智能化台车设计及其在公路改扩建工程中的应用研究

摘要：为有效提升施工智能化水平和施工质量，在现有常用台车的基础上，对多个模块进行优化改进，引入智能化监测、检测系统，主要包括混凝土灌注监测、混凝土振捣管理信息系统、衬砌台车定位监测系统、智能防脱空检测系统和台车可视化快速封堵模板等。将其成功应用在深圳某高速公路改扩建工程中山岭区隧道施工中，取得了较好的工程施工效果，相关成果可以为以后类似的工程提供参考。

关键词：智能化台车；模块优化改进；施工效果

0 " 引言

衬砌台车作为隧道施工中的专用设备，其主要作用是在隧道施工中，通过模板系统、液压系统、行走系统和控制系统[1-3]为隧道内壁提供支撑和成型的模板结构，帮助工人进行混凝土衬砌板的安装或喷射混凝土的施工。通过机械化操作，衬砌台车不仅可提高施工效率和质量，降低工人的劳动强度和施工风险，还可确保隧道衬砌过程的精确和顺利进行。

传统衬砌台车的优点包括结构简单、成本较低以及维护方便，适用于不太复杂或条件相对较好的隧道施工环境[4-6]。然而其缺点也显而易见，其中包括操作相对依赖人工，自动化程度低，施工效率和精确度相对较差，易受到人为因素影响，适应复杂隧道条件的能力有限[7]。

本文以深圳某高速公路改扩建施工过程中的穿越山岭区隧道为研究背景，设计了一种智能化的台车。该台车是在现有常用台车的基础上，对多个模块进行优化改进，引入智能化监测、检测系统。将其成功应用在深圳某高速公路改扩建工程中山岭区隧道施工中，工程施工效果良好。

1 " 智能化台车设计方案

1.1 " 混凝土灌注监控系统

混凝土的灌注过程对隧道二衬的质量具有决定性的作用，并且灌注过程中混凝土的状态也会实时发生变化，完全依靠工人难以对混凝土的状态进行测量和记录。因此本文设计了智能混凝土灌注监控系统，其功能包括拱顶压力监测、混凝土的入模温度监测及混凝土的流量监测。监测系统如图1所示。

本文研发的智能混凝土灌注监控系统特点如下：该监测系统属于复合功能型设备，可以对于拱顶压力，混凝土的入模温度，以及混凝土的流量进行同时监测；可以保护台车，防止混凝土灌注过程中压力过大，造成台车变形；采用高精度的热电偶，能够精确监测混凝土的入模温度；可以同时监测混凝土的瞬间流量和累计流量；能够对混凝土的灌注数据进行信息化存储。

1.2 " 混凝土振捣管理信息系统

隧道在衬砌施工过程中经常会使用振捣设备。若振捣设备强度不能调节、可视化程度低等原因，会导致衬砌材料未能达到理想的密实度和强度，进而可能影响隧道结构的整体质量。本文研发的混凝土振捣管理系统可以与台车上的振捣设备配合使用，实现振捣设备的可视化管理。操作系统如图2所示。

该系统的特点如下：拥有屏幕动态显示功能，可对振动时间全过程进行记录，避免漏振；振捣器只需按下开始按钮即可，操作方便；所有按钮开关都采用低电压，操作安全；可对多个振捣器的振捣时间进行统计，避免过振，保护台车；拥有数据记录打印、数据拷贝功能。

1.3 " 衬砌台车定位监控系统

隧道衬砌环向施工缝被台车压裂已成为衬砌主要缺陷之一。为解决隧道台车在使用过程中靠经验感觉去定位的问题，设计了衬砌台车定位监控系统。该系统更加智能，可有效地避免台车压裂混凝土，以及混凝土灌注过程中下降过大造成混凝土缺陷。

该系统其特点如下：安装方便，布线较少，能够尽快的投入使用；通过高精度位移传感器精调定位，保证台车模板压紧混凝土衬砌表面，避免压裂衬砌混凝土；可以实时监测模板台车与衬砌的距离变化，当台车台车与衬砌的距离达到设定阈值时报警提示，指导控制混凝土的灌注；根据不同点的报警程度，可检测出台车模板的变形程度，便于及时对台车进行整形和再加工；监测的数据可实时屏幕显示，便于数据拷贝，对异常数据可通过声光报警提醒施工人员。

1.4 " 智能防脱空检测系统

隧道拱顶初支面是凹凸不平的，同时拱顶衬砌施工属于隐蔽施工，当衬砌混凝土浇筑至拱顶时，无法通过目测来判定混凝土是否填满凹陷部分。若混凝土未填满，拱顶就会出现空洞，从而严重影响隧道衬砌的质量，造成安全隐患。为了防止出现类似状况，针对该台车设计了智能防脱空检测系统，如图3所示。

智能防脱空检测系统除了具有普通预警的功能外，增加了智能部分，可在屏幕上显示报警状态，具有打印和数据记录等功能。该系统结合台车排气、注浆装置，将单导线探头从注浆、排气口位置探出，用于测量混凝土的填充状态。在报警装置上共设置5组预警点。利用液位继电器工作原理，当衬砌混凝土浇筑至拱顶最高点时，声光报警器报警，从而提醒作业人员根据堵头浇筑情况综合判定混凝土浇筑结束时机。

