鐵路隧道襯砌施工工裝工藝及信息化技術試驗研究

肖廣智， 皮 圣

(川藏鐵路有限公司， 四川 成都 610043)

0 引言

截至2021年底，中國鐵路營業里程突破15萬 km，其中投入運營的鐵路隧道17 532座，長21 055 km[1]；但運營鐵路隧道工程存在質量缺陷突顯問題，尤其是襯砌拱頂脫空、施工縫壓潰等缺陷[2-4]，約占隧道混凝土質量缺陷的58.5%。據2017年調研數據統計，有約90%的隧道施工縫存在裂縫、脫空、不密實和滲漏水等現象[5-6]。

2015年11月，國鐵集團結合京沈客專開展《鐵路隧道襯砌缺陷防治成套技術研究》課題，重點解決隧道拱頂空洞、厚度不足問題，研究襯砌混凝土澆筑方式按仰拱、邊墻、拱頂部位劃分，拱頂混凝土采用多孔多次澆筑帶模注漿，邊墻采用滑槽逐窗分層澆筑，仰拱采用輕便曲腹模+端模+仰拱與填充分層澆筑。針對隧道襯砌成套技術開展諸多創新，較以往傳統施工方法有較大改觀，但質量缺陷問題仍未得到徹底解決。采用帶模注漿[7-9]存在以下問題： 1)專用設備注漿壓力需達到0.3～0.5 MPa，容易對原已澆筑混凝土產生內部結構破壞； 2)基于3垂直孔方式澆筑混凝土拱頂形成的脫空問題，采用4個帶模注漿孔彌補，空洞具有不確定性，且存在盲區； 3)帶模注漿實施后，檢測發現拱部仍存在較多空洞和不密實缺陷現象，需通過后續回填注漿解決； 4)帶模注漿工序操作對人員和設備要求相對較高。

王百泉[10]結合臺車功能設計和傳統施工工藝，引進信息化技術對臺車襯砌澆筑性能進行監測。楊君華[11]從自動布料帶壓澆筑、振搗、施工縫搭接、拱頂防脫空控制等方面進行簡要說明。林春剛[12]為提升拱墻襯砌實體質量，對自動布料、自動振搗及信息化控制進行研究。以上研究成果涉及施工工裝工藝及信息化技術，但未就減少和消除襯砌缺陷形成成套革新工藝技術。

為進一步減少和消除襯砌缺陷影響，以在建張吉懷鐵路吉首隧道項目為例，通過研發試驗鐵路隧道襯砌混凝土分艙自動澆筑、混凝土自動振搗、透明堵頭板、斜孔澆筑、端頭零搭接、加強型中埋式止水帶工裝工藝，采用信息化技術實現襯砌澆筑全過程自動化控制，形成隧道襯砌臺車工裝工藝及信息化成套技術成果。

1 鐵路隧道襯砌缺陷主要類型及原因分析

鐵路隧道襯砌缺陷主要類型包含施工縫空鼓掉塊、襯砌背后脫空或厚度不足、襯砌開裂滲漏水等，各類型缺陷形成的原因如下。

1.1 施工縫空鼓掉塊

襯砌施工縫產生空鼓掉塊主要是由中埋式止水帶偏位切割混凝土、臺車支立頂裂壓潰混凝土、施工縫處漏漿造成的。

1)中埋式止水帶安裝工藝不到位。止水帶固定不牢，埋設位置距混凝土表面過淺，止水帶橫向剛度不足，混凝土在澆筑過程中擠壓造成止水帶偏位，特別是隧道拱部止水帶自重造成下墜，偏移至混凝土表面。

2)臺車支立頂升控制不到位。按混凝土強度為8 MPa以上的驗收標準，臺車支立時混凝土強度不高，又沒有采取有效的頂升控制措施，臺車模板上頂過緊(擔心發生漏漿)，頂裂已完成施作混凝土，造成施工縫邊緣混凝土開裂。

