自动布料带压浇筑隧道智能衬砌台车研制及应用

李立功， 江东鹏， 林春刚， 杨君华

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 广州开发区财政投资建设项目管理中心， 广东 广州 510663； 3. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458； 4. 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

0 引言

截至2019年底，我国铁路运营里程达13.9万km，其中，高铁运营里程3.5万km，占世界高铁总里程的2/3，成为世界上高铁里程最长、运输密度最大的国家。投入运营的铁路隧道1.61万座，总长1.80万km；已建成高铁隧道0.344万座，总长0.55万km，居世界第一[1]。

衬砌是隧道工程最关键的施工环节，也是复杂的隐蔽工程。衬砌台车是二次衬砌施工过程中不可或缺的非标专用设备。自1983年京广铁路大瑶山隧道从日本引进液压衬砌台车以来，我国就开始涌现出各种各样的衬砌台车[2]。资料显示，采用传统施工工艺和工装设备施工的隧道衬砌存在众多缺陷和病害[3-4]，如： 隧顶掉块、渗漏水、裂缝、仰拱隆起和道床翻浆等，不但增加维保和缺陷治理成本，还严重影响运营安全。2017年6月，某高铁发生隧道渗漏水、衬砌混凝土掉块等问题，危及高铁运营安全，运营部门采用了设置限速点的管控措施。2017年底，为快速消除限速点，铁路总公司印发了《铁路建设项目质量安全红线管理规定》(铁总建设[2017]310号)，将隧道初期支护、衬砌厚度和混凝土强度等纳入红线管控范畴。2018年11月，国铁局发布TB 10753—2018《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》、TB 10417—2018《铁路隧道工程施工质量验收标准》，新标准不仅对衬砌厚度和混凝土强度做出强制性规定，还对衬砌混凝土与防水层间密贴无空洞做出了硬性规定。这些新标准对隧道混凝土质量验收[5]、施工过程[6]和检测手段[7-8]等提出了更高要求，因此，研究如何提高隧道衬砌施工质量势在必行。

20世纪90年代，日本因山阳新干线福冈隧道衬砌剥落掉块，制订了《隧道维修管理手册》指导运营隧道病害检查、诊断及维修；2001年，又制订《山岭隧道衬砌混凝土施工指南》，对衬砌台车长度、荷载、结构等做出规定，提出浇筑口、检查窗、浇筑及振捣等的相关要求； 2008年，日本制订《山岭隧道设计标准》，使衬砌台车设计及施工规定更加完善。2010年，美国制订了《公路隧道设计施工手册》，对衬砌长度、混凝土浇筑、回填注浆等方面做出系统性规定。

国内，以往采用普通衬砌台车浇筑混凝土，工序繁多，且边墙大多用滑槽分仓分流混凝土入模，拱顶依靠泵压冲顶浇筑混凝土。2014年，我国某高铁开展隧道衬砌缺陷防治成套技术研究，重点解决隧道衬砌拱顶空洞、厚度不足等问题，创新采用衬砌拱顶混凝土逐窗入模浇筑及带模注浆[9-10]、边墙滑槽逐窗分层浇筑[11-12]等工艺。相比传统方法，该方法对提升隧道衬砌质量有所改观，但类似缺陷仍然存在，且混凝土浇筑速度慢、易离析等，尤其是拱顶混凝土不能完全实现密实和饱满[13]。由此可见，采用传统工艺施工时，要彻底消除衬砌质量缺陷存在一定难度，因此，本文设计了一种自动布料带压浇筑隧道智能衬砌台车，构建隧道衬砌施工新工艺体系，减少或消除衬砌质量缺陷。

1 衬砌台车发展历程

为实现隧道施工机械化、自动化和智能化愿望，衬砌台车的设计者、制造者及施工者在实践中不断探索和研究，研制出形式多样的隧道衬砌台车。衬砌台车主要经历了简易衬砌台车、液压衬砌台车、数字化衬砌台车等发展阶段。

