高原高寒地区隧道二次衬砌智能化养护技术应用

陈芃

（青海建筑职业技术学院，西宁 810000）

1 隧道二次衬砌智能化养护技术应用的必要性

1.1 高原高寒地区交通运输的重要性

高原高寒地区通常位于交通要道或者连接着重要经济区域，交通运输系统的畅通与否直接关系到区域内外的货物运输和人员流动。然而，高原高寒地区的交通运输面临着独特的挑战，恶劣的气候条件和复杂的地质环境使道路和隧道建设难度加大。尤其是在高寒地区，低温、冰雪和霜冻对道路和隧道的结构和安全性产生了重要影响。此外，地势起伏、山洪泥石流等自然灾害也给交通运输带来了不可预测的风险。因此，确保高原高寒地区交通运输的可靠性和安全性是一个紧迫的任务。隧道结构的养护和智能化技术应用对于这一目标至关重要。通过科学合理的养护措施和智能化技术的应用，可以保障隧道结构稳定和安全，提高交通运输的效率和安全性[1]。

1.2 高原高寒地区隧道养护工作面临的困境

高原高寒地区的隧道养护面临着诸多挑战。（1）高原高寒地区的气候条件恶劣，气温低，寒冷的环境会导致混凝土的早期强度发展缓慢，延长了养护时间。（2）高原高寒地区的气候变化幅度大，温度变化剧烈。这种剧烈的温度变化可能导致混凝土表面应力集中，引起裂缝和组织损伤，影响隧道衬砌的稳定性和耐久性。（3）高原高寒地区的气候条件还可能导致落石、雪灾等自然灾害，给隧道养护带来额外的困难。

在高原高寒地区，对隧道养护的要求更加严格。（1）需要优化隧道衬砌的材料选择。考虑到低温下混凝土的强度特性，衬砌材料应具备较快的早期强度发展能力和良好的抗冻性能。（2）需加强温湿度控制。通过使用智能养护台车等设备，实现对温度和湿度的智能控制，提供适宜的养护环境，促进混凝土强度的发展。（3）需要采取适当的防护措施，保护隧道免受恶劣气候和自然灾害的侵害，如加强隧道出口的保护建筑物和排雪设施的建设等。

1.3 智能化养护技术的优势和应用前景

智能化养护技术在隧道养护领域具备许多优势，其应用前景极为广阔。（1）智能化养护技术能够提高养护效率和质量。通过使用智能设备和系统，如智能养护台车、自动控制系统等，可以实现对隧道养护过程的自动化和智能化管理。这将大大节省人力和时间成本，提高养护效率。智能化养护技术能够精确控制温度和湿度等关键参数，有效提升养护质量，减少养护缺陷。（2）智能化养护技术具备良好的可追溯性和数据分析能力。通过对智能设备、传感器等进行实时数据采集和分析，可以实现对养护过程的全面监控和数据记录。这些数据可以为养护工作提供宝贵的参考和依据，便于后续的质量评估和问题排查。（3）智能化养护技术还能够将历史数据和趋势分析应用于养护决策和预测，提高隧道养护的精准性和可预见性。

随着科技的不断进步和应用技术的不断成熟，智能设备和系统正在不断完善和更新。智能养护台车的应用已经在一些项目中取得了显著的成效，其在节约成本、提高效率和优化养护质量方面的优势逐渐被认可和接受。在未来，随着智能化技术的进一步发展，智能化养护技术有望在隧道养护领域发挥更大的作用[2]。

2 隧道衬砌智能化养护设备的结构和特点

2.1 智能化养护设备的结构和主要组成部分

隧道衬砌智能化养护台车是一种专门设计用于隧道衬砌养护的设备，其具体结构如图1 所示。（1）门架主结构是设备的主要支撑框架，负责固定和支撑其他组件，具有充分的强度和稳定性，以适应隧道养护的需求。（2）雾化系统是设备的重要组成部分，通过喷雾机将养护剂雾化喷洒到隧道衬砌的表面，以此实现养护剂的均匀喷洒，促进混凝土的早期强度发展。（3）加热系统主要通过加热元件（如电加热器）提供热源，以提高隧道衬砌的温度。通过适当的温度控制，可以加速混凝土的强度发展，并提供合适的温度条件，促进养护效果。（4）密封系统主要采用气囊密封的形式，在设备四周（前后两端、两侧边墙底部）形成封闭空间，这样可以在隧道壁和设备之间创建一个隔离环境，确保养护剂的作用能有效发挥，并防止温度和湿度带来的影响。（5）行走系统使设备能够在隧道内移动和操作，通常采用轮轨方式，具有灵活性和稳定性，适应不同隧道的地面条件。（6）智能温湿度控制系统是设备的核心部分，通过传感器和自动控制装置，实时监测、调控温度和湿度。根据设定的参数，系统可以自动控制养护剂的喷洒、加热和密封等操作，实现智能化的养护过程[3]。

图1 智能化养护设备结构示意图

2.2 智能化养护技术的特点

2.2.1 密封及加热效果好

隧道衬砌智能化养护设备具有优秀的密封和加热效果。在高原高寒地区的恶劣环境下，这一特点对于隧道衬砌的保护和养护具有重要意义。

1）隧道衬砌智能化养护设备采用气囊密封技术，能够在隧道壁和电加热系统之间形成封闭的密闭空间。该气囊密封系统可牢固地封闭隧道内外的空气，并防止外界湿气、灰尘和其他有害物质进入养护区域。通过这种密封设计，可以避免环境因素对衬砌混凝土的损害，提供稳定和洁净的养护环境。

