隧道衬砌养护台车设计及研究

章远方

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 项目概况

隧道病害是一个世界性、综合性的难题，导致病害的原因也是多种多样的。近年来，国内外铁路运营隧道由于隧道衬砌病害相继出现了数起危及行车安全的事故[1]。1999年6月27日，日本福冈县境内一座隧道内重达200 kg的混凝土掉块砸在高速行驶的列车上，严重危及列车运营安全。2001年10月，达成铁路某隧道内出现大范围掉块，2001年12月，宝中线清凉山隧道出现衬砌掉块。这些衬砌病害都险些造成严重的行车事故，危及铁路运营安全[2]。所以，为保证铁路隧道运营安全，提高隧道衬砌施工质量，降低病害发生率，针对隧道衬砌混凝土养护技术的研究尤为重要。导致隧道衬砌病害的原因是多种多样的。例如，地质原因，隧道施工时，一般会对岩体造成一定的损害，导致衬砌自身周围环境不够稳定，在自然侵蚀的作用下，压力逐渐增强，导致衬砌开裂；设计原因，设计人员未能根据现场地质条件及时变更设计。本文主要涉及衬砌施工时对衬砌混凝土进行早期养护。

国内运营的铁路隧道开裂、腐蚀以及掉渣掉块的病害多发，原因主要有以下几方面:施工时混凝土浇筑压力不够形成拱顶空洞；混凝土振捣不密实，衬砌质量不过关；衬砌混凝土因养护不到位导致混凝土强度低；施工中对隧道衬砌施工设备监管不到位，对于衬砌台车没有统一的标准执行，刚度弱、振捣不合理、形式多、问题多；隧道衬砌混凝土养护没有制定养护工序和标准，没有相关的养护设备，对隧道衬砌的质量带来很大隐患[3-7]。

隧道衬砌混凝土的早期养护是养护过程中的重中之重，其养护质量直接影响后期隧道混凝土的强度与耐久性。混凝土养护的影响因素是多种多样的。秦磊等[8]研究出一种用于隧道衬砌养护的喷雾养护装置；石迎新[9]提出并研发了一种蒸汽覆模养护技术；苏扬等[10]主要对蒸养制度对混凝土早期强度发展进行了研究；何伟等[11]主要研究了早期高温养护对混凝土后期宏观性能的影响。隧道衬砌混凝土施工时，及时对施工后的混凝土进行养护尤为重要。所以为提高隧道衬砌施工质量和使用寿命，研究出一套养护专用设备和养护规程尤为关键。

2 隧道衬砌养护台车

目前，在国内隧道施工中，衬砌养护一般采用自然养护，极个别项目采用简单的喷水养护处理。上述养护方法受外界环境以及人为因素影响较大，养护效果不佳，难以保证衬砌的质量和使用寿命。为了解该难题，铁路总公司开展《铁路隧道衬砌质量控制技术与装备研究》等相关研究。通过对现有国内外隧道衬砌混凝土浇筑技术和养护技术的研究，结合现场施工工况，研发出一种专用的隧道衬砌养护设备，通过工程实践和总结，最后形成一套隧道衬砌施工标准化施工装备和施工技术，并编制一份隧道衬砌混凝土养护的相关标准。

依托新建京张铁路某隧道工程，研发出一种用于隧道衬砌养护的专用机械设备。该设备能够实现养护区域内温度、湿度智能控制，满足衬砌养护对于温度和湿度的要求，从而提高隧道衬砌养护质量。

2.1 隧道衬砌智能养护台车结构组成

隧道衬砌智能养护台车整体结构设计为门架形式，主要由主结构、外拱、加热系统、密封系统、雾化系统、智能温湿度控制系统等组成，见图1。

图1 隧道衬砌智能养护台车结构组成

(1）主结构为整车的中心受力部件，由上部支撑结构及走行驱动系统组成。上部支撑结构采用型材焊接，走行驱动系统为养护台车向下一个工作面推进提供行动力。

(2）外拱采用折线形设计，为型材焊接结构，布置于主结构外侧，与主结构之上部支撑采用螺栓连接。

(3）加热系统采用定制的防水、耐高温(300℃）、耐强酸强碱、阻燃隔热保温的工业级电加热装置，在外拱外侧分区域实现加热，并于每个区域设置独立温度传感器，通过控制器实现智能温度控制，其中恒温区域可根据实际使用需求进行设定。

(4）密封系统设置于外拱前、后两端及底部，密封系统的应用使养护区域处于一个相对封闭的空间，为养护台车温度、湿度控制提供保障。

(5）雾化系统采用5～10 μm级雾化喷头、不锈钢高压流体输送管道等实现区域雾化，并通过湿度传感器将数据传送至控制器，以达到智能养护湿度。

(6）智能温湿度控制系统是养护台车的核心部分，由温湿度控制器、传感器和加热加湿部分组成，其对养护区域内温度、湿度可实现智能控制与调节。

2.2 隧道衬砌智能养护台车技术参数

台车尺寸:13 m×12.1 m×8.4 m

台车行走轮中心距:8 m(与衬砌台车共轨）

台车行车道净空:4.55 m

行走速度:10 m/min

智能温控系统:温度数显、实现自动控制、可导出温度曲线、生成报表等

雾化系统:实现湿度80%以上

总功率:90 kW

3 结构安全分析

采用有限元软件MIADS/Civil对养护台车进行整体建模分析。在建模时各结构主要采用梁单元，在4个支撑点施加全约束。主结构采用梁单元建模，由于加热层质量较小，可忽略不计。隧道衬砌养护台车有限元模型如图2所示。

