智能衬砌台车在川藏铁路隧道施工中的设计与应用

马利

一、工程概况

川藏铁路东段于2018年底正式交付使用，当年即通车运行。川藏铁路东段（成都至雅安段）于2018年12月28日开通运营；西段（拉萨至林芝段于2014年12月19日开工建设， 2021年6月25日开通运营；中段（雅安至林芝段）是川藏铁路建设最为困难的一段，隧线比高达83%共有隧道72座，长度约838km，堪称“高原地铁”。

二、川藏铁路隧道主要设计原则

川藏铁路建设项目的设计严格的遵照“科学技术引领、重视环境持续发展、安全智能施工”，基于此原则开展现代化智能衬砌台车在川藏铁路建设工程项目中的研究分析。

1.隧道选址

尽可能避开不良地质条件路段，降低对隧道施工的影响，以保证实际施工的质量与安全性。

2.隧道分、合修

通过对国内外大型隧道建设项目进行分析，收集到228个既往施工案例，其中隧道长度超过10km的案例数量为191座；隧道长度保持在10～15km的隧道基本上都是以合修为主，该部分比例占比占调研总数量的94%。

3.隧道支护结构

结合川藏铁路隧道建设工程的实际地质条件与施工环境特点来看，结合实际情况提出了“超前维护、爆破开挖、高性能支护、安全储备、控制变性”的设计理念，此外，还应当结合大型机械施工特点，隧道工程的支护结构应当与施工机械设备相互匹配协调，以保证工程项目得以顺利竣工。

三、智能衬砌台车总体设计与应用

1.总体设计

（1）总体施工方案

应当对传统的设计理念进行优化，将横梁与纵梁设计为矩形桁架结构，以保证衬砌台车的整体稳定性与安全性。适当拓宽作业空间，相较之传统的衬砌台车而言，无骨架台车作业空间的实际使用率增长了60%，整体结构的稳定性提升了40%，原材料周转率提升了40%。在满足项目实际需求的前提下采用分层浇筑，顶柱部位应该采用气动式振捣、智能化控制，同时对浇筑作业完成以后的评估标准、拱顶部位的防脱空技术、施工过程检测系统、质量管控标准、混凝土浇筑的质量缺陷进行严格把关。

（2）自动布料带压浇筑系统

利用先进的自动化旋转布料设备，借助输送管道、输送泵完成混凝土的分仓浇筑。可以有效地满足分层浇筑的施工要求，自动化完成布料作业，实现360°旋转布料。浇筑系统使用的是液压旋转驱动，主管路直接与油缸进行连接。

2.智能衬砌台车应用分析

（1）拱顶浇筑设计

拱顶部位的混凝土可以直接利用灌注孔完成浇筑。为了确保拱顶部位混凝土浇筑部位的精准性，一般都是将灌注孔设置在拱顶部位最高位置，两侧的顶板都存在灌注孔，可以有效地保证混凝土浇筑完成以后的饱满度。

（2）带模注浆施工

①安装RPC管：从定位法兰中试穿RPC注浆管，标记和测量传入的长度。

②RPC注浆管管口制作，切除RPC注浆管多余长度，并在端头切割“十字”溢流槽，深度5mm，宽度3mm。

③安装RPC注浆管，溢流槽端朝上，紧贴防水板或初支面，安装RPC注浆管的固定法兰。

④注浆：a.注浆顺序为，由主注浆孔（即靠近上一板二衬的注浆孔）向台车端膜2号、3号注浆孔依次进行注浆，4号孔为备用；b.当下一个注浆孔出浆，且与制浆桶浆液密度一致时，则更换至下一个注浆孔，依次类推；c.当注浆压力表达到1MPa时，直接跳转至下一个注浆孔；d.各孔注浆结束，当台车端膜最高处出浆，且与制浆桶液密度一致时，则可结束带模注浆；e.每孔结束注浆后，要关闭止浆阀门。

（3）振捣系统

拱顶部位的混凝土浇筑完成以后应当使用柱塞式振捣棒进行振捣作业，可以有效地实现自动化振捣作业，在拱顶部位设置多排气动式振捣装置，结合施工需要合理地设置振捣时间，保证混凝土振捣密实。

