高铁大断面隧道衬砌智能化建造及质量控制技术

2024-01-18刘建友

铁道标准设计 2024年1期

胡晶，刘建友

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

改革开放40多年以来,我国铁路工程快速发展,截至2022年年底,全国已建成12 412座铁路隧道,总长达17 621 km,占中国铁路隧道总长度的90%左右。随着隧道工程向高围压、软岩破碎带、富水地层等复杂地质条件延伸,施工难度极大增加,隧道病害问题突出,施工质量难以保证[1]。因此,提升隧道施工的智能化水平,保证施工质量成为隧道建设中面临的迫切需求。

衬砌养护能有效提高混凝土的强度和致密度,保证衬砌的强度。因此,国内外学者对衬砌养护技术开展了广泛的研究。候树芃等[2]研究了一种衬砌混凝土全自动养护控制系统,可实现养护区域内衬砌混凝土全覆盖及温度控制,降低施工成本,满足混凝土养护对于温度的要求;王彦伟等[3]提出了一种单线铁路隧道拱顶布管自动喷淋养护方法;徐国生[4]研发了移动台架用于隧道二次衬砌混凝土养护,解决了施工过程中养护工序控制不严、影响混凝土耐久性的技术难题;杜强[5]研发了配置二衬蒸汽养护台车,实现隧道二次混凝土蒸汽养护,达到预防表面龟裂的目的;周平等[6]设计了一种隧道衬砌混凝土自动养护系统,该养护系统具有可设置自动喷淋的养护时间、作用空间小等特点;邱玉深[7-8]提出了混凝土和大体积混凝土养护保湿时效性,以及冷处理和保温处理的时机;韩兴博等[9]针对衬砌结构的四种失效模式,建立判断其是否失效的数学模型,给出了何时维护、何处维护、何项目维护的答案;刘学增等[10]基于模型试验,提出了衬砌预养护构件破坏荷载与损伤状态关系简易计算公式。

以上学者从混凝土衬砌养护装置、施工工序、数学模型、模型试验等单一方面阐述了混凝土衬砌养护方法,但系统的关于二衬保温保湿智能养护方法的研究仍然有所欠缺。

二衬背后防脱空问题也是目前较为棘手且典型的隧道病害,对于衬砌防脱空技术,目前已有学者做了大量研究。杜鹏亮[11]采用先进的数控防水板台车和综合性二衬衬砌台车设备改进工艺设备,通过加强过程管控的方式来预防和整治衬砌脱空问题;刘建友[12-13]等基于脱空病害的成因,从衬砌结构耐久性机理方面研究了衬砌防脱落技术和处治技术;邵帅等[14]提出了基于分布式压密传感器的隧道衬砌脱落主动监测系统,通过结合带模注浆技术,实现对衬砌脱空的精准注浆与快速处治,可有效解决隧道衬砌脱空的问题;牛闻捷[15]、伍毅敏[16]、谭文[17]、陈英福[18]、严馨等[19]采用主动监控衬砌浇筑和优化带模注浆的方式,有效控制衬砌防脱空问题;谢锋等[20]基于数值试验,分析了衬砌背后空洞对围岩压力分布影响的规律, 修正了既有结构荷载计算模型,为隧道衬砌结构病害的评估、处治及养护措施提供理论依据。

以上学者从设备加强施工过程管理、衬砌防脱落机理、主动监测及数值试验模型等方面研究了预防或防止衬砌脱空的问题,研发一种有效的可实时预防并控制衬砌脱空的智能装置对于保证隧道衬砌质量具有重要意义。

综上所述,学者们针对隧道衬砌养护、衬砌脱空等衬砌质量控制方面提出了有效措施,一定程度上保证了隧道施工质量和运营安全。但如何系统提高衬砌浇筑和养护水平,实时监测施工质量,动态调整施工方案,从而有效提高施工效率和质量仍然是一项亟需解决的难题。以新八达岭隧道为背景,介绍了一系列复杂隧道衬砌智能化建造及质量控制技术。在衬砌智能化建造方面,提出二衬结构混凝土智能振捣和浇筑管理系统,并自主设计了一套智能化养护台车,可实现衬砌智能温湿控制,确保衬砌的使用寿命;在施工质量控制方面,研发了二衬防脱空智能报警和防顶裂技术,确保衬砌施工质量。

