雙跨大凈空智能襯砌臺車設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003）

二次襯砌是隧道內(nèi)部重要的永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，施工質(zhì)量對隧道安全運(yùn)營具有重要影響。襯砌臺車是隧道二次襯砌施工的專用機(jī)械設(shè)備，其工作性能決定了襯砌施工質(zhì)量，研發(fā)隧道二次襯砌新型施工設(shè)備，踐行“工裝保工藝、工藝保質(zhì)量、質(zhì)量保安全”的隧道建設(shè)理念，對減少二次襯砌質(zhì)量缺陷具有重要意義。

針對高速鐵路隧道二次襯砌施工裝備和施工技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者已有較多研究。目前，施工項(xiàng)目普遍使用的全液壓鋼模板襯砌臺車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，凈空小，強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性較差，雖經(jīng)過一定程度上優(yōu)化提升，但未能完全解決臺車跑模、變形等問題。為解決臺車凈空小的問題，張軍研究了無骨架模板臺車，但模板與邊墻搭接時極易產(chǎn)生錯臺；趙曉鋒等人對襯砌臺車定位、空洞監(jiān)測進(jìn)行了研究，姬海東對隧道數(shù)字化襯砌臺車進(jìn)行了研究與應(yīng)用，并取得了一定的研究成果。

本文將以襯砌臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，同時采用自動化、信息化技術(shù)，研發(fā)大凈空新型智能襯砌臺車，重點(diǎn)解決襯砌臺車凈空小，混凝土澆筑、振搗質(zhì)量差等技術(shù)難題。

1 雙跨大凈空智能襯砌臺車設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙跨大凈空智能襯砌臺車采用兩端支撐的門梁式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，簡化了門架、底縱梁、斜撐桿件等，增大了底部凈空；采用三角形穩(wěn)定性原理，使模板系統(tǒng)與仰拱填充層形成三角形受力體系，將混凝土載荷通過模板直接傳遞至仰拱填充層，極大減小了門架載荷，為簡化襯砌臺車結(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件，如圖2 所示。

圖1 雙跨門梁式結(jié)構(gòu)

圖2 模板底部支撐示意圖

1.2 旋轉(zhuǎn)對接式灌注系統(tǒng)

智能襯砌臺車采用旋轉(zhuǎn)對接式灌注系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)混凝土帶壓入模。旋轉(zhuǎn)對接式灌注系統(tǒng)由1支主管路與多支分管路組成，主管路一端與混凝土泵車連通，另一端通過旋轉(zhuǎn)可與分管路分別對接，分支管路與拱墻、拱頂灌注窗口分別相通?；炷量裳刂鞴苈贰⒎种Ч苈繁盟腿肽０?。主管路的旋轉(zhuǎn)和對接動作分別采用液壓馬達(dá)和液壓油缸驅(qū)動，具有自動化程度高、人工勞動強(qiáng)度低，混凝土入模質(zhì)量高的特點(diǎn)，如圖3 所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)對接式灌注系統(tǒng)原理圖

1.3 拱頂帶壓灌注

拱頂混凝土采用單斜孔一次完成灌注，單斜孔距已襯砌模板端頭0.75～2m。拱頂灌注混凝土?xí)r，輸送管內(nèi)的混凝土先流向模板搭接端，然后反向擠壓、推動頂模板內(nèi)后續(xù)的混凝土向端頭模方向涌動，實(shí)現(xiàn)拱頂帶壓灌注，可避免脫空、不密實(shí)等襯砌質(zhì)量缺陷，如圖4 所示。

圖4 拱頂混凝土單斜孔灌注原理圖

1.4 自動振搗系統(tǒng)

自動振搗系統(tǒng)主要由插入式振搗、附著式振搗組成，拱墻混凝土采用插入式振搗，拱部混凝土采用附著式振搗。

1.4.1 插入式振搗

插入式振搗由彈力滾筒、電纜線、插入式振搗器、導(dǎo)向環(huán)4 個部分組成，彈力滾筒固定在臺車頂部上，導(dǎo)向環(huán)固定在模板腹板上，電纜線一端纏繞在彈力滾筒上，另一端穿過導(dǎo)向環(huán)與插入式振搗器相連，如圖5 所示。插入式振搗器在彈力滾筒提拉作用下，上可收回至頂層作業(yè)窗口，下可拖拽至底層作業(yè)窗口。啟動振動器電源開關(guān)即可開始振搗。

圖5 拱墻插入式振搗

1.4.2 氣動式振搗

拱部布置了4 排氣動式振搗器用于混凝土振搗，如圖6 所示。調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力和流量可調(diào)整激振力和振搗頻率，嚴(yán)格控制振搗時間，可有利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、自動化振搗。氣動式振搗頻率高，可避免與臺車產(chǎn)生共振。

圖6 拱頂氣動式振搗器布置圖

1.5 搭接防頂裂系統(tǒng)

