jī)成本等方面取得更好的實(shí)施效果，實(shí)現(xiàn)裝備智能化施工。