1 工程概况

新八达岭隧道是京张高速铁路全线控制性工程,全长12 km,连续穿越居庸关、水关、八达岭长城等重要风景名胜区,3次穿越长城,超浅埋穿越百年京张铁路和石佛寺村,是全线最长、环保要求最严格、工期最紧张的隧道。

八达岭长城站是新八达岭隧道内的地下车站,位于北京延庆八达岭滚天沟停车场下方,毗邻八达岭长城,为八达岭景区提供了一种便捷、高效、环保的交通服务,如图1所示。车站总长470 m,总宽80 m,总建筑面积6.75万m2,其中地下车站主体建筑面积3.9万m2、地下环形救援廊建筑面积1.9万m2、地面建筑0.95万m2。轨面埋深102 m,旅客提升高度62 m,是目前国内埋深及提升高度最大的高速铁路地下站。车站为三层三纵地下结构,自下而上分别为站台层、进站层及出站层。站台层为3个分离平行的洞室,中间为正线,两侧分别为左、右到发线。车站处2号斜井设置8条分通道形成立体多分支网络,辅助正洞及车站施工,总长达2 344 m。车站层次多、洞室数量大、洞型复杂、交叉节点密集,是目前国内最复杂的暗挖洞群车站。车站两端渡线段单洞开挖跨度达32.7 m,是目前国内单拱跨度最大的暗挖交通隧道。

图1 八达岭长城站位置Fig.1 The location of new Badaling Great Wall Station

2 隧道衬砌智能化施工

隧道衬砌是支护结构的重要组成部分,施工质量将决定隧道运营安全。但是,传统隧道衬砌施工工序复杂,人工劳动量大,施工质量无法保证,且施工效率低下。为保证衬砌质量、缩短工期,针对衬砌浇筑和养护阶段,提出二衬结构混凝土智能振捣和浇筑技术,并自主设计了一套智能化养护台车。隧道衬砌智能化施工系统流程如图2所示。

图2 隧道衬砌智能化施工系统流程Fig.2 Intelligent construction system process of the tunnel lining

2.1 二衬结构混凝土智能振捣和浇筑技术

目前,工程中的二衬施工尤其是超大断面薄壳二衬结构施工仍存在很多问题,比如由于台车作业空间小、工人操作不方便、二衬台车上附着式平板振捣器多、容易出现过振和漏振等现象,从而导致混凝土外观出现蜂窝麻面、砂线,内部出现空洞等质量通病。为此,设计了一套基于隧道衬砌台车的混凝土智能振捣和浇筑系统,主要包括混凝土振捣器集成控制系统和混凝土浇筑管理系统。

2.1.1 振捣器集成控制系统

振捣器集成控制系统由隧道衬砌台车上设置的附着式平板振捣器、PLC电柜控制箱、移动式按钮开关控制箱、供电电源组等组成。其中,附着式平板振捣器连接于PLC电柜控制箱,PLC电柜控制箱连接于移动式按钮开关控制箱,移动式按钮开关控制箱上面有对应的平板振捣器启停按钮,可以进行实时控制。PLC电柜控制箱由继电器、接触器、PLC控制系统、触摸电容屏组成,通过触摸电容屏进入操作系统能够对平板振捣器进行启停控制,记录并显示平板振捣器的运行状态和时间,对平板振捣器的数据进行清零或者导出操作。

隧道衬砌台车附着式平板振捣器集成控制系统通过集成控制的方式,能实时记录及显示二衬施工振捣使用参数,为二衬混凝土施工效果分析提供直观数据,有助于改进二衬混凝土施工工艺;能存储数据,将每组二衬平板振捣器的振捣情况下载到电脑,以便以后查找,可追溯性强,有效解决平板振捣器振动开与不开等无人知晓的问题;投入小,操作性强,易推广。

2.1.2 混凝土浇筑管理系统

二衬混凝土质量管理系统分为二维码扫码模块和混凝土浇筑振捣模块,分別如图3和图4所示。

图3 混凝土浇筑管理系统二维码模块Fig.3 Two-dimensional code module in concrete pouring management system

