精确对位全自动衬砌台车研制探析

陈爱平

(成都工业职业技术学院， 四川 成都 610000)

现有衬砌台车下一环对位时，上一环混凝土还没有完全达到强度，在对位时，稍有不慎，就会把上一环混凝土压坏形成破损角。本论文通过采用测距报警及限位技术，在台车模板接近混凝土面的过程中持续测距并在距离较近时报警，雷达报警后，调节液压系统，降低油缸速度，缓缓靠近混凝土面，并在最终接触时，触发行程开关，操作台红灯亮，定位结束。通过使用精确对位全自动衬砌台车可以有效避免混凝土形成破损角的问题，从而提高施工单位的衬砌质量。

1 背景技术

二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌。在隧道的修建过程中，二次衬砌的质量是至关重要的质量控制点，对于岩层破碎或地应力较大的隧道尤其如此。从隧道的力学分析角度来讲，在隧道的开挖、支护以及衬砌中，围岩静力有一个十分复杂的逐步释放-约束-平衡的过程。因此，从某种程度来讲，隧道施工过程，就是一个隧道围岩力学平衡的一个从破坏到重建的过程。在这个过程中，根据围岩级别的不同，可以有选择性的使用锚杆、格栅、拱架、喷射混凝土、模筑（钢筋）混凝土等方式方法对围岩进行力和位移的约束，其中模筑（钢筋）混凝土通常就是讲的二次衬砌。与初期支护侧重于隧道的施工安全相比，二衬质量的好坏，更直接地关系到隧道的坚固性和耐久性。

目前我国隧道二次衬砌施工，除部分盾构或TBM施工的隧洞采用装配式衬砌以外，其余多数以使用衬砌台车现浇为主。考虑到衬砌台车的有效衬砌长度毕竟有限，实际施工过程中就存在着下一环台车就位与上一环混凝土的搭接问题。传统的搭接方式是由操作工人站在液压站操作平台上操作顶升和平移油缸，通过对台车模板系的上下左右移动来与上一环已衬砌完成的混凝土实现紧贴，由于隧道内光线差、噪音大，加之液压站操作平台和模板边缘距离较远，实际对位时难免出现对上一环混凝土过度挤压的情况。由于上一环混凝土刚刚模筑完成不久，混凝土还没有达到设计强度，在衬砌台车的过度挤压下，很容易形成破损角，进而威胁到隧道的衬砌质量以及后续的行车安全。这就需要解决传统衬砌台车普遍遇到的二次衬砌质量形成破损的问题，本次研制就应用而生。

2 精确对位全自动衬砌台车构造

2.1 研制精确对位全自动衬砌台车的目的

本研制的目的在于，研制出一种精确对位全自动衬砌台车，台车在传统的液压系统收支模的基础上，通过雷达测距和限位技术，实现衬砌台车环与环搭接时的精准对位，避免现有施工设备和施工手段造成的潜在的隧道二衬质量缺陷。

2.2 精确对位全自动衬砌台车的构成

精确对位全自动衬砌台车，包括顶模、两个侧模，其特征在于，其还包括测距系统、限位系统、操作面板以及模板移动控制系统。

1.精确对位全自动衬砌台车测距系统

精确对位全自动衬砌台车测距系统包括可视测距摄像头和雷达探头以及报警装置，其中可视测距摄像头布置在顶模顶点，雷达探头分布在两个侧模上；所述操作面板包括显示屏，其中可视测距摄像头和雷达探头均与显示屏相连，其可以将其图像或者数据显示在显示屏上。

2.精确对位全自动衬砌台车限位系统

精确对位全自动衬砌台车限位系统包括分布在顶模上的顶模限位开关和分布在侧模上的2个侧模限位开关。操作面板包括顶模限位指示灯和2个侧模限位指示灯；其中顶模限位开关与顶模限位指示灯相连，2个侧模限位开关与2个顶模限位指示灯分别相连。