3)施工縫處漏漿。由于臺車變形、臺車支立不密貼，施工縫處錯臺，混凝土漏漿、離析，導致混凝土粗骨料集中產生蜂窩麻面、粗骨料裸露、混凝土酥松、毛刺飛邊等，造成開裂掉塊。

1.2 襯砌背后脫空或厚度不足

通過加強施工過程控制和注漿回填，目前襯砌背后脫空、厚度不足等問題得到了很大改善。但在檢查調研過程中，仍發現個別隧道存在脫空和襯砌厚度不足等問題，尤其在拱頂、施工縫處混凝土澆筑不飽滿，脫空問題比較集中。

1.3 襯砌開裂滲漏水

因襯砌拆模時間過早、養護不到位，造成襯砌表面裂紋；襯砌仰拱、填充、二次襯砌未落實對縫施工，因變形沉降收縮等造成襯砌開裂；富水地段因襯砌開裂進一步引發襯砌滲漏水缺陷。

針對鐵路隧道襯砌缺陷隱射的襯砌施工工裝工藝上存在的不足，結合張吉懷鐵路吉首隧道開展新型智能襯砌臺車工裝工藝及信息化技術試驗研究。

2 隧道襯砌施工工裝工藝試驗

2.1 便捷輸送布料系統試驗

2.1.1 設計方案

自動布料裝置將泵車內混凝土有序澆筑至拱墻區域，其具備以下功能： 分層逐窗澆筑，頂層主料斗實現兩側對稱分流，布料清洗系統設置廢料回收裝置。 通過主管路旋轉對接各分支管，滿足Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術規程》[13]混凝土澆筑最大自由落差不超過2 m、臺車前后混凝土高度差不超過0.6 m、左右混凝土高度差不超過0.5 m的要求。自動布料系統示意如圖1所示。

圖1 自動布料系統示意圖Fig. 1 Schematic of automatic distribution system

2.1.2 現場應用效果

襯砌臺車自動布料系統操作簡單，通過液壓驅動主管路自由伸縮、旋轉對接分支管路，不存在多次接換管，澆筑間歇時間短；降低了工人勞動強度，提高了施工效率。圖2為主管路對接實物圖。

圖2 主管路對接實物圖Fig. 2 Photograph of main pipeline connection

2.2 襯砌堵頭工裝試驗

襯砌堵頭板需處理好中埋式止水帶放置和內外環向筋外露問題。以往通常采用條形木板沿環向封堵，但工作量較大(鋪設1圈需4人8 h的工作量)、撤模麻煩，且木板利用率低，尤其鋼筋處不易密封，存在漏漿現象。

基于此，現場研發試驗了6類堵頭模板： 橡膠氣壓端頭板、復合橡膠升降堵頭板、復合橡膠合頁式螺桿伸縮堵頭板、CHY系列復合橡膠立桿伸縮堵頭板、CHY系列高分子復合擋板、高分子透明堵頭板。通過試驗驗證，高分子透明堵頭板效果較好。二次襯砌澆筑時，操作人員可在堵頭板外實時觀察混凝土澆筑進度，防止欠灌或避免高壓爆模。高分子透明堵頭板現場應用見圖3。

圖3 高分子透明堵頭板Fig. 3 Polymer transparent plug plate

2.3 斜孔澆筑新方法試驗

2.3.1 工藝原理

目前鐵路隧道襯砌混凝土空洞主要集中在2組襯砌端頭搭接處，結合襯砌臺車工裝研發以及中高流動性混凝土研究成果，將拱頂澆筑管口由垂直狀態改為斜孔60°澆筑孔，減少拱頂混凝土流動摩阻和黏聚性，采用單斜孔一次澆筑完成12 m襯砌，斜孔距襯砌端頭板0.75～2.00 m。通過靠近已襯砌端的模板臺車拱頂預留澆筑斜孔，利用混凝土流動性和帶壓澆筑使混凝土反向回流充填。斜向混凝土澆筑口原理見圖4。

