摘要為消除鐵路隧道襯砌質量隱患，提升襯砌質量，加強對襯砌混凝土澆筑全過程的控制，確保隧道襯砌“質量可靠、安全可控”，文章結合張吉懷鐵路吉首隧道，介紹了一套集臺車就位控制、澆筑振搗控制、施工信息監控于一體的隧道襯砌施工信息化控制系統。在吉首隧道中的實際應用表明，該系統可以實現襯砌混凝土澆筑全過程的可視化、數據化、信息化、智能化，達到了集中、高效、便利的管理目標，對提升隧道襯砌質量、提高隧道襯砌施工效率、降低作業人員勞動強度具有重要的意義。

　　關鍵詞隧道襯砌混凝土信息化控制系統

　　1引言

　　“信息化”概念是日本學者梅棹忠夫在20世紀60年代首次提出，之后傳播到西方，70年代后期，西方社會普遍使用“信息社會”和“信息化”概念。隨著我國經濟高速增長，我國信息化有了顯著的發展和進步，縮小了與發達國家的差距。信息化是以現代通信、網絡、數據庫技術為基礎，以計算機等智能化工具為手段，將所研究對象的各要素匯總至數據庫，通過信息獲取、信息傳遞、信息處理、信息再生、信息利用的方式，供使用者生活、工作、學習、輔助決策等。

　　信息化技術以適量投入獲取最佳效益，極大地提高各種行為的效率，為推動人類社會進步提供了極大的技術支持。信息化最終目的是將信息技術融入到新的管理模式和方法中，實現扁平化、網絡化、集成化的管理創新，其核心要素是建設數據平臺和挖掘數據深度。信息化水平的評價主要體現在3個方面：

　　(1)是否實現了扁平化流水線管理;(2)是否實現了通過網絡處理復雜的“專業 性”問題;(3)是否達到了決策層隨時調用數據進行實時監控和管理的目的。隧道襯砌是永久性結構，主要作用是防止圍巖風化、解除地下水影響、支持和維護隧道的長期穩定以及保持列車安全運行的空間。因此，隧道襯砌必須“質量可靠、安全可控”，具有足夠的強度、厚度、耐久性和一定的抗凍、抗滲和抗侵蝕性。隧道襯砌質量隱患對其安全使用影響很大，國內外因隧道襯砌質量導致的安全事故時有發生[1，2]。

　　傳統的隧道襯砌施工缺陷較多[3]，為了提高鐵路隧道襯砌質量，國內工程技術人員對隧道襯砌施工信息化技術進行了大量的科研攻關。趙曉鋒等[4]研發了襯砌模板臺車定位和空洞監控系統，利用高精度激光傳感器對模板臺車進行定位，采用電極液位傳感器對襯砌是否存在空洞進行監控，并開發了相關的信息化軟件，具備視頻監控、同步數據等功能，實現人機交互及模板臺車數據傳輸。姬海東等[5]研究了隧道襯砌施工信息化控制技術，主要包括襯砌臺車定位控制、混凝土的狀態和澆筑方量監控、拱頂澆筑壓力反饋、臺車脫模時間設定等，通過信息集成，研制了隧道數字化襯砌臺車。

　　相關學者針對隧道襯砌施工信息化技術的研究，主要從臺車定位、混凝土澆筑狀態、拱頂澆筑壓力等方面進行功能設計，對于隧道襯砌施工信息化集成控制系統的系統研究與分析較少，傳統的襯砌臺車在智能化、信息化水平上仍有提升空間[6]。基于此，本文依托張吉懷鐵路吉首隧道，對隧道襯砌施工信息化控制系統進行了詳細介紹和系統分析，以期完善隧道襯砌施工信息化控制系統方面的研究，為信息化控制系統在隧道襯砌施工中的推廣應用提供借鑒。

