自动布料带压浇筑智能衬砌台车施工技术研究

姜 军 郭宝库 林 毅

（中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024）

1 引言

进入本世纪后，铁路尤其是高速铁路的设计理论和施工技术有了大幅度提升，我国铁路进入高速建设期，尤其是高速铁路如雨后春笋般遍地开花。大量线路开始穿越修建困难的重山区，隧道长度占比越来越大，隧道断面越来越大。隧道开挖支护施工的机械化程度也逐步提高，甚至已经使用了智能装备，如全电脑三臂凿岩台车、智能湿喷机械手等。但隧道二次衬砌仍普遍采用整体式钢模台车进行二次衬砌浇筑，受设备自身的缺陷限制，出现了大量的质量缺陷，如混凝土冷缝、离析、振捣不密实、施工缝附近混凝土顶裂、拱顶空洞等质量缺陷［1-2］。严重影响了铁路的运营安全。

二次衬砌施工经历了人工立模、简易模板台架、网架式衬砌台车、全液压自动行走衬砌台车等阶段［3］，衬砌台车通过一系列技术研究［4-11］，衬砌混凝土施工质量得到了提升，但存在施工工艺复杂，工序接口较多，质量控制人为因素较大，造成隧道二次衬砌施工质量不易控制。

本文结合罗家山隧道应用的自动布料带压浇筑智能衬砌台车，对施工工艺进行深入研究，尽最大可能发挥该设备先进的功能，有效解决了施工质量通病。

2 工程背景

罗家山隧道全长10 640 m，采用“三平导+一斜井+一横洞+一泄水洞”辅助坑道方案，隧址区岩溶发育，可溶岩段长6 905 m占隧道总长的64.9%，存在突水突泥、断层破碎带、岩溶、顺层、偏压、危岩落石、高地温等不良地质，为Ⅰ级风险隧道。其中罗家山隧道泄水洞工区承担正洞2 070 m施工任务，同时为郑万全线加强型机械化配套试验点，全工序采用工装配置依次为：全电脑三臂凿岩台车、多榀拱架安装台车、湿喷机械手、自行式仰拱栈桥、防水板及二衬钢筋安装台架、自动布料带压浇筑智能衬砌台车（以下简称智能衬砌台车）、自动养护台车、沟槽模板台车等，全工序机械化工装的配置，形成了“一洞九线”流水化作业生产线。

3 台车技术特点及新技术应用

3.1 台车技术特点

智能衬砌台车结构主要包括模板、门架、输送管路、行走机构、混凝土输送泵、滑移轨道系统、自然浇筑系统、带压灌注系统及高频气动振动系统等，如图1所示。台车具体参数见表1。

图1 智能衬砌台车示意

表1 智能衬砌台车性能参数

3.2 新技术应用

3.2.1 双灌注技术

智能衬砌台车采用双灌注技术，如图2所示。

图2 智能衬砌台车灌注系统

下灌注系统采用机械手臂分层逐窗自然流下浇筑，避免了以往施工中人工频繁移动滑槽，不能实现逐窗入模浇筑的弊端。采用机械手臂施工，浇筑管口直接伸入到窗口内，移动灵活方便。

上灌注系统采用伸缩输送管+橡胶密封结构，实现拱顶浇筑的轻松对接，同时合理的窗口布置实现水平压入带压浇筑，运用“拱顶部水平压入浇筑工法”实现带压浇筑。

上浇筑系统与下浇筑系统的快速切换，如图3所示。具有防泄露、防堵管、快速清洗的功能，一套管路两套机构的应用，能够实现轻松切换。通过“高压风+清洗球”进行管路清洗，清洗速度快，效果好。

图3 双系统切换

3.2.2 高频气动振动技术

目前国内大多采用电动振动器，频率低，易与台车模板形成共振。国外普遍使用高频气动振动器，通过高频气动振动器，优化设计台车主体及模板结构，从而解决混凝土密实问题。

通过在罗家山隧道现场试验，试验参数见表2。在衬砌台车模板布置高频气动振动器，如图4所示。对混凝土密实振捣效果进行分析，振捣效果如图5所示，电动振捣与气动振捣相比，混凝土气泡数量明显减少，振捣质量提升明显。高频气动振动器设置如图6所示。

表2 气动振动器试验参数

图4 高频气动振动器在台车上的试验

图5 振捣效果对比

图6 高频气动振动器设置

3.2.3 软搭接技术

智能化二衬台车通过创新和优化，采用接近开关，配合橡胶缓冲材料，实现精准软搭接，既能保证台车带模浇筑时的整体密封性能，又能防止模板位移导致的对搭接处混凝土造成损坏，从而保证搭接处混凝土的质量。

