新型帶壓澆筑隧道數字化襯砌臺車研究與應用

姬海東， 劉在政， 張海濤

(中國鐵建重工集團有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

近年來我國鐵路隧道建設得到了快速發展，隧道施工技術水平不斷提高，二次襯砌作為隧道施工的重要組成環節，直接影響著隧道結構的穩定以及行車安全。目前，國內普遍采用整體式鋼模臺車進行二次襯砌澆筑，由于傳統澆筑工藝的缺陷，導致內部襯砌結構強度不足、襯砌厚度不足及襯砌背后空洞[1-3]，進而引起開裂、掉塊、滲漏水等病害。

二次襯砌施工經歷了人工立模、簡易模板臺架、網架式襯砌臺車、全液壓自動行走襯砌臺車等階段[4]。蒙華鐵路萬榮隧道采用滑槽逐窗入模施工技術以及帶模注漿[5-7]技術，很大程度上提高了襯砌的整體性，但施工工藝較復雜，數字化程度低[8]；付春青等[9]針對臨空問題，研發了穿行式數控襯砌臺車，但臺車結構質量、體積均較大，行走困難，需進一步對臺車輕量化設計；喻致蓉等[10]提出將不銹鋼復合鋼板面板應用于襯砌臺車，能減少脫模劑的消耗，但并沒有確切的數據支撐；劉云珠[11]在老尖山隧道對二次襯砌臺車進行改裝，完成可變截面襯砌臺車設計，提高了施工效率；余振華[12]對隧道襯砌臺車的定位系統進行了研究，介紹了定位系統的工作原理和系統架構，但對定位系統的實際應用狀況未作說明。

本文針對現有臺車的施工缺陷及隧道施工需求，研發了新型帶壓澆筑數字化襯砌臺車，提出了雙澆筑技術、高頻振搗技術、軟搭接技術和數字化控制技術，改善了襯砌施工工藝，實現了混凝土的密實振搗，避免了搭接部的損壞，有效降低了人員的勞動強度，提高了襯砌效率與襯砌質量，并已進行了工業試驗，得到了施工單位的高度認可。

1 隧道襯砌施工現狀

傳統的襯砌臺車在施工效率、施工質量、勞動強度、智能化、信息化水平上仍有提升空間，主要表現在以下幾方面。

1)傳統的襯砌臺車端模板主要采用木板或鋼木組合，端模板在安裝或拆除時，易將防水板劃破，影響防水效果；另外，木板堵頭重復使用率低，費工費料，且混凝土泄露嚴重。

2)國內混凝土振搗普遍使用低頻振搗器及軟軸式振動棒，振動頻率約50 Hz，頻率在混凝土中還要衰減20%以上。低頻振搗器排氣性能差，有效作用半徑小，振幅大，易與鋼模板產生共振，對模板損傷較大，很少使用。目前，施工時大多采用手持式人工振搗，人力投入大，并會出現振搗不足、混凝土含有大量殘留氣泡等問題。另外，振搗器質量低下，損壞頻率極高。

3)襯砌臺車在搭接定位時，依靠人工觀察判斷臺車模板是否頂升到位，因頂升油缸推力較大，容易將上一環的混凝土破壞或擠裂，嚴重時會影響整體襯砌質量。

4)隧道二次襯砌施工中C30—C35混凝土較多，且坍落度一般為17～22 cm，一般采用3層溜槽分層注入臺車模板，混凝土流動性完全取決于溜槽兩端高度差和溜槽傾斜角度。目前10～12 m襯砌臺車已大量應用，但因結構限制，一般僅能布置前后2組溜槽，澆筑窗口非常有限；分層澆筑時，由于分布鋼筋密，往往導致澆筑口附近混凝土石子密集，距離澆筑口越遠，砂漿越多。另外，混凝土的坍落度過小或溜槽的高度、傾斜度布置不合理時，混凝土下滑困難，需要外力作用。這些問題都極大地限制了襯砌效率，影響了襯砌質量。溜槽布置見圖1。

圖1 溜槽布置示意圖

5)臺車定位的主要控制手段是專業測量人員利用全站儀測量，配合臺車操作人員的調節來實現定位，臺車定位自動化程度低，人為因素引起的模板定位誤差不可避免。

6)襯砌混凝土厚度一般通過施工完成后第三方檢測的方式來進行測量，有滯后性，對于施工中混凝土是否灌滿，主要通過人工觀察端頭模板是否泌漿來確定，準確性較差，且缺乏客觀性[7]。