　　2隧道襯砌施工信息化控制系統

　　隧道襯砌施工信息化控制系統組成，該系統由3部分組成：臺車就位控制系統、澆筑振搗控制系統、施工信息監控系統。臺車就位控制系統包括臺車行走控制系統、臺車液壓控制系統和施工縫搭接控制系統，澆筑振搗控制系統包括自動旋轉布料控制系統、拱頂自動振搗控制系統，施工信息監控系統包括澆筑過程監控系統、拱頂澆筑壓力控制系統。

　　2.1臺車就位控制系統

　　臺車就位控制系統包括臺車行走控制系統、臺車液壓控制系統和施工縫搭接控制系統。

　　2.1.1臺車行走控制系統

　　襯砌臺車在完成一段襯砌的施工作業后，需要移動到下一位置繼續施工，由于襯砌臺車較重，需要配置帶有動力的行走系統。行走系統通常采用輪軌式，由行走輪、驅動及減速鏈輪鏈條、減速齒輪箱和電機等組成。

　　4套行走系統分別安裝在4條支腿下部，采用獨立驅動。信息化襯砌臺車行走系統采用PLC變頻控制，具有前進、后退、點動前進、點動后退的功能，電機之間可以聯動控制。襯砌臺車在定位過程中不是一次性準確定位，需要多次調整，因此在控制系統中設置前后點動控制，從而實現襯砌臺車縱向精準定位。為避免臺車在行走啟動階段產生較大的沖擊，在控制系統中增加了行走電機軟啟動功能，有利于確保行走安全，延長行走機構使用壽命。臺車行走控制系統主要技術參數：行走系統驅動電機減速機功率為4×7.5kW;行走控制變頻器功率為37kW;行走速度一般為6～7m/min。

　　2.1.2臺車液壓控制系統

　　液壓系統作為襯砌臺車的立模、脫模和模板對中等動作的動力源，由電動機、液壓泵、手動換向閥、垂直及側向液壓油缸、液壓鎖、油箱及管路等組成。桁架式大凈空新型襯砌臺車液壓系統具有3項功能：

　　(1)襯砌臺車整體升降由4個升降油缸完成;(2)襯砌臺車模板橫移由4個橫移油缸完成;(3)邊模板收放由每側的2個下展油缸共4個油缸完成。襯砌臺車油缸設置了油缸頂推限位，與已完成襯砌施作的斷面搭接定位時，達到接觸面后立即停止油缸頂推，防止對混凝土造成破壞。液壓控制系統通過PLC系統實現遠程遙控及本地控制，遠程遙控采用液壓無線控制系統，方便近距離觀察定位情況，改變傳統定位現狀，保證定位精度。升降油缸可實現同時操作，也可分別操作。臺車液壓控制系統主要技術參數：控制系統工作電壓為交流電220V;泵站工作壓力為12MPa，功率為5.5kW，工作電壓為交流電380V。

　　2.1.3施工縫搭接控制系統

　　為徹底消除隧道襯砌施工縫的“月牙狀”壓潰型開裂，襯砌臺車采用V型槽零搭接橡膠緩沖式就位技術，這項技術要求襯砌臺車就位時采取“施工縫零搭接”精準定位。為實現襯砌臺車精準定位信息化，采用光電傳感器監測模板與搭接襯砌之間的間距。

　　在襯砌臺車搭接混凝土的一端，沿襯砌臺車模板環向布置3個光電傳感器，即左、右邊模板各1個，模板拱頂1個。立模過程中，當模板與接觸面之間的距離小于設定值時，搭接監測系統自動報警，提醒作業人員緩慢移動模板，逐漸壓緊已施作的襯砌結構。光電傳感器主要技術參數：工作電壓為直流電24V;分辨率為1024p/r;精度為±1mm。

　　2.2澆筑振搗控制系統

　　澆筑振搗控制系統包括自動旋轉布料控制系統和拱頂自動振搗控制系統。

　　2.2.1自動旋轉布料控制系統桁架式大凈空新型襯砌臺車采用自動旋轉布料機逐窗澆筑技術。自動旋轉布料機由回轉機構、伸縮機構、主管路、分支管路組成。布料系統共設置15個分支管路，其中在左、右邊模板分別設置5個，在頂模板設置3個，剩余2個作為備用。混凝土澆筑時主要通過回轉機構實現自動換窗澆筑。