图4 混凝土浇筑管理系统振捣模块Fig.4 Vibration module in concrete pouring management system

二维码模块主要功能是运用二维码信息技术,对混凝土生产、运输和入模进行管理控制。每车混凝土在搅拌站生产后,生成二维码。二维码中记录混凝土的方量、浇筑部位、生产时间、混凝土标号等信息。混凝土罐车运到现场后,现场扫描二维码,根据扫描信息复核浇筑部位和混凝土标号是否正确,复核混凝土是否超过初凝时间等。

混凝土浇筑振捣模块主要功能是对混凝土浇筑过程进行记录和监测统计,计算超灌量。浇筑过程中实时统计混凝土浇筑方量情况,现场形象化显示实时浇筑进度和混凝土浇筑面的位置,指导平板振捣器开启。监测统计附着式振捣器运行情况,直观显示累计振动时间等,防止混凝土漏振或过振。浇筑完毕显示浇筑总方量,并与设计方量和断面扫描方量进行对比分析,可得出超灌情况或拱顶空洞情况,并及时采取相应措施,保证二衬混凝土质量。

隧道衬砌台车附着式平板振捣器集中控制系统通过集中控制的方式,可以减少人工投入,以往的振捣需3～4人操作整个台车的振捣器,现只需要1人在集成控制箱操作,且通过浇筑质量管理的时间记录能减少因人为因素造成的质量缺陷,提高施工效率,确保施工质量。混凝土集成振捣控制系统和混凝土浇筑管理系统两项技术在八达岭长城站的过渡段运行稳定可靠,有效地解决了混凝土的外观质量、二衬混凝土背后脱空、拱顶空洞等缺陷问题,现场作业人员减少50%,现场数据记录耗时降低90%,同时保证施工过程记录100%可追溯性。

2.2 智能化养护台车工作原理

衬砌智能化养护台车如图5所示,主要由门架形式结构、雾化系统、电加热系统、气囊密封系统、智能温湿控制系统等组成,其中,智能温湿控制系统是养护台车的核心。衬砌智能养护台车系统由一台具备升温、保温、保湿功能的台车和一组具备保温、加湿功能的台车组成。智能养护台车设备采用软性材料密封,可快速充放气,适用于不同尺寸的断面。其走行采用轨行式,与衬砌台车同轨,衬砌台车前移后,养护台车可实现快速就位进行养护施工。

图5 智能化养护台车构造Fig.5 Intelligent maintenance trolley structure

衬砌智能化养护台车的工作原理如下:施工过程中,智能养护台车四周密封的气囊使隧道壁和电加热系统间形成密封效果好、加热效率高的养护空间,如图6(a)和图6(b)所示。随后,智能养护台车启用其5～10 μm雾化喷头的微米级雾化加湿器,通过不锈钢高压流体输送管道实现区域雾化,湿度传感器迅速将数据传至控制器,智能控制养护湿度,如图6(c)所示。同时,利用雾化系统的加热装置,控制雾化水温与隧道壁混凝土温差在有效温差范围内。最后,利用由温湿控制器、传感器和加热加湿器组成的智能温湿控制系统实时监测混凝土温度和湿度,如图7所示。

图6 智能台车应用现场及效果Fig.6 Field effect of intelligent trolley application

图7 衬砌温度监测曲线Fig.7 Monitoring curve of the lining temperature

该系统智能化程度高,是养护台车的核心技术,具有数显、自动生成曲线、报表、数据保存和输出等功能,可对养护区域实现智能控制与调节,有效降低人为原因的影响,实现移动终端APP远程控制,保证隧道二衬的施工质量。通过对比喷雾标养和室内同条件自然养护混凝土试件的抗压强度,发现3,7,28 d和56d模筑混凝土试件在喷雾标养条件下的强度比同条件养护条件下高,如表1所示。

表1 衬砌智能养护台车养护与自然养护强度对比Table 1 Comparison of lining curing strength between the methods of intelligent maintenance trolley and natural maintenance

