铁路隧道衬砌品质提升信息化施工关键技术与成套装备创新
2022-05-08林春刚
林春刚
(1. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458；2. 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室， 广东 广州 511458)
0 引言
截至2020年底，中国铁路营业里程达14.5万km，其中，投入运营的铁路隧道共16 798座，总长约19 630 km[1]。分析历年的统计数据可知，1980—2020年的40年间，中国共建成隧道12 412座，总长约17 621 km(约占中国铁路隧道总长度的90%)； 特别是近15年来，中国铁路隧道发展极为迅速，共建成铁路隧道9 260座，总长约15 316 km(约占中国铁路隧道总长度的78%)。随着我国铁路隧道建设的快速发展，隧道工程修建规模不断扩大，工程技术人员与施工技术逐渐不满足发展需求，隧道施工操作不规范、施工管理不到位，铁路隧道风险及病害发生的次数也在不断增多，隧道工程质量缺陷及病害日益突显，已经成为迫切需要解决和深入思考的问题。长期以来，铁路隧道缺陷及病害困扰隧道工程成品质量，衬砌空洞、裂缝、掉块、不密实、渗漏水、施工缝压溃等质量缺陷尤为突出，据相关统计，这类病害占隧道混凝土质量缺陷的58.5%。缺陷治理是一项长期而艰巨的任务，施工企业和各铁路局经过多年探索实践，掌握了基本的治理方法和施工工艺，但限于资金不足及运营天窗等因素，缺陷治理停滞在突击式局部修补方式，不能达到根治目的[2]。
目前，我国铁路隧道衬砌施工技术、衬砌装备国产化水平虽有一定程度提升，但铁路隧道衬砌成套施工技术体系与装备创新发展速度缓慢，与国外相比依旧落后，主要表现在钻爆法隧道衬砌施工技术体系尚未成熟，衬砌品质具有较大提升空间。体现在4个方面： 1)以钻爆法为基础的拱墙衬砌机械化设备的自主创新开发品类少、质量一般，主要技术性能与铁路隧道施工条件不匹配，拱墙衬砌配套设备不能解决工艺性缺陷问题； 2)钻爆法隧道仰拱快速施工技术体系尚不健全，需进一步研究配套工装，适合现有隧道施工技术发展，改变工装落后的局面； 3)以往国内铁路隧道水沟电缆槽衬砌施工存在不同程度的缺陷问题，影响了隧道内车辆正常运行； 4)对于传统铁路隧道，不够重视混凝土衬砌养护，采取的养护方式与方法不够科学，严重影响衬砌混凝土耐久性能。
近几年针对隧道衬砌研究已取得了一些进展。林春刚等[3]对模架一体化新型衬砌台车设计及应用情况进行了研究； 李立功等[4]研制了自动布料带压浇筑的隧道智能衬砌台车； 姬海东等[5]对新型带压浇筑隧道数字化衬砌台车进行了研究； 龚成明等[6-7]针对一种可带模注浆的新型铁路隧道衬砌台车开展了相关研究； 张华[8]从工艺原理、工艺特点和操作要点等方面介绍了隧道衬砌逐层逐窗浇筑及带模注浆技术； 王百泉[9]研发出一套集成布料系统、振捣系统、顶部及侧部压力监测等功能的新型智能台车施工自动控制系统，并应用在张吉怀铁路1标吉首隧道； 杨君华[10]对高速铁路隧道建设中新型智能衬砌台车设计及应用进行了系统研究； 陈文義等[11]基于张吉怀铁路隧道，系统地研发了新型信息化衬砌台车,并形成了以衬砌施工信息为基础的隧道二次衬砌病害控制方法； 林毅等[12]对郑万高铁隧道施工机械化配套及信息化管理进行了探索研究；贾海龙等[13]对隧道二次衬砌质量控制技术进行了研究。
虽然已有相关学者开展了诸多研究，且随着衬砌混凝土分仓灌注、带模注浆等技术的推广应用，对衬砌空洞、开裂、掉块起到了一定的抑制作用，较以往传统施工方法有所改观，但是类似质量缺陷问题依然存在，尤其是拱顶空洞、衬砌厚度不足问题还未彻底解决。随着国家铁路隧道综合修建技术的快速发展，铁路隧道衬砌施工工艺及装备与现有标准要求不协调、不匹配，现有装备不能满足高铁快速发展要求的矛盾突显。以上学者对工艺装备进行的相关研究，尚不能完全解决隧道衬砌强度不足、厚度不够、不密实、钢筋间距不均匀、止水带偏位等缺陷问题。为了进一步减少和消除衬砌缺陷影响，还需要深化研究隧道衬砌成套施工技术与装备，解决隧道系列质量缺陷问题。
因此，优化铁路隧道衬砌施工工艺、研发成套衬砌施工装备与关键技术很有必要。本文以张吉怀铁路隧道和赤喀铁路隧道为依托，对铁路隧道衬砌混凝土分仓自动浇筑、混凝土自动振捣、混凝土带压灌注、混凝土自动监测、横向加强型中埋橡胶止水带、可伸缩复合式刚柔结合堵头板、防空洞自动检测、施工缝零搭接、仰拱及填充模板一体化施工、水沟电缆槽台车整体施工、喷雾养护台车自动化施工等方面的关键技术与成套装备进行研究，以适应当前铁路隧道工程建设发展新形势，以“高标准、高质量、高要求”发展需求，解决当前铁路隧道衬砌诸多质量缺陷问题，使得隧道衬砌装备配套施工工艺，实现工程建设安全、优质、高效目标。
1 衬砌施工主要问题与成因分析
1.1 概述
近年来，已运营高铁线路部分隧道不同程度地出现了缺陷或病害，个别隧道缺陷及病害问题十分突出。2017年6月，沪昆高铁接连发生多起隧道渗漏水、拱顶衬砌混凝土掉块等缺陷问题，直接危及高铁运营安全，为此铁路运营部门设置了限速点。为了快速消除铁路运营线上限速点，全路衬砌质量缺陷被列入集中整治。根据限速点整治专题会通报情况，质量缺陷问题不容乐观，急需进一步革新工艺工装技术水平，针对性地解决质量缺陷问题。