（4）施工缝搭接研究

衬砌台车接缝应当选择使用V型零搭接方式进行施工；V型领零搭设备施工较为简单便捷，不需要在设置临时模板搭接区域，可以有效地消除施工过程中的薄弱环节，实际搭接过程中，可以使用V型橡胶条将施工缝压成V型斜面，缓冲冲击压力，确保施工缝不会被压毁，且还可以保证不会出现施工质量缺陷。此外，能够有效地保证搭接部位连接的密实性，混凝土浇筑过程中不会出现漏浆现象，在一定程度上保证了混凝土的浇筑质量。

（5）拱顶防脱空控制系统

拱顶部位的防脱空检测是依靠装置在防水板后侧的传感器来完成的，传感器按照800m的间隔设置传感带，当混凝土浇筑至最高节点时，传感器会在混凝土浇筑过程中受到挤压而发出信号，一旦信号发出那么控制系统的显示灯则会由红色转变为绿色，当指示灯转变为绿色则可以判定出混凝土浇筑比较饱满，达到规范要求。

（6）自动检测系统研究

自动检测系统是依靠PLC组件来完成控制，该系统集成了混凝土浇筑进度检测、混凝土浇筑状况检测、拱顶压力加测、混凝土温度检测、拱顶防脱空检测等功能。

（7）快速信息评估与控制系统

控制系统可以有效地改善传统混凝土浇筑过度依赖施工经验的弊端，借助拱顶部位预留的注浆孔对混凝土浇筑的状况进行判断，假若注浆孔作业过程中，并未完全将岩壁封堵，那么则有一定的可能性会出现拱顶空洞现象。先进的衬砌台车使用的是信息化手段，第一次对拱顶部位混凝土浇筑完成的控制标准进行优化。

针对于衬砌拱顶部位的压力、混凝土浇筑的实际状况、布料情况、混凝土的温度、液压控制系统、台车行走系统估测，可以利用检测到的数据作为估测混凝土浇筑完成的依据。

四、应用效果分析

1.妥善处理隧道拱顶部位的空洞问题

利用反斜向孔完成对拱顶部位混凝土的灌注作业，混凝土灌注部位应当是在接近搭接部位设置一个60°倾角，通过输送泵完成一次性灌注。确保混凝土朝向堵头部位流动。借助混凝土的流动性以及带压浇筑确保混凝土可以进行回流，从而达到减低压力的效果，保证拱顶空间充满混凝土，然后使用振捣器进行振捣，保证拱顶部位的空气全部排出。

智能衬砌台车可以利用自身信息化实现对混凝土浇筑完成的控制。拱顶部位受到的压力标准为：混凝土自身的强度达到0.3MPa后，应该停止浇筑混凝土，促使已经浇筑的混凝土稳定3～5min。拱顶防脱空预警标准为，在土工布与防水板之间设置15个传感器；当传感器亮绿灯时，说明拱顶混凝土浇筑完成。

2.实际操作注意事项

（1）实际搭接过程中，可以使用V型橡胶条将施工缝压成V型斜面，缓冲冲击压力，确保施工缝不会被压毁，且还可以保证不会出现施工质量缺陷。

（2）拱顶部位的混凝土浇筑完成以后应该使用柱塞式振捣棒进行振捣作业，可以有效地实现自动化振捣作业，在拱顶部位设置多排气动式振捣装置，结合施工需要合理地设置振捣时间，保证混凝土振捣密实。

（3）利用先进的自动化旋转布料设备，借助输送管道、输送泵完成混凝土的分仓浇筑。相较之传统的浇筑方法而言，这种方法的作业效率大幅度提升，混凝土浇筑的时间有效缩短，减少作业人员的数量，降低施工成本，保证了混凝土浇筑的质量。可以在一定程度上降低施工成本，且可以有效地保证混凝土浇筑的质量。

五、结语

本文主要是针对于现代化智能衬砌台车在铁路建设工程项目中的运用情况进行研究分析。结合项目建设的实际需求，设计出自动铺料浇筑管理系统、自动振捣管理系统，端部搭接采用的是V型搭接方式，配备智能化信息采集控制系统。研究结果表明，隧道工程施工过程中的施工缝质量可以妥善得到处理，衬气质量缺陷可以被全部消除，从而有效提高施工质量。