新型襯砌液壓智能臺車設計及應用

摘要：為解決既有襯砌液壓臺車在施工后常見的質量缺陷，實現襯砌液壓臺車的機械化、自動化、智能化的發展，課題組研制了一種新型襯砌液壓智能臺車。臺車配備自動澆注系統、氣動振搗系統、軟搭接裝置，并在臺車上加裝多個監測、控制模塊，采用信息化集成傳輸技術，對施工過程中的各個施工步驟數據進行實時監測和控制，實現了襯砌混凝土施工階段的科學管理。新型襯砌液壓智能臺車可以降低人為因素的干擾，并大大減輕施工人員勞動強度，壓縮施工時間，減少工期成本，有效提升襯砌混凝土的美觀程度和施工質量。

關鍵詞：襯砌；智能液壓臺車；軟搭接；氣動振搗系統；自動澆筑系統

0" "引言

近年來，隨著隧道施工技術的不斷發展，隧道二次襯砌施工也從人工立模方式逐漸發展為液壓臺車施工方式[1-2]。液壓臺車具有減輕勞動強度、提高施工效率、提升襯砌施工質量的優點，但由于液壓臺車的施工工序接口較多，施工工藝較為復雜，襯砌混凝土質量受人為因素影響較大等原因，導致襯砌混凝土在運營過程中，會出現開裂、剝落掉塊、冷縫、背后空洞、脫空等病害[3-4]，影響到隧道工程的安全性和耐久性。因此優化液壓臺車的性能，提升襯砌施工質量成為主要的發展方向。

襯砌液壓臺車屬于非標專用施工機械，多是根據某特定工程需求進行相應功能優化[5-6]。為解決襯砌背后脫空問題，魏加志[7]提出在液壓臺車上使用分層逐窗澆筑系統，通過溜槽、流槽等裝置，利用重力作用實現混凝土澆筑。但此種方式對于混凝土的自身性質要求較高，換窗澆筑時需要人工轉換布料槽的方向，而臺車內部操作空間較小，人工調轉方向極為不便，操作時間較長，殘余混凝土冷凝容易造成布料槽堵塞。

為解決拱頂空洞問題，雷璇[8]等人提出帶模澆筑施工技術，在進行襯砌澆筑時，提前預埋縱橫向的注漿管，在襯砌混凝土初凝后進行使用特殊注漿材料進行注漿，提高襯砌質量。但由于塑料注漿管易發生變形、彎折，導致后續無法注漿，而鋼材注漿管易劃破防水板，增大了襯砌漏水滲水風險，且注漿管的循環使用率極低，增加了施工成本等[9]。

本文針對當前的襯砌液壓臺車施工缺陷，設計了新型襯砌液壓智能臺車，并在實際工程中應用。實踐證明，該臺車可有效提升襯砌混凝土的施工質量，減輕施工人員的勞動強度，提高施工效率。

1" "新型襯砌液壓智能臺車結構設計

新型襯砌液壓智能臺車包括支撐系統、模板系統、行走系統、電器控制系統、液壓系統、澆注系統、振搗系統以及其他配套系統組成。全車制造采用Q235型鋼材，臺車的技術參數見表1。

采用Midas Civil有限元軟件對臺車整體建模，模型中模板面板采用板單元，絲桿、螺桿等采用桁架單元，其余均采用梁單元。新型襯砌液壓智能臺車Midas模型如圖1所示。參考混凝土相關規范[10-11]，計算模型所承受的荷載得到，最大側壓力Pmax=0.081MPa，最大頂壓力q=0.03MPa。將荷載按照相應的荷載組合施加到模型上，對其進行靜力學分析。分析結果見表2。

由表2可知，二襯智能液壓臺車的各個構件均能夠滿足規范要求，即此臺車的強度和剛度可以滿足施工過程中的使用性能要求和結構安全性要求。

2" "新型襯砌液壓智能臺車性能優化

2.1" " 采用自動布料系統

在該臺車上采用了一種環形自動布料系統，該系統采用全封閉管路、環向分料裝置、帶壓入模模式，液壓臺車布料系統管路布置如圖2所示。液壓臺車環形分料裝置如圖3所示。

全封閉管路起點均匯總到液壓臺車的工作平臺中心，與環形分料裝置相連。環形分料裝置由回轉機構、喇叭口對接套筒、地泵彎管、頂推液壓缸組成，環形分料裝置四周與各個分支管路相連，通過旋轉、頂推功能可將地泵彎管與各分支管路緊密連接，使得整個混凝土輸送管路形成一個密閉的整體。

環形粉料系統下接混凝土輸送泵，利用混凝土輸送泵實現混凝土帶壓入模。其原理是通過混凝土輸送泵，將混凝土以一定的壓力推送至環形分料機處，再經由環形分料機進入各分支管路。在泵送壓力和自身重力的共同作用下，混凝土沿著分支管路向前流動至相應位置，實現襯砌混凝土的澆筑施工。

自動布料系統在施工時僅需1～2人進行操作即可，工序簡單，極大的降低了勞動強度，提高了施工效率。在施工時按照逐層逐窗的方式進行施工，降低了襯砌混凝土出現冷縫、離析的概率，提升了襯砌混凝土的施工質量和外觀。