圖4 斜向混凝土澆筑口原理圖Fig. 4 Schematic of inclined concrete pouring mouth

2.3.2 工藝優點

1)混凝土澆筑口斜向連接，可以保證混凝土的流向，使其先到達模板端頭。

2)澆筑口距模板端頭距離較短，可保證混凝土快速將模板端頭填滿，盡快開始反向排空。

3)反向排空的過程是排出模板內空氣的過程，也是新混凝土對之前入模混凝土進行擠壓密實的過程。

2.3.3 試驗效果

通過現場試驗應用，統計分析了10組拱墻混凝土澆筑時間、3D激光掃描量、拌合量等參數。澆筑完成180～200 m3，該襯砌臺車澆筑耗時8～10 h，相比普通襯砌臺車節省4～5 h；澆筑混凝土實際值與理論計算值量差為±3 m3，相比普通襯砌臺車澆筑量差±6 m3，澆筑飽滿度提升100%。

2.4 端頭零搭接裝置試驗

第1代搭接模板一般選擇臺車鋼模板硬搭接，搭接寬度一般為15 cm，搭接面板厚度為10 mm。此種搭接方式為達到密封要求，一般需增大臺車模板的壓緊力，這樣極易導致壓潰施工縫處混凝土，同時易產生搭接錯臺。第2代搭接模板結構汲取傳統鋼模板硬搭接經驗，利用橡膠柔性搭接；橡膠寬15 cm、厚3 cm，抗壓強度不小于5 MPa，通過螺栓將橡膠固定在剛性支撐座上；該結構在一定程度上改善了搭接壓潰施工縫處混凝土現象，但仍然無法徹底解決因搭接縫受力過大產生的混凝土裂縫、掉塊及搭接錯臺現象。

通過總結分析現狀，研發了“V”型槽零搭接裝置。此結構核心部件為高強度“V”型橡膠條及直角三角形鋼板條，設置在模板前端邊緣。“V”型橡膠條尺寸為40 mm×50 mm，抗壓強度不小于5 MPa，可重復使用。“V”型槽零搭接安裝結構如圖5所示。

圖5 “V”型槽零搭接安裝結構示意圖Fig. 5 Schematic of zero overlap structure of V-shaped groove

該結構消除了施工縫強度薄弱區域和搭接混凝土裂縫、掉塊、錯臺等質量缺陷，保證了搭接端密封效果，杜絕了澆筑混凝土時端部產生的漏漿現象。

2.5 加強型中埋式止水帶工藝試驗

針對以往中埋式止水帶剛度不夠造成的偏移下垂問題，二次襯砌采用加強型中埋式橡膠止水帶(見圖6)。該止水帶增加了側向剛度，安裝時無需傳統定位筋固定。與傳統止水帶相比，現場操作方便、工效得到提升，防止混凝土澆筑時擠壓變形的止水帶切割二次襯砌形成質量缺陷。從現場二次襯砌端頭敲擊檢查結果來看，應用效果良好且未發生空響異常。

圖6 加強型中埋式止水帶Fig. 6 Middle buried waterstop tie

3 隧道襯砌施工信息化技術試驗研究

目前，地質雷達掃描可以探測襯砌背后脫空(見圖7)，但只能在混凝土脫模并達到一定齡期后開展探測，屬缺陷被動檢測。發現空洞后只能進行回填注漿，若處理工藝控制不到位可能破壞防水層，造成防排水系統堵塞，且存在“兩層皮”現象，難以實現結構補強。拱頂脫空回填注漿如圖8所示。基于以上實際，現場研發了新型智能襯砌臺車，確保混凝土一次澆筑飽滿和密實。

