公路隧道智能衬砌台车控制系统特征与应用分析

杨关飞 马超 黄晓龙 罗虎 华正仙 司纲 王生玉

摘要 随着现代隧道衬砌要求的提升，传统的衬砌台车已经无法满足日益严格的技术标准，因此新型隧道衬砌台车成为隧道衬砌施工的必然需求。文章详细介绍了衬砌台车的设计原理和性能特点，并将其分为简易型、全液压式和网架式衬砌台车三种类型；指出衬砌台车在实际应用中仍存在一些问题，如浇筑不平均、振捣不充分和智能化程度低等。对衬砌台车智能化研究现状进行了总结分析，指出了各系统急需解决的问题。依托实际工程研发了智能衬砌台车，该衬砌台车包含智能定位系统、智能浇筑振捣系统及视频监控管理系统，现场应用效果良好。

关键词 衬砌台车；性能特点；应用局限；智能化

中图分类号 U457文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0095-03

0 引言

目前，复杂和未知的环境与地质条件已经成为隧道建设的常态，隧道的施工与运营的难度将会增加[1]。常规的施工工艺，会造成衬砌内部结构强度不足，衬砌厚度不够，衬砌背后空洞，从而导致混凝土脱空、掉块、裂缝、渗漏水等病害。施工质量达不到设计要求是导致病害产生的主要原因之一[2-3]。所以，传统衬砌台车已无法满足现代隧道衬砌要求的技术标准，新型高自動化以及智能化的隧道衬砌台车能够满足隧道衬砌建设标准，符合施工技术要求，新型隧道衬砌台车已经成为隧道衬砌施工的必然需求。

随着科学技术的发展以及各学科的交叉使用，隧道衬砌台车已经有了一定的发展，国内已经有很多研究人员进行了相关研究。姬海东[4]等通过数字化方式对隧道衬砌台车进行控制，自动化、机械化地完成隧道衬砌浇筑工作，向着隧道衬砌施工的智能化迈进。梁爽[5]通过对隧道衬砌台车的计算以及数值模拟，对隧道衬砌台车的应用与原理进行了研究，并且对其起到了一定的优化效果。

由于传统浇筑工艺存在一定的缺陷，隧道病害也经常发生，隧道衬砌质量也很难保证。隧道衬砌进行混凝土施工作业时，应该及时地对混凝土进行养护。因此，想要保持混凝土的使用时间以及提高施工过程中的质量标准，养护的流程以及养护设备显得非常关键。该文总结了隧道衬砌质量缺陷的原因，并且对新型隧道衬砌台车的构成以及在隧道衬砌台车在工程上的应用进行了概括。

1 衬砌台车类型及应用局限

1.1 衬砌台车类型

1.1.1 简易型衬砌台车

隧道施工中，简易型隧道衬砌台车作为一种特殊设备，主要作用是将隧道衬砌块（如混凝土或钢板）从工作面运输至衬砌位置，并在衬砌过程中提供支撑[6-7]。相较于其他类型的隧道衬砌台车，简易型隧道衬砌台车具有体积小、灵活性高、操作简单方便等优点，且成本相对较低[8]。但是其承载能力较小，不能够满足大型隧道工程的需求。因此，在一些小型、简单的隧道工程中，简易型隧道衬砌台车仍然得到广泛应用。然而，随着隧道工程越来越复杂，对隧道衬砌台车的要求也在不断提高[9]。目前，全液压式隧道衬砌台车和网架式隧道衬砌台车等新型设备已经得到广泛应用。

1.1.2 全液压式衬砌台车

全液压式衬砌台车是一种高效、智能的隧道衬砌设备，主要用于隧道衬砌工程的施工。该设备采用全液压驱动系统，通过升降、水平移动、旋转等多种功能，能够快速、准确地将衬砌块安装到预定位置。全液压式衬砌台车的操作简单、效率高，能够显著提高隧道衬砌工程的施工速度和质量。

全液压式衬砌台车通常由车身、臂架、液压系统、电气系统等部分组成。该设备的液压系统采用分块阀控制，可以分别控制不同部分的动作，从而使其动作更加平稳、准确。同时，全液压式衬砌台车的液压系统还能实现无级调速和无级控制等功能。它采用液压缸控制各个运动部件，可以实现较大的力矩和稳定的运动性能。施工工序如图1所示。

1.1.3 网架式衬砌台车

网架式隧道衬砌台车，又称隧道衬砌作业台车，是一种专门用于隧道衬砌作业的特定车辆，能在隧道内部移动和进行作业，并且被用于安装和调整隧道衬砌的钢筋和混凝土构件。网架式隧道衬砌台车的主要组成部分包括作业平台、导轨、驱动系统、电气系统等。其中，作业平台是车辆的主要工作区域，由钢架和网格构成，能够承受工人、设备和材料的重量，并且提供足够的空间进行作业。

三种衬砌台车的性能特点如表1所示。

1.2 应用局限

衬砌台车作为重要的隧道施工设备，虽然在实际应用中得到了广泛的应用，但是仍然存在一些通病，整理如下：

（1）自重较大：衬砌台车的自重较大，给设备的运输和安装带来困难，特别是复杂地质条件下的隧道施工。

（2）浇筑不平均：衬砌台车在浇筑混凝土时，由于混凝土的流动性差异或其他原因，可能会导致浇筑不平均，出现坑洼或凸起等问题。

（3）振捣不充分：振捣是混凝土浇筑过程中必要的步骤，但是由于振捣装置的设计或操作不当，振捣不充分可能会导致混凝土中存在空洞或空隙等问题，影响隧道的安全性。

（4）智能化程度低：目前的衬砌台车智能化程度较低，大部分衬砌台车的操作都需要人工干预，自动化程度较低，增加了人力成本和操作风险，不能满足现代隧道施工对设备智能化、自动化的需求。