2.2" " 配裝氣動振搗系統

當前隧道液壓臺車使用振搗裝置多為電動振搗器，由于電動振搗器的振搗需要人為控制，振搗時容易漏振、欠振，且振搗器易與臺車模板發生共振，振搗效果并不理想[12-13]。本智能液壓臺車使用氣動振搗系統完成混凝土的振搗工作。

氣動振搗系統包括氣動附著振動器、配套的氣泵以及控制系統。氣動振搗器使用壓縮空氣作為動力源，耗氣量小，既安全又節能。氣動振搗器的體積小、構造簡單、故障少，安裝及維護相對較為方便，解決了襯砌拱頂及邊墻處混凝土振搗困難的技術難題。氣動振搗器啟停迅速，反應靈敏，適用于自動振搗控制系統。振動力、振動頻率及振幅，可通過調節氣壓與氣流量來調整，無需人工操作，極大程度的降低了勞動強度，簡化了施工工序，提升襯砌混凝土的質量。

2.3" " 增設軟搭接裝置

為改善隧道襯砌搭接處混凝土的質量，防止其出現開裂、剝落、掉塊等病害，本研究在新型襯砌液壓智能臺車的端頭模板上增設了軟搭接裝置，如圖4所示。該裝置由彈性橡膠條1、搭接鋼模2、沉頭螺釘3組成，彈性橡膠條的寬度為150mm。

軟搭接鋼模上方設有彈性橡膠條，該橡膠條具備可壓縮特性，作為鋼模與已澆筑完成的混凝土兩種剛性材料之間的柔性夾層，防止立模過程將環縱向施工縫位置已澆筑混凝土頂裂。橡膠條與頂a部鋼板采用沉頭螺釘固定，防止彈性橡膠條發生位移。安裝好的彈性橡膠條頂面應略高于臺車模板頂面，以保證臺車與已澆筑混凝土緊密貼合，在襯砌位置形成密閉空間，防止漏漿引起離析、骨料分料等混凝土質量問題。

2.4" " 應用信息化集成傳輸技術

為實現襯砌臺車施工的自動化、機械化、智能化，在新型襯砌液壓智能臺車加裝多個監測、控制模塊，其中包括混凝土泵入流量監測模塊、防空洞模塊、自動振搗模塊、語音報警軟搭接控與防頂裂裝置、壓力模塊、溫度監測模塊、澆筑時間監控模塊等，并配置智能臺車控制中心。采用現代信息化的集成傳輸技術，將各模塊檢測的數值及時反饋到控制中心，從而使整個模筑襯砌臺車的施工參數實現數字化顯示。

施工人員可以利用智能化控制中心的顯示平臺即時監測施工數據，并依此對現場施工情況實行管理。同時新型智能臺車搭載了云平臺系統，只需在施工隧道內設置無線網絡，即可將智能臺車的施工數據實時上傳云端，實現多種模式的遠程數據監控與共享。

3" "應用效果

新型襯砌液壓智能臺車在池黃高鐵四標武備嶺隧道、棠棣嶺隧道及上田嶺隧道工程進行了應用，取得了較好的施工效果。該臺車具備較好的強度和剛度，在施工過程中臺車模板的應力、變形均符合規范要求，滿足了使用性能要求和結構安全性要求。通過信息集成傳輸技術及相應的控制系統，實現了襯砌施工的自動化、機械化和智能化，減輕了施工人員的勞動強度，有效壓縮了施工時間，減少了工期成本。在臺車上采用自動布料系統、氣動振動系統、軟搭接裝置，降低了人為因素的干擾，提高了施工效率，提升了襯砌的施工質量和美觀度。

參考文獻

[1] 王百泉.新型智能襯砌臺車施工自動控制系統研究與應用[J].隧道建設（中英文），2019，39（10）：1728-1735.

[2] 李華.新型襯砌臺車機械原理及其結構優化[J].鐵道建筑技術，2017（10）：71-76.

[3] 安哲立，馬偉斌，王勇，等.鐵路隧道襯砌灌注質量智能化保障技術[J].中國鐵路，2020（01）：22-28.

[4] 王虎標.光明隧道襯砌滲水和裂紋縫病害的原因分析及治理措施[J].工程建設與設計，2020（13）：157-159.

[5] 梁爽. 隧道襯砌臺車輕型化研究與應用[D].昆明：昆明理工大學，2017.

[6] 李杰，惠寶.高速鐵路襯砌施工質量控制關鍵技術研究[J].價值工程，2022，41（15）：75-78.

[7] 魏加志.隧道二襯邊墻混凝土分層逐窗澆筑系統設計及應用研究[J].鐵道建筑技術，2019（2）：14-17.

[8] 雷璇.隧道二襯帶模注漿施工技術應用[J].工程技術研究，2018（2）：111-112.

[9] 龔成明，朱嘉斌，代鴻明.一種可帶模注漿的新型鐵路隧道襯砌臺車[J].現代隧道技術，2016，53（4）：185-188+194.

[10] 《混凝土結構工程施工質量驗收規范》GB 50204-2015.

[11] 姬海東，劉在政，張海濤.新型帶壓澆筑隧道數字化襯砌臺車研究與應用[J].隧道建設（中英文），2018，38（8）：1384-1390.

[12] 喬衡.公路隧道施工常見的質量缺陷及預防措施[J].中國電子商務，2012（ 16） ： 244．

[13] 李杰，惠寶.高速鐵路襯砌施工質量控制關鍵技術研究[J].價值工程，2022，41（15）：75-78.