2017年12月，铁路总公司印发了《铁路建设项目质量安全红线管理规定》(铁总建设〔2017〕310号)，将铁路隧道初期支护、衬砌厚度和混凝土强度不足问题纳入红线管理。2018年3月，铁路总公司发布了《2018年铁路建设质量安全重点工作安排》，对铁路隧道衬砌实体质量做出了控制要求和监督管理规定。为遵循“以工法定工装、以工装保工艺、以工艺保质量”的指导思想，提出以工艺工装创新为主线，创新研究智能化工装，应用信息化系统，提升工效。虽然国家高度重视工程质量，监督部门也严格管控，但是由于隧道工艺工装发展与质量标准要求不协调，未能形成统一模块体系，致使管理水平参差不齐。2018年11月，国家铁路局公布新版《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》，新标准对隧道质量和检测手段提出了更高要求，提升隧道质量适应新形势、深化研究隧道衬砌成套施工技术势在必行。
1.2 衬砌施工主要问题
1.2.1 拱墙衬砌施工主要问题
在建及交付运营隧道缺陷主要有隧道衬砌厚度不足、混凝土强度不足、衬砌背后空洞及不密实、衬砌施工缝压溃、衬砌钢筋间距偏大、衬砌钢筋保护层厚度不足、衬砌裂纹或裂缝、衬砌渗漏水、衬砌施工缝掉块、衬砌蜂窝麻面及露筋、中埋止水带偏位等[14]。在铁路隧道病害类型中，最为突出的是隧道拱顶脱空、施工缝压溃、拱顶混凝土掉块及渗漏水等现象，尤其是混凝土掉块现象，严重威胁着高速铁路的行车安全，制约着铁路运输的高质量发展。
随着拱墙衬砌质量缺陷的产生，拱墙衬砌配套设备功能不完善，未能有效配合施工工艺根治缺陷问题。主要表现在衬砌预防空洞、增强密实度、便捷混凝土浇筑、施工缝质量控制、信息化监测施工等配套功能设计考虑不周全。衬砌台车结构形式过于传统，杆件及支撑纵横交错，造成衬砌台车受力不明晰，模板刚度及门架稳定性不足，结构易变形，通行空间及通风效果差，配套设备之间技术参数不匹配，因而影响施工作业效率。
1.2.2 底部衬砌施工主要问题
以往高铁隧道施工时，仰拱混凝土分2次或多次浇筑，不能实现一次成型，造成混凝土质量不稳定、施工缝过多； 仰拱施工过程中，存在仰拱模板施工缝不规范、止水带不居中及线形控制差、钢筋间距不均、底部衬砌施工步距控制不准、仰拱混凝土施工弧形精度控制差等问题； 仰拱底部虚渣清理不彻底，基底混凝土不密实，造成仰拱隆起、翻浆冒泥等质量隐患。
随着隧道衬砌工装的技术进步，对隧道施工质量提出了更高的要求，特别是在高速铁路隧道施工中，若将落后的施工工艺及工法应用于高速铁路隧道仰拱施工中，很难满足现行高铁技术标准要求，不能实现工装一体化配套施工。当前，隧道施工断面大、底部结构复杂、仰拱连接处应力集中等因素导致隧道结构易破坏，加之隧道仰拱及填充施工质量管理与控制难以到位，将对隧道运营期间的安全性、耐久性产生重大影响。
1.2.3 水沟电缆槽施工主要问题
铁路隧道水沟电缆槽传统上采用小块组合钢模板分段施工，施工工序包括组装、加固、浇筑、拆卸、转场等，投入人力多，工序繁杂，循环时间长，每循环需要设置大量的模板支撑，模板等材料采用人工倒运，施工效率低、质量差，且作业场地文明施工难以保持； 同时，沟槽施作质量缺陷主要表现为沟槽棱角线条不顺直、沟槽混凝土开裂、沟槽盖板凸台掉块、混凝土外露面粗糙、接缝密集、错台多，严重影响了隧道表面的整体美观。
1.2.4 混凝土养护施工主要问题
随着铁路线路列车运行速度的提升，对铁路隧道的工程质量要求越来越高，隧道衬砌混凝土既要有足够的强度，又要满足耐久性要求。影响隧道混凝土耐久性的因素，除了原材料、配合比等，还有一个重要因素是混凝土养护。目前，一般采用喷淋及洒水养护，如果温度及湿度把控不够严格、养护时机及养护时间不达标，极易产生混凝土表面裂缝及内部强度不足等方面的问题。
混凝土浇筑后，如果气候炎热、空气干燥，不及时进行养护，混凝土中水分会蒸发过快，形成脱水现象，会使已形成的胶凝体水泥颗粒不能充分水化，从而混凝土表面出现片状或粉状脱落，影响混凝土强度。此外，在混凝土尚未具备足够的强度时，水分过早的蒸发还会产生较大的收缩变形，出现干缩裂纹，影响混凝土的耐久性和整体性。在隧道工程施工过程中，混凝土养护工序控制不严格、养护不到位，会使二次衬砌混凝土表面颜色泛白、强度不足，耐久性大受影响[15]。
1.3 衬砌施工缺陷成因分析
1.3.1 施工缝开裂、空鼓、掉块[14]
1)中埋止水带偏位，切割混凝土。主要原因是中埋止水带安装不到位，止水带固定不牢靠，埋设位置距混凝土表面过浅，止水带横向刚度不足，混凝土浇筑过程中受挤压造成止水带偏位，特别是隧道拱部，由于重力作用造成止水带下坠，偏移至混凝土表面。
2)台车支立顶裂或压溃施工缝处混凝土。主要原因是台车支立时顶升控制不到位。按照验收标准要求，拱部混凝土强度应达到8 MPa方可脱模，台车支立时由于混凝土强度不高，又没有采取有效顶升控制措施，台车模板上顶过紧(原因是担心发生漏浆)，导致顶裂已衬砌完成的施工缝处混凝土，造成施工缝边缘混凝土开裂。