1.5 " 台车可视化快速封堵模板系统

本文研发的台车可视化快速封堵模板主要是针对现有木模板封堵耗时、密封性不好、浪费材料，钢模板笨重和隧道衬砌台车封端模施工效率低等问题。主要是利用快速升降模板与可视垫块组合顶升挤压聚氨酯垫块，实现台车开放端的快速封堵和拆卸。

1.5.1 " 结构组成及功用

快速升降模板采用双向丝杠设计双速升降，以实现封堵和拆卸。多连杆支撑用于提升机构的稳定性和牢固性。模板顶升高度为14cm，加上自身高度后总计封堵高度为28cm，封堵厚度选择性大，从而大大减少垫块的使用数量。可视垫块组合为透明合金塑料材质，在二衬混凝土浇筑过程中，通过可视合金方格垫块直观观测混凝土的浇筑情况，判断混凝土的状态、质量以及剩余浇注方量，精准管控、杜绝浪费，从而提升施工质量。

1.5.2 " 施工方法及优势

台车可视化快速封堵模板与二衬台车的翻转钢模板配合使用，自上而下安置顺序为：翻转钢模板-中间止水带-快速升降模板-可视化双层合金垫块-可视化单层合金垫块-弹性垫块-背贴止水带。根据翻转钢模到围岩的厚度适量添加垫块，如翻转钢模到围岩的高度为30cm时，可选用快速升降模板（顶升高度21～24cm）+可视化单层合金方格垫块（厚度5cm）+弹性垫块（厚度4cm）。安装完后再通过加固格栅板与台车翻转钢模组合，防止混凝土将升降模板与垫块挤出，实现台车开放端的快速封堵。台车可视化快速封堵模板如图4所示。

快速升降模板安装过程中只需要一把电动棘轮便可快速升降拆装，单块模板安装时间在30s以内。快速升降模板上下通过连杆连接，在拆卸过程中能使模板与混凝土快速分离。弹性垫块具有可压缩性，遇上钢筋或开挖不平可通过顶升挤压弹性垫块实现无缝封堵。可视化垫块能实时观测混凝土浇筑状态。其整体机构强度高，可靠性好。

1.6 " 衬砌模板台车附属部件

1.6.1 " 混凝土浇筑布料系统

模板台车布料系统主要包括混凝土泵、送料管、布料小车以及布料台架。布料台架上设置有轨道，布料小车在轨道上移动。混凝土泵通过送料管与布料小车连接，所述送料管与各注浆口相对应，可实现快速的移动与对齐，操作简单、省力。混凝土浇筑布料系统结构结构如图5所示。

为实现混凝土的快速、稳定、连续浇筑，新型衬砌台车实现混凝土带压灌注，台车两侧混凝土均匀分料，有效解决了混凝土不均匀浇筑等施工难题。

1.6.2 " 混凝土计量系统

混凝土流量监测是通过统计混凝土输送泵的工作次数来计算浇注量。具体实施方式如下：在输送泵的摆缸位置安装传感器，摆缸每动作一次，传感器给可编程逻辑控制器一个计数信号；可编程逻辑控制器统计泵送次数，与单次泵送量进行数学计算，进而计算出总的输送量。

2 " 工程应用

深圳某在建高速公路工程呈东西走向，路线长度4.165km。工程地质条件复杂，需穿越多段现有的山岭区。山岭隧道所在的区域为丘陵山区，地形起伏较大，地形陡峻，围岩节理裂隙极发育，岩体破碎，隧道的入口和出口处围岩存在易坍塌地层，对隧道开挖的围岩稳定性影响较大。新建隧道的地层分类主要为冲洪积层、坡残积粉质粘土、侏罗系砂岩。

3 " 施工效果

该工程采用的智能化台车形状和隧道截面一致，为全断面拱形台车，台车高度12.1m，跨度20m，每模施工12m。施工完成后检查发现，隧道内部的结构完整，没有明显的裂缝、脱落或变形。隧道衬砌表面平整光滑，无明显的凹凸不平或损坏。通过持续的监测可知，隧道内没有渗水现象，特别是衬砌接缝和裂缝处无明显的水迹。隧道内部的排水沟和排水管道畅通无阻，排水口无堵塞情况。

智能化台车的优势不仅体现在施工质量提升方面，也体现在工期和经济效益方面。采用智能化的台车进行施工，将工期从原先的设计方案的15个月缩短至13个月24天，缩短了一个多月的工期，带来了显著的经济效益。

4 " 结束语

本文以提升隧道工程施工智能化和施工效率为研究目标，设计了一种智能化的台车，主要包括混凝土灌注监测、混凝土振捣管理信息系统、衬砌台车定位监测系统、智能防脱空检测系统和台车可视化快速封堵模板等。利用深圳某实际隧道工程对智能化台车的施工效果进行验证，结果表明该台车可以明显提高施工效率，节省工期，且隧道衬砌表面平整光滑，无明显的凹凸不平或损坏，符合工程施工要求。

参考文献

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