自動布料帶壓澆筑智能襯砌臺車施工技術(shù)研究

姜 軍 郭寶庫 林 毅

（中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024）

1 引言

進入本世紀后，鐵路尤其是高速鐵路的設計理論和施工技術(shù)有了大幅度提升，我國鐵路進入高速建設期，尤其是高速鐵路如雨后春筍般遍地開花。大量線路開始穿越修建困難的重山區(qū)，隧道長度占比越來越大，隧道斷面越來越大。隧道開挖支護施工的機械化程度也逐步提高，甚至已經(jīng)使用了智能裝備，如全電腦三臂鑿巖臺車、智能濕噴機械手等。但隧道二次襯砌仍普遍采用整體式鋼模臺車進行二次襯砌澆筑，受設備自身的缺陷限制，出現(xiàn)了大量的質(zhì)量缺陷，如混凝土冷縫、離析、振搗不密實、施工縫附近混凝土頂裂、拱頂空洞等質(zhì)量缺陷［1-2］。嚴重影響了鐵路的運營安全。

二次襯砌施工經(jīng)歷了人工立模、簡易模板臺架、網(wǎng)架式襯砌臺車、全液壓自動行走襯砌臺車等階段［3］，襯砌臺車通過一系列技術(shù)研究［4-11］，襯砌混凝土施工質(zhì)量得到了提升，但存在施工工藝復雜，工序接口較多，質(zhì)量控制人為因素較大，造成隧道二次襯砌施工質(zhì)量不易控制。

本文結(jié)合羅家山隧道應用的自動布料帶壓澆筑智能襯砌臺車，對施工工藝進行深入研究，盡最大可能發(fā)揮該設備先進的功能，有效解決了施工質(zhì)量通病。

2 工程背景

羅家山隧道全長10 640 m，采用“三平導+一斜井+一橫洞+一泄水洞”輔助坑道方案，隧址區(qū)巖溶發(fā)育，可溶巖段長6 905 m占隧道總長的64.9%，存在突水突泥、斷層破碎帶、巖溶、順層、偏壓、危巖落石、高地溫等不良地質(zhì)，為Ⅰ級風險隧道。其中羅家山隧道泄水洞工區(qū)承擔正洞2 070 m施工任務，同時為鄭萬全線加強型機械化配套試驗點，全工序采用工裝配置依次為：全電腦三臂鑿巖臺車、多榀拱架安裝臺車、濕噴機械手、自行式仰拱棧橋、防水板及二襯鋼筋安裝臺架、自動布料帶壓澆筑智能襯砌臺車（以下簡稱智能襯砌臺車）、自動養(yǎng)護臺車、溝槽模板臺車等，全工序機械化工裝的配置，形成了“一洞九線”流水化作業(yè)生產(chǎn)線。

3 臺車技術(shù)特點及新技術(shù)應用

3.1 臺車技術(shù)特點

智能襯砌臺車結(jié)構(gòu)主要包括模板、門架、輸送管路、行走機構(gòu)、混凝土輸送泵、滑移軌道系統(tǒng)、自然澆筑系統(tǒng)、帶壓灌注系統(tǒng)及高頻氣動振動系統(tǒng)等，如圖1所示。臺車具體參數(shù)見表1。

圖1 智能襯砌臺車示意

表1 智能襯砌臺車性能參數(shù)

3.2 新技術(shù)應用

3.2.1 雙灌注技術(shù)

智能襯砌臺車采用雙灌注技術(shù)，如圖2所示。

圖2 智能襯砌臺車灌注系統(tǒng)

下灌注系統(tǒng)采用機械手臂分層逐窗自然流下澆筑，避免了以往施工中人工頻繁移動滑槽，不能實現(xiàn)逐窗入模澆筑的弊端。采用機械手臂施工，澆筑管口直接伸入到窗口內(nèi)，移動靈活方便。

上灌注系統(tǒng)采用伸縮輸送管+橡膠密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)拱頂澆筑的輕松對接，同時合理的窗口布置實現(xiàn)水平壓入帶壓澆筑，運用“拱頂部水平壓入澆筑工法”實現(xiàn)帶壓澆筑。

上澆筑系統(tǒng)與下澆筑系統(tǒng)的快速切換，如圖3所示。具有防泄露、防堵管、快速清洗的功能，一套管路兩套機構(gòu)的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)輕松切換。通過“高壓風+清洗球”進行管路清洗，清洗速度快，效果好。