圖7 襯砌脫空區域Fig. 7 Void area of lining

圖8 拱頂脫空回填注漿示意圖Fig. 8 Schematic of backfill grouting for crown void

3.1 混凝土澆筑監測試驗

3.1.1 監測項目與測點布設

新型智能襯砌臺車信息系統共布設15個傳感器。其中，拱頂正中沿縱向布設4個壓力傳感器，邊墻沿縱向左右兩側各布設3個傳感器(共計6個)；邊墻布設1個溫度傳感器；拱腰布設4個傳感器。拱頂壓力傳感器和邊墻溫度傳感器布置如圖9所示。通過壓力傳導，可實現襯砌澆筑全過程監測，避免襯砌拱頂脫空情況。

(a) 橫斷面 (b) 縱斷面圖9 拱頂壓力傳感器和邊墻溫度傳感器布置示意圖Fig. 9 Layout of crown pressure sensors and sidewall temperature sensors

3.1.2 混凝土澆筑壓力監測與施工控制

新型智能襯砌臺車共計試驗21組襯砌，每組長12 m，2018年10月—2019年2月共計澆筑252 m。試驗數據顯示，拱部壓力值為0.01～0.06 MPa。壓力值初期為0 MPa，隨著混凝土澆筑量增加而增大；當壓力值達到0.03 MPa時，壓力值增加不明顯且趨于穩定；當壓力峰值達到0.06 MPa時，壓力值隨時間增加而減小；當混凝土達到初凝時間，壓力值恢復至0 MPa。

混凝土澆筑至封頂時，應從斜孔澆筑拱部混凝土，連續、勻速、均衡地澆筑，減少對模板的沖擊，澆筑速度控制在20 m3/h左右。當剩余澆筑方量接近3D掃描預計方量1～3 m3時，將泵送速度降低至正常速度的50%左右，按“連續、低壓、慢灌”的原則進行澆筑。在混凝土澆筑即將結束時，拱部壓力(控制在0.03 MPa)穩壓3～5 min，確保混凝土達到密實狀態。當拱部傳感器指示燈變為同一顏色，表明拱頂混凝土已處于飽滿狀態，判定澆筑結束。混凝土澆筑狀況監測見圖10。

圖10 澆筑狀況監測示意圖Fig. 10 Interface of pouring condition monitoring

3.2 自動監測及快速信息評估系統試驗

通過布設傳感器，對混凝土澆筑、布料、振搗、臺車接觸壓力、搭接監測、拱頂防脫空等進行自動監測，快速信息評估是對各項參數性能是否達標進行判定。通過數據信息指導拱墻襯砌施工，保障拱墻襯砌施工質量的提升。

3.2.1 澆筑狀況信息評估

澆筑狀況評估通過拱腰處液位導電原理實現混凝土澆筑進度的監控顯示，見圖11。在臺車中部環向均勻布置16個液位傳感器，當混凝土澆筑至液位傳感器位置時，實現導電輸出信號、智能系統接收信號，為混凝土分艙分層澆筑換管時機提供依據。

圖11 澆筑狀況信息評估Fig. 11 Pouring condition information evaluation

3.2.2 布料系統信息評估

布料系統信息評估(見圖12)根據澆筑狀況控制布料機澆筑位置，主管路可360°旋轉自動布料，分配給15路分管進料澆筑。

圖12 布料系統信息評估Fig. 12 Distribution system information evaluation

3.2.3 振搗系統信息評估

襯砌臺車拱部設置4排共24臺氣動式振動器，將常規的平板式改為垂直振動，通過高壓風進入振搗氣缸，實現活塞式高頻振搗；根據振搗工藝設置每臺振搗器的振搗時間，實現自動啟停。振搗系統信息評估見圖13。

圖13 振搗系統信息評估Fig. 13 Vibrating system information evaluation

3.2.4 拱部壓力信息評估

拱部壓力信息評估利用安裝在拱頂的4個壓力傳感器反饋信息，見圖14。當混凝土澆筑到壓力傳感器位置時，系統實時顯示拱頂混凝土壓力值；當壓力值大于系統設置值時系統報警，表明混凝土澆筑到位。