隧道衬砌养护台车变形云图如图3所示。

图2 隧道衬砌养护台车有限元模型

图3 隧道衬砌养护台车变形云图

隧道衬砌养护台车应力云图如图4所示。

图4 隧道衬砌养护台车应力云图

梁单元应力最大为27.6 MPa，出现在4个支点处，结构受力满足要求。

4 隧道衬砌智能养护台车应用

隧道衬砌智能养护台车设备包含两组台车，施工时紧跟衬砌浇筑模板台车，前端第一台具备加升温、保温、保湿功能，第二台具备保温、加湿功能。隧道衬砌养护台车在隧道内位置如图5、图6所示。

图5 隧道衬砌养护台车

图6 隧道衬砌养护台车摆放位置

隧道衬砌智能养护台车四周(前后两端、两侧边墙底部）采用气囊密封，在隧道壁和电加热系统之间形成一个较为密闭的养护空间，这种密封方式密封效果好，加热效率高。如图7、图8所示。

图7 隧道衬砌养护台车横向密封

图8 隧道衬砌养护台车纵向密封

隧道衬砌智能养护采用微米级雾化加湿，利用5～10 μm雾化喷头、不锈钢高压流体输送管道实现区域雾化，并通过湿度传感器将数据传至控制器，以达到养护湿度智能控制。雾化系统配备加热设施，通过操作界面控制喷出雾化水的温度，从而使雾化水和衬砌混凝土温差较小[12]。养护台车喷出的雾化水效果见图9。

图9 隧道衬砌养护台车雾化效果

隧道衬砌智能养护设备智能化程度高。智能温湿控制系统是养护台车的核心，由温湿度控制器、传感器和加热加湿部分组成，对养护区域实现智能控制与调节，降低人为原因的影响。该智能控制系统具备数显、自动生成曲线、报表、数据保存和输出等功能，可实现移动终端APP的远程在线控制。

养护台车温度在线监控系统见图10。温控系统能记录各个传感器的实时温度，并能导出温度曲线。可生成报表并打印。该系统实时显示24路温度，3路湿度的数据，支持数据导出打印，支持报警数据查询，可控制24路继电器输出，软件可以实现手动和自动开启电热毯的功能，现场以24个电热毯做为控制对象，分升温和降温两个部分，每个部分分为6个阶段来实现，每个阶段可以自由设定需要控制的温度值和保持恒温的时间。

图10 隧道衬砌养护台车温度在线监控系统

通过预埋传感器，测量出隧道衬砌拱顶和拱腰混凝土芯部温度变化曲线，如图11所示。

图11 隧道衬砌芯部温度养护时间变化曲线图

衬砌智能养护台车养护与隧道自然养护效果检测对比见表1、表2。

表1 表面强度养护效果对比

表2 碳化深度养护效果对比

隧道衬砌经养护后，表面强度提高百分比达到预期，碳化深度明显降低。结果表明，采用隧道衬砌养护台车进行衬砌的初期养护能够有效提高衬砌质量和寿命。

5 养护台车关键技术

(1）自动化程度高

智能温湿度控制系统是养护台车的核心部分，由温湿度控制器、传感器和加热加湿部分组成，其对养护区域内温度、湿度可实现智能控制与调节，减少人为干预。该智能控制系统具备数显、自动生成温度曲线、报表、数据保存与输出等功能。

(2）密封系统适应性强，操作简单可靠

隧道衬砌养护区域采用气囊密封，实现快速充放气，一方面采用软性材料密封可适应隧道断面变化；另一方面操作简单方便，工人操作易掌握。

(3）快速就位

隧道衬砌养护台车采用轮轨走行方式，轨距和现场施工衬砌台车相同，可实现与衬砌台车共轨，减少轨道数量。衬砌台车在最前方进行施工，后方紧跟两台养护台车，这样当衬砌施工完成时，养护台车快速就位，及时对混凝土进行养护。

6 结束语

隧道衬砌养护台车属于国内首创，并成功地在京张高铁某隧道内应用。通过工程实践，并与传统养护方式对比，采用隧道衬砌养护台车控制混凝土养护时周围的温度和湿度，能够提高衬砌混凝土表面强度，并有效地降低了碳化深度，从而提高隧道衬砌养护质量。隧道衬砌养护台车逐步地推广应用和铁路隧道相关养护规程的逐步实施，将大大提高隧道衬砌施工质量，并且对穿越昼夜大温差地区隧道衬砌养护具有一定的指导意义。