圖3 雙系統(tǒng)切換

3.2.2 高頻氣動振動技術(shù)

目前國內(nèi)大多采用電動振動器，頻率低，易與臺車模板形成共振。國外普遍使用高頻氣動振動器，通過高頻氣動振動器，優(yōu)化設計臺車主體及模板結(jié)構(gòu)，從而解決混凝土密實問題。

通過在羅家山隧道現(xiàn)場試驗，試驗參數(shù)見表2。在襯砌臺車模板布置高頻氣動振動器，如圖4所示。對混凝土密實振搗效果進行分析，振搗效果如圖5所示，電動振搗與氣動振搗相比，混凝土氣泡數(shù)量明顯減少，振搗質(zhì)量提升明顯。高頻氣動振動器設置如圖6所示。

表2 氣動振動器試驗參數(shù)

圖4 高頻氣動振動器在臺車上的試驗

圖5 振搗效果對比

圖6 高頻氣動振動器設置

3.2.3 軟搭接技術(shù)

智能化二襯臺車通過創(chuàng)新和優(yōu)化，采用接近開關(guān)，配合橡膠緩沖材料，實現(xiàn)精準軟搭接，既能保證臺車帶模澆筑時的整體密封性能，又能防止模板位移導致的對搭接處混凝土造成損壞，從而保證搭接處混凝土的質(zhì)量。

3.2.4 灌注壓力管理技術(shù)

利用智能傳感器，實現(xiàn)灌注壓力的全方位檢測，實時監(jiān)控施工全過程。

（1）臺車澆筑

能夠?qū)崟r顯示澆筑時臺車內(nèi)混凝土的狀態(tài)和澆筑方量，從而對整個澆筑過程進行過程監(jiān)控。

（2）拱頂灌注

通過拱頂壓力傳感器，以及防水板低洼處預埋的電極反饋裝置來監(jiān)測拱頂混凝土是否灌滿。當預埋電極反饋裝置短路給出接通信號或壓力傳感器讀數(shù)大于或等于設定值時，從而判定拱頂混凝土已灌滿。

3.2.5 信息化技術(shù)

襯砌臺車采用了信息集成傳輸系統(tǒng)，通過智能感應器，讀取襯砌混凝土澆筑過程中的各項參數(shù)，參數(shù)上傳至臺車電腦后進行匯總分析，實時顯示混凝土灌注方量、灌注壓力、實時混凝土液位及入模溫度，同時根據(jù)混凝土灌注飽滿度確定混凝土停止?jié)仓r間，并對現(xiàn)場異常情況及時報警提醒。混凝土澆筑完畢，襯砌臺車根據(jù)混凝土最后澆筑完成時間設定臺車脫模時間，確保襯砌臺車在保證混凝土強度的情況下盡早脫模，提高臺車的利用效率，混凝土振搗系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 振搗系統(tǒng)界面

實時灌注流量及總量通過混凝土流量計進行測量統(tǒng)計；混凝土的預澆筑方量可通過車載式3D自動掃描儀或激光斷面儀測量；預埋溫度傳感器，記錄入模溫度，讀取混凝土芯部和表面的溫度，見圖8。

圖8 溫度顯示

4 施工工藝

4.1 工藝原理及流程

臺車采用雙灌注系統(tǒng)，下灌注系統(tǒng)采用自然分層逐窗澆筑混凝土，并通過高頻氣動振動器代替人工振搗，上灌注系統(tǒng)采用帶壓灌注系統(tǒng)灌注混凝土，并利用安裝在拱頂?shù)闹悄軌毫Ω袘骷胺答佈b置監(jiān)測拱頂混凝土密實度，確定混凝土停止?jié)仓r間。襯砌臺車集成了智能感應器及信息集成傳輸系統(tǒng)，通過智能感應器與信息化系統(tǒng)的完美配合實時反映襯砌施工情況，從而進一步指導現(xiàn)場襯砌混凝土施工。

智能襯砌臺車二襯施工工藝流程如圖9所示。

圖9 智能襯砌臺車施工工藝流程

4.2 工序要點

4.2.1 初支檢測

在隧道襯砌施工之前，先由測量組每3 m一個斷面，采用全站儀對隧道初支斷面凈空測量，對隧道凈空進行檢查并將測量成果上報，提前對侵限部分鑿除處理，完成后進行復測，現(xiàn)場驗收合格后進行下一道工序。

