自动喷雾养护台车应用研究

彭 伟

（中铁隧道集团二处有限公司，河北 廊坊 065201）

国内现有隧道施工过程中针对二衬混凝土养护多采用人工喷淋的方式，在实际应用中存在以下缺陷：①劳动强度大、效率低，需人工操作接管、拖拽管路等；②养护作业不规范，养护时间和养护方式随意性较大；③养护水取自地下自然水，水温较低且水温无法调节，导致养护水温与二衬混凝土表面温差较大，养护效果不理想；④用水量大，喷洒不均匀，造成水资源等严重浪费。

隧道施工过程中对混凝土进行及时、有效的养护是保证隧道砌衬混凝土的设计强度和耐久性的一个重要因素。养护不及时、不充分或养护天数不够都将影响砌衬混凝土的施工质量和性能。根据相关施工规范和相关要求，混凝土必须配置养护装置，首次保湿养护时间控制在脱模后2h内，砌衬混凝土的养护时间不得少于14 天，高温地区应当增加养护的频率和天数。在实际施工作业中，通常认为长大隧道洞内温度较恒定，且洞内空气有一定湿度，混凝土的养护问题没有得到足够的重视，使得养护工序控制比较困难。目前国内隧道工程大多以传统的人工养护为主，人工养护需要投入较多的人力物力，同时该方式存在非常明显的不足，存在对砌衬混凝土表面状况缺乏实时监控而致使养护不充分、不合理的情况存在，导致混凝土出现表面裂纹甚至强度不足等质量缺陷。

为此，中铁隧道局集团有限公司开展《喷雾养护台车》的专项研究，通过对现场需求分析、市场调研和施工背景的研究，确定以二处赤喀客专项目部一分部为依托工程，采用喷雾养护台车进行喷雾养护。

1 工程概况

新建赤峰至京沈高铁喀左站铁路位于蒙东地区的赤峰与辽宁省西部朝阳市，沿线经过朝阳市喀左县和建平县、赤峰市宁城县、喀喇沁旗、元宝山区、红山区和松山区。线路自京沈客专喀左站引出，沿线设建平站、宁城站、平庄西站，终至赤峰西站。

正线线路长度157.375km，其中辽宁省境内54.845km，内蒙古境内约102.53km。本工程的实施可强化东北快速客运网络、优化快速客运网布局，延伸快速客运网服务半径，对于保障“振兴东北老工业基地”战略的顺利实施具有重要意义。

以赤喀客专CFSG-2 标段天秀山隧道1#斜井隧道的相关技术要求及数据参数为依据，天秀山隧道全长9 072m，设2 座双车道无轨运输斜井（1 号斜井881m，纵坡11%；2 号斜井837m，纵坡10.5%，后期做避难所使用），地质以白云岩为主，隧道穿越8 个断层，进口端有1 150m 设中心深埋水沟，出口端有732m 设中心深埋水沟；楚家沟隧道：440m，以白云岩为主；车杖子隧道：420m，其最大埋深约24m，以泥灰岩为主，其仰拱及衬砌完成后的施工断面如图1 所示。

图1 施工断面

2 总体方案及工作原理

2.1 总体方案

1)技术方案 喷雾养护台车整体设计依据为项目隧道断面边界条件、相关施工规范和集团公司文件要求，根据理论与实验相结合的方式进行设计，喷雾养护台车总体方案如图2（a）所示，产品实物效果见图2（b）所示。

图2 喷雾养护台车总体方案

2)整体结构 根据以上要求，设计台车整体结构为全断面拱形桁架结构，铺轨行走，应用电缆卷盘辅助持续提供电力供应，大小水箱配合储水与加热，经由水路系统、雾化喷头，喷洒于混凝土上进行养护作业。结构部分主要由骨架部分、行走部分、电缆卷筒，加热装置、电控箱以及水路系统等组成。

3)工作原理 根据养护作业施工规范和集团公司下发的相关文件要求，隧道二衬混凝土养护期不能少于14 天，按衬砌一组12m 需要2.5 天计，保证14 天养护时间需要养护台车在不少于70m 范围内进行移动养护作业。养护台架工作原理具体为通过铺设的轨道、电缆卷盘、行程开关等，使台车在设定区间、时间内自动往复行走。水路系统经过加热后，通过设置在仿形拱架上的喷头喷洒于混凝土上，由温湿度传感器调整小水箱水温，喷雾养护台车工作流程见图3 所示。

图3 喷雾养护台车作业流程图

2.2 电气控制系统设计

2.2.1 电气控制要求

1)养护台车行走速度连续可调，以保证养护效果。

2)可以实现养护台车的自动往复行走，且往复行走次数可调。

3)养护水温保证与混凝土面的温差不能超过15℃。

4)当混凝土表面湿度低于设定下限值时养护台车自动启动养护。

2.2.2 电气动作逻辑

在设备启动养护前先要进行状态检测，当检测到混凝土表面湿度低于系统设定的下限值，且混凝土表面温度和养护水温的温差小于15℃时，设备才会启动养护，两个条件任何一个条件不满足设备都会自动禁止启动。

