新型智能襯砌臺車在高速鐵路隧道施工中的設計研究與探索運用

楊君華

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著國家加大對鐵路建設項目的投資，我國鐵路運營里程逐年增加，在開通鐵路線路中，隧道里程占據了較大的比重，鐵路隧道風險及病害發生的次數也在不斷增大。目前，隧道病害主要表現在襯砌嚴重滲漏水、掉塊、厚度不足；據統計，占隧道病害的75%以上。這些病害直接危及行車安全，制約著列車的運行速度，阻礙正常的交通運營；另一方面，相對于隧道建設成本，隧道病害整治的成本要高得多，一旦發生病害，將會消耗極大的資金、物力和人力成本。通過鐵路隧道襯砌施工成套技術深化研究，來解決隧道襯砌工裝配套施工，達到安全、優質、高效目的。

1 高速鐵路隧道襯砌施工現狀分析

2016年年底至2017年年初，在京沈客專開展《鐵路隧道襯砌病害防治成套技術研究》課題，重點是研究解決隧道拱頂空洞、厚度不足問題，提出了澆筑方式、入料方式、止水帶定位等相關工藝工裝技術創新，較以往傳統施工方法相比，有所改觀，類似質量病害問題仍然存在，尤其是拱頂脫空、厚度不足問題仍還未徹底解決。

2 新型智能化襯砌臺車總體設計

2.1 新型智能襯砌臺車總體方案

首先，從設計理念進行革命，通過橫梁和縱梁形成長方形空間桁架結構，保證襯砌臺車的穩定性。擴大了整體作業空間，與傳統襯砌臺車相比，空間使用率提高了60%，結構穩定性提高了40%，周轉使用率提高了40%。在滿足基本功能的前提下，帶壓逐層分倉澆筑系統，拱頂柱塞式氣動振搗、信息化控制、澆筑完成判別標準、搭接端混凝土防壓潰、拱頂防脫空工藝、集成信息監控檢測系統，重點卡控過程質量，解決隧道襯砌施工混凝土質量病害。新型智能襯砌臺車設計方案如圖1所示。

2.2 自動布料帶壓澆筑系統

通過自主研發自動旋轉布料機，利用管道、輸送泵進行混凝土帶壓分倉澆筑。滿足分層逐窗澆筑的工藝要求，自動布料可以360°旋轉，分配給19路分管路進料澆筑。系統采用液壓驅動旋轉，主管路的對接通過油缸伸縮實現。該系統的工作原理見圖2。

圖1 新型智能襯砌臺車總體方案

2.3 拱頂澆筑設計

拱頂部位的混凝土可通過拱頂混凝土灌注孔輸送。為保證拱頂位置混凝土能夠全部澆筑到位，灌注孔通常布置在拱頂最高位置附近，左右頂部模板具有灌注孔，為提高拱頂混凝土的飽滿度，拱頂采用一空灌注工藝，灌注口采用60°傾角設計。

2.4 振搗系統

拱頂混凝土首次采用柱塞式氣動振搗器，能夠實現全自動振搗施工，工作原理見圖3，在襯砌臺車拱頂位置布置4排氣動式振搗器，通過控制系統提前設置相對于振搗器的振搗時間，混凝土澆筑到位以后開啟實施自動振搗。

表1 新型信息化襯砌臺車主要技術參數單位：mm

圖2 帶壓灌注自動分料工藝原理圖

圖3 拱頂自動振搗原理圖

2.5 施工縫搭接研究

襯砌臺車接縫搭接采用“V”型零搭接措施；“V”型槽零搭接裝置取消了以往的模板搭接區域，消除了施工縫強度薄弱區域，搭接時，使用“V”型橡膠條壓緊施工縫“V”型斜面，有效緩沖壓力沖擊，避免壓潰施工縫，有效消除了搭接混凝土裂縫、掉塊、產生錯臺等質量缺陷，同時，也保證了搭接端的密封效果，杜絕澆筑混凝土時端部出現漏漿等現象，保證了端部混凝土澆筑質量。

