隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)研究

紀(jì)博林

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

1 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)的必要性

水泥是一種水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料，是組成混凝土的重要組成部分[1]?；炷翝仓?，如不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，混凝土中水分會(huì)蒸發(fā)過(guò)快，形成脫水現(xiàn)象，使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，無(wú)法轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié)晶，缺乏足夠的粘結(jié)力，從而會(huì)在混凝土表面出現(xiàn)片狀或粉狀脫落[2]。因此，為提高混凝土澆筑質(zhì)量，后期的養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要，尤其是混凝土養(yǎng)護(hù)期間的溫度和濕度控制[3]必須到位。襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)的目的是為混凝土提供適宜的硬化條件。隧道襯砌混凝土澆筑完成后，如不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，會(huì)因膠凝材料水化不充分、襯砌內(nèi)外溫度差和混凝土干縮等原因產(chǎn)生裂縫[4]。目前，在國(guó)內(nèi)隧道施工中，襯砌養(yǎng)護(hù)一般采用自然養(yǎng)護(hù)，此養(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。

2 隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車介紹

京張高鐵八達(dá)嶺隧道，采用添加粉煤灰和石粉的現(xiàn)澆高性能混凝土二次襯砌[5-6]。為提高襯砌混凝土施工質(zhì)量和使用壽命，需要為襯砌混凝土提供一種溫度和濕度相對(duì)可控的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，使襯砌混凝土達(dá)到最佳的養(yǎng)護(hù)效果。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車是一個(gè)可以自動(dòng)或人工操控行走的，具備噴水、探測(cè)、調(diào)節(jié)、通信等各種功能的綜合性平臺(tái)，主要由門架主結(jié)構(gòu)、外拱、走行系統(tǒng)、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，如圖1所示。其中，門架主結(jié)構(gòu)需考慮隧道內(nèi)通風(fēng)管的布置和隧道內(nèi)物流通道。

圖1 隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車三維效果圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車采用輪軌走行方式，軌距和現(xiàn)場(chǎng)施工襯砌臺(tái)車相同，可實(shí)現(xiàn)與襯砌臺(tái)車共軌，減少軌道數(shù)量[7]。養(yǎng)護(hù)臺(tái)車采用跟隨梯次配置模式，其在隧道內(nèi)位置如圖2所示。襯砌臺(tái)車在最前方進(jìn)行施工，后方緊跟兩臺(tái)養(yǎng)護(hù)臺(tái)車，第1臺(tái)具備升溫、保溫、保濕功能，第2臺(tái)具備保溫、保濕功能。當(dāng)襯砌施工完成時(shí)，養(yǎng)護(hù)臺(tái)車快速就位，及時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。這樣，襯砌混凝土在硬化過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)臺(tái)車為襯砌混凝土提供了一個(gè)溫度和濕度相對(duì)可控的環(huán)境，避免混凝土因溫度或濕度不宜造成開裂、掉塊等病害，提高了襯砌混凝土的使用壽命。養(yǎng)護(hù)臺(tái)車在隧道內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)見(jiàn)圖3所示。

3 智能溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能溫濕控制系統(tǒng)是養(yǎng)護(hù)臺(tái)車的核心，由溫濕度控制器、傳感器和加熱、加濕部分組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)護(hù)區(qū)域的智能控制與調(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(dòng)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(dòng)終端APP的遠(yuǎn)程在線控制。養(yǎng)護(hù)臺(tái)車溫濕度控制系統(tǒng)具備以下功能：①系統(tǒng)無(wú)線自動(dòng)定時(shí)數(shù)據(jù)采集、保存、上傳；②根據(jù)工藝設(shè)定溫度；③系統(tǒng)自動(dòng)溫度數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)異常報(bào)警；④溫度時(shí)間曲線報(bào)表輸出；⑤溫度數(shù)據(jù)日最大值、最小值及平均值輸出；⑥歷史數(shù)據(jù)保存及查詢；⑦數(shù)據(jù)庫(kù)記錄可編輯；⑧能自動(dòng)控制蒸汽閥門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化蒸汽養(yǎng)護(hù)。

3.1 溫度控制系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)由一臺(tái)中央控制器(工控機(jī)、PLC)接收到無(wú)線采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)PID控制算法與系統(tǒng)設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，輸出相應(yīng)的指令控制模擬量的大小控制相應(yīng)電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制，自動(dòng)控制原理見(jiàn)圖4所示。

圖4 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車溫濕度控制系統(tǒng)

養(yǎng)護(hù)臺(tái)車溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)見(jiàn)圖5所示。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，可生成報(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(dòng)和自動(dòng)開啟電熱毯的功能，現(xiàn)場(chǎng)以24個(gè)電熱毯作為控制對(duì)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(lái)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5 隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)

通過(guò)預(yù)埋傳感器，測(cè)量出隧道襯砌拱頂和拱腰混凝土芯部溫度變化曲線，見(jiàn)圖6所示。

圖6 隧道襯砌芯部溫度養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化曲線

3.2 濕度控制系統(tǒng)工作原理

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)采用微米級(jí)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(guò)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(guò)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。養(yǎng)護(hù)臺(tái)車噴出的霧化水效果見(jiàn)圖7所示。

圖7 隧道養(yǎng)護(hù)臺(tái)車噴出的霧化水效果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

隧道中襯砌混凝土，由于環(huán)境中的CO2含量常年處于較高水平，碳化深度加大，降低了混凝土抗彎拉性能。在隧道襯砌相關(guān)位置，通過(guò)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)儀和濃度為1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞中測(cè)量表面強(qiáng)度值和碳化深度值。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，通過(guò)養(yǎng)護(hù)臺(tái)車進(jìn)行隧道襯砌混凝土的養(yǎng)護(hù)，混凝土的表面強(qiáng)度有所提高，混凝土的碳化深度降低。襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車養(yǎng)護(hù)與隧道自然養(yǎng)護(hù)效果檢測(cè)對(duì)比見(jiàn)表1所示。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(tái)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。

表1 表面強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，并在施工環(huán)境相對(duì)惡劣的京張高鐵八達(dá)嶺隧道施工中成功應(yīng)用。智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)結(jié)合了智能控制與無(wú)線傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了隧道養(yǎng)護(hù)過(guò)程的自動(dòng)化控制；同時(shí)提高了高速鐵路隧道襯砌養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，并且對(duì)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，可作為今后高速鐵路提高隧道施工質(zhì)量的借鑒。