双跨大净空智能衬砌台车设计与应用

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450003）

二次衬砌是隧道内部重要的永久性支护结构，施工质量对隧道安全运营具有重要影响。衬砌台车是隧道二次衬砌施工的专用机械设备，其工作性能决定了衬砌施工质量，研发隧道二次衬砌新型施工设备，践行“工装保工艺、工艺保质量、质量保安全”的隧道建设理念，对减少二次衬砌质量缺陷具有重要意义。

针对高速铁路隧道二次衬砌施工装备和施工技术，国内外学者已有较多研究。目前，施工项目普遍使用的全液压钢模板衬砌台车结构复杂，净空小，强度、刚度及稳定性较差，虽经过一定程度上优化提升，但未能完全解决台车跑模、变形等问题。为解决台车净空小的问题，张军研究了无骨架模板台车，但模板与边墙搭接时极易产生错台；赵晓锋等人对衬砌台车定位、空洞监测进行了研究，姬海东对隧道数字化衬砌台车进行了研究与应用，并取得了一定的研究成果。

本文将以衬砌台车结构设计为出发点，同时采用自动化、信息化技术，研发大净空新型智能衬砌台车，重点解决衬砌台车净空小，混凝土浇筑、振捣质量差等技术难题。

1 双跨大净空智能衬砌台车设计

1.1 结构设计

双跨大净空智能衬砌台车采用两端支撑的门梁式结构，如图1 所示，简化了门架、底纵梁、斜撑杆件等，增大了底部净空；采用三角形稳定性原理，使模板系统与仰拱填充层形成三角形受力体系，将混凝土载荷通过模板直接传递至仰拱填充层，极大减小了门架载荷，为简化衬砌台车结构创造条件，如图2 所示。

图1 双跨门梁式结构

图2 模板底部支撑示意图

1.2 旋转对接式灌注系统

智能衬砌台车采用旋转对接式灌注系统，可实现混凝土带压入模。旋转对接式灌注系统由1支主管路与多支分管路组成，主管路一端与混凝土泵车连通，另一端通过旋转可与分管路分别对接，分支管路与拱墙、拱顶灌注窗口分别相通。混凝土可沿主管路、分支管路泵送入模板。主管路的旋转和对接动作分别采用液压马达和液压油缸驱动，具有自动化程度高、人工劳动强度低，混凝土入模质量高的特点，如图3 所示。

图3 旋转对接式灌注系统原理图

1.3 拱顶带压灌注

拱顶混凝土采用单斜孔一次完成灌注，单斜孔距已衬砌模板端头0.75～2m。拱顶灌注混凝土时，输送管内的混凝土先流向模板搭接端，然后反向挤压、推动顶模板内后续的混凝土向端头模方向涌动，实现拱顶带压灌注，可避免脱空、不密实等衬砌质量缺陷，如图4 所示。

图4 拱顶混凝土单斜孔灌注原理图

1.4 自动振捣系统

自动振捣系统主要由插入式振捣、附着式振捣组成，拱墙混凝土采用插入式振捣，拱部混凝土采用附着式振捣。

1.4.1 插入式振捣

插入式振捣由弹力滚筒、电缆线、插入式振捣器、导向环4 个部分组成，弹力滚筒固定在台车顶部上，导向环固定在模板腹板上，电缆线一端缠绕在弹力滚筒上，另一端穿过导向环与插入式振捣器相连，如图5 所示。插入式振捣器在弹力滚筒提拉作用下，上可收回至顶层作业窗口，下可拖拽至底层作业窗口。启动振动器电源开关即可开始振捣。

图5 拱墙插入式振捣

1.4.2 气动式振捣

拱部布置了4 排气动式振捣器用于混凝土振捣，如图6 所示。调节压缩空气压力和流量可调整激振力和振捣频率，严格控制振捣时间，可有利于实现标准化、自动化振捣。气动式振捣频率高，可避免与台车产生共振。

