摘要為消除鐵路隧道襯砌質(zhì)量隱患，提升襯砌質(zhì)量，加強對襯砌混凝土澆筑全過程的控制，確保隧道襯砌“質(zhì)量可靠、安全可控”，文章結(jié)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(jiān)控于一體的隧道襯砌施工信息化控制系統(tǒng)。在吉首隧道中的實際應用表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)襯砌混凝土澆筑全過程的可視化、數(shù)據(jù)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(zhì)量、提高隧道襯砌施工效率、降低作業(yè)人員勞動強度具有重要的意義。

　　關(guān)鍵詞隧道襯砌混凝土信息化控制系統(tǒng)

　　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(jīng)濟高速增長，我國信息化有了顯著的發(fā)展和進步，縮小了與發(fā)達國家的差距。信息化是以現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)支持。信息化最終目的是將信息技術(shù)融入到新的管理模式和方法中，實現(xiàn)扁平化、網(wǎng)絡化、集成化的管理創(chuàng)新，其核心要素是建設(shè)數(shù)據(jù)平臺和挖掘數(shù)據(jù)深度。信息化水平的評價主要體現(xiàn)在3個方面：

　　(1)是否實現(xiàn)了扁平化流水線管理;(2)是否實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡處理復雜的“專業(yè) 性”問題;(3)是否達到了決策層隨時調(diào)用數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和管理的目的。隧道襯砌是永久性結(jié)構(gòu)，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(wěn)定以及保持列車安全運行的空間。因此，隧道襯砌必須“質(zhì)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?jié)B和抗侵蝕性。隧道襯砌質(zhì)量隱患對其安全使用影響很大，國內(nèi)外因隧道襯砌質(zhì)量導致的安全事故時有發(fā)生[1，2]。

　　傳統(tǒng)的隧道襯砌施工缺陷較多[3]，為了提高鐵路隧道襯砌質(zhì)量，國內(nèi)工程技術(shù)人員對隧道襯砌施工信息化技術(shù)進行了大量的科研攻關(guān)。趙曉鋒等[4]研發(fā)了襯砌模板臺車定位和空洞監(jiān)控系統(tǒng)，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(jiān)控，并開發(fā)了相關(guān)的信息化軟件，具備視頻監(jiān)控、同步數(shù)據(jù)等功能，實現(xiàn)人機交互及模板臺車數(shù)據(jù)傳輸。姬海東等[5]研究了隧道襯砌施工信息化控制技術(shù)，主要包括襯砌臺車定位控制、混凝土的狀態(tài)和澆筑方量監(jiān)控、拱頂澆筑壓力反饋、臺車脫模時間設(shè)定等，通過信息集成，研制了隧道數(shù)字化襯砌臺車。

　　相關(guān)學者針對隧道襯砌施工信息化技術(shù)的研究，主要從臺車定位、混凝土澆筑狀態(tài)、拱頂澆筑壓力等方面進行功能設(shè)計，對于隧道襯砌施工信息化集成控制系統(tǒng)的系統(tǒng)研究與分析較少，傳統(tǒng)的襯砌臺車在智能化、信息化水平上仍有提升空間[6]�；�于��，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(tǒng)進行了詳細介紹和系統(tǒng)分析，以期完善隧道襯砌施工信息化控制系統(tǒng)方面的研究，為信息化控制系統(tǒng)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(tǒng)

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

　　2.1臺車就位控制系統(tǒng)

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

　　2.1.1臺車行走控制系統(tǒng)

　　襯砌臺車在完成一段襯砌的施工作業(yè)后，需要移動到下一位置繼續(xù)施工，由于襯砌臺車較重，需要配置帶有動力的行走系統(tǒng)。行走系統(tǒng)通常采用輪軌式，由行走輪、驅(qū)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(tǒng)分別安裝在4條支腿下部，采用獨立驅(qū)動。信息化襯砌臺車行走系統(tǒng)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(lián)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(diào)整，因此在控制系統(tǒng)中設(shè)置前后點動控制，從而實現(xiàn)襯砌臺車縱向精準定位。為避免臺車在行走啟動階段產(chǎn)生較大的沖擊，在控制系統(tǒng)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(gòu)使用壽命。臺車行走控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：行走系統(tǒng)驅(qū)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(tǒng)

　　液壓系統(tǒng)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(cè)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(tǒng)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(cè)的2個下展油缸共4個油缸完成。襯砌臺車油缸設(shè)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(tǒng)通過PLC系統(tǒng)實現(xiàn)遠程遙控及本地控制，遠程遙控采用液壓無線控制系統(tǒng)，方便近距離觀察定位情況，改變傳統(tǒng)定位現(xiàn)狀，保證定位精度。升降油缸可實現(xiàn)同時操作，也可分別操作。臺車液壓控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：控制系統(tǒng)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(tǒng)