搭接防頂裂系統(tǒng)分為“V”型槽零搭接和搭接監(jiān)測系統(tǒng)兩部分，聯(lián)合使用可防止壓潰施工縫混凝土。襯砌臺車關(guān)模端的邊緣設(shè)置有“V”型角鋼，用于形成施工縫“V”型槽?；炷链罱佣说摹癡”型面上密貼有“V”型實(shí)心橡膠條，呈環(huán)形布置。襯砌臺車立模時，模板邊緣與施工縫對齊，形成零搭接，可避免壓潰混凝土結(jié)構(gòu)，同時密封效果良好，如圖7 所示。

襯砌模板臺車搭接端的左、右邊摸起拱線和拱頂布置了3 個光電傳感器，監(jiān)測模板與混凝土的距離。當(dāng)間距小于設(shè)定值時，系統(tǒng)自動報(bào)警，提醒操作人員緩慢移動模板，如圖8 所示。

圖7 “V”型槽零搭接原理示意圖

1.6 混凝土灌注智能監(jiān)測系統(tǒng)

混凝土灌注智能監(jiān)測系統(tǒng)主要采集混凝土溫度、實(shí)際澆筑量、澆筑進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)襯砌施工信息流通、融合，便于施工人員掌握施工動態(tài)，并及時調(diào)整。

1.6.1 混凝土溫度監(jiān)測

溫度傳感器固定在模板上，可檢測混凝土入模溫度和水化反應(yīng)溫度，防止溫度異常產(chǎn)生襯砌質(zhì)量缺陷。

1.6.2 實(shí)際澆筑量監(jiān)測

實(shí)際澆筑量通過記錄正向泵送次數(shù)，自動換算出混凝土實(shí)際澆筑量。對比分析實(shí)際澆筑量與三維激光掃描系統(tǒng)測算的澆筑量，可用于評估混凝土灌注飽滿度狀態(tài)。

1.6.3 澆筑進(jìn)度監(jiān)測

1）拱墻澆筑進(jìn)度監(jiān)測 利用現(xiàn)澆混凝土的導(dǎo)電性，拱墻采用液位傳感器記錄混凝土澆筑高度，有利于實(shí)現(xiàn)左右對稱、前后均勻澆筑，確保襯砌臺車受力均衡。

2）拱部澆筑進(jìn)度監(jiān)測 拱部混凝土采用帶壓灌注，可根據(jù)混凝土與隧道初支間的壓力判斷拱頂混凝土澆筑進(jìn)度。拱部共設(shè)置3 條帶狀的模擬型壓力傳感器，布置在土工布與防水板中間，端頭模一側(cè)連接顯示終端，如圖9 所示。壓力傳感器有多個檢測點(diǎn)位，顯示終端上對應(yīng)有多個指示燈，每個指示燈有紅色、綠色，對應(yīng)“未澆筑”和“已澆筑”兩個狀態(tài)。監(jiān)測拱頂澆筑狀態(tài)可同時避免拱部爆模和脫空，實(shí)現(xiàn)雙贏，如圖10 所示。

圖9 拱部壓力傳感器

圖10 澆筑狀況監(jiān)測界面

2 工程應(yīng)用

目前，雙跨大凈空智能襯砌臺車已經(jīng)在鄭萬高鐵、張吉懷高鐵、昌景黃高鐵等項(xiàng)目進(jìn)行了推廣應(yīng)用，新型智能襯砌臺車與傳統(tǒng)門架式臺車功效對比見表1。雙跨大凈空智能襯砌臺車，施工效率高、襯砌質(zhì)量缺陷少，減低了人工勞動強(qiáng)度和施工成本。具體分析如下。

1）采用雙跨門梁式結(jié)構(gòu)提高了30%隧道空間利用率，改善了隧道通風(fēng)環(huán)境和行車條件。

2）旋轉(zhuǎn)式對接灌注系統(tǒng)換管、清洗等工序平均用時3min，混凝土入模質(zhì)量高，操作方便、工作可靠，2 人可完成混凝土灌注全序施工。

3）自動振搗系統(tǒng)降低了人工勞動強(qiáng)度，提高了混凝土振搗質(zhì)量。

4）聯(lián)合采用“V”型槽零搭接技術(shù)和搭接監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了立模過程控制、柔性接觸、零搭接，從多維角度出發(fā)，系統(tǒng)性解決了施工縫開裂、掉塊、麻面等質(zhì)量缺陷。

表1 新型智能襯砌臺車與傳統(tǒng)門架式臺車功效對比表

3 結(jié)語

隧道驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)日益提高，建設(shè)速度逐漸加快，面對勞動力短缺、人工勞動強(qiáng)度大，施工質(zhì)量難以控制的局面，急需研制新型施工裝備，以適應(yīng)隧道施工技術(shù)的發(fā)展需求。采用新技術(shù)、新原理，研制新型智能化襯砌施工裝備，可有效解決當(dāng)前礦山法隧道施工技術(shù)中遇到的諸多技術(shù)難題，為提高襯砌施工質(zhì)量找到突破口。襯砌臺車模塊化、輕量化設(shè)計(jì)，振搗盲區(qū)消除，襯砌施工信息深度融合，將是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容和方向。