高原高寒地區(qū)隧道二次襯砌智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用

摘要：高原高寒隧道襯砌傳統(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，面臨受外界環(huán)境影響明顯、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，難以滿足高原高寒隧道襯砌高質(zhì)量養(yǎng)護(hù)需要。結(jié)合高原高寒隧道施工地點(diǎn)氣溫氣壓較低、海拔較高等特點(diǎn)，提出采用智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)替代傳統(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)施工工藝，提升了襯砌施工水平及養(yǎng)護(hù)效率，增強(qiáng)養(yǎng)護(hù)混凝土質(zhì)量，減少因溫度過(guò)低產(chǎn)生裂紋。將智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用在某高原鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)，其在養(yǎng)護(hù)質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)成本以及養(yǎng)護(hù)耗時(shí)等方面優(yōu)勢(shì)明顯，研究成果可為其他高原高寒隧道襯砌養(yǎng)護(hù)工作開(kāi)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌；高原高寒環(huán)境；智能化養(yǎng)護(hù)；混凝土

0" "引言

混凝土澆筑完成后需及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以避免出現(xiàn)脫水、表面粉狀或片狀脫落、粘結(jié)力低等情況發(fā)生[1-3]。混凝土養(yǎng)護(hù)對(duì)增強(qiáng)混凝土澆筑質(zhì)量有明顯影響，濕度、溫度則會(huì)直接影響其養(yǎng)護(hù)效果[4]。隧道襯砌是防治圍巖風(fēng)化、消除地下水影響以及維護(hù)隧道穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)物，隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)目的是為混凝土硬化提供適宜條件[5-7]。高原高寒隧道襯砌傳統(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，面臨受外界環(huán)境影響明顯、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，難以滿足高原高寒隧道襯砌高質(zhì)量養(yǎng)護(hù)需要。

本文結(jié)合高原高寒隧道施工地點(diǎn)氣溫氣壓較低、海拔較高等特點(diǎn)，提出采用智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)替代傳統(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)施工工藝，提升了襯砌施工水平及養(yǎng)護(hù)效率，增強(qiáng)養(yǎng)護(hù)混凝土質(zhì)量，減少因溫度過(guò)低產(chǎn)生裂紋。

1" "智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用的必要性

對(duì)于高原地區(qū)的鐵路、公路等工程，最大限度地避免實(shí)體質(zhì)量缺陷，其隱性經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益可觀。目前，在高原高寒隧道襯砌一般用自然養(yǎng)護(hù)或噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)受外界環(huán)境及人為因素影響較大，面臨占用隧道施工工序時(shí)間、灑水效果難以保證、襯砌養(yǎng)護(hù)質(zhì)量難以保證等問(wèn)題[8]。智能化養(yǎng)護(hù)設(shè)備則可實(shí)現(xiàn)溫度、濕度智能控制，能有效提高襯砌養(yǎng)護(hù)質(zhì)量[9-10]。

為了有效解決襯砌實(shí)體質(zhì)量養(yǎng)護(hù)缺陷問(wèn)題，決定采用智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)方式，對(duì)高原高寒隧道襯砌養(yǎng)護(hù)。通過(guò)創(chuàng)新襯砌混凝土的養(yǎng)護(hù)方式，最大限度地減少工程施工養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的裂紋，降低二襯缺陷，提升二襯施工質(zhì)量。

2" "隧道襯砌智能化養(yǎng)護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1" " 設(shè)備結(jié)構(gòu)

智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)主要由門(mén)架主結(jié)構(gòu)、霧化系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、密封系統(tǒng)（氣囊）、行走系統(tǒng)以及智能溫濕度控制系統(tǒng)等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道襯砌養(yǎng)護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度的智能控制。通過(guò)對(duì)比同條件試件的連續(xù)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)，確定混凝土在澆筑完強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)四周（前后兩端、兩側(cè)邊墻底部）采用氣囊密封，在隧道壁和電加熱系統(tǒng)之間形成封閉空間，密封效果好，加熱效率高。