7)脫模時間主要通過人為的經驗判斷與記錄，人的主觀性占較大的比重，缺乏必要的強制措施，易造成襯砌開裂。

2 新型帶壓澆筑隧道數字化襯砌臺車整體設計

2.1 新型數字化襯砌臺車結構組成及參數

為解決傳統襯砌臺車施工過程中面臨的問題，以及防止襯砌病害的頻繁發生，對新型數字化襯砌臺車進行研制，其中拱頂與拱肩澆注口采用逆向帶壓澆筑。臺車主要結構包括行走系統、門架系統、支撐系統、模板系統、附屬機構、液壓系統、雙澆筑系統、高頻振搗系統、電氣系統，如圖2所示。另外，臺車還配備了信息集成傳輸系統，增加了智能化控制和數字化顯示功能，改良后的端頭模板使整車作業效果更好。臺車具體性能參數見表1。

1—行走系統； 2—門架系統； 3—支撐系統； 4—模板系統； 5—附屬機構； 6—液壓系統; 7—雙灌注系統； 8—高頻振搗系統； 9—電氣系統。

圖2 數字化襯砌臺車結構組成

2.2 新型數字化襯砌臺車結構分析

襯砌臺車整體結構應具備足夠的強度、剛度及穩定性，在Creo中對襯砌臺車的主體門架進行建模，通過ANSYS有限元分析軟件對門架結構進行靜力學分析。

2.2.1 載荷及邊界條件

2.2.1.1 側壓力計算

新澆混凝土對模板的側壓力標準值,按照JGJ 74—2003《建筑工程大模板技術規程》附錄B中模板荷載及荷載效應組合B.0.2規定，F=Min(F1，F2)，其中:

F1=0.22γct0β1β2v1/2；

(1)

F2=γcH。

(2)

式(1)—(2)中：γc為混凝土重度，取25 kN/m3；t0為初凝時間，6 h；v為澆筑速度，2 m/h；H為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，取10 m；β1為外加劑影響修正系數，取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數，取1.15。

F2=25 kN/m3×10 m=250 kN/m2。

所以，側壓力標準值F=Min(F1，F2)=65 kN/m2。

2.2.1.2 各支點受力

模板直徑為13.4 m，長度為12.146 m，模板質量約60 t。經分析，取模板頂部圓心角為90°的弧面(弧長10.519 m)所受的壓力由主縱梁頂板支點支撐。所以F頂=10.519 m×12.146 m×65 kN/m2+60 t=8 904 645 N。

側邊的支點只承受來自側邊模板(弧長2.95 m)的壓力。所以F側=2.95 m×12.146 m×65 kN/m2=2 323 996 N。

2.2.1.3 載荷及邊界條件施加

在底座上施加固定約束，F頂均勻地施加在門架和橫梁上側的凸臺上，F側均勻地施加在門架和橫梁兩側的凸臺上，如圖3所示。

(a) F頂

(b) F側

2.2.2 應力結果及分析

在2.2.1載荷及邊界條件作用下，臺車主體門架的應力云圖如圖4所示。臺車主體門架絕大多數區域呈現為藍色，應力較小；應力較大區域出現在連接梁中部的筋板上，最大應力值為354 MPa；最大位移位于連接梁中部上側，為20 mm。連接梁中部筋板應力集中點處選用強度較大的材料，以滿足設計要求。

AsDh Study Group 1998: Abhisamācārika-Dharma Study Group, A Guide to the Facsimile Edition of the Abhisamācārika-Dharma of the Mahāsāghika-Lokottaravādin, Tokyo: The Institute for Comprehensive Studies of Buddhism Taisho University.

(a) 應力云圖(單位: Pa)

(b) 變形云圖(單位: m)

2.3 新型數字化襯砌臺車端頭模板

新型數字化襯砌臺車端頭模板采用半鋼模與半氣囊形式。雙層鋼堵頭板中間布設鋼止水帶，氣囊與隧道壁面之間布設環向止水帶，氣囊采用檔桿定位。氣囊本身具有很高的強度，且為彈性材料，可有效保證帶壓澆筑時的密封性，避免高頻振搗時的端頭漏漿，且使用簡單，操作方便，勞動強度低，同時大大節約了木材，如圖5所示。當氣囊侵入襯砌時，留有的弧形凹槽由下一環混凝土來彌補。