1.1 简易衬砌台车

简易衬砌台车一般由钢拱和钢模板组合拼装，结构简单，常用于隧道结构复杂、断面变化、工序转换频繁、工艺要求高的短隧道衬砌，无行走系统，脱、立模依靠人工操作，工效低、进度慢、劳动强度大。

1.2 液压衬砌台车

为解决简易衬砌台车机械操作笨重和效率低等问题，对液压衬砌台车在框架结构、模板体系、泵送入模、液压系统、行走系统、操作系统等方面进行了大量改进，并采用滑槽逐窗浇筑边墙，泵压冲顶浇筑拱顶。相比简易台车，液压衬砌台车功能大幅提升，劳动强度显著降低，混凝土质量明显提高。2016年，再次对台车模板进行改进，创新采用带模注浆工艺，弥补了衬砌混凝土空洞和不密实等缺陷。

1.3 数字化衬砌台车

为加快施工进度、提高衬砌质量、减轻劳动强度，2017年，在液压衬砌台车基本功能基础上，对衬砌台车工装设备和施工工艺进行深入研究，研制了数字化衬砌台车[14]。较以往的台车，数字化衬砌台车在端模型式、搭接方法、浇筑系统、入料方式、信息系统等方面功能大幅提升。

2 智能衬砌台车的研制

为适应隧道行业发展新形势和新要求，智能衬砌台车的研发显得很有必要，对提高隧道衬砌施工效率，减少质量缺陷，具有十分重要的意义。

2.1 方案设计

2.1.1 设计思路

智能衬砌台车主要由模板系统、行走系统、液压系统、电气系统、辅助系统及连接支撑件等组成，具有独立行走、精确定位和立模、脱模等基本功能。此外，还具有混凝土自动布料、自动振捣功能，且搭载了信息评估系统，能够快速监测衬砌端部搭接位置、混凝土压力、温度、液位、防空洞、台车自身应力等信息，可实现超压保护。利用智能集成控制系统，可实行本地和远程操控。通过安装不同功能传感器，实时监测衬砌混凝土密实和饱满状态，自动生成数据报表，主动预防衬砌质量缺陷，且具有人机交互界面模式，可实现衬砌台车自动化和智能化控制，达到隧道衬砌结构施工安全、优质、高效的目的。

2.1.2 台车结构

智能衬砌台车两端采用双跨四腿支撑构件、拱形顶模板、弧形边模板及支撑油缸丝杆等。采用双跨支腿的纵梁与横梁连接，形成立体空间桁架基本结构，提高整体稳定性，使混凝土和模板结构受力完全由支撑构件承担。台车主要结构部件间采用栓焊连接，交叉部位局部采用斜撑加强。环向由4块模板组成(2块侧模和2块顶模)，采用铰链连接，纵向采用螺栓连接。模板支撑于双跨支腿结构之外，采用横移油缸、顶升机构调整模板水平和竖向位置。智能衬砌台车结构见图1和图2。

1—模板系统； 2—行走系统； 3—双跨结构； 4—信息监测与评估系统； 5—顶升系统； 6—连接支撑件； 7—横移油缸； 8—布料系统； 9—拱顶振捣系统。

2.2 技术参数

根据隧道衬砌结构尺寸及施工需求确定智能衬砌台车主要技术参数，见表1。

表1 智能衬砌台车主要技术参数

2.3 结构分析

采用有限元分析软件MIDAS系统对衬砌台车模板及主体框架结构进行几何建模、网格划分、模拟分析、边界确定及工况分析等，快捷建立各结构单元三维空间模型，得出各种不利因素信息，为衬砌台车关键构件及部位设计提供准确的力学依据，以达到设计要求的强度、刚度和稳定性。

2.3.1 荷载计算

依据相关技术规范[15]，台车受到的荷载有恒荷载和活荷载。按相关设计规范[16]，承重结构按承载能力极限状态设计，荷载设计值等于标准值乘以荷载分项系数。考虑侧模荷载比顶模大，其荷载包括新浇筑混凝土的侧压力和倾倒混凝土产生的水平力

(1)

(2)