3)施工缝处漏浆，产生蜂窝麻面、疏松开裂。由于台车模板变形、台车支立不密贴，易形成施工缝处错台、混凝土漏浆，导致混凝土粗骨料集中产生蜂窝麻面； 错台处粗骨料颗粒裸露、混凝土疏松、毛刺飞边等缺陷造成开裂掉块。
1.3.2 衬砌混凝土密实度、强度不足
衬砌混凝土不密实、强度不足，主要原因是浇筑不连续，产生施工冷缝或“夹层”，造成混凝土未能有效融合，形成密实度与强度不足。一是混凝土浇筑振捣不到位或漏振，造成衬砌混凝土局部不密实，特别是浇筑口远端施工缝附近问题比较集中，导致混凝土强度不足； 二是拱部混凝土浇筑不饱满，缺乏有效的饱满度监测手段，浇筑结束时机把握不准确、浇筑方量不足及振捣效果不理想，导致混凝土密实度不足，进而影响混凝土强度。
1.3.3 衬砌背后脱空、厚度不足
目前，通过加强施工过程控制和带模注浆，衬砌背后脱空、厚度不足问题得到了很大改进，但施工缝处混凝土灌注不饱满、空洞问题比较集中。主要原因是浇筑工艺不落实、振捣不到位，没有按照工艺要求逐层、逐窗、逐孔灌注，“一孔到底”现象比较普遍，并且混凝土漏振情况较多。
1.3.4 衬砌表面开裂
由于衬砌拆模时间过早，养护不到位，造成衬砌表面裂纹，连续裂纹长度、宽度大，闭环式裂纹多，存在脱落掉块风险。主要原因是混凝土养护不规范，混凝土脱模后没有按照验收标准要求进行喷淋、洒水养护，普遍认为隧道内潮湿恒温，靠自然养护，造成混凝土表面及接茬部位大量开裂。
2 衬砌施工创新主要需求
2.1 衬砌施工成套工艺创新
2.1.1 预防中埋止水带偏位、变形
1)止水带距衬砌内轮廓不应小于20 cm，钢筋混凝土段施工缝处纵向钢筋宜断开设置。
2)采用钢端模夹具、定位钢筋相结合的止水带安装工艺，改进止水带结构，增加其横向刚度。
3)台车与衬砌搭接处设置密封条，防止漏浆。
4)改进施工缝附近混凝土的振捣方法，保证边角处混凝土密实。
5)改进钢堵头，采用钢柔结合堵头，减少漏浆。
2.1.2 预防模板台车顶裂衬砌混凝土
1)严格控制脱模时间，确保脱模后混凝土强度达到设计或规范要求。
2)衬砌台车模板设置顶推限位装置，避免台车定位时已衬砌段混凝土受到挤伤。
3)优化台车结构设计，减少台车变形，施工过程中及时检测、校正，避免台车模板轮廓线变形，导致与已衬砌段轮廓不一致，造成定位时搭接处混凝土损伤。
4)台车模板与已衬砌段搭接部位应敷设橡胶类缓冲密封材料，避免已衬砌段混凝土损伤。
5)加强台车信息化设计，配置声光警报装置，将台车就位时模板与混凝土接触和压力情况，通过可视系统、声光警报等措施及时反馈给操作人员。
2.1.3 预防模板台车错台及变形
1)合理设置台车面板及肋板、门架及大梁，保证其可靠的整体刚度和局部刚度。
2)实行模板台车定期校检及校正制度。
3)端模及卡具的强度、刚度、稳定性应满足带压浇筑要求，端模应安装牢靠，不漏浆，具有保压性能。
4)加强振捣，保证浇筑混凝土流动性及密实度，有效缓解模板台车受外力影响。
5)合理控制混凝土泵送压力，避免泵送压力过大，导致模板变形而产生错台。
2.1.4 预防隧道衬砌裂纹
1)控制和调整隧道拱墙、仰拱、水沟电缆槽施工缝位置，保证“三缝”在同一截面； 同时，控制填充层及找平层施工缝位置，与“三缝”在同一位置，减少混凝土收缩应力裂纹。
2)加强衬砌混凝土养护，严格按照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》规定进行养护，细化养护时间、养护频次等养护标准，防止混凝土干缩产生裂纹。
3)加强隧道仰拱清底，保证隧底无欠挖、无积水、无虚渣，隧底大面平顺，减少仰拱不均匀沉降以及隧底应力集中造成的混凝土开裂。
2.2 衬砌施工成套装备创新
2.2.1 拱墙衬砌施工装备创新分析
1)可靠的强度和刚度，合理的整体布局。
2)具备便捷布料功能，操作简单方便，实现衬砌混凝土自下而上、左右侧对称浇筑，侧模带压灌注，混凝土余料方便清理。
3)具有机械辅助振捣功能。
4)具备监测功能，能够实现混凝土灌注方量测量、灌注压力测量、拱顶饱满度测量等功能，相关数据自动记录并上传信息平台。
5)附带端模止水带卡具、堵头板装置。
2.2.2 底部衬砌施工装备创新分析
1)自行式移动栈桥与仰拱模板一体化，有效作业长度不低于24 m。
2)具有仰拱弧形模板，仰拱模板应采用两侧分块结构形式，利于仰拱全幅施工。
3)具有仰拱和填充层钢端模，钢端模与设备采用一体化形式。
4)具有仰拱环向止水带、纵向止水带夹具。
5)具有中心水沟模板、边墙钢筋定位器。
2.2.3 水沟电缆槽施工装备创新分析
1)水沟和电缆槽模板集成一体，并具备整体移动功能，提高模板的整体刚度和施工效率。
2)采用门架行走式整体沟槽台车，双边水沟电缆槽同步施工。
3)采用移动式浇筑分料漏斗，分料漏斗沿主梁纵向移动，实现均匀布料。
4)水沟电缆槽台车长度与拱墙衬砌和仰拱填充混凝土浇筑长度相匹配，做到施工缝对齐。
2.2.4 混凝土养护施工装备创新分析
1)具备自动行走及定位功能，实现养护区间内往复移动。
2)结合湿度情况，实现自动喷淋覆盖、全断面养护。
3)喷淋系统具有自动加热功能，满足混凝土养护水温要求。
4)具有温度监测功能，自动记录所养护的混凝土表面温度变化情况。
