隧道衬砌养护台车智能养护系统研究

2020-07-16纪博林

国防交通工程与技术 2020年4期

纪博林

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 隧道衬砌养护的必要性

水泥是一种水硬性无机胶凝材料，是组成混凝土的重要组成部分[1]。混凝土浇筑后，如不及时进行养护，混凝土中水分会蒸发过快，形成脱水现象，使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化，无法转化为稳定的结晶，缺乏足够的粘结力，从而会在混凝土表面出现片状或粉状脱落[2]。因此，为提高混凝土浇筑质量，后期的养护至关重要，尤其是混凝土养护期间的温度和湿度控制[3]必须到位。衬砌混凝土养护的目的是为混凝土提供适宜的硬化条件。隧道衬砌混凝土浇筑完成后，如不及时进行养护，会因胶凝材料水化不充分、衬砌内外温度差和混凝土干缩等原因产生裂缝[4]。目前，在国内隧道施工中，衬砌养护一般采用自然养护，此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。

2 隧道衬砌智能养护台车介绍

京张高铁八达岭隧道，采用添加粉煤灰和石粉的现浇高性能混凝土二次衬砌[5-6]。为提高衬砌混凝土施工质量和使用寿命，需要为衬砌混凝土提供一种温度和湿度相对可控的养护环境，使衬砌混凝土达到最佳的养护效果。

2.1 结构组成

隧道衬砌智能养护台车是一个可以自动或人工操控行走的，具备喷水、探测、调节、通信等各种功能的综合性平台，主要由门架主结构、外拱、走行系统、加热系统、密封系统、雾化系统、智能温湿度控制系统等组成，如图1所示。其中，门架主结构需考虑隧道内通风管的布置和隧道内物流通道。

图1 隧道衬砌智能养护台车三维效果图

2.2 现场应用情况

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[7]。养护台车采用跟随梯次配置模式，其在隧道内位置如图2所示。衬砌台车在最前方进行施工，后方紧跟两台养护台车，第1台具备升温、保温、保湿功能，第2台具备保温、保湿功能。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。这样，衬砌混凝土在硬化过程中，养护台车为衬砌混凝土提供了一个温度和湿度相对可控的环境，避免混凝土因温度或湿度不宜造成开裂、掉块等病害，提高了衬砌混凝土的使用寿命。养护台车在隧道内进行养护作业见图3所示。

3 智能温湿度控制系统设计

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，可以实现对养护区域的智能控制与调节，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。养护台车温湿度控制系统具备以下功能：①系统无线自动定时数据采集、保存、上传；②根据工艺设定温度；③系统自动温度数据处理及数据异常报警；④温度时间曲线报表输出；⑤温度数据日最大值、最小值及平均值输出；⑥历史数据保存及查询；⑦数据库记录可编辑；⑧能自动控制蒸汽阀门实现自动化蒸汽养护。

3.1 温度控制系统工作原理

该系统由一台中央控制器(工控机、PLC)接收到无线采集温度数据，经PID控制算法与系统设定的工艺参数进行比对，输出相应的指令控制模拟量的大小控制相应电磁阀实现自动化的控制，自动控制原理见图4所示。

图4 隧道衬砌养护台车温湿度控制系统

养护台车温度在线监控系统见图5所示。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个电热毯作为控制对象，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。