3.精确对位全自动衬砌台车模板移动控制系统

精确对位全自动衬砌台车模板移动控制系统包括液压站、3组液压缸和3组液压阀，其中液压站和3组液压缸相连，3组液压缸分别与顶模和两个侧模相连，3组液压阀设置在 3组液压缸上并通过线路连接到所述操作面板上。

本次研制的精确对位全自动衬砌台车液压站设置有流量控制装置。

2.3 精确对位全自动衬砌台车的特点

精确对位全自动衬砌台车具有成本较低、结构可靠、操作方便、衬砌速度快、设计简单，自动化程度高，操控直观方便的特点。

3 精确对位全自动衬砌台车具体实施方式

下面结合实施图例具体说明精确对位全自动衬砌台车的结构。

如图1、2、3和图4所示，本次研制的精确对位全自动衬砌台车，包括顶模18、两个侧模19，其还包括测距系统、限位系统、操作面板10以及模板移动控制系统。

测距系统包括可视测距摄像头2和雷达探头1，其中可视测距摄像头2布置在顶模18顶点，雷达探头1分布在两个侧模19上；所述操作面板10包括显示屏16，其中可视测距摄像头2和雷达探头1均与显示屏16相连，其可以将其图像或者数据显示在显示屏16上。另外测距系统还可以设置一报警装置，在可视测距摄像头2和雷达探头1测得的距离在一定的范围内的时候就开始报警。

精确对位全自动衬砌台车所述限位系统包括分布在顶模18上的顶模限位开关4和分布在侧模19上的2个侧模限位开关5；而所述操作面板10包括顶模限位指示灯14和2个侧模限位指示灯15；其中顶模限位开关4与顶模限位指示灯14相连，2个侧模限位开关5与2个顶模限位指示灯15分别相连。

精确对位全自动衬砌台车所述模板移动控制系统包括液压站3、3组液压缸和3组液压阀，其中液压站3和3组液压缸相连，3组液压缸分别与顶模18和两个侧模18相连，3组液压阀11设置在 3组液压缸上并通过线路连接到所述操作面板10上。通常可以在液压站3设置有流量控制装置，其可以通过控制提供给液压缸流量来控制液压缸的运行速度。

隧道二衬是一个连续的施工过程，在上一环已完成衬砌混凝土7衬砌完成后，台车行走至下一环拟衬砌混凝土区间 6施工工位，台车就位后，操作平移液压阀11，调整模板系的水平角度，使得台车中线和隧道中线对齐。

然后，这时可以启动测距系统，即操作面板上的显示屏15点亮，雷达探头1和可视测距摄像头2开始工作，控制点距离信号和视屏信号传输至显示屏15上，这时可以操作液压阀11调整台车高度，使台车顶模18向上一环已完成衬砌混凝土7靠近，两者间的相对距离在显示屏15上连续更新显示，并有视频信号做直观补充，在距离低于一定安全距离时，测距系统开始报警，这时可以通过流量控制装置调节液压站 3的流量，从而降低与顶模连接的液压缸的运行速度，使其带动台车顶模18向上一环已完成衬砌混凝土7缓慢靠近。

在台车顶模18与上一环已完成衬砌混凝土7刚好紧密贴合时，顶模限位开关4触发，顶模限位指示灯14点亮，顶模定位结束。

同样分别操作与侧模相连液压缸的液压阀11，带动与侧模相连液压缸向上一环已完成衬砌混凝土7靠近，注意控制油缸运行速度，在最终侧模19与上一环已完成衬砌混凝土7刚好紧密贴合时，限位开关5触发，侧模限位指示灯15点亮，侧模定位结束。

标记：1-雷达探头；2-可视测距摄像头；3-液压站；4-顶模限位开关；5-侧模限位开关；6-下一环拟衬砌混凝土区间；7-上一环已完成衬砌混凝土； 10-操作面板；11-液压阀； 14-顶模限位指示灯；15-侧模限位指示灯；16-显示屏；18-顶模；19-侧模。