(a) 端頭模板(b) 氣囊

圖5氣囊堵頭

Fig. 5 Airbag plug

2.4 新型數字化襯砌臺車振搗系統

2.4.1 模態分析

為了避免與模板產生共振，運用ANSYS對襯砌臺車的模板系統進行模態分析，提取了前6階模態的分析結果，見圖6。

從圖6可以看出: 第1階模態對應臺車的前后傾斜，其頻率為3.52 Hz；第2階模態對應臺車模板的整體扭轉，其頻率為9.10 Hz；第3階和第4階模態對應臺車下縱梁的彎曲，其頻率分別為9.10 Hz和9.36 Hz；第5階模態對應臺車模板和下縱梁的變形，其頻率為11.10 Hz；第6階模態對應臺車下縱梁的扭曲變形，其頻率為12.46 Hz。氣動振動器相當于一個外部激勵源，其工作頻率在150 Hz以上，遠遠大于襯砌臺車主體結構的固有頻率，因此，不會發生共振現象導致模板損壞。

2.4.2 高頻氣動振動器

目前國內大多采用電動振動器[13]，頻率低，易與臺車模板形成共振。國外普遍使用高頻氣動振動器，通過高頻振搗作用，引氣劑能更好地使氣泡的體積變小并使之均勻分布，以提高混凝土的耐久性。

(a) 第1階模態振型(b) 第2階模態振型(c) 第3階模態振型(d) 第4階模態振型(e) 第5階模態振型(f) 第6階模態振型

圖6模態云圖(單位： mm)

Fig. 6 Modal nephograms (unit: mm)

對意大利SOTAI的SPV4000高頻氣動振動器與ZW-10電動振動器進行了參數對比，見表2。可以看出： 在同樣振動力的作用下，高頻氣動振動器的振幅是電動振動器的1/3倍，對模板的損傷小；高頻氣動振動器的有效作用半徑為1 500 mm，能在混凝土中有效傳播；通過壓縮氣流能夠高頻振搗，迅速排除混凝土中殘存的氣泡，有效增強混凝土的流動性和密實度；體積小、質量輕，無電作業安全可靠，對空間環境適應性強，使用壽命遠遠超過電動振動器； 能減小二次襯砌操作工人的勞動強度，并為未來二次襯砌施工無人化操作提供可能。

表2電動振動器與高頻氣動振動器參數對比

Table 2 Comparison of parameters between electric vibrator and high frequency pneumatic vibrator

項目電動振動器高頻氣動振動器同樣振動力下振幅對比11/3振動頻率/Hz50254振幅/mm1～72～3作用半徑/mm1 0001 500質量/kg3514.5

在襯砌臺車模板上布置高頻氣動振動器(如圖7所示)與電動振動器進行試驗。利用振動檢測儀對混凝土的密實振搗效果進行頻譜分析，了解振動力在各個點和方向上的狀況，振搗效果如圖8所示。可以看出，高頻振搗后的混凝土氣泡數量明顯減少，襯砌質量明顯提高。高頻氣動振動器在臺車上的布置如圖9所示。

圖7 高頻氣動振動器在臺車上的試驗

(a) 電動振搗

(b) 高頻振搗

Fig. 8 Comparison of effects between electric vibrator and high frequency pneumatic vibrator

圖9 高頻氣動振動器布置(單位： mm)

2.5 軟搭接

數字化襯砌臺車通過創新和優化，在鋼模板頂升時采用雙限位方式： 1)電控限位； 2)在搭接部位采用特殊彈性材質，既能保證臺車帶模澆筑時的密封性能，又能防止模板頂升幅度過大對搭接處混凝土造成損壞，保證搭接處混凝土的質量，如圖10所示。

圖10 軟搭接技術

2.6 雙澆筑系統

新型數字化襯砌臺車采用雙澆筑系統，底層配有移動式澆筑機械手，頂層配有移動式伸縮布料機，保證每層每個窗口可進行均勻澆筑,見圖11。澆筑機械手能夠分層逐窗澆筑，并配備遠程操作手柄，整個自然澆筑過程僅需1人通過操作手柄即可完成。由于澆筑時能抵達每層窗口，大幅減少了因鋼筋密集而導致的混凝土顆粒流動干擾。移動式伸縮布料機能夠對拱頂和拱肩進行逆向澆筑，實現帶壓入模。澆筑機械手與頂部伸縮布料機均采用“高壓風+清洗球”的方式進行管路清洗，清洗速度快，效果好。