4.2.2 土工布、防水板掛設、鋼筋施工

土工布、防水板掛設及鋼筋安裝采用防水板襯砌鋼筋全自動一體機，由2名作業(yè)人員配合操作，通過一體機快速準確地掛設土工布與防水板，將土工布、防水板固定牢固，且松弛率、防水板焊接質(zhì)量滿足規(guī)范要求。土工布、防水板掛設完畢，作業(yè)人員安裝襯砌鋼筋保護層墊塊，采用擠壓套筒連接環(huán)向襯砌鋼筋，最后采用一體機將環(huán)向、縱向鋼筋綁扎固定到位。

4.2.3 預埋槽道定位、檢查

在混凝土澆筑前，作業(yè)人員安裝隧道預埋槽道，預埋槽道安裝完畢，由現(xiàn)場技術(shù)人員對照設計圖紙對槽道安裝情況進行檢測復核，避免出現(xiàn)槽道漏埋、安裝錯誤等問題。

4.2.4 襯砌臺車定位

襯砌臺車定位由測量組指揮操作手橫移或升降油缸，使臺車模板中線精確對準隧道中線，并根據(jù)測量員測量襯砌臺車頂模兩側(cè)模板鉸接位置的平面位置及標高校核尺寸繼續(xù)操作油缸，使整個頂模調(diào)整到符合尺寸位置，關(guān)閉油缸截止閥；根據(jù)測量員校核尺寸操作邊模油缸，使邊模調(diào)整至要求位置后關(guān)閉油缸截止閥防止移動；操作角模油缸調(diào)整角模至要求位置。

4.2.5 施作止水帶、氣囊封閉端頭

（1）襯砌臺車封端采用氣囊進行封閉，與傳統(tǒng)的施工工法相比，封端氣囊與初支面密貼性更好，減少了混凝土外漏的情況。同時采用氣囊封端避免了用木板封端時反復切割木板造成的人工、材料的浪費。氣囊操作簡便，減少了勞動力的投入，降低了施工風險。

（2）襯砌臺車后端設置了光電感應機械接近開關(guān)，配合緩沖材料發(fā)泡橡膠墊、梯型橡膠條緩沖密封，實現(xiàn)精準軟搭接，避免損壞已完成襯砌。發(fā)泡橡膠墊固定到臺車上，梯形橡膠固定到隧道上，瓦斯釘斜著打入凹槽內(nèi)部，如圖10所示。

圖10 軟接搭應用示意

4.2.6 下灌注系統(tǒng)自然澆筑

襯砌臺車下灌注系統(tǒng)是自然流下澆筑系統(tǒng)，采用“6自由度+”機器人手臂設計。機械手臂通過設置在臺車中部的滑移軌道系統(tǒng)進行水平回轉(zhuǎn)和縱向滑移，從而實現(xiàn)機械手臂的精準定位，將機械手臂出料口精確穩(wěn)定地伸入到各個澆筑窗口，實現(xiàn)襯砌混凝土分層逐窗澆筑。混凝土澆筑時由1名作業(yè)人員觀察電腦顯示器混凝土液位及臺車狀況，及時調(diào)整混凝土澆筑速度。同時襯砌臺車留出足夠的行車限界，鑿巖臺車、混凝土罐車及出渣車輛可順利通過，見圖11，臺車泵送砼示意見圖12，下灌注澆筑系統(tǒng)如圖13所示。

圖11 下灌注系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意

圖12 臺車泵送砼示意

圖13 下灌注系統(tǒng)澆筑示意

襯砌臺車采用高頻氣動振動器，下灌注系統(tǒng)在混凝土澆筑時，開啟高頻氣動振動器，保證混凝土得到充分搗固。1.5萬轉(zhuǎn)以上的超高振動頻率，用于襯砌混凝土施工具有良好的排氣性能，頻率無極可調(diào)，通過氣量來調(diào)整轉(zhuǎn)數(shù)及激振力，振幅是相同振搗力電動振動器的1／3，同時加速越過模板自身共振頻率，較少損害模板；輻射范圍大，減少了振動器的使用數(shù)量，壽命長，可達10年，堅固耐用，擾動器效果對比見表3。

