隧道自动养护喷淋台车的应用

王国举

(四川省铁路建设有限公司， 四川成都 610041)

目前我国大部分隧道施工衬砌混凝土仍采用人工养护，存在养护效率低、效果差等现象，导致混凝土脱水使得混凝土表面出现病害，影响隧道衬砌结构的耐久性和使用功能。隧道衬砌混凝土浇筑后的养护施工环节非常重要，因此隧道施工中引入自动养护喷淋台车来满足衬砌混凝土的养护需求，在我国隧道建设中非常实用。

章远方[1]研发了一种可对喷淋温度和湿度动态调整的智能化养护台车，该台车大大改善衬砌的养护质量。纪博林[2]研发了一种隧道衬砌智能养护台车，可通过智能面板实现养护数据曲线生成及报告，具备数据存储、输出以及远程控制等功能。李晶[3]研究了一种新型台车，其既可用于隧道混凝土的养护，台车搭建的平台又可用于隧道检测、注浆，实现台车的多功能化。霍建勋等[4]对一种智能养护台车的养护效果进行了研究，从衬砌的内外温差、碳化深度以及早期强度3个方面与传统养护方法进行对比，结果表明智能养护台车对提高衬砌质量有重要作用。周平等[5]研究了一种隧道二衬混凝土自动养护台车，可通过设置养护时间实现自动喷淋养护，同时不占用隧道内工作时间，为其他工程机械创造了有利条件。

本文以鲁昆山隧道和胜利隧道为研究背景，施工中引进了一种新型的隧道自动养护喷淋台车，用于对隧道衬砌浇筑面养护。该台车能用于各种隧道断面，操作方便简单，可重复进行使用，将大范围应用于各类隧道衬砌养护施工中。

1 隧道自动养护喷淋台车的构成

隧道自动养护喷淋台车结构组成包括主车架、侧面喷淋装置、顶部喷淋装置和中继器投放装置(图1)。

1.主车架；2.侧面喷淋装置；3.顶部喷淋装置；4.中继器投放装置。图1 隧道自动养护喷淋台车

1.1 主车架

主车架分为3个部分，包括前端车架、后端车架、顶部车架。其中水箱安装在顶部车架上端，行走机构与车架地端相连，利用行走机构上的滚轮在轨道上行走。其中行走机构包括轨道轮、电机和2条轨道，2块竖板底部的两端处分别转动安装轨道轮，2块竖板侧面底部的两端处均安装电机，电机主要为轨道轮提供动力。铺设轨道长度一般为36 m，可根据隧道环境进行适当调整，轨道也满足二衬台车和养护台车同时行走，减少工人劳动强度，增加轨道使用率。

1.2 侧面喷淋装置

侧面喷淋装置利用侧管与水箱连接，其中侧面支管中有多个喷淋软管，大大增加了喷淋的范围，并利用阀门装置控制喷淋的开启和水量的大小。

1.3 顶部喷淋装置

顶部喷淋装置位于主车架顶部位置，可以负责隧道拱顶上方的的衬砌养护，喷淋的水管主要为聚合材料管材，其内壁十分光滑而且不易漏水，可根据隧道断面形状进行仿形布置。主要喷淋喷头为可调节式，对喷淋范围及距离可适量调节。

1.4 中继器投放装置

中继器投放装置设于行走机构一侧，中继器传送装置包括框体、开门直线机构，框体内壁一端设有弹簧，弹簧阵列的一端有多个无线中继器，开门直线机构输出轴一端有挡板。

1.5 创新结构

现有台车采用2台驱动电机直接工频启动，很难做到电机启动同步，走行的控制精度不高；在坡度比较大的隧道，台车爬坡能力差，具有很大的施工局限性。该项目采用的新型自动养护喷淋台车，每个油缸的位移行程由安装在每个顶升油缸上的位移传感器转换成模拟信号，PLC采集到位移传感器的模拟信号后，通过程序转换成工程值，对前2个油缸的工程值进行比较，当偏差值大于10 mm时候，位移大的油缸停止运行，位移小的继续运行，当偏差值小于等于2 mm时，2个油缸同步运行。保证了在坡道上养护时台车能够稳定地运行，防止溜车和跑车，提高了安全系数和施工效率。