2.6 拱頂防脫空控制系統研究

拱頂防脫空監測主要利用安裝在防水板背部安裝分布式壓密傳感帶，傳感帶每間隔800mm設置一組傳感器，澆筑到拱頂最高點時，由于混凝土的擠壓力啟動傳感器信號輸出，有壓力信號輸出時，控制系統顯示燈從紅色變為綠色，即可判定該位置混凝土澆筑飽滿。

2.7 自動檢測系統研究

自動檢測系統采用PLC控制，主要集成了襯砌拱頂壓力檢測、混凝土澆筑狀況檢測、澆筑進度檢測、澆筑混凝土溫度檢測、端部搭接預警檢測、隧道拱頂防脫空監測。

2.8 快速信息評估與控制系統

改善傳統混凝土拱頂混凝土澆筑完全依靠施工經驗，利用拱頂預留注漿孔的排氣孔漏漿作為澆筑結束的判斷標準，如果預留注漿孔在施作時，沒有完全頂住巖壁，則會造成拱頂空洞出現。新型智能襯砌臺車采用信息化手段，首次提出了拱頂混凝土澆筑結束控制標準。主要針對襯砌拱頂壓力、混凝土澆筑狀況、布料換窗、拱頂自動振搗、端部搭接預警、混凝土入模溫度、液壓控制系統、臺車行走系統的評估。提供數據信息，為隧道襯砌施工混凝土澆筑結束作為判別依據。

圖4 快速信息評估與控制系統主界面示意圖

3 探索應用

（1）有效解決了隧道拱頂空洞缺陷，新型智能襯砌臺車在實際運用中采用了多重措施，有效地解決了隧道拱頂空洞出現。

①采用反斜孔拱頂一次性灌注工藝，灌注拱頂部位的混凝土可通過靠近搭接端設置的60°傾角灌注口一次性封頂，利用輸送泵擠壓力，使混凝土向堵頭端流動，直至充滿拱頂模板空間。在已襯砌端模板臺車拱頂預留灌筑斜孔，充分利用混凝土流動性和帶壓澆筑使混凝土反向回流原理，斜孔布角度有利于降阻、減壓效果，逐步使拱頂空隙被混凝土填充，再利用泵送壓力壓注混凝土和振動器振搗作用，逐漸使拱頂空氣排出，達到混凝土密實和飽滿目的。

②新型智能襯砌臺車采用信息化手段首次提出了拱頂混凝土澆筑結束控制標準。拱頂壓力標準：拱頂混凝土壓力達到0.3MPa后，穩定3～5min。防脫空預警標準：在拱頂防水板與土工布之間埋設15個壓密傳感器，綠燈亮，表示拱頂澆滿。混凝土用量對比標準：實際澆筑方量=3D斷面掃描方量+0～3m3。改變了傳統混凝土拱頂混凝土澆筑完全依靠施工經驗來判斷的弊端。

（2）采用“V”型零搭接襯砌施工縫混凝土壓潰掉塊的缺陷徹底得到解決。

（3）新型襯砌臺車拱頂振搗采用氣動式振搗裝置，替換傳統的電動式附著振搗器，提高振搗效果，有效地解決了拱頂振搗不密實導致掉塊的缺陷。

（4）使用自主研發的自動旋轉布料機，利用管道、輸送泵進行混凝土帶壓分倉澆筑，與溜槽法分倉澆筑相比，每循環混凝土澆筑時間由12～15小時縮短為8～10小時，效率提高了30%，作業人員由8人減少到6人，節約人工25%，采用帶壓入模澆筑，混凝土強度得到了保證，有效地避免了襯砌厚度不足、開裂、滲漏水。

（5）新型智能襯砌臺車建立了隧道襯砌質量控制信息化系統。

4 結語

通過研制新型智能襯砌臺車、創新工藝、研發技術、制定相關標準、建立信息，創造出了國內外首臺大凈空智能化襯砌臺車，構建了鐵路隧道襯砌質量控制體系。通過現場實際運用表明：隧道施工縫質量病害已得到了徹底解決，襯砌質量病害基本消除，提高了鐵路隧道襯砌標準。新型智能化襯砌臺車目前已在張吉懷、鄭萬、昌景黃等多個鐵路隧道中得到了應用。