式中：F1，F2为新浇混凝土对模板的侧压力，取式中较小值；γc为混凝土的重力密度，取25 kN/m3；t0为新浇混凝土的初凝时间，取5 h；β1为外加剂影响修正系数，取1.2；β2为混凝土坍落度影响修正系数，取1.15；v为混凝土的浇筑速度，取2 m/h；H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度，取10 m。根据式(2)得

2.3.2 建模参数

以双线铁路隧道为例，考虑拱部半径为6.7 m，台车顶部设计2.25 m高的空间，模板采用12 mm厚钢板，布置4层500 mm×500 mm 窗口，每层5个。钢结构采用Q235B钢，容许应力215 MPa。弹性模量E=2.1 GPa，泊松比μ=0.3，8.8级螺栓抗拉强度为830～1 030 MPa，混凝土比重为25 kN/m3。考虑浇筑过程两侧混凝土受力不平衡，台车左右两侧高差按0.5 m计算。

2.3.3 受力分析结果

对台车加载进行分析，校核台车整体模板及门架受力状态。设定板壳结构有6个自由度，对构件相接处的相邻构件进行三维耦合模拟分析输出仿真结果。

2.3.3.1 台车侧模分析

台车混凝土浇筑3 m高、侧模全部浇筑完成、顶模浇筑完成时这3种工况的最大变形量分别为5.317、14.708、18.435 mm，模板最大应力值为173.5、205、135 MPa，螺栓孔附近的钢结构最大应力为674.517、859.108、661.415 MPa，均符合设计要求。3种工况的台车变形及等效应力见图3—8。

图3 混凝土浇筑达到3 m时的台车变形(单位： mm)

图4 混凝土浇筑达到3 m时台车的等效应力(单位： MPa)

图5 侧模全部浇筑完成时的台车变形(单位： mm)

图6 侧模全部浇筑完成时台车的等效应力(单位： MPa)

图7 混凝土覆盖整个顶模时台车变形(单位： mm)

图8 混凝土覆盖整个顶模时台车等效应力(单位： MPa)

2.3.3.2 台车门架受力分析

当混凝土全部覆盖台车顶模，两门架之间的纵梁跨中受力明显，最大变形为17.518 mm，螺栓孔附近钢结构最大应力为845.63 MPa，门架最大应力为204 MPa，均满足设计要求。

综上所述，通过模型计算可知，衬砌台车各部件和整体结构不同状态下的受力均满足要求。

2.4 自动布料带压浇筑系统

2.4.1 带压浇筑原理

利用混凝土输送泵作为动力源，通过布料系统与输送管道连接形成封闭管路，始终使新浇筑混凝土产生一定压力，起到挤压密闭空间排出气体的作用，实现密闭空间被混凝土填充饱满、密实的效果，达到快速、连续、均衡生产目的。带压浇筑原理见图9。

图9 带压浇筑工艺原理

2.4.2 自动布料系统

自动布料系统主要包括回转机构、接头机构、主管道、分支管路。回转机构主要由主管路、旋转接头、旋转管路支架、旋转装置、回转装置基座、管卡和支架等部件组成。用混凝土输送管道作为主管路，将旋转接头分为固定段和旋转段，固定段连通混凝土泵的出料口，旋转段连通分支管路。自动布料系统结构见图10。

图10 自动布料系统结构

分支管道沿衬砌断面中线两侧按对称、均匀、平衡原则布设，分层对称按先低后高、左右交替顺序浇筑衬砌混凝土。布料系统设13路分支管路，沿窗口分层布设，两侧对称设计各5路，拱顶3路(1路主用，2路备用)，分支管路分布及浇筑顺序见图11。

图11 分支管路分布及浇筑顺序

2.5 自动振捣系统

衬砌边墙采用卷盘式高频插入式振捣器，可减轻劳动强度，提高振捣效果。顶部设计4套液压插入式振捣器与4排24组附着式气动振捣器，可有效提高混凝土的振捣性能和密实度，保证衬砌结构实体质量达标。

