隧道自動養護噴淋臺車的應用

王國舉

(四川省鐵路建設有限公司， 四川成都 610041)

目前我國大部分隧道施工襯砌混凝土仍采用人工養護，存在養護效率低、效果差等現象，導致混凝土脫水使得混凝土表面出現病害，影響隧道襯砌結構的耐久性和使用功能。隧道襯砌混凝土澆筑后的養護施工環節非常重要，因此隧道施工中引入自動養護噴淋臺車來滿足襯砌混凝土的養護需求，在我國隧道建設中非常實用。

章遠方[1]研發了一種可對噴淋溫度和濕度動態調整的智能化養護臺車，該臺車大大改善襯砌的養護質量。紀博林[2]研發了一種隧道襯砌智能養護臺車，可通過智能面板實現養護數據曲線生成及報告，具備數據存儲、輸出以及遠程控制等功能。李晶[3]研究了一種新型臺車，其既可用于隧道混凝土的養護，臺車搭建的平臺又可用于隧道檢測、注漿，實現臺車的多功能化。霍建勛等[4]對一種智能養護臺車的養護效果進行了研究，從襯砌的內外溫差、碳化深度以及早期強度3個方面與傳統養護方法進行對比，結果表明智能養護臺車對提高襯砌質量有重要作用。周平等[5]研究了一種隧道二襯混凝土自動養護臺車，可通過設置養護時間實現自動噴淋養護，同時不占用隧道內工作時間，為其他工程機械創造了有利條件。

本文以魯昆山隧道和勝利隧道為研究背景，施工中引進了一種新型的隧道自動養護噴淋臺車，用于對隧道襯砌澆筑面養護。該臺車能用于各種隧道斷面，操作方便簡單，可重復進行使用，將大范圍應用于各類隧道襯砌養護施工中。

1 隧道自動養護噴淋臺車的構成

隧道自動養護噴淋臺車結構組成包括主車架、側面噴淋裝置、頂部噴淋裝置和中繼器投放裝置(圖1)。

1.主車架；2.側面噴淋裝置；3.頂部噴淋裝置；4.中繼器投放裝置。圖1 隧道自動養護噴淋臺車

1.1 主車架

主車架分為3個部分，包括前端車架、后端車架、頂部車架。其中水箱安裝在頂部車架上端，行走機構與車架地端相連，利用行走機構上的滾輪在軌道上行走。其中行走機構包括軌道輪、電機和2條軌道，2塊豎板底部的兩端處分別轉動安裝軌道輪，2塊豎板側面底部的兩端處均安裝電機，電機主要為軌道輪提供動力。鋪設軌道長度一般為36 m，可根據隧道環境進行適當調整，軌道也滿足二襯臺車和養護臺車同時行走，減少工人勞動強度，增加軌道使用率。

1.2 側面噴淋裝置

側面噴淋裝置利用側管與水箱連接，其中側面支管中有多個噴淋軟管，大大增加了噴淋的范圍，并利用閥門裝置控制噴淋的開啟和水量的大小。

1.3 頂部噴淋裝置

頂部噴淋裝置位于主車架頂部位置，可以負責隧道拱頂上方的的襯砌養護，噴淋的水管主要為聚合材料管材，其內壁十分光滑而且不易漏水，可根據隧道斷面形狀進行仿形布置。主要噴淋噴頭為可調節式，對噴淋范圍及距離可適量調節。

1.4 中繼器投放裝置

中繼器投放裝置設于行走機構一側，中繼器傳送裝置包括框體、開門直線機構，框體內壁一端設有彈簧，彈簧陣列的一端有多個無線中繼器，開門直線機構輸出軸一端有擋板。

1.5 創新結構

現有臺車采用2臺驅動電機直接工頻啟動，很難做到電機啟動同步，走行的控制精度不高；在坡度比較大的隧道，臺車爬坡能力差，具有很大的施工局限性。該項目采用的新型自動養護噴淋臺車，每個油缸的位移行程由安裝在每個頂升油缸上的位移傳感器轉換成模擬信號，PLC采集到位移傳感器的模擬信號后，通過程序轉換成工程值，對前2個油缸的工程值進行比較，當偏差值大于10 mm時候，位移大的油缸停止運行，位移小的繼續運行，當偏差值小于等于2 mm時，2個油缸同步運行。保證了在坡道上養護時臺車能夠穩定地運行，防止溜車和跑車，提高了安全系數和施工效率。