3.2.4 灌注压力管理技术

利用智能传感器，实现灌注压力的全方位检测，实时监控施工全过程。

（1）台车浇筑

能够实时显示浇筑时台车内混凝土的状态和浇筑方量，从而对整个浇筑过程进行过程监控。

（2）拱顶灌注

通过拱顶压力传感器，以及防水板低洼处预埋的电极反馈装置来监测拱顶混凝土是否灌满。当预埋电极反馈装置短路给出接通信号或压力传感器读数大于或等于设定值时，从而判定拱顶混凝土已灌满。

3.2.5 信息化技术

衬砌台车采用了信息集成传输系统，通过智能感应器，读取衬砌混凝土浇筑过程中的各项参数，参数上传至台车电脑后进行汇总分析，实时显示混凝土灌注方量、灌注压力、实时混凝土液位及入模温度，同时根据混凝土灌注饱满度确定混凝土停止浇筑时间，并对现场异常情况及时报警提醒。混凝土浇筑完毕，衬砌台车根据混凝土最后浇筑完成时间设定台车脱模时间，确保衬砌台车在保证混凝土强度的情况下尽早脱模，提高台车的利用效率，混凝土振捣系统如图7所示。

图7 振捣系统界面

实时灌注流量及总量通过混凝土流量计进行测量统计；混凝土的预浇筑方量可通过车载式3D自动扫描仪或激光断面仪测量；预埋温度传感器，记录入模温度，读取混凝土芯部和表面的温度，见图8。

图8 温度显示

4 施工工艺

4.1 工艺原理及流程

台车采用双灌注系统，下灌注系统采用自然分层逐窗浇筑混凝土，并通过高频气动振动器代替人工振捣，上灌注系统采用带压灌注系统灌注混凝土，并利用安装在拱顶的智能压力感应器及反馈装置监测拱顶混凝土密实度，确定混凝土停止浇筑时间。衬砌台车集成了智能感应器及信息集成传输系统，通过智能感应器与信息化系统的完美配合实时反映衬砌施工情况，从而进一步指导现场衬砌混凝土施工。

智能衬砌台车二衬施工工艺流程如图9所示。

图9 智能衬砌台车施工工艺流程

4.2 工序要点

4.2.1 初支检测

在隧道衬砌施工之前，先由测量组每3 m一个断面，采用全站仪对隧道初支断面净空测量，对隧道净空进行检查并将测量成果上报，提前对侵限部分凿除处理，完成后进行复测，现场验收合格后进行下一道工序。

4.2.2 土工布、防水板挂设、钢筋施工

土工布、防水板挂设及钢筋安装采用防水板衬砌钢筋全自动一体机，由2名作业人员配合操作，通过一体机快速准确地挂设土工布与防水板，将土工布、防水板固定牢固，且松弛率、防水板焊接质量满足规范要求。土工布、防水板挂设完毕，作业人员安装衬砌钢筋保护层垫块，采用挤压套筒连接环向衬砌钢筋，最后采用一体机将环向、纵向钢筋绑扎固定到位。

4.2.3 预埋槽道定位、检查

在混凝土浇筑前，作业人员安装隧道预埋槽道，预埋槽道安装完毕，由现场技术人员对照设计图纸对槽道安装情况进行检测复核，避免出现槽道漏埋、安装错误等问题。

4.2.4 衬砌台车定位

衬砌台车定位由测量组指挥操作手横移或升降油缸，使台车模板中线精确对准隧道中线，并根据测量员测量衬砌台车顶模两侧模板铰接位置的平面位置及标高校核尺寸继续操作油缸，使整个顶模调整到符合尺寸位置，关闭油缸截止阀；根据测量员校核尺寸操作边模油缸，使边模调整至要求位置后关闭油缸截止阀防止移动；操作角模油缸调整角模至要求位置。

4.2.5 施作止水带、气囊封闭端头

（1）衬砌台车封端采用气囊进行封闭，与传统的施工工法相比，封端气囊与初支面密贴性更好，减少了混凝土外漏的情况。同时采用气囊封端避免了用木板封端时反复切割木板造成的人工、材料的浪费。气囊操作简便，减少了劳动力的投入，降低了施工风险。

（2）衬砌台车后端设置了光电感应机械接近开关，配合缓冲材料发泡橡胶垫、梯型橡胶条缓冲密封，实现精准软搭接，避免损坏已完成衬砌。发泡橡胶垫固定到台车上，梯形橡胶固定到隧道上，瓦斯钉斜着打入凹槽内部，如图10所示。