5)具有湿度监测功能，自动记录所养护的混凝土表面含水率变化情况。
6)满足隧道施工常用设备的安全通行。
3 拱墙衬砌施工技术创新与应用
3.1 施工工艺创新
施工工艺概述： 通过混凝土输送泵与混凝土浇筑布料系统直连，实现自动布料系统分层逐窗、对称浇筑，利用自动布料系统形成封闭管路带压入模浇筑混凝土； 结合衬砌台车大净空结构形式，搭载零搭接工艺、自动布料、自动振捣、自动监测等系统，创建衬砌台车自动检测信息与集成控制系统一体化技术，提高衬砌台车自动化、信息化和智能化水平，实现混凝土压力、流量、温度、方量、浇筑状态等信息自动快速评估，自动生成混凝土数据报表，可实现远程监控、实时手机App查阅，以利于提升混凝土成品质量。
拱墙衬砌施工工艺流程见图1。
3.1.1 施工缝质量控制技术
3.1.1.1 “V”型槽零搭接技术
模板端部搭接采用“V”型槽零搭接装置，模板边缘与衬砌施工缝对齐，实现零搭接，模板与已浇筑混凝土之间“V”型橡胶条可实现密封，防止漏浆。“V”型槽零搭接装置从根本上改变了模板搭接方式，创新了模板搭接技术，彻底解决了台车顶裂施工缝混凝土的问题，避免施工缝压溃，杜绝端部漏浆现象。“V”型槽零搭接技术原理见图2。
3.1.1.2 横向加强型中埋橡胶止水带技术
针对中埋式橡胶止水带横向刚度差、无法保持定位的问题，研发了横向内置加筋式中埋橡胶止水带，提高了中埋橡胶止水带的横向刚度，减少了中埋止水带施工加固时间，解决了中埋止水带挤压变形、切割混凝土导致的质量缺陷。横向内置加筋式中埋橡胶止水带与传统的中埋式橡胶止水带相比，具有使用方便、安装质量好、安装效率高、综合成本低等优点[16]。横向加强型中埋橡胶止水带结构示意见图3。
3.1.1.3 可伸缩式透明橡胶堵头板技术
采用高强度高分子复合材料、快速升降机构、可视化观察窗等技术，研制了一套可用于超欠挖断面的堵头板，兼具止水带夹具功能，可通过快速升降机构调整堵头板，实现端模快速封堵； 依靠高强、轻型材料保证了端模强度，降低了人工劳动强度，提高了衬砌端部混凝土施工缝质量。端模具有足够的抵抗变形、保压和抗压能力，保压压力值不小于0.15 MPa。堵头板采用模块化设计，质量轻，安拆方便。可伸缩式透明橡胶堵头板见图4。
3.1.2 拱顶浇筑饱满度控制技术
混凝土封顶浇筑根据混凝土浇筑量，结合人工检查、浇筑压力、防空洞监测情况等综合判定拱顶浇筑饱满度和密实度，由工程技术人员负责确定浇筑结束时机。
1)混凝土浇筑即将终结时，顶部压力应达到0.03～0.05 MPa，稳压3～5 min后，防空洞报警装置触压预警，确保最高部位的溢浆孔排出新鲜的混凝土浆液，混凝土受压密实而饱满，可确认结束混凝土浇筑。
2)混凝土浇筑结束时，混凝土实际浇筑量可根据搅拌站实测量、3D扫描理论方量、智能台车实时监测浇筑量综合判定，不应小于三者平均值。
3)混凝土浇筑方量距预计结束方量1～3 m3时，应将泵送速度降低为正常速度的50%左右(<10 m3/h)，按照“连续、低压、慢灌”原则进行浇筑。
4)判定拱顶混凝土浇筑饱满状态，采用分布式触压传感器监测显示和防空洞报警装置监测预警。
5)衬砌台车堵头板上观察孔有新鲜混凝土浆液溢出时，可作为判断封顶混凝土结束浇筑条件。
3.1.3 拱墙衬砌预防空洞施工技术
3.1.3.1 旋转式对接快速布料技术
根据混凝土泵送原理，使用多段圆形钢管及转弯接头布设混凝土输送管路，混凝土在管路内流动时始终保持一定压力，实现了混凝土带压浇筑，有效保证了浇筑密实度，预防衬砌空洞，提高衬砌品质。为满足对称、分层、逐窗浇筑工艺要求，设置了1个可共用的主管路、多个与浇筑窗口连通的分支管路，在液压驱动下，主管路可自动旋转、伸缩，实现与分支管路逐一对接，提高了混凝土布料系统换管效率，解决了隧道衬砌混凝土浇筑耗时长、质量差的问题。单人3 min内可完成对接，降低了人工劳动强度。
混凝土在封闭管路内带压输送，且分料装置管路对接便捷，实现了快速、连续浇筑的目标，满足了左右对称、分层、逐窗浇筑的工艺要求，由此解决了现有技术难题。台车前后混凝土高差不超过0.6 m，左右混凝土高差不超过0.5 m，分层厚度不大于0.4 m。混凝土自由下落高度不大于2 m。旋转式对接快速布料技术原理见图5，旋转式对接快速布料系统现场应用效果见图6。
3.1.3.2 拱顶气动振捣及边墙高频卷筒式振捣技术
根据拱顶混凝土振捣施工要求，创新性地采用了气动式振捣技术，合理设置间隔距离，优化振捣时间、振捣频率。拱顶气动式振捣工序紧随浇筑进行，按左右两侧对称振捣原则,单侧12组，共计24组； 同一部位设置3次振捣，即当混凝土液位超过振动器15、30、45 cm高度时,分别振捣1次,每次振捣时长15 s； 振捣深度经测试达300 mm，振捣半径为0.8 m，有效解决了拱顶混凝土振捣不密实的问题，提高了拱顶混凝土强度，减少了拱顶空洞。
边墙采用弹簧卷筒、导向环、插入式振捣棒等装置，研发了一套可沿竖直方向自由滑动的边墙高频卷筒式振捣技术，提出了一种拱墙混凝土自动振捣方法，振捣频率高，施工质量好，降低了人工振捣劳动强度，解决了拱墙衬砌空洞、密实度不足的问题。
3.1.3.3 拱顶带压单斜孔灌注技术