在臺車控制面板上設置噴淋開始時間和結束時間進行自動化噴淋養護。臺車利用主車架上的密閉機構將襯砌密封起來，噴出水蒸氣進行養護，同時通過密閉機構中的溫濕傳感器獲取溫濕度數據，人工或自動控制噴淋裝置調整水蒸氣的噴入量，從而調節溫度和濕度。

該新型隧道自動養護噴淋臺車在傳統臺車控制方式的基礎上進行改進，隧道自動養護臺車噴淋臺車的自動化控制系統采用PLC作為核心控制單元，設定臺車的噴淋時間、行走距離以及噴淋水量。PLC控制器設置有水泵啟動開關，開關開啟，水泵工作，當儲水箱水量不夠時，補水感應器工作，水泵停止工作，警示燈開啟提醒缺水。可通過手動或自動的方式進行控制，手動控制通過提前對控制面板參數設置，實現臺車特定隧道段個性化噴淋；自動化控制采用拓展信息化模塊，遠程查看隧道臺車的噴淋參數進行調整。

2 臺車現場養護效果

2.1 襯砌強度測試

現場對隧道多個測點二襯混凝土養護后強度用回彈儀測量，按壓回彈儀時保證與測量表面垂直，同一個測點一般測量16個回彈值，剔除最大和最小數據各3個，剩下測量值取平均值。回彈值測量完畢后，在相同位置鉆取直徑為15 mm孔洞，進行碳化深度測試，根據酚酞酒精溶液顏色的變化確定混凝土的碳化深度，現場在同一測點附近進行5次測量，并計算碳化深度的平均值。

現場對人工養護效果與自動噴淋臺車養護效果測試結果對比如表1、表2所示。

表1 表面強度養護效果對比

在人工養護條件下，襯砌強度增長緩慢，28天仍未達到預期強度，后期穩定在25 MPa左右；采用隧道自動養護噴淋臺車的二襯混凝土21天強度比人工養護提高6.7%，前期襯砌強度增長速度快，達到預期強度后基本保持不變。

在28天養護條件下進行隧道襯砌回彈值測量，結果表明：在人工養護條件下襯砌強度非常不均勻，預期強度上下最大浮動達到了9.6%；臺車養護條件下襯砌強度基本保持在25～26 MPa，最大浮動不超過4.4%。

表2 襯砌強度回彈值測量 MPa

隧道襯砌經過自動養護噴淋臺車養護后，襯砌混凝土強度發展快，表面強度均勻、基本無缺陷，碳化深度明顯降低。結果表明，采用隧道自動養護噴淋臺車進行襯砌的養護能明顯提高襯砌質量和壽命。

2.2 襯砌裂縫測量

隧道襯砌匯總縱向裂縫的產生對結構安全性威脅最大，同時縱向裂縫占所有裂縫長度的比例最大。裂縫的發展部位分為拱頂、拱腰、拱腳和邊墻。縱向裂縫通常發生在拱腰部位，占縱向裂縫總數的一半以上。如圖2所示，在人工養護的條件下，縱向裂縫主要發生在隧道拱腰位置，裂縫長度在2～5 cm，襯砌表面成片麻、蜂窩狀，襯砌病害率高，對隧道襯砌結構產生重大安全威脅。

圖2 隧道襯砌裂縫測量

如圖3所示，在隧道自動養護噴淋臺車的養護作用下，混凝土外觀質量得到明顯改善，特別是表面干縮裂紋、片麻蜂窩狀缺陷得到有效控制，無明顯可見裂縫。

圖3 臺車養護襯砌表面

3 結束語

在魯昆山隧道和勝利隧道中采用了一種新型隧道自動養護噴淋臺車，其自動化程度高，可進行隧道襯砌全自動智能化噴淋養護作業。通過隧道養護效果測試，該臺車的自動化噴淋養護可顯著提高隧道襯砌強度，改善隧道襯砌混凝土的表觀質量。該臺車能使用各種隧道斷面，操作方便簡單，可重復使用，可應用于各類隧道襯砌養護施工中。