3 衬砌智能检测技术

影响衬砌质量的主要因素是脱空和开裂问题。为此,提出一套二衬防脱空自动报警和防顶裂技术,实现了衬砌浇筑状态的实时采集和顶裂问题的预防。

二衬防脱空自动报警系统以电子探测技术为核心,系统架构和工作原理如图8所示。系统由数据采集、预警管理、数据分析3个模块组成,具体分析如下。

图8 二衬防脱空自动报警系统架构和工作原理Fig.8 The framework and principle of anti-emptying automatic alarm system for secondary lining

(1)数据采集:通过液位继电器工作原理,在混凝土区域顶部设立探头,当混凝土注满时会将探头和台车的拱板接通导电,产生注满的物理信号,从而触发声光报警系统,对应提醒泵送操作手对应探头点已灌注完成,有效防止空洞发生。

(2)预警管理:在拱顶预埋5条接触式贯通电路,通过混凝土与电路接触导电,触发声光系统,从而确保混凝土灌注饱满密实。台车电气控制部分安装有液位继电器和声光报警指示灯,可将混凝土的流动情况转换为电信号和声光信号,以便现场施工人员判断浇筑情况。当浇筑到位时报警灯变亮,同时发出蜂鸣声,起到提示作用。结合二衬台车排气、注浆装置,将单导线探头从注浆、排气口位置探出,探头可重复利用,节约了导线消耗用量,施工成本较低。共设置5组预警点,所有输出电压均为安全电压,具有较高的安全性。

(3)数据分析:通过声光信号,可以判别出混凝土目前浇筑的高度,还需要浇筑的方量等,简而言之,按二衬防脱空自动报警系统提供的剩余需浇筑混凝土方量浇筑完毕,可以有效避免空洞的产生。

二衬防脱空自动报警装置工艺流程:制作微动传感器(图9)→安装传感器、信号箱和声光报警系统→混凝土开始浇筑→混凝土浇筑至传感器位置→产生浇筑完毕的物理信号→转化为电信号→声光报警系统触发。

图9 微动传感器Fig.9 The micro sensor

隧道内二衬防顶裂技术通过在衬砌台车模板端头增设底座、丝杆、弧形钢板、销子等装置,可以有效保护已施做段端头混凝土,避免开裂。二衬防顶裂技术工艺流程为:台车就位→已浇筑混凝土端安装底座、丝杆、弧形钢板、销子→丝杆拧紧→弧形模板紧贴混凝土表面。混凝土防顶裂装置如图10所示。

图10 混凝土防顶裂装置实体Fig.10 The concrete cracking prevention device

二衬防脱空自动报警、防顶裂技术应用后各项数据指标对比如表2所示。实践表明,该系统应用后,空洞现象发生概率由16%降为6%,衬砌开裂概率由22%降为8%,取得了良好的效果。

表2 技术应用后的各项数据指标对比Table 2 Various data indicators comparison after application of this technology

4 结论与展望

4.1 结论

本文基于京张高铁八达岭隧道,介绍了一系列复杂隧道衬砌智能化建造及质量控制技术,包括二衬结构混凝土智能振捣和浇筑技术,智能化养护台车,二衬防脱空自动报警、防顶裂技术等衬砌智能质量管理系统。

隧道衬砌台车附着式平板振捣器集成控制系统通过集成控制的方式,实现二衬混凝土浇筑质量系统智能管理。二维码信息技术,实现了混凝土生产、运输和入模过程管理,并动态调节混凝土超灌量。实践表明,该技术可有效解决混凝土的外观质量、二衬背后脱空和拱顶空洞等缺陷问题,减少现场作业人员50%,降低现场数据记录耗时90%,保证施工过程记录100%可追溯性。

衬砌智能化养护台车的智能温湿控制系统是混凝土智能养护的核心,可实现远端APP实时控制和调节,确保混凝土处在合理的温度和湿度范围,有效提高混凝土养护强度。

二衬防脱空自动报警系统可实时监测拱顶和衬砌背后混凝土浇筑过程,动态控制混凝土浇筑方量。二衬防顶裂技术,可有效保护已施做段端头混凝土,防止开裂。结果表明,该项技术使空洞现象发生概率由16%降为6%,衬砌开裂概率由22%降为8%,取得了良好的效果。

提出的复杂隧道衬砌智能化建造及质量控制技术在新八达岭隧道项目的成功应用验证了该技术的可行性和优越性,为其推广应用奠定了良好的基础。