为解决拱顶衬砌空洞、混凝土不密实的质量缺陷，拱顶混凝土浇筑孔靠近已衬砌端布置，并采用倾斜设计，混凝土入仓流向与衬砌台车移动方向夹角为60°。拱顶采用单孔灌注，当充满已衬砌端后，混凝土在泵送压力下向台车前端流动，形成反压填充拱顶模板仓的效果。拱顶带压单斜孔灌注工艺实现了拱顶带压灌注，解决了拱顶衬砌空洞、不密实的问题。
适当提高封顶混凝土的坍落度，采用中高流动混凝土浇筑，有利于提高混凝土密实度和流动性。封顶时适当减缓泵送速度、减小泵送压力，密切观察堵头板排气孔排气与溢浆孔排浆状况，通过监测浇筑压力数据和防脱空报警装置预警情况，综合判定混凝土结束浇筑标准。封顶(90°范围内)混凝土浇筑时间不大于3.5 h。拱顶单孔斜口浇筑结构示意见图7。
3.1.4 拱墙衬砌信息化施工技术
采用信息化技术、自动化控制技术，研制了混凝土压力监测、输送流量监测、浇筑方量监测、浇筑高度监测、温度监测等衬砌施工过程信息采集、处理和显示的集成控制系统，形成了一套以施工数据为基础的施工标准，指导现场施工，改变了传统以经验为基础的施工现状，提高了衬砌施工技术水平，有利于实现标准化施工。
3.2 施工装备创新
拱墙衬砌施工是利用智能衬砌台车模筑工艺体系，实现模板整体移动定位、自动布料、带压浇筑、止水带安装、混凝土逐层分窗灌注、同步振捣、参数监测、信息集成传输等功能，提升拱墙衬砌结构成品质量。
3.2.1 总体方案
新型智能衬砌台车采用双跨结构承载衬砌台车各结构部件，为模板定位提供固定基础，有利于实现模板快速定位，同时取消了门架结构设计，增大了通行空间。模板系统底部支撑在填充体两侧边沟内，其左、右侧模板与底部混凝土填充体形成封闭三角形受力结构，自身稳定性较高，足以承载混凝土浇筑载荷。模板系统顶模放置在双跨结构顶部纵梁上，通过横移油缸驱动，可沿水平方向调整模板中线位置。模板系统两侧边模与顶模采用铰接连接，通过边模油缸驱动，可使边模绕铰接销轴转动，调整边模位置，实现边模的立模与脱模功能。行走系统设置在双跨结构底部，共有4套行走机构，采用同步驱动设计，提高衬砌台车整体结构稳定性。智能衬砌台车总体方案设计见图8。
3.2.2 自动布料系统
自动布料系统采用回转机构与伸缩机构相结合的分料装置结构设计，包括主管路、回转机构、伸缩机构、分支管路、工作平台等部分。分支管路以主管路为中心，环形布置，实现管路封闭，形成带压浇筑路径设计； 采用液压驱动，主管路与分支管路接头依次旋转对接，使得混凝土输送泵、主管路、旋转接头、旋转机构、伸缩机构、分支管路和入窗软管等形成单条浇筑管路通道，极大地减少了单条管路通道弯头设计，实现了快速连续浇筑二次衬砌混凝土，增加了混凝土带压浇筑的流动性，避免堵管发生，从而创新设计了封闭管路带压浇筑自动布料系统。主管路与分支管路对接原理见图9。
3.2.3 自动振捣系统
边墙自动振捣系统主要由弹力滚筒、导向环、振捣棒和电控柜等组成。弹力滚筒固定在衬砌台车主梁侧部，弹簧弹力可平衡振捣棒和电缆线重力，便于施工人员竖直方向拖拽振捣棒。导向环固定在衬砌台车模板内，振捣棒电缆线从导向环中穿过，导向环引导振捣棒沿竖直方向轨迹运动。振捣棒采用42 V电压驱动，保障人员用电安全，使用时直接插入混凝土内部，接通振捣棒电源后即可自动振捣施工，免激振。振捣施工结束后，关闭电源，松开振捣棒，振捣棒可在弹力滚筒作用下，沿导向环自动向上收回，放置在上一层作业平台，便于后续振捣施工使用。边墙振捣原理见图10。
3.2.4 智能化控制系统
采用PLC编程、WICC软件、触摸屏等研制了智能化控制系统，主要集成了台车浇筑状况、台车布料系统、台车振捣系统、顶部压力监测、搭接监测系统、台车液压系统、侧部压力监测、行走控制系统、衬砌数据报表等9大系统[9]。其中，液压控制系统集成了本地和远程控制功能，便于台车定位及脱模操作； 行走控制系统设置了点动行走功能，便于台车纵向精准定位。智能化控制系统平台主界面见图11。
3.3 应用效果
根据现场应用效果显示，每循环衬砌180～200 m3混凝土，新型智能衬砌台车在8～10 h内浇筑完成，普通台车在12～15 h内浇筑完成； 新型智能衬砌台车混凝土浇筑量差为±3 m3，普通台车混凝土浇筑量差为±6 m3。由此可见，新型智能衬砌台车能够在10 h内浇筑12 m长拱墙衬砌，3D扫描量与实际浇筑量差控制在0～3 m3，较普通台车量差控制效果更准确。
在衬砌质量方面，经现场第三方检测，新型智能衬砌台车相比普通衬砌台车，二次衬砌空洞率减少100%，不密实度减少85.2%。
在经济性方面，参考张吉怀项目吉首隧道进口采集数据，台车使用寿命为10 km，新型智能衬砌台车较普通台车节约直接成本100万元，节约间接成本336万元，共可节约成本436万元(折合每延米节约成本436元，数据来源于工业试验报告)。
采用新型智能衬砌台车浇筑衬砌混凝土所产生的缺陷相对较少,衬砌质量显著提高。拱墙衬砌施工效果见图12，衬砌施工缝“V”形槽零搭接效果见图13。
4 底部衬砌施工技术创新与应用
4.1 施工工艺创新
施工工艺概述： 采用底部衬砌一体化浇筑施工工艺，端模整装整拆、钢筋及止水带精确定位、中心水沟快速安拆、仰拱全幅施工、钢筋绑扎与混凝土浇筑同步平行作业、仰拱及填充施工与交通运行互不干扰、仰拱及填充层一体化快速施工，提高底部衬砌施工效率及成品质量。