2.2" " 技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1" "密封、加熱效果好

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)密封系統(tǒng)采用軟質(zhì)氣囊密封，設(shè)置于外拱前、后兩端及底部，保證養(yǎng)護(hù)區(qū)域與周?chē)h(huán)境隔絕，使加熱區(qū)域處于一個(gè)密封的空間。隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)加熱系統(tǒng)，采用定制的防水、耐高溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、阻燃隔熱、保溫的工業(yè)級(jí)電加熱裝置，加熱升溫迅速，保溫效果好，溫度穩(wěn)定后可實(shí)現(xiàn)分區(qū)加熱，分區(qū)智能控制，可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

2.2.2" "水源適應(yīng)性強(qiáng)

采用5～10um霧化噴頭、不銹鋼高壓管等實(shí)現(xiàn)霧化，濕度傳感器將數(shù)據(jù)傳送至控制器，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)濕度智能控制。霧化系統(tǒng)設(shè)置有水質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)，可適應(yīng)水源條件較差的隧道襯砌霧化加濕。

2.2.3" "智能化程度高

智能溫濕度控制系統(tǒng)是養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)的核心部分，由溫濕度控制器、傳感器和加熱加濕部分組成，養(yǎng)護(hù)范圍內(nèi)溫度、濕度智能控制與調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端遠(yuǎn)程控制

2.2.4" "工況適應(yīng)性強(qiáng)

隧道襯砌養(yǎng)護(hù)區(qū)域采用軟性材料密封，實(shí)現(xiàn)快速充放氣，適應(yīng)多種隧道斷面的變化。走行系統(tǒng)采用輪軌式，與襯砌臺(tái)車(chē)同軌，襯砌臺(tái)車(chē)前移后，養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)可實(shí)現(xiàn)快速就位進(jìn)行養(yǎng)護(hù)施工。

綜上所述，采用智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)，高原高寒地區(qū)隧道施工無(wú)需生火加熱升溫，即可達(dá)到二襯養(yǎng)護(hù)效果，冬季施工時(shí)亦可適應(yīng)，可有效減少洞內(nèi)施工人數(shù)和工作量，減少施工交叉干擾，進(jìn)一步確保施工安全。采用該技術(shù)可提高資源利用率，改善洞內(nèi)施工環(huán)境，減少人工工作量，提升養(yǎng)護(hù)施工效率。

3" "隧道襯砌智能化養(yǎng)護(hù)工藝流程

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)設(shè)備包含兩組臺(tái)車(chē)，施工時(shí)緊跟襯砌澆筑模板臺(tái)車(chē)，前端第一臺(tái)具備加升溫、保溫、保濕功能，第二臺(tái)具備保溫、加濕功能。具體流程為：固定位置→氣囊充氣→輔助密封裝置固定→啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)→檢查并記錄→停止養(yǎng)護(hù)→排氣→收緊輔助密封系統(tǒng)→關(guān)閉電源。具體養(yǎng)護(hù)工藝流程如下：

將設(shè)備停穩(wěn)在預(yù)定位置，確保設(shè)備養(yǎng)護(hù)空間內(nèi)干凈無(wú)雜物，無(wú)人員活動(dòng)。接通送風(fēng)開(kāi)關(guān)，為氣囊充氣。氣囊充氣完畢后，檢查氣囊完好情況，對(duì)于漏氣、破損處應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。下放輔助密封裝置并固定，壓緊周向密封簾。

按照養(yǎng)護(hù)制度設(shè)定養(yǎng)護(hù)參數(shù)，選定養(yǎng)護(hù)模式后，啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)。每2h檢查恒溫水箱、蒸汽系統(tǒng)水箱水位，水箱水位過(guò)低時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)水。待養(yǎng)護(hù)完成，在觸摸屏上操控設(shè)備停止養(yǎng)護(hù)。 斷開(kāi)送風(fēng)開(kāi)關(guān)，接通排風(fēng)開(kāi)關(guān)為氣囊排氣。將氣囊內(nèi)空氣排凈后，斷開(kāi)排風(fēng)開(kāi)關(guān)。收緊拉起輔助密封系統(tǒng)并固定。按下遙控器急停按鈕，關(guān)閉遙控器電源。依次斷開(kāi)負(fù)載隔離開(kāi)關(guān)、電源刀閘。填寫(xiě)報(bào)表并做好記錄。