2.7 智能化控制系統

數字化襯砌臺車的研發引入了施工過程智能化控制[14]理念，能夠數字化顯示整個襯砌臺車的施工參數等數據，并能對施工步驟和過程進行控制,工作原理見圖12。

Fig. 12 Sketch of working principle of intelligent control system for lining trolley

1)臺車定位。臺車前端安裝有掃描儀，后端安裝有全站儀，2臺設備上下錯位安裝，掃描儀、全站儀均以自動照準的方式獲取激光標靶的測量數據和PSD讀數，上傳至中控計算機進行計算，并修正各自空間坐標；獲取2臺設備的空間坐標后，進而求出襯砌臺車自身軸線的空間姿態和位置(俯仰、航向、橫移和高度偏差)，提供給控制系統進行姿態調整。

2)臺車澆筑。能夠時刻顯示澆筑時模注空間內混凝土的狀態和澆筑方量，可對整個澆筑過程進行詳細記錄顯示。

3)拱頂灌滿。在拱頂安裝壓力傳感器，同時，在防水板低洼處預埋電極反饋裝置，雙重手段來檢測拱頂混凝土是否灌滿。當預埋電極反饋裝置短路給出接通信號或壓力傳感器讀數大于或等于設定值時，判定拱頂混凝土已灌滿。壓力傳感器與反饋裝置如圖13所示。

4)臺車脫模。通過對脫模時間進行設定，防止人為過早脫模而導致的襯砌開裂。

(a) 壓力傳感器(b) 反饋裝置

圖13壓力傳感器與反饋裝置

Fig. 13 Pressure sensor and feedback device

3 實際應用

該新型帶壓澆筑隧道數字化襯砌臺車在湖北省保康縣馬橋鎮羅家山隧道進行初次使用，取得了良好的施工效果。通過雙澆筑系統,極大地提高了施工效率，12 m襯砌傳統施工澆筑混凝土一般需要12 h，而數字化襯砌臺車只需8 h即可完成，同時數字化襯砌臺車管路布置簡單，清洗方便。新型的端頭模板、高頻振搗、軟搭接等技術以及灌滿提醒、灌注壓力監測、脫模時間設定等信息化功能得到了初步驗證，取得了較好的效果，現場應用如圖14所示。

(a) 澆筑機械手

(b) 顯示界面

(c) 整體結構

通過實踐應用，得出數字化襯砌臺車與傳統臺車相比有以下優勢。

1)施工效率高。雙澆筑系統大大降低了人工換管時間，同時氣囊堵頭配合高頻振搗能有效避免端頭模板漏漿，進一步提高澆筑速度。

2)施工質量好。拱頂帶壓澆筑具備信號反饋和壓力檢測雙重監測，能有效防止頂部空洞，確保拱頂充滿混凝土。同時，高頻振搗增強了混凝土的密實性。

3)降低勞動強度。雙澆筑系統智能遙控分層分窗澆筑，僅需1個操作手就可完成整機布料。輸送管路采用清洗球進行迅速清洗，降低了勞動強度，提升了工作效率。

4)智能化、信息化程度高。具備自動定位、自動振搗、混凝土澆筑狀況(方量、位置、壓力、凝固后強度值)顯示、拱頂灌滿提醒等功能，并能將澆筑信息記錄上傳，方便遠程監控。

4 結論與討論

1)新型隧道數字化襯砌臺車獨有的澆筑機械手，能遙控智能分層逐窗依次完成邊墻混凝土的澆筑；頂部伸縮布料機左右擺動分流，上下升降對位，完成拱頂與拱肩的帶壓澆筑，將二次襯砌澆筑時間由12 h縮短至8 h,避免了人工換管，降低了勞動強度，極大地提高了襯砌施工效率。

2)高頻氣動振動器的應用使混凝土得到了充分搗固，提高了襯砌質量。

3)拱頂壓力傳感器以及預埋反饋裝置的布置，以量化、可視的方式檢測拱頂是否灌滿混凝土，能有效防止拱頂空洞。

4)智能化控制系統實現了混凝土澆筑的全過程監控，為操作人員的施工提供了便利。

數字化襯砌臺車在羅家山隧道的應用過程中也存在一些缺陷，如頂部伸縮布料機在進行拱頂與拱肩澆筑時，由于內部截面變徑較大，存在堵管問題，從而影響襯砌施工效率。然而，隨著頂部伸縮布料機內部結構的不斷優化，堵管現象將會逐漸消除。