　　自動旋轉布料控制系統由伺服電機轉動控制、布料推桿伸縮控制兩部分組成。伺服電機共有15個轉動位置，每個位置按實際排列順序放置在控制系統的界面上。按下啟動按鈕，伺服電機處于啟動狀態，按下需要轉動到的位置，布料系統即可在伺服電機驅動下，自動轉動到相應的位置。布料系統的推桿每次伸出、收縮的距離相同，在控制界面上有“伸出”、“縮回”兩個按鈕。當布料系統轉動到位后，按下布料推桿的“伸出”按鈕，布料推桿將自動伸出，伸出到位后，“伸到位”指示燈將亮起，表示布料系統已完成對中，可以開始澆筑混凝土。

　　當前位置完成澆筑后，需要將布料系統對中到下一位置，首先按下布料推桿的“縮回”按鈕，將布料推桿退回至原始位置，復位后“縮到位”指示燈亮，然后按下布料系統下一個需要對中的位置，布料系統將自動轉動到該位置。重復上述操作，即可完成對中，并開始澆筑混凝土。自動旋轉布料控制系統主要技術參數：工作壓力為12MPa;扭矩為200N·m;旋轉速度為750r/min;油缸推力為7.6kN;對中精度為±1mm;旋轉角度為±180°。

　　2.2.2拱頂自動振搗控制系統

　　為了保證隧道拱部襯砌混凝土質量，在襯砌臺車的拱部模板上安裝了4套高頻氣動振搗裝置，從而實現了拱部混凝土的高頻自動振搗。同時考慮到鋼筋的影響，在襯砌臺車的拱部模板上全方位設置了4排共24個高頻氣動振搗器，高頻氣動振搗器在拱頂中心環向兩側各50°范圍內沿隧道縱向均勻布置，其中距拱頂中心1m位置兩側各布置1排、每排8個，距拱頂中心2m位置兩側各布置1排、每排4個。振搗器主要技術參數：振搗半徑為1.5m;工作氣壓為0.6MPa;振動頻率為12000～20000次/min;振幅為2mm;激振力為7.5kN。混凝土振搗時間可通過“T設定”自行設置。

　　需要振搗時，選擇相應位置的附著式振搗器，按下啟動按鈕，振搗器處于開啟狀態，按下對應位置的“伸出”按鈕，振搗棒在電動推桿的作用下自動向外伸出，伸出到位后，“伸到位”指示燈自動亮起，隨后振搗棒通電，開始振搗施工，振搗時間由設定的參數決定。振搗完成后按下“縮回”按鈕，振搗棒將自動縮回，縮回到位后，“縮到位”指示燈自動亮起，按下“停止”按鈕，對應的振搗棒將處于關停狀態，可防止錯誤地再次啟動振搗棒。通過現場多次試驗，確定拱部混凝土高頻氣動振搗器振搗參數。

　　2.3施工信息監控系統

　　施工信息監控系統包括澆筑過程監控系統和拱頂澆筑壓力控制系統。

　　2.3.1澆筑過程監控系統

　　混凝土澆筑過程監控系統包括混凝土的澆筑量監控、澆筑進度監控、澆筑溫度監控，以及防脫空預警監控。

　　(1)澆筑量監控混凝土澆筑量包括實際澆筑量和預測澆筑量。實際澆筑量是指現場澆筑混凝土施工時，利用傳感器將混凝土輸送泵擺動輸送油缸的擺動次數傳輸至控制系統，通過系統累計計算得出混凝土實際澆筑量。預測澆筑量是指隧道鋪設防水板后采用3D斷面儀對襯砌段落進行斷面掃描，計算出理論需要澆筑的混凝土量。一般情況下，實際澆筑量應比預測澆筑量大1～3m3。澆筑量監控主要技術參數：工作電壓為直流電24V;工作電流為4～20mA;精度為1.5%。