拱顶振捣工序紧随浇筑进度逐层进行，按左右两侧对称振捣原则，同一部位设置3次振捣，即当混凝土液位超过振动器15、30、45 cm的高度时，分别振捣1次，每次振捣时长15 s。自动振捣系统及振捣器见图12—15。

图12 拱顶自动振捣系统

图13 卷盘式高频插入式振捣器

图14 液压插入式振捣器

图15 附着式气动振捣器

2.6 内部应力监测

在衬砌台车易变形部位，设置有应变监测传感器，实时监测衬砌台车受力变形状态。可设定变形阈值，当衬砌台车变形超过阈值后，发出警报，并自动显示变形量信息，提醒操作人员安全操作。

2.7 “V”形槽零搭接

衬砌台车施工缝部位采用“V”形槽零搭接装置，可快速、方便跟随台车操作。搭接端采用等腰三角形的“V”形柔性实心橡胶， 40 mm×50 mm(底×高)，另一端采用半“V”形刚性直角型钢，使模板边缘与施工缝对齐，起到零搭接、防顶裂和密封作用。“V”形槽零搭接见图16和图17。

1—基岩； 2—初期支护； 3—台车前进方向； 4—背贴式止水带； 5—中埋止水带； 6—待衬砌段； 7—实心橡胶条； 8—台车表面理论就位线； 9—直角型钢； 10—已衬砌混凝土； 11—台车搭接端； 12—台车面板。

图17 衬砌施工缝“V”形槽零搭接效果

2.8 灌注口超压保护

将液压元件与混凝土灌注口压力形成联动控制机制，当灌注压力超过预定设计值时，自动关闭灌注口闸门，可防止混凝土超压灌注而使台车变形。

2.9 可视化堵头板

衬砌台车采用可视化堵头板装置，具有工厂化、模块化、可视化等功能，安拆便捷、可调节、便于观察。在衬砌混凝土浇筑时，操作人员可直接观察端头混凝土浇筑状态，便于控制浇筑量，检查端部密实度，且采用可视化堵头板比传统木模或半钢模节约材料50%以上。可视化堵头见图18和图19。

图18 可视化堵头板装置

(a) (b)

2.10 信息评估系统

2.10.1 系统界面

衬砌台车信息评估系统通过PLC智能集成台车浇筑进度信息、布料系统、拱顶自动振捣系统、拱顶空洞监测、端部搭接监测、侧部压力监测、液压系统、行走系统等并生成衬砌数据报表，报表数据具有自动生成曲线和存储功能，可随时调取衬砌施工数据。信息评估系统界面见图20。

图20 信息评估系统界面

2.10.1.1 顶部压力监测

在台车拱顶安装4个压力传感器，随时掌握混凝土浇筑压力信息。当混凝土浇筑至传感器位置时，传感器反馈输出信号，评估系统接收和分析信息，实时显示拱顶混凝土压力数值。顶部压力信息系统见图21。

2.10.1.2 侧部压力和温度监测

在台车两侧各安装3个压力传感器和1个温度传感器，随时掌握新浇筑混凝土侧部压力和温度信息。当混凝土浇筑到传感器对应位置时，压力和温度传感器输出信号，评估浇筑侧部混凝土内部压力和温度。

图21 顶部压力系统

2.10.1.3 搭接监测系统

通过在台车端头部位安装光电位移传感器，能反馈实时搭接状态。当台车模板面距混凝土面约2 cm时，台车显示报警或接近接触状态，提示操作者谨慎操作。搭接监测系统见图22。

图22 搭接监测系统

2.10.1.4 浇筑状况

1)顶部防脱空信息。在隧道顶部土工布与防水板间，沿隧道纵向安设分布式触压传感器，实时监测混凝土浇筑饱满状态。顶部防脱空信息系统及防脱空监测见图23和图24。

2)浇筑进度信息。沿台车模板环向布置液位传感器，显示侧墙及拱顶混凝土浇筑全过程液位状态，有利控制浇筑时间。

图23 顶部防脱空信息系统

图24 顶部防脱空监测示意

2.10.2 数据报表

智能衬砌台车具有自动生成数据报表功能，每隔一定时间随机采集和存储每组衬砌混凝土的压力、温度及浇筑量等数据信息，以供实时查询和长期存档。数据报表信息采集系统见图25。