　　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(shù)，這項技術(shù)要求襯砌臺車就位時采取“施工縫零搭接”精準定位。為實現(xiàn)襯砌臺車精準定位信息化，采用光電傳感器監(jiān)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(huán)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(shè)定值時，搭接監(jiān)測系統(tǒng)自動報警，提醒作業(yè)人員緩慢移動模板，逐漸壓緊已施作的襯砌結(jié)構(gòu)。光電傳感器主要技術(shù)參數(shù)：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(tǒng)

　　澆筑振搗控制系統(tǒng)包括自動旋轉(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)和拱頂自動振搗控制系統(tǒng)。

　　2.2.1自動旋轉(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)桁架式大凈空新型襯砌臺車采用自動旋轉(zhuǎn)布料機逐窗澆筑技術(shù)。自動旋轉(zhuǎn)布料機由回轉(zhuǎn)機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、主管路、分支管路組成。布料系統(tǒng)共設(shè)置15個分支管路，其中在左、右邊模板分別設(shè)置5個，在頂模板設(shè)置3個，剩余2個作為備用�；炷�土澆筑時主要通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)自動換窗澆筑。

　　自動旋轉(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)由伺服電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動位置，每個位置按實際排列順序放置在控制系統(tǒng)的界面上。按下啟動按鈕，伺服電機處于啟動狀態(tài)，按下需要轉(zhuǎn)動到的位置，布料系統(tǒng)即可在伺服電機驅(qū)動下，自動轉(zhuǎn)動到相應的位置。布料系統(tǒng)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(tǒng)轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)下一個需要對中的位置，布料系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：工作壓力為12MPa;扭矩為200N·m;旋轉(zhuǎn)速度為750r/min;油缸推力為7.6kN;對中精度為±1mm;旋轉(zhuǎn)角度為±180°。

　　2.2.2拱頂自動振搗控制系統(tǒng)

　　為了保證隧道拱部襯砌混凝土質(zhì)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(xiàn)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(shè)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(huán)向兩側(cè)各50°范圍內(nèi)沿隧道縱向均勻布置，其中距拱頂中心1m位置兩側(cè)各布置1排、每排8個，距拱頂中心2m位置兩側(cè)各布置1排、每排4個。振搗器主要技術(shù)參數(shù)：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(shè)定”自行設(shè)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(tài)，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(shè)定的參數(shù)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(guān)停狀態(tài)，可防止錯誤地再次啟動振搗棒。通過現(xiàn)場多次試驗，確定拱部混凝土高頻氣動振搗器振搗參數(shù)。

　　2.3施工信息監(jiān)控系統(tǒng)

　　施工信息監(jiān)控系統(tǒng)包括澆筑過程監(jiān)控系統(tǒng)和拱頂澆筑壓力控制系統(tǒng)。

　　2.3.1澆筑過程監(jiān)控系統(tǒng)

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

　　(1)澆筑量監(jiān)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(xiàn)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(shù)傳輸至控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)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(shè)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(jiān)控主要技術(shù)參數(shù)：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(jiān)控混凝土澆筑進度監(jiān)控是指在襯砌臺車中部兩側(cè)的邊墻及拱腰部位環(huán)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(jiān)測系統(tǒng)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(yǎng)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(tài)，降低了作業(yè)人員勞動強度。

　　(3)澆筑溫度監(jiān)控混凝土澆筑溫度監(jiān)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(jiān)測混凝土溫度。澆筑溫度監(jiān)控主要技術(shù)參數(shù)：量程為0～150℃;精度為±0.6℃。(4)防脫空預警監(jiān)控防脫空預警監(jiān)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(jié)束澆筑工作。防脫空預警監(jiān)控主要技術(shù)參數(shù)：檢測長度為12m;元件間距為75cm;元件數(shù)量15個。

　　2.3.2拱頂澆筑壓力監(jiān)控系統(tǒng)

　　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�；炷�土澆筑時，通過傳感器傳輸信號至控制系統(tǒng)，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(shè)定值時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動報警，停止?jié)仓�作業(yè)。拱頂澆筑壓力監(jiān)控系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：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(tǒng)布置

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

　　信息化控制系統(tǒng)可以自動將每個襯砌循環(huán)的數(shù)據(jù)形成報表并自動存儲。襯砌施工數(shù)據(jù)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(shè)置的時間自動生成1組數(shù)據(jù)。生成的數(shù)據(jù)可用于襯砌施工質(zhì)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(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　4結(jié)論與體會

　　(1)隧道襯砌施工采用信息化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)襯砌混凝土澆筑全過程的可視化、數(shù)據(jù)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(zhì)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(tǒng)，基本構(gòu)成了智能化襯砌臺車，對提升隧道襯砌質(zhì)量、提高隧道襯砌施工效率、降低作業(yè)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(tǒng)，實現(xiàn)了隧道襯砌施工的全過程控制和數(shù)據(jù)可追溯性。將隧道襯砌施工信息與隧道襯砌質(zhì)量地質(zhì)雷達檢測結(jié)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(zhì)量水平，減少襯砌病害發(fā)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