图6 拱顶气动式振捣器布置图

1.5 搭接防顶裂系统

搭接防顶裂系统分为“V”型槽零搭接和搭接监测系统两部分，联合使用可防止压溃施工缝混凝土。衬砌台车关模端的边缘设置有“V”型角钢，用于形成施工缝“V”型槽。混凝土搭接端的“V”型面上密贴有“V”型实心橡胶条，呈环形布置。衬砌台车立模时，模板边缘与施工缝对齐，形成零搭接，可避免压溃混凝土结构，同时密封效果良好，如图7 所示。

衬砌模板台车搭接端的左、右边摸起拱线和拱顶布置了3 个光电传感器，监测模板与混凝土的距离。当间距小于设定值时，系统自动报警，提醒操作人员缓慢移动模板，如图8 所示。

图7 “V”型槽零搭接原理示意图

1.6 混凝土灌注智能监测系统

混凝土灌注智能监测系统主要采集混凝土温度、实际浇筑量、浇筑进度，实现衬砌施工信息流通、融合，便于施工人员掌握施工动态，并及时调整。

1.6.1 混凝土温度监测

温度传感器固定在模板上，可检测混凝土入模温度和水化反应温度，防止温度异常产生衬砌质量缺陷。

1.6.2 实际浇筑量监测

实际浇筑量通过记录正向泵送次数，自动换算出混凝土实际浇筑量。对比分析实际浇筑量与三维激光扫描系统测算的浇筑量，可用于评估混凝土灌注饱满度状态。

1.6.3 浇筑进度监测

1）拱墙浇筑进度监测 利用现浇混凝土的导电性，拱墙采用液位传感器记录混凝土浇筑高度，有利于实现左右对称、前后均匀浇筑，确保衬砌台车受力均衡。

2）拱部浇筑进度监测 拱部混凝土采用带压灌注，可根据混凝土与隧道初支间的压力判断拱顶混凝土浇筑进度。拱部共设置3 条带状的模拟型压力传感器，布置在土工布与防水板中间，端头模一侧连接显示终端，如图9 所示。压力传感器有多个检测点位，显示终端上对应有多个指示灯，每个指示灯有红色、绿色，对应“未浇筑”和“已浇筑”两个状态。监测拱顶浇筑状态可同时避免拱部爆模和脱空，实现双赢，如图10 所示。

图9 拱部压力传感器

图10 浇筑状况监测界面

2 工程应用

目前，双跨大净空智能衬砌台车已经在郑万高铁、张吉怀高铁、昌景黄高铁等项目进行了推广应用，新型智能衬砌台车与传统门架式台车功效对比见表1。双跨大净空智能衬砌台车，施工效率高、衬砌质量缺陷少，减低了人工劳动强度和施工成本。具体分析如下。

1）采用双跨门梁式结构提高了30%隧道空间利用率，改善了隧道通风环境和行车条件。

2）旋转式对接灌注系统换管、清洗等工序平均用时3min，混凝土入模质量高，操作方便、工作可靠，2 人可完成混凝土灌注全序施工。

3）自动振捣系统降低了人工劳动强度，提高了混凝土振捣质量。

4）联合采用“V”型槽零搭接技术和搭接监测系统实现了立模过程控制、柔性接触、零搭接，从多维角度出发，系统性解决了施工缝开裂、掉块、麻面等质量缺陷。

表1 新型智能衬砌台车与传统门架式台车功效对比表

3 结语

隧道验收标准日益提高，建设速度逐渐加快，面对劳动力短缺、人工劳动强度大，施工质量难以控制的局面，急需研制新型施工装备，以适应隧道施工技术的发展需求。采用新技术、新原理，研制新型智能化衬砌施工装备，可有效解决当前矿山法隧道施工技术中遇到的诸多技术难题，为提高衬砌施工质量找到突破口。衬砌台车模块化、轻量化设计，振捣盲区消除，衬砌施工信息深度融合，将是今后研究的重点内容和方向。