圖14 拱部壓力信息評估Fig. 14 Arch pressure information evaluation

3.2.5 搭接監測信息評估

搭接監測通過光電位移傳感器信息反饋進行評估(見圖15)。當臺車面板定位距混凝土面約2 cm時，臺車報警，防止搭接壓力過大壓潰混凝土。

圖15 搭接監測信息評估Fig. 15 Lap monitoring information evaluation

3.2.6 側部壓力信息評估

側部壓力信息評估利用安裝在襯砌臺車兩側各3個壓力傳感器信息反饋，見圖16。當混凝土澆筑至壓力傳感器位置時，壓力傳感器輸出信號對澆筑側部壓力進行評估。

圖16 側部壓力信息評估Fig. 16 Side pressure information evaluation

3.2.7 拱頂防脫空信息評估

拱頂防脫空信息評估主要利用安裝在土工布與防水板之間的分布式壓密傳感帶。當防水板因混凝土擠壓與土工布及初期支護密貼時，傳感器將信號輸送至信息控制系統，提示臺車拱頂此處混凝土澆筑完成。

3.2.8 數據報表信息評估

襯砌臺車數據報表信息每間隔10 min采集1組澆筑量、溫度、壓力等數據形成報表，以供查詢和存儲。

4 新型智能襯砌臺車應用效果評價

通過開展隧道襯砌施工工裝工藝及信息化技術試驗研究，并在張吉懷鐵路吉首隧道開展現場試驗應用。通過對比普通襯砌臺車、無骨架襯砌臺車、新型智能襯砌臺車等3種臺車，對施作的二次襯砌質量、強度等進行效果評價。

4.1 二次襯砌質量檢測對比

通過對二次襯砌混凝土進行雷達掃描，將缺陷按厚度不足、脫空、不密實進行統計，如表1所示。相比普通襯砌臺車，采用新型智能襯砌臺車每250 m檢測長度的缺陷數量(處)由31處減少至4處。

表1 二次襯砌缺陷統計表Table 1 Statistics of secondary lining defects

4.2 二次襯砌混凝土抗壓強度檢測對比

二次襯砌混凝土強度方面，無骨架襯砌臺車施作的C35混凝土抗壓強度平均值為40.7 MPa，普通襯砌臺車施作的C35混凝土抗壓強度平均值為38.5 MPa，智能襯砌臺車施作的C35混凝土抗壓強度平均值為43.1 MPa，較普通襯砌臺車混凝土強度提升12%。二次襯砌混凝土抗壓強度曲線如圖17所示。

圖17 二次襯砌混凝土抗壓強度Fig. 17 Concrete compression strength of secondary lining

5 結論與建議

1)研制了集便捷輸送布料系統、自動振搗系統、自動監測系統、快速信息評估系統等功能于一體的新型智能襯砌模板臺車。自動布料與振搗系統相結合，節省了工人勞動強度，提高了襯砌密實度與強度；通過澆筑壓力、澆筑方量控制，提高了混凝土飽滿度；襯砌相關技術參數監測與采集在襯砌模板臺車上的應用，提高了模板臺車的智能化與信息化。

2)建立了拱墻襯砌施工工藝和施工方法，提出了拱頂斜孔澆筑、分層自動澆筑、氣動式自動振搗、端頭零搭接裝置、加強筋中埋式橡膠止水帶、高分子透明堵頭板等先進施工工藝及工法。通過在隧道內開展現場試驗和第三方檢測驗證，二次襯砌混凝土在拱頂脫空、密實度、強度、表面裂紋等質量控制方面均有明顯改善。

3)結合既有研究成果，建議進一步研究拱頂帶壓澆筑施工工藝，開展混凝土表觀質量控制施工技術，以及高原山區鐵路混凝土滯后開裂控制技術研究。