4" "工程應(yīng)用概況

西藏地區(qū)某高原鐵路隧道全長(zhǎng)約為14km，隧道進(jìn)口標(biāo)高約為+2800m，出口標(biāo)高約為+3200m，隧道最大埋深約為1430m。隧道所在區(qū)域內(nèi)海拔較高，植被稀少，空氣稀薄，氣溫氣壓較低。為了有效解決襯砌實(shí)體質(zhì)量養(yǎng)護(hù)缺陷問(wèn)題，決定采用智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)方式，具體現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見(jiàn)圖2。

通過(guò)隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)上布置的傳感器可實(shí)現(xiàn)線路里程、襯砌拱頂、拱腰、拱底等位置溫度持續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)調(diào)整蒸汽系統(tǒng)以及霧化系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)襯砌養(yǎng)護(hù)溫度、濕度調(diào)整，確保襯砌始終處于較為理想的養(yǎng)護(hù)條件。襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面見(jiàn)圖3所示。

5" "不同襯砌養(yǎng)護(hù)方式效果對(duì)比

5.1" " 施工效果

為了了解傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式與智能養(yǎng)護(hù)方式對(duì)襯砌養(yǎng)護(hù)效果，在魯朗隧道出口正洞對(duì)兩種養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。不同養(yǎng)護(hù)下，隧道襯砌抗壓強(qiáng)度及炭化深度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化如圖4所示，隧道襯砌溫度變化曲線如圖5所示。

從圖4及圖5看出，保溫保濕養(yǎng)護(hù)在相同齡期情況下，相較于傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方式，采用智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)，能夠使混凝土抗壓強(qiáng)度提升20%～30%，且強(qiáng)度增長(zhǎng)更為迅速。同時(shí)可使混凝土炭化深度減小50%，使溫度影響下降約40%。

隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)改變了隧道洞內(nèi)養(yǎng)護(hù)作業(yè)方式，操作更便捷可控，養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化記錄和智能化調(diào)控，減少了施工干擾，進(jìn)一步減少了隧道洞內(nèi)施工操作人數(shù)，保障了二襯混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，減少了隧道二襯質(zhì)量缺陷。

5.2" " 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)該鐵路隧道出口的應(yīng)用實(shí)踐可知，采用智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。一板二襯12m，施工1000m，共施工二襯83板，每板養(yǎng)護(hù)時(shí)間14天，養(yǎng)護(hù)時(shí)間共計(jì)38.7個(gè)月。襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)購(gòu)置價(jià)為48萬(wàn)元，按照10年進(jìn)行折舊攤銷(xiāo)，每月費(fèi)用0.4萬(wàn)元。采用常規(guī)灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，租賃灑水車(chē)及養(yǎng)護(hù)工每月費(fèi)用1.2萬(wàn)元。二襯養(yǎng)護(hù)施工1000m可節(jié)約費(fèi)用約31萬(wàn)元，即應(yīng)用隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)每月產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為0.8萬(wàn)元/月。

6" "結(jié)語(yǔ)

相比較常規(guī)灑水、霧炮養(yǎng)護(hù)施工，采用智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行隧道二襯養(yǎng)護(hù)，可實(shí)現(xiàn)溫濕度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等養(yǎng)護(hù)條件智能調(diào)整、恒定可控，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。氣囊式整體密閉環(huán)境進(jìn)一步提升二襯成品質(zhì)量，使隧道二襯混凝土達(dá)到室內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，降低了二次襯砌質(zhì)量缺陷，確保二襯總體質(zhì)量?jī)?nèi)實(shí)外美。

實(shí)踐證明，采用智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行隧道二襯養(yǎng)護(hù)，減少了工人數(shù)量，節(jié)約了勞動(dòng)力，從而降低了養(yǎng)護(hù)施工成本。針對(duì)智能臺(tái)車(chē)進(jìn)行適應(yīng)性改造后，則能夠?qū)崿F(xiàn)不同隧道斷面自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)，特別適應(yīng)于變截面隧道二襯養(yǎng)護(hù)施工。

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