底部衬砌施工工艺流程见图14。
4.1.1 底部衬砌一体化施工技术
仰拱混凝土采用整幅浇筑，一次成型，配置弧形模板及振捣系统。每循环浇筑长度与拱墙衬砌长度相匹配，确保环向施工缝与拱墙衬砌施工同缝。
4.1.2 混凝土浇筑及振捣控制技术[17]
1)仰拱及填充混凝土浇筑采用罐车运输、溜槽布料方式入模，溜槽出料口距混凝土浇筑面高度不超过2 m。
2)仰拱应一次性整幅施工，由仰拱中心向两侧对称连续浇筑，每次分层厚度不大于30 cm。
3)底部衬砌混凝土采用高频插入振捣器与高频气动附着式振捣器配合振捣。
4)混凝土振捣时，应加强施工缝附近振捣质量，振捣过程中防止触碰防水板和止水带，避免偏位。
5)填充层混凝土浇筑完毕后，采用人工或辅助工具及时抹平收面，顶面平整度不大于1 cm/m。
4.1.3 混凝土脱模及养护技术[18]
1)仰拱及填充混凝土模板脱模时，脱模混凝土强度应达到2.5 MPa； 特殊环境下，脱模混凝土强度应符合设计要求，设计无要求时脱模强度不应低于设计强度的70%。
2)脱模时，混凝土内部与表层、表层与环境之间温差不得大于20 ℃，混凝土内外侧表面温差不得大于15 ℃，混凝土内部开始降温前不得脱模。
3)衬砌拆模后应及时采取保温保湿养护措施，养护时间不得少于14 d。
4.2 施工装备创新
底部衬砌施工是通过底部衬砌台车配套移动栈桥、仰拱模板、仰拱填充模板、中心水沟模板、止水带夹具及钢筋定位器等系统，实现隧道仰拱及填充混凝土施工、钢筋绑扎、混凝土养护等各工序平行作业一体化施工，提高了施工效率，解决了隧道车辆通行与底部衬砌施工干扰难题，提高了仰拱成型质量及纵向施工缝精度，保证拱墙衬砌搭接效果，提升混凝土成品品质。
4.2.1 总体方案
底部衬砌台车主体结构设计为针梁模块化拼装结构，具有适于变跨、方便运输、快速拼装等特点。作业循环施工长度为24 m，主体栈桥行车道宽度为3.7 m，仰拱与回填高度为2.3 m，前、后坡桥坡度不大于15%，允许通过最大质量为55 t，栈桥移动速度为6 m/min。底部衬砌台车方案设计见图15和图16。
4.2.2 针梁式移动栈桥
移动栈桥主要由主桥和引桥构成。主桥主要由钢桁架作为主体承重结构，通过行车道横梁将钢桁架结构连成一体，形成稳定结构。引桥分为前引桥、后引桥，其中，前引桥搭接于隧底虚渣，后引桥搭接于填充路面； 主体栈桥移动时，前、后引桥均处于提升状态。
4.2.3 仰拱模板系统
仰拱模板系统主要由整体仰拱模板、起吊定位架、螺旋丝杆、液压油缸和电动单轨小车等构成，应用于仰拱混凝土成型施工。
4.2.4 钢端模及中心水沟模板系统
钢端模系统主要由填充端头模板(含仰拱弧形端模板)、填充侧模板、模板吊架和螺旋丝杆等构成，应用于仰拱及填充混凝土浇筑成型施工。中心水沟模板系统主要由整体中心水沟模板、定位卡、悬挂梁、脱模架和液压油缸等构成，应用于填充混凝土及中心水沟成型施工。
4.2.5 辅助系统
辅助系统主要由纵向、环向止水带夹具，栈桥平移机构，钢筋定位器，移动式溜槽布料装置，行走系统，液压系统，电控系统，操作平台和防护结构等组成。
4.3 应用效果
根据吉首隧道进口现场施工应用情况表明，隧道仰拱作业循环时间由原来的48 h缩短为18 h，工序循环时间缩短50%以上。底部衬砌台车配合模板一体化施工，采用悬臂吊架定位固定，整体模板刚度好，能够准确实现仰拱成型结构尺寸，仰拱混凝土均匀密实。结果证明： 仰拱与填充界限分明，结构尺寸、强度均达标。
底部衬砌台车配合模板一体化施工工艺，优化了洞内施工组织和工序分区，有利于标准化作业和安全文明施工，只需保留1个仰拱作业面，减少了工序分区间的相互干扰，减少了掌子面与二次衬砌之间的作业面数量和总长度，有利于二次衬砌及时跟进，保障隧道施工安全、洞内开挖及出渣作业的交通顺畅。
在经济性方面，参考张吉怀项目吉首隧道进口采集数据，台车使用寿命为10 km，新型底部衬砌台车较简易栈桥配合普通钢模板工装，可节约成本176万元(折合每延米节约成本176元，数据来源于工业试验报告)。
底部衬砌台车现场应用效果见图17。
5 水沟电缆槽施工技术创新与应用
5.1 施工工艺创新
施工工艺概述： 通过双边移动水沟电缆槽台车，能够实现两侧沟槽同步一次性浇筑，解决以往单侧或半幅沟槽施工不能同步的缺陷，采用模板整体移动、精确定位、固定、连续浇筑、脱模、同步振捣等功能，提高水沟电缆槽整体施工质量，有效减少劳动力，降低劳动强度，提高作业效率。
水沟电缆槽施工工艺流程见图18。
5.1.1 混凝土质量控制技术[17]
1)为提高模板定位精度，前后搭接顺畅，沟槽台车模板前端截面应适当加宽8 mm，作为预留弥补混凝土收缩量，减少混凝土错台。
2)混凝土灌注采用移动式分料漏斗浇筑，确保混凝土浇筑作业连续进行。
3)混凝土浇筑应采用插入式振捣棒配合附着式振捣器联合振捣。
4)混凝土浇筑完毕，应采取粗抹面、中抹面、精抹面等措施收面，保证沟槽顶面标高、线型一致。
5.1.2 混凝土脱模及养护技术[18]
1)水沟电缆槽混凝土强度不小于2.5 MPa，且表面及棱角不因脱模而受损时，方可脱模。