3 台车优势

智能衬砌台车利用自动布料封闭管路浇筑衬砌混凝土，采用带压浇筑系统，可有效节省劳动力，提高生产效率，减少质量缺陷，提高环保效益，具体功能优势如下：

1)相比传统布料方式，可节省每次换管时间。可1人2～3 min内完成操控，较普通台车的分仓浇筑效率提高明显，衬砌施工人数降低至4人，节省人工50%。自动布料系统操作简单、工人劳动强度低、施工效率高，有利于提高衬砌的施工质量。

2)采用无线控制+手动控制双模式操作，定位时间比普通台车缩短30 min，便于工人操作，提高定位效率，提升定位精度。单组衬砌可10 h内完成施工，施工效率提高35%。

图25 数据报表信息采集系统

3)智能衬砌台车较普通台车空间利用率提高25%以上，有效操作空间大，能改善通风与操作环境。此外，台车设置清洁系统，废弃混凝土通过分离处理，可回收利用，环保效益高。

4)采用自动振捣系统，有利于减少混凝土中气泡，解决以往振捣效果欠佳问题，提高混凝土密实度；设定振捣时机、频次和时限，可依次自动振捣，减轻操作劳动负荷，提高振捣质量。

5)采用“V”形槽零搭接方式，可实现零距离搭接，起缓冲、防顶裂、密封保压和美缝作用，提高施工缝施工质量。

6)利用信息评估系统，可适时掌握衬砌凝土浇筑状态，评估衬砌混凝土压力、流量、温度、液位及防脱空等信息，方便、快捷，可为管理者提供数据分析依据。

4 应用效果

以铁路隧道智能衬砌台车研制及应用为例，通过张吉怀铁路吉首隧道获取的试验检测数据，将实体检测结果按空洞和不密实2种类型统计分析，比较3种台车检测结果。衬砌扫描检测抽样统计见表2。

表2 衬砌扫描检测抽样统计

根据衬砌施工进度，采用地质雷达法检测3种台车施工衬砌实体质量，通过统计数据对比分析发现，数字化台车相比普通衬砌台车空洞减少100%，不密实减少51.9%；智能衬砌台车相比普通衬砌台车，空洞减少100%，不密实减少85.2%。可见，采用智能衬砌台车浇筑衬砌混凝土所产生的缺陷相对较少，衬砌质量提高显著。被检测衬砌无缺陷和不密实的雷达波形见图26和图27。

图26 衬砌混凝土无缺陷雷达波形

图27 衬砌背后不密实雷达波形

5 结论与讨论

在隧道衬砌施工方面，通过铁路隧道衬砌施工成套技术的深化研究，研发了封闭管路带压浇筑隧道衬砌混凝土新工艺，研制了自动布料带压浇筑隧道智能衬砌台车。运用带压浇筑基本原理，利用自动布料系统，辅以动态监测手段，可实现衬砌混凝土浇筑预期的饱满度和密实度效果。

当前，研制智能衬砌台车对隧道工程建设显得非常重要。布料系统便捷清洁、振捣系统可定时识别、系统监测动态实时、信息系统评估智能，这些有效提高了隧道衬砌混凝土密实度与饱满度，对消除隧道衬砌质量缺陷具有重要意义。在隧道智能衬砌台车研发的基础上，构建了衬砌施工系列新工艺，利用自动布料系统带压浇筑衬砌混凝土，采用“V”形槽零搭接装置、可视化堵头板信息化快速评估系统，可实现便捷高效施工。通过现场检测效果验证，隧道衬砌混凝土空洞及不密实等缺陷明显减少，空洞减少100%，不密实减少85%以上。

随着我国科技的不断发展，隧道衬砌台车工装设备及工艺也不断改进，出现了不同类型的结构型式、布料方式及振捣方法，智能化和无人化是今后的发展趋势。从智能衬砌台车研制及应用情况看，后续进一步优化台车布料装置，可提高生产效率、减少劳动量。