表3 電動振動器和氣動振動器的對比

4.2.7 上灌注系統(tǒng)帶壓灌注

上灌注系統(tǒng)由混凝土輸送管、液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)組成。灌注系統(tǒng)通過摁下無線操控器三個方向控制鍵實現(xiàn)混凝土輸送管在隧道環(huán)向的“左中右”三向精準定位，操作簡便，定位準確。混凝土輸送管采用滑移軌道系統(tǒng)進行縱向平移，輸送管道移動前通過液壓油缸將輸送管降至最低，隨后輸送管進行縱向平移，平移到位后，通過液壓油缸將混凝土輸送管頂升到位，實現(xiàn)輸送管道與灌注窗口的準確對接。上灌注系統(tǒng)采用封閉的混凝土管路系統(tǒng)，保證出料端有一定的壓力值，通過混凝土帶壓入模，實現(xiàn)了混凝土帶壓澆筑。

4.2.8 參數(shù)監(jiān)測

（1）實時灌注流量及總量通過混凝土流量計進行測量統(tǒng)計。

通過混凝土流量計，在混凝土澆筑過程中及時讀取數(shù)據(jù)，將其上傳至臺車電腦，實時顯示已澆筑混凝土方量，與本次襯砌混凝土總方量對比，計算出當前襯砌未澆筑混凝土方量，指導拌和站合理拌料，減少混凝土的浪費。

（2）實時反映臺車作業(yè)狀況

智能傳感器將檢測數(shù)據(jù)實時上傳電腦，通過電腦可查看混凝土液位，襯砌臺車是否偏壓，監(jiān)測拱頂混凝土灌注飽滿度、監(jiān)測混凝壓力是否超過臺車模板承載力，確保混凝土澆筑作業(yè)正常有序進行。

5 應用效果

5.1 施工效率提升

智能化二襯臺車通過雙澆筑系統(tǒng)，極大地提升了施工效率，羅家山隧道12 m襯砌采用傳統(tǒng)襯砌臺車澆筑混凝土需要12 h，采用智能二襯臺車只需8 h即可完成。同時管路布置簡單、清洗方便。新技術(shù)的應用取得了較好的效果，現(xiàn)場應用如圖14所示。

5.2 施工質(zhì)量得到提高

智能化襯砌臺車通過優(yōu)化設計臺車主體及模板結(jié)構(gòu)，采用高頻氣動振動技術(shù)，以往混凝土振搗不到位、拱頂無法振搗問題得到解決，混凝土密實性好，避免襯砌混凝土振搗不當出現(xiàn)骨料堆積，減少襯砌混凝土表面水紋氣泡，保證襯砌混凝土外觀質(zhì)量。

圖14 現(xiàn)場應用照片

5.3 節(jié)約勞動力

智能化襯砌臺車施工作業(yè)，無需人工進行振搗，雙澆筑系統(tǒng)智能遙控分層分窗澆筑，僅需1個操作手可完成整機布料，節(jié)約勞動力，大幅度提高生產(chǎn)效率。

5.4 智能化程度高

臺車自身具有數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，相關(guān)數(shù)據(jù)自動記錄上傳管理平臺，同時具備異常數(shù)據(jù)報警和數(shù)字分析，從而通過后臺實現(xiàn)對整個混凝土灌注的全過程監(jiān)控。

5.5 避免了質(zhì)量通病

采用軟搭接技術(shù)及光電傳感技術(shù)，配合特殊材料，實現(xiàn)襯砌軟搭接，避免損壞已施工完成的襯砌，通過槽口可以釋放環(huán)向、縱向壓力和拉力，防止高速鐵路運營期間發(fā)生襯砌混凝土施工縫部位擠裂掉塊事件。

5.6 施工情況實時反饋

灌注壓力管理技術(shù)，利用智能傳感器，實現(xiàn)灌注壓力的全方位檢測，實時監(jiān)控施工情況。

6 結(jié)束語

在傳統(tǒng)的襯砌臺車模式下，二襯施工用工較多、存在監(jiān)控不到位、振搗不到位等質(zhì)量通病，為運營增加較大隱患。采用智能二襯臺車施工后，提高了機械化、信息化作業(yè)程度，減少了作業(yè)人員數(shù)量和作業(yè)強度，加快了施工進度，有效解決振搗密實、二襯背后存在空洞等質(zhì)量通病，達到了預期目標，可為類似的工程提供借鑒與參考。