2)为了便于脱模，沟槽台车两侧箱型模板的拔模斜度不应小于3%。
3)脱模时，混凝土内部与表层、表层与环境之间温差不得大于20 ℃，结构内外侧表面温差不得大于15 ℃，混凝土内部开始降温前不得脱模。
4)拆模后应及时采取保温保湿养护措施，养护时间不得少于14 d。
5.2 施工装备创新
水沟电缆槽施工是通过沟槽台车配套模板、门架、液压、行走、电控、浇筑等系统，实现两侧模板整体移动、精确定位、快速固定、连续浇筑、同步振捣等功能； 其中，封闭式箱体结构具有一定拔模斜度，便于脱模施工。水沟和电缆槽模板集成一体，有利于提高模板的强度、刚度及稳定性。采用移动式浇筑分料漏斗进行快速施工，减少劳动力配置，降低劳动强度，提高作业效率。
5.2.1 总体方案
水沟电缆槽台车单循环衬砌长度为12 m。台车采用轨行式行走系统，选用2台2.2 kW摆线针轮减速机，行走速度为6.7 m/min。支吊架系统采用型钢拼焊连接，作为沟槽台车的主要受力结构，支吊架系统能满足施工荷载承受的强度、刚度及稳定性要求。水沟电缆槽台车总体方案设计见图19。
5.2.2 箱型模板
沟槽台车箱型模板根据浇筑速度、混凝土工作性能、左右两侧水沟及电缆槽浇筑高度等参数进行设计和加工制造。沟槽模板设计为倒梯形微型结构； 为实现模板快速安装、精确定位、快速脱模、均衡移动、便捷周转等功能，确保沟槽结构整体施工质量，沟槽模板采用整装、整浇和整拆结构设计，提高沟槽整体性能。沟槽台车模板设计和加工制造应考虑箱型沟槽整体脱模，设置拔模斜度不应小于3%，断面上、下宽度偏差不大于5 mm，平、纵直线度偏差不大于2 mm/2 m。
5.2.3 主门架系统
沟槽台车应设计为整体式门架结构，两侧采用悬臂式支吊架系统，满足两侧模板的悬挂，实现两侧沟槽同时施工，提高施工效率。中间采用门架式桁架结构，内净空要保证隧道内车辆和人员安全通行； 同时，要考虑隧道内凿岩台车、装载机等重型施工机械设备安全通行和顺利穿越。
5.2.4 其他辅助系统
沟槽台车设计移动式布料装置，混凝土浇筑采用溜槽集中布料，提高沟槽施工效率； 沟槽台车应配置可靠的液压系统，在液压油缸作用下，能快速、精准实现模板定位、脱模； 沟槽台车设计自动混凝土振捣系统，混凝土浇筑采用插入式振捣棒和附着式振动器搭配使用，有利于提高混凝土衬砌质量。
5.3 应用效果
根据吉首隧道进口现场施工应用情况表明，隧道两侧沟槽对称且一次成型，线型顺直。两侧箱型模板设置3.5%拔模斜度，有效解决了拆模时对混凝土的伤害，尤其是边角部位，减少了对缺棱掉角混凝土的修补。模板采用箱涵式整体结构设计，强度高，线型精度高；主架采用门架式设计，结构简单可靠； 模板定位、脱模采用全液压设计，效率高，作业人员劳动强度低； 移动式分料漏斗装置使用便捷、高效。
在经济性方面，参考张吉怀项目吉首隧道进口采集的数据，台车使用寿命为10 km，新型轨行式液压水沟电缆槽台车较普通单边水沟电缆槽工装可节约成本35万元(折合每延米节约成本35元，数据来源于工业试验报告)。
水沟电缆槽台车现场应用效果见图20。
6 混凝土养护技术创新与应用
6.1 施工工艺创新
施工工艺概述： 自动喷雾养护工艺是利用喷雾养护台车，对衬砌混凝土表面进行喷雾水化养护作业。模板台车脱模后，喷雾养护台车通过检测元器件，对施工区域内混凝土表面温度、湿度等状态信息自动感应和识别，并经过控制系统进行信息分析、数据处理、发出指令，最终利用储水箱、封闭管路水系统、雾化喷头等装置，将水温适宜的养护用水雾化后，均匀喷洒在混凝土内壁表面，实施混凝土喷雾养护作业，起到自动化、智能化喷雾养护作用，保证混凝土养护及时性和有效性。
自动喷雾养护施工工艺流程见图21。
6.1.1 喷雾养护自动化控制技术
1)喷雾养护台车启动后，湿度检测仪实时检测混凝土表面湿度。当检测值低于90时，设备自行启动喷雾养护作业； 当检测值达到100时，设备停止喷雾养护作业(检测值为湿度检测仪采集混凝土表面含水量信息，经PCL程序转化后对应模拟量，混凝土表面充分湿润时，检测值为100； 混凝土表面较干燥时，检测值为90及以下)。
2)养护用水与混凝土表面温差大于15 ℃时，加热系统对养护用水自动开启加热； 二者温差小于15 ℃时，自动停止加热。
3)喷雾养护台车开启后，自动在轨道区间内往复循环行走，控制系统根据检测元器件采集的相关信息，控制设备对混凝土表面实施喷雾养护作业。
4)喷雾养护台车大水箱水量低于总储量20%时，低水位警报灯闪烁并发出蜂鸣警报，巡视人员应及时进行补水作业。
5)喷雾养护台车工作过程中，巡视人员应每隔8 h对设备运行状态进行检查。
6.1.2 喷雾养护评价标准[17-18]
1)混凝土脱模后立即进行养护作业，混凝土芯部与表面、表面与环境温差不大于20 ℃，养护用水与混凝土表面温差不大于15 ℃。
2)混凝土在冬期或夏期脱模后，若天气骤然变化，应采取适当的保温(冬期)或隔热(夏期)措施，防止混凝土产生过大的温差应力。
3)昼夜平均气温低于5 ℃，或最低气温低于-3 ℃时，按冬期施工处理。环境温度低于5 ℃时，禁止对混凝土表面进行洒水养护，应采取保温、保湿养护措施。
4)衬砌混凝土养护期间，升温、降温速度不应大于10 ℃/h。