在台车控制面板上设置喷淋开始时间和结束时间进行自动化喷淋养护。台车利用主车架上的密闭机构将衬砌密封起来，喷出水蒸气进行养护，同时通过密闭机构中的温湿传感器获取温湿度数据，人工或自动控制喷淋装置调整水蒸气的喷入量，从而调节温度和湿度。

该新型隧道自动养护喷淋台车在传统台车控制方式的基础上进行改进，隧道自动养护台车喷淋台车的自动化控制系统采用PLC作为核心控制单元，设定台车的喷淋时间、行走距离以及喷淋水量。PLC控制器设置有水泵启动开关，开关开启，水泵工作，当储水箱水量不够时，补水感应器工作，水泵停止工作，警示灯开启提醒缺水。可通过手动或自动的方式进行控制，手动控制通过提前对控制面板参数设置，实现台车特定隧道段个性化喷淋；自动化控制采用拓展信息化模块，远程查看隧道台车的喷淋参数进行调整。

2 台车现场养护效果

2.1 衬砌强度测试

现场对隧道多个测点二衬混凝土养护后强度用回弹仪测量，按压回弹仪时保证与测量表面垂直，同一个测点一般测量16个回弹值，剔除最大和最小数据各3个，剩下测量值取平均值。回弹值测量完毕后，在相同位置钻取直径为15 mm孔洞，进行碳化深度测试，根据酚酞酒精溶液颜色的变化确定混凝土的碳化深度，现场在同一测点附近进行5次测量，并计算碳化深度的平均值。

现场对人工养护效果与自动喷淋台车养护效果测试结果对比如表1、表2所示。

表1 表面强度养护效果对比

在人工养护条件下，衬砌强度增长缓慢，28天仍未达到预期强度，后期稳定在25 MPa左右；采用隧道自动养护喷淋台车的二衬混凝土21天强度比人工养护提高6.7%，前期衬砌强度增长速度快，达到预期强度后基本保持不变。

在28天养护条件下进行隧道衬砌回弹值测量，结果表明：在人工养护条件下衬砌强度非常不均匀，预期强度上下最大浮动达到了9.6%；台车养护条件下衬砌强度基本保持在25～26 MPa，最大浮动不超过4.4%。

表2 衬砌强度回弹值测量 MPa

隧道衬砌经过自动养护喷淋台车养护后，衬砌混凝土强度发展快，表面强度均匀、基本无缺陷，碳化深度明显降低。结果表明，采用隧道自动养护喷淋台车进行衬砌的养护能明显提高衬砌质量和寿命。

2.2 衬砌裂缝测量

隧道衬砌汇总纵向裂缝的产生对结构安全性威胁最大，同时纵向裂缝占所有裂缝长度的比例最大。裂缝的发展部位分为拱顶、拱腰、拱脚和边墙。纵向裂缝通常发生在拱腰部位，占纵向裂缝总数的一半以上。如图2所示，在人工养护的条件下，纵向裂缝主要发生在隧道拱腰位置，裂缝长度在2～5 cm，衬砌表面成片麻、蜂窝状，衬砌病害率高，对隧道衬砌结构产生重大安全威胁。

图2 隧道衬砌裂缝测量

如图3所示，在隧道自动养护喷淋台车的养护作用下，混凝土外观质量得到明显改善，特别是表面干缩裂纹、片麻蜂窝状缺陷得到有效控制，无明显可见裂缝。

图3 台车养护衬砌表面

3 结束语

在鲁昆山隧道和胜利隧道中采用了一种新型隧道自动养护喷淋台车，其自动化程度高，可进行隧道衬砌全自动智能化喷淋养护作业。通过隧道养护效果测试，该台车的自动化喷淋养护可显著提高隧道衬砌强度，改善隧道衬砌混凝土的表观质量。该台车能使用各种隧道断面，操作方便简单，可重复使用，可应用于各类隧道衬砌养护施工中。