2）隧道衬砌智能化养护设备通过加热系统能够精确控制隧道内的温度。高原高寒地区气温极低，有时会接近甚至低于冰点，这对新浇筑的混凝土衬砌的强度增长会产生不利影响。养护台车内置的加热系统能够提供恒定且适宜的温度，有利于混凝土的早期强度增长。通过合理调节加热温度，能够加速水泥的水化反应，促进混凝土的硬化和强度发展，提高衬砌的整体质量和稳定性。

良好的密封和加热效果是隧道衬砌智能化养护设备的重要特点之一。通过良好的密封设计，设备能够提供一个封闭的隧道养护环境，保护衬砌免受外界因素的侵害。同时，通过精确的加热系统，能够控制温度并加速混凝土的强度发展。这些特点有效提高了隧道衬砌的质量和稳定性，同时也延长了衬砌的使用寿命。

2.2.2 水源适应性强

在隧道衬砌智能化养护中，水源的供应是一个重要的考虑因素。智能养护设备具有水源适应性强的特点，能够适应不同类型的水源供应，确保养护过程中的水资源充足。

1）智能养护设备可以适应自来水供应。自来水是一种常见的水源，智能养护设备能够与自来水管网相连接，通过自来水供水系统进行养护作业。这样可以保证充足的水源供应，满足养护过程中的需要。

2）智能养护设备还可以适应井水或河水等非常规水源供应。在某些工地或地区，可能无法直接接入自来水供应，智能养护设备可以通过自带的水泵系统将井水或河水提供给养护作业所需的部位。通过采集、储存和利用非常规水源，智能养护设备能够有效解决水资源短缺的问题[4]。

2.2.3 智能化程度高

设备配备智能温湿度控制系统可以实现智能化控制和监测，提高养护效率和质量。（1）智能温湿度控制系统利用传感器和控制器，能实时监测隧道衬砌养护区域内的温度和湿度，实时反馈至控制器。（2）基于智能化的控制算法，控制器可以对温湿度进行自动调节和控制。根据预设的养护参数和标准，智能控制系统可以自动调节加热、喷雾等工艺，以达到理想的温湿度条件，确保养护过程中的温湿度稳定。（3）智能化温湿度控制系统还具备远程监测和远程控制的功能。通过网络连接，养护工作人员可以远程监测和控制养护设备的温湿度状态，提升养护工作的便利性和灵活性。

2.2.4 工况适应性强

在高原高寒地区的隧道衬砌智能化养护中，设备的工况适应性极为重要。智能化养护设备能够适应高原高寒地区的恶劣工况，具有良好的适应性和稳定性。（1）设备在结构上考虑了高原高寒地区的特殊情况，采用坚固耐用的材料，以抵御低温、寒风和高海拔等因素对设备的损害。结构设计考虑设备在极寒环境下的可靠性和稳定性，确保设备能够正常运行。（2）设备衬砌区域采用软性材料填充，能够实现快速充气和放气，适应不同隧道的断面变化。养护设备的行走系统采用轮轨式设计，通过以衬砌车同轨道的方式，实现快速对接养护。

2.3 隧道衬砌智能化养护工艺流程

隧道衬砌智能化养护工艺流程具体流程如下。

1）固定位置：首先将隧道智能养护台车设备停稳在预定的位置，确保设备养护空间内没有杂物，没有人员活动，确保操作的安全性和准确性。

2）气囊充气和辅助密封装置固定：接通送风开关，为台车上的气囊充气，确保气囊完全充气。充气完成后，检查气囊是否完好无损，如果发现漏气或破损处，及时进行修补。同时，下放辅助密封装置并固定，通过压紧周向密封帘，确保养护区域的封闭效果。

3）启动养护：按照预设的养护参数和养护模式，启动隧道智能养护台车设备进行养护。设备具备加温、保温、保湿、加湿等功能，可根据实际情况进行调节。养护期间，定期对养护区域的温度、湿度等参数进行监测和调整，确保养护效果达到要求。

4）检查并记录：每隔一段时间，对养护区域进行检查和记录。检查养护台车设备以及养护区域的状态，包括气囊、密封装置、加热系统等，确保设备和系统的正常运行。同时，记录养护期间的运行情况和养护效果，以便后续分析和调整。

5）停止养护：当达到预设的养护时间或养护目标时，通过触摸屏等操作界面，停止隧道智能养护台车设备的养护工作。此时，设备将停止加热、保温等功能，并进入停止状态。

6）排气和收紧辅助密封系统：断开送风开关，接通排风开关，使养护区域内的气囊排气，确保气囊内空气完全排净后，再断开排风开关。同时，收紧辅助密封系统，并进行固定，确保密封效果和安全性。

7）关闭电源：按下遥控器上的急停按钮，关闭遥控器的电源。然后，依次断开负载隔离开关和电源刀闸，确保设备的电源完全切断，确保操作的安全性[5]。

3 结语

隧道的二次衬砌是确保隧道结构安全和稳定的重要组成部分。然而，在高原高寒地区，由于极端气候和地质条件的影响，二次衬砌常常会面临冻融循环、温度变化、地下水渗透等问题，导致结构的破损和劣化。因此，针对这些问题，研究和应用二次衬砌智能化养护技术十分必要。通过智能化的监测和预警系统，可以及时发现和处理隧道二次衬砌的问题，提高结构的安全性和稳定性。随着技术的不断进步和创新，隧道养护领域将迎来更多智能化的应用，为高原高寒地区的交通运输提供更加可靠和安全的技术支持。