　　(2)澆筑進度監控混凝土澆筑進度監控是指在襯砌臺車中部兩側的邊墻及拱腰部位環向各布置8個液位傳感器(共16個)，當混凝土澆筑到液位傳感器時，傳感器液位導電輸出信號，監測系統接收信號，實時顯示混凝土澆筑位置。為了減少液位傳感器的保養清洗，液位傳感器安裝時宜凸出襯砌臺車模板3～5mm，這樣，混凝土澆筑后一般不會在傳感器表面殘留，無需人工清洗，液位自動回歸初始狀態，降低了作業人員勞動強度。

　　(3)澆筑溫度監控混凝土澆筑溫度監控是在襯砌臺車外輪廓面板上安裝溫度傳感器，一般為1個，監測混凝土溫度。澆筑溫度監控主要技術參數：量程為0～150℃;精度為±0.6℃。(4)防脫空預警監控防脫空預警監控是在隧道拱頂縱向均勻安裝接觸端子或壓力傳感器，一般為4個。當混凝土澆筑至接觸端子或壓力傳感器時，繼電器工作，聲光報警器報警，指示燈亮起，表明混凝土澆筑飽滿，可以結束澆筑工作。防脫空預警監控主要技術參數：檢測長度為12m;元件間距為75cm;元件數量15個。

　　2.3.2拱頂澆筑壓力監控系統

　　在襯砌臺車模板的頂部縱向均勻安裝4個壓力傳感器，間距一般為2.4m。從端頭開始，壓力傳感器編號分別為1號、2號、3號、4號。混凝土澆筑時，通過傳感器傳輸信號至控制系統，在觸摸屏上實時顯示拱頂位置混凝土澆筑壓力及壓力變化曲線。當壓力超過設定值時，監控系統會自動報警，停止澆筑作業。拱頂澆筑壓力監控系統主要技術參數：兩線制，量程為0～0.3MPa;電壓為直流電24V;輸出電流為4～20mA。

　　3襯砌施工信息化控制系統布置

　　在隧道襯砌臺車右下部設置信息化監控中心。信息化控制系統是基于可編程序控制器PLC開發，通過PLC豐富的數字、模擬量接口與相應的檢測終端通信，通過程序控制實現了襯砌施工信息的自動監控。信息化控制系統配備了GPRS無線數傳模塊，可以自動采集隧道襯砌施工信息，并上傳至監控室。

　　信息化控制系統可以自動將每個襯砌循環的數據形成報表并自動存儲。襯砌施工數據報表主要包含壓力、流量、溫度、預測澆筑量、實測澆筑量等實時信息，每間隔30s或按任意設置的時間自動生成1組數據。生成的數據可用于襯砌施工質量分析，同時也為襯砌施工工藝、襯砌工裝改造提升提供了基礎數據。

　　4結論與體會

　　(1)隧道襯砌施工采用信息化控制系統，可以實現襯砌混凝土澆筑全過程的可視化、數據化、信息化、智能化，達到了集中、高效、便利的管理目標，對提升隧道襯砌混凝土質量具有極為重要的作用。

　　(2)隧道襯砌臺車搭載信息化控制系統，基本構成了智能化襯砌臺車，對提升隧道襯砌質量、提高隧道襯砌施工效率、降低作業人員勞動強度具有重要的意義和廣闊的推廣應用前景。(3)采用信息化控制系統，實現了隧道襯砌施工的全過程控制和數據可追溯性。將隧道襯砌施工信息與隧道襯砌質量地質雷達檢測結果進行對比、分析和驗證，通過不斷地完善襯砌施工工藝，可以進一步提升隧道襯砌質量水平，減少襯砌病害發生的概率。

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　　作者：張民慶1辛維克1賈大鵬1韓靜玉2王百泉2馬偉斌3王水善4