图10 软接搭应用示意

4.2.6 下灌注系统自然浇筑

衬砌台车下灌注系统是自然流下浇筑系统，采用“6自由度+”机器人手臂设计。机械手臂通过设置在台车中部的滑移轨道系统进行水平回转和纵向滑移，从而实现机械手臂的精准定位，将机械手臂出料口精确稳定地伸入到各个浇筑窗口，实现衬砌混凝土分层逐窗浇筑。混凝土浇筑时由1名作业人员观察电脑显示器混凝土液位及台车状况，及时调整混凝土浇筑速度。同时衬砌台车留出足够的行车限界，凿岩台车、混凝土罐车及出渣车辆可顺利通过，见图11，台车泵送砼示意见图12，下灌注浇筑系统如图13所示。

图11 下灌注系统现场布置示意

图12 台车泵送砼示意

图13 下灌注系统浇筑示意

衬砌台车采用高频气动振动器，下灌注系统在混凝土浇筑时，开启高频气动振动器，保证混凝土得到充分捣固。1.5万转以上的超高振动频率，用于衬砌混凝土施工具有良好的排气性能，频率无极可调，通过气量来调整转数及激振力，振幅是相同振捣力电动振动器的1／3，同时加速越过模板自身共振频率，较少损害模板；辐射范围大，减少了振动器的使用数量，寿命长，可达10年，坚固耐用，扰动器效果对比见表3。

表3 电动振动器和气动振动器的对比

4.2.7 上灌注系统带压灌注

上灌注系统由混凝土输送管、液压系统、转向结构组成。灌注系统通过摁下无线操控器三个方向控制键实现混凝土输送管在隧道环向的“左中右”三向精准定位，操作简便，定位准确。混凝土输送管采用滑移轨道系统进行纵向平移，输送管道移动前通过液压油缸将输送管降至最低，随后输送管进行纵向平移，平移到位后，通过液压油缸将混凝土输送管顶升到位，实现输送管道与灌注窗口的准确对接。上灌注系统采用封闭的混凝土管路系统，保证出料端有一定的压力值，通过混凝土带压入模，实现了混凝土带压浇筑。

4.2.8 参数监测

（1）实时灌注流量及总量通过混凝土流量计进行测量统计。

通过混凝土流量计，在混凝土浇筑过程中及时读取数据，将其上传至台车电脑，实时显示已浇筑混凝土方量，与本次衬砌混凝土总方量对比，计算出当前衬砌未浇筑混凝土方量，指导拌和站合理拌料，减少混凝土的浪费。

（2）实时反映台车作业状况

智能传感器将检测数据实时上传电脑，通过电脑可查看混凝土液位，衬砌台车是否偏压，监测拱顶混凝土灌注饱满度、监测混凝压力是否超过台车模板承载力，确保混凝土浇筑作业正常有序进行。

5 应用效果

5.1 施工效率提升

智能化二衬台车通过双浇筑系统，极大地提升了施工效率，罗家山隧道12 m衬砌采用传统衬砌台车浇筑混凝土需要12 h，采用智能二衬台车只需8 h即可完成。同时管路布置简单、清洗方便。新技术的应用取得了较好的效果，现场应用如图14所示。

5.2 施工质量得到提高

智能化衬砌台车通过优化设计台车主体及模板结构，采用高频气动振动技术，以往混凝土振捣不到位、拱顶无法振捣问题得到解决，混凝土密实性好，避免衬砌混凝土振捣不当出现骨料堆积，减少衬砌混凝土表面水纹气泡，保证衬砌混凝土外观质量。

图14 现场应用照片

5.3 节约劳动力

智能化衬砌台车施工作业，无需人工进行振捣，双浇筑系统智能遥控分层分窗浇筑，仅需1个操作手可完成整机布料，节约劳动力，大幅度提高生产效率。

5.4 智能化程度高

台车自身具有数据采集和传输功能，相关数据自动记录上传管理平台，同时具备异常数据报警和数字分析，从而通过后台实现对整个混凝土灌注的全过程监控。

5.5 避免了质量通病

采用软搭接技术及光电传感技术，配合特殊材料，实现衬砌软搭接，避免损坏已施工完成的衬砌，通过槽口可以释放环向、纵向压力和拉力，防止高速铁路运营期间发生衬砌混凝土施工缝部位挤裂掉块事件。

5.6 施工情况实时反馈

灌注压力管理技术，利用智能传感器，实现灌注压力的全方位检测，实时监控施工情况。

6 结束语

在传统的衬砌台车模式下，二衬施工用工较多、存在监控不到位、振捣不到位等质量通病，为运营增加较大隐患。采用智能二衬台车施工后，提高了机械化、信息化作业程度，减少了作业人员数量和作业强度，加快了施工进度，有效解决振捣密实、二衬背后存在空洞等质量通病，达到了预期目标，可为类似的工程提供借鉴与参考。