这些通病不仅影响了衬砌台车的施工效率和施工质量，还限制了其在复杂地质条件下的应用。因此，针对这些问题需要进行相应的技术改进和优化设计，提高衬砌台车的自动化程度和工作效率，减少操作风险和成本，提高隧道工程的施工质量和安全性。

2 智能化衬砌台车研发与应用

2.1 工程背景

万里沟隧道进口位于青海省尖扎县境内，设计为分离式双线隧道，万里沟隧道左线长3 670 m，右线长3 689 m，二衬均采用防水等级为P8的C30防水混凝土。针对普通台车门架通过面积小、混凝土浇筑过程中台车易变形或下沉、环向中埋止水带不居中、混凝土浇筑一孔灌到顶、随意振捣或过度振捣等问题，依托该工程改进台车模架，安装信息化系统设备，以确保二次衬砌的施工质量。

2.2 衬砌台车智能定位系统

在混凝土灌注过程中，存在混凝土压力过大，造成台车变形或下沉的情况。为此研发了衬砌台车智能定位监控系统，如图2所示。解决了隧道台车在安装及使用过程中靠经验、感觉施工的问题，采用数字化、智能化、方便快捷的方法，进行台车定位及施工，避免衬砌环向施工缝开裂。

该智能定位系统能实时监测定位台车模板到混凝土衬砌表面的径向距离，通过粗调和精调定位，智能报警显示，指导台车精确定位；实时监测台车定位时的压紧程度及接触压力，指导台车定位，避免压裂衬砌混凝土；实时监测衬砌施工时台车模板的变形程度，及时掌握台车变形情况，指导及时对台车进行整形和再加工，及时监控混凝土施工的过程和速度等优势。该定位系统安装后改进了施工质量，避免了环向施工缝缺陷。

2.3 衬砌台车智能浇筑振捣系统

混凝土振捣管理信息系统是解决隧道衬砌因未振捣导致的不密实、强度不足、混凝土不流动的一种非常有效的设备管理系统。HoJa-380混凝土振捣管理信息系统是基于隧道衬砌施工振搗技术和管理而开发的一种智能管理系统，既方便施工人员使用，也方便项目部加强对施工人员的管理和监督，有利于提升施工质量，完善施工管理（如图3所示）。HoJa-380振捣管理信息系统分为电动版（E型）和气动版（A型），分别用于电动振捣器和气动振捣器。

该智能浇筑振捣系统可自行根据围岩等级和混凝土厚度设计振捣时间、振捣次数等，且对振捣全过程进行记录，记录振动时间、振动次数等，能够避免漏振，且由屏幕动态显示。此外，还具有操作安全方便、节省人力成本等优势。

2.4 衬砌台车智能监控系统

该系统由探针式监测器及电脑处理系统两大部分组成，探针式监测器设置包括主摄像头、两侧摄像头、混凝土实时高度检测模板的集成监测器。使用时从端头模处顶部插入，混凝土达到厚度后会自动报警，抽出检测器即可。钢管内有电池供电，可采用电池供电或者外接电源供电。电脑处理系统可实现实时视频显示，分窗记录主侧、两侧摄像头的实时图像以及混凝土实时高度。视频监控管理系统主要技术参数如表2所示。

2.5 工程应用效益

衬砌台车研发成功后应用于万里沟隧道，现场应用效果良好，大幅缩短了隧道施工循环周期。二次衬砌全工序（含防水卷材铺设、止水带安装、钢筋安装、模板安装、浇筑混凝土）施工循环周期为3.5 d（12 m/循环），较传统工艺的6 d减少2.5 d，且能保证施工进度和质量效益双赢。集成信息化系统衬砌台车，12 m/循环，全工序施工班组人员由传统工艺的12人减少到6人，减员50%。机械化换人，自动化减人效果，实现从根源上降低人员安全风险隐患和施工成本的目标。初步预估项目完工后，每套新型台车可直接节约经济成本200万元以上。

3 结论

（1）衬砌台车根据其设计原理及性能特点可分为简易型衬砌台车、网架式衬砌台车及全液压式衬砌台车。简易型衬砌台车具有较低的制造成本和操作难度，适用于一些简单隧道工程。然而，由于依赖于人工操作，其施工效率较低且受限于人力的局限性。网架式衬砌台车具有较好的稳定性和可靠性，适用于大多数隧道工程。全液压式衬砌台车适应不同类型和尺寸的隧道衬砌，具有自动化的特点，能够提高施工效率和工作安全性，减少人工操作的风险。

（2）衬砌台车作为一个重要的隧道施工设备，虽然在实际应用中得到了广泛的应用，但是仍然存在如自重较大、浇筑不平均、振捣不充分及智能化程度低等通病。

（3）依托实际工程研发了智能衬砌台车，该衬砌台车包含智能定位系统、智能浇筑振捣系统及视频监控管理系统，现场应用效果良好，缩短了施工周期，降低了劳动强度，节省了成本。

参考文献

[1]李荣鑫， 王柏松， 闫艳辉， 等．二衬衬砌模板台车设计研究及信息化系统[J]. 建筑机械， 2019（8）： 14-17.

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[4]姬海东， 刘在政， 张海涛. 新型带压浇筑隧道数字化衬砌台车研究与应用[J]. 隧道建设（中英文）， 2018（8）： 1384.

[5]梁爽. 隧道衬砌台车轻型化研究与应用[D]. 昆明： 昆明理工大学， 2018.

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