当检测到混凝土表面温度和养护水温的温差大于15℃时，设备会自动启动加热装置给水温加热，直到混凝土表面温度和养护水温温差小于10℃后设备才会启动养护。在养护过程中一旦检测到混凝土表面温度和养护水温温差大于15℃，设备会自动停机进行加热，直到温度满足条件后再次启动养护。图4 为电气动作逻辑图。

图4 电气动作逻辑图

一个养护作业周期完成后，设备会根据预设的停机时长自动停机（待机），待设定间隔时间度过后，设备将再次自动启动，检测养护里程内的混凝土表面湿度，当检测到混凝土表面湿度均值低于系统设定值后，设备自动启动喷雾养护；当检测到混凝土表面湿度均值在规定范围内，则停止喷雾养护，待下一个停机时间间隔完成后，设备重新启动，再次检测。

2.2.3 电气控制说明

养护台车的电气系统是按三相交流电源设计的，其电源电压为380V，频率为50Hz。

养护台车采用可编程控制器（PLC）、触摸屏与变频器通讯控制，可编程控制器、触摸屏和变频器电源分别为AC22V、DC24V 和AC380V。接触器的线圈电压为AC220V，中间继电器线圈电压为DC24V。可编程控制器（PLC）、变频器、接触器和中间继电器安装在电控箱内部，在电控箱面板上安装有触摸屏和控制按钮以方便控制操作。养护台车上装有行走电机、水泵、水箱加热棒、液位传感器、温度传感器、湿度传感器和限位开关。

3 台车结构有限元分析

养护台架选用材料为Q235，下部主骨架使用100mm×5mm 方管，拱架部分使用∅38mm×4mm 圆管和40mm×2mm 方管，台架结构示意图如下图5 所示。采用Midas 建模如图6 所示。

图5 台车结构示意图

图6 Midas建立模型

建模后添加边界条件及荷载。可变荷载：在台架中部加载100kg 力；永久荷载：永久荷载即结构自重，Midas 软件自动计算，系数取-1.2；荷载组合：1.2 倍永久荷载+1.4 倍可变荷载。

经过计算得出：最大变形10.1mm，满足刚度要求。

整体应力计算得：最大应力90.7MPa＜210MPa，满足GB 50017-2017《钢结构设计规范》要求最大应力[s]=210MPa。计算说明结构设计强度满足实际使用要求。

局部应力计算得：前部拱架最大应力90.6MPa，后部拱架最大应力90.7MPa。

采用Midas 屈曲分析模块进行稳定性分析，设置自重荷载为不变量，可变荷载为变量，其屈曲模态特征值如图7 所示，即在29.3 倍可变荷载的情况下会发生结构失稳状态，其特征值较大，稳定性较好。其失稳状态见图8 所示，拱架会发生侧部失稳。

图7 屈曲模态特征值

图8 拱架失稳状态示意

4 现场应用情况

2018 年6 月，首套设备运抵中铁隧道二处赤峰至喀左铁路CFSG-2 标，2018 年6 月开始安装，当月完成洞内安装及调试；2018 年6 月24日～2018 年11 月15 日为设备的现场试验阶段，在此期间对设备各部件功能进行了检验，共试验5 个月，设备共计完成34 个循环的喷淋养护作业，累计养护工长度约412m，喷雾养护台车在现场应用阶段整体运行状态良好，养护施工效率高，操作简单，可靠性、安全性高，能够满足铁路喷淋养护的要求（图9）。

图9 产品应用照片

如图10 所示，在整体数据的分布上，左侧喷雾养护对砌衬混凝土强度的提升效果最为明显，喷雾养护的拱顶位置效果次之，流水养护的右侧位置效果相对较差，其中左侧喷雾养护位置混凝土强度平均值为46.50MPa，右侧流水养护位置混凝土强度平均值43.59MPa，拱顶喷雾养护混凝土强度平均值为44.67MPa，左侧位置较右侧位置高出6.7%。结合现场工况发现，左侧位置喷雾养护最为均匀，拱顶位置由于气流扰动，雾化效果稍差于左侧，而右侧位置的流水养护均匀度不及拱顶及左侧，综上所述，喷雾养护对混凝土强度有明显的提升效果。

图10 天秀山隧道正洞二衬混凝土回弹强度折线图

5 结语

以方案设计—理论支撑—现场应用为叙述主线，重点论述了解决隧道二衬养护应用的主要思路与初步试用效果。通过自动喷雾养护台车的使用，提高了隧道二衬的养护质量，降低了劳动力的投入和使用，提高了现场的自动化施工水平，并且喷雾大大提高了水资源的利用率，节省了水的使用，产生了良好社会经济环保效果。在后续的研究或使用中，还需要在现场施工组织与设备配置方面做进一步优化、总结与探讨。