5)养护水质应符合相关标准规定，不得使用海水养护混凝土。
6)不同混凝土保温、保湿养护最低期限见表1。
6.2 施工装备创新
混凝土养护施工是利用喷雾养护台车，根据隧道断面轮廓线布设等距雾化喷头，结合喷头雾化范围、喷头与混凝土有效距离等因素，确定合理的喷头布置位置和数量； 通过检测元器件和控制系统对混凝土表面温度、湿度等信息进行数据采集、分析和处理，利用水路系统输送养护用水，经喷头雾化后，进行适温、均匀养护，实现水雾喷洒在混凝土表面的养护效果，还可达到隧道除尘、降温的目的。
6.2.1 总体方案
喷雾养护台车主要由支撑架、拱架、行走系统、控制系统和水路系统等组成。喷雾操作具备自动喷雾和手动喷雾2种模式。自动喷雾是在控制系统中设定作业湿度检测启动值、养护循环次数和养护间隔时间等信息，当达到设定作业湿度检测启动值后，养护台车自动进行喷雾养护作业，达到养护循环次数后，自动停止养护作业； 手动喷雾是人工通过控制系统按钮操作，根据现场需要适时进行喷雾养护作业。喷雾养护台车总体方案设计见图22。
6.2.2 温度自动化控制系统
水箱内部设置温度传感器，量程为0～100 ℃，用于检测养护水温度； 水温控制模块加热功率为30 kW，用于养护水加热。水箱外部设置红外温度传感器，量程为0～100 ℃，用于检测混凝土表面温度。
设备启动养护前先进行状态检测，当检测混凝土表面湿度低于系统设定的下限值，且混凝土表面温度与养护水温的温差小于15 ℃时，设备启动养护，2个条件需同时满足。
当检测混凝土表面温度与养护水温的温差大于15 ℃时，设备自动启动加热装置进行水温加热，直至二者温差小于10 ℃，设备启动养护。在养护过程中，一旦检测二者温差大于15 ℃，设备自动停机进行加热，直到温度满足条件后再次启动养护。
6.2.3 湿度自动化控制系统
湿度传感器采用非接触近红外线检测方式，由在线红外水分仪主机和探测装置2部分组成。利用安装在转轮上的高精密红外滤光片，参照光和测量光交替地通过滤光片，过滤保留的光束聚焦在受测试样品上，参照光首先投影在样品上，测量光其次投影在样品上，这2个具有时序的光能脉冲被反射回到探测器，依次转换成2个电信号，这2个电信号结合形成一个比例，即可测量出水分含量。
湿度传感器型号为YJ-M-100，测量精度为0.1%～0.5%，测量高度为(250±100) mm，环境温度为0～50 ℃，响应时间为0～60 s，功率为100 W。
6.2.4 水路自动化控制系统
1)水路系统压力值应保持在0.4～0.5 MPa。
2)小水箱水量低于其总储量的20%时，水位传感器发出信号，控制系统启动水源处理器，自动将养护水从大水箱过滤并泵入小水箱中。
3)大、水箱内水位均下降至总储量的10%时，养护台车自动停止养护作业，低水位警报灯保持闪烁并持续发出蜂鸣警报，巡视人员应及时进行补水作业。
4)雾化喷头环向布置间距为250～350 mm，喷头距混凝土表面距离为400～500 mm，喷头采用工业雾化喷头。
6.3 应用效果
自动喷雾养护台车应用于赤喀铁路2标段天秀山隧道1#斜井，根据现场喷雾养护应用情况表明，设备自动行走系统启动平稳，定位准确，运行正常； 水路系统反应灵敏，水温控制准确可靠，加热效率可实现每2 min提高1 ℃； 控制系统温度、湿度传感器信号准确，控制流程与运动逻辑合理，现场应用达到喷淋及时、水量合理、雾化均匀的养护效果。
经隧道边墙与拱顶混凝土强度现场测试，自动喷雾养护与人工洒水养护数据对比分析，混凝土强度平均提升20%，尤其是在人工洒水养护方式较难覆盖的拱顶部位有显著提升。
现场应用证明，喷雾养护台车控制系统能够实时监测隧道表面温度和湿度状态，及时有效地进行隧道混凝土养护作业，解决了养护作业环节监控困难的问题； 自动养护过程中无需人工干预，大大减少了施工人员投入，同时，提高了水资源利用效率，减少了不必要的浪费，提升了混凝土养护质量。
喷雾养护台车现场应用见图23。
7 结论与建议
1)研制了双跨大净空新型智能拱墙衬砌台车，构建了铁路隧道高品质衬砌及拱顶预防空洞快速施工技术体系、拱顶灌注饱满度判断标准、隧道衬砌施工缝技术体系、隧道衬砌信息化施工标准，提高了拱顶混凝土密实度、强度，有效减少了衬砌开裂、掉块、空洞、厚度不足等质量缺陷。
2)建立了底部衬砌施工工艺和工装施工技术要求； 创新了仰拱与填充层浇筑施工技术，形成了铁路隧道仰拱与填充层一体化浇筑快速施工工艺及方法，解决了隧道底部衬砌快速施工难题，保证了施工质量。
3)研制了水沟电缆槽台车，创新了水沟电缆槽施工工艺及方法，解决了传统沟槽施工存在的自动化程度低、施工效率低、施工质量差等问题。
4)研制了隧道衬砌自动喷雾养护台车，建立了铁路隧道衬砌养护施工技术体系，达到了养护监测、水温、湿度等自动控制，实现了混凝土衬砌养护自动化、信息化，提高了衬砌养护质量。
下一步可通过铁路隧道衬砌施工成套技术持续深入研究，结合新型智能衬砌台车、底部衬砌台车、轨行式液压水沟电缆槽台车、喷雾养护台车现场应用情况，进行数据采集并综合分析，在提升铁路隧道衬砌施工无人化、信息化、智能化水平，降低工装设备制造成本，保证施工安全及提高施工进度，降低人材机成本等方面取得更好的实施效果，实现装备智能化施工。
