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(qiáng)對(duì)襯砌混凝土澆筑全過(guò)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(tái)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(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)襯砌混凝土澆筑全過(guò)程的可視化、數(shù)據(jù)化、信息化、智能化，達(dá)到了集中、高效、便利的管理目標(biāo)，對(duì)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(dòng)強(qiáng)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(xué)者梅棹忠夫在20世紀(jì)60年代首次提出，之后傳播到西方，70年代后期，西方社會(huì)普遍使用“信息社會(huì)”和“信息化”概念。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，我國(guó)信息化有了顯著的發(fā)展和進(jìn)步，縮小了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。信息化是以現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)等智能化工具為手段，將所研究對(duì)象的各要素匯總至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)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(xué)習(xí)、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(dòng)人類社會(huì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)扁平化、網(wǎng)絡(luò)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(tái)和挖掘數(shù)據(jù)深度。信息化水平的評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：

　　(1)是否實(shí)現(xiàn)了扁平化流水線管理;(2)是否實(shí)現(xiàn)了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理復(fù)雜的“專業(yè) 性”問(wèn)題;(3)是否達(dá)到了決策層隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(fēng)化、解除地下水影響、支持和維護(hù)隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定以及保持列車安全運(yùn)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(qiáng)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(duì)其安全使用影響很大，國(guó)內(nèi)外因隧道襯砌質(zhì)量導(dǎo)致的安全事故時(shí)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(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員對(duì)隧道襯砌施工信息化技術(shù)進(jìn)行了大量的科研攻關(guān)。趙曉鋒等[4]研發(fā)了襯砌模板臺(tái)車定位和空洞監(jiān)控系統(tǒng)，利用高精度激光傳感器對(duì)模板臺(tái)車進(jìn)行定位，采用電極液位傳感器對(duì)襯砌是否存在空洞進(jìn)行監(jiān)控，并開(kāi)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及模板臺(tái)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(tái)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(tái)車脫模時(shí)間設(shè)定等，通過(guò)信息集成，研制了隧道數(shù)字化襯砌臺(tái)車。

　　相關(guān)學(xué)者針對(duì)隧道襯砌施工信息化技術(shù)的研究，主要從臺(tái)車定位、混凝土澆筑狀態(tài)、拱頂澆筑壓力等方面進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，對(duì)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(tái)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(duì)隧道襯砌施工信息化控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)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(yīng)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(tái)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(tái)車就位控制系統(tǒng)包括臺(tái)車行走控制系統(tǒng)、臺(tái)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(dòng)旋轉(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)、拱頂自動(dòng)振搗控制系統(tǒng)，施工信息監(jiān)控系統(tǒng)包括澆筑過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)、拱頂澆筑壓力控制系統(tǒng)。

　　2.1臺(tái)車就位控制系統(tǒng)

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

　　2.1.1臺(tái)車行走控制系統(tǒng)

　　襯砌臺(tái)車在完成一段襯砌的施工作業(yè)后，需要移動(dòng)到下一位置繼續(xù)施工，由于襯砌臺(tái)車較重，需要配置帶有動(dòng)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(dòng)及減速鏈輪鏈條、減速齒輪箱和電機(jī)等組成。

　　4套行走系統(tǒng)分別安裝在4條支腿下部，采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。信息化襯砌臺(tái)車行走系統(tǒng)采用PLC變頻控制，具有前進(jìn)、后退、點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)、點(diǎn)動(dòng)后退的功能，電機(jī)之間可以聯(lián)動(dòng)控制。襯砌臺(tái)車在定位過(guò)程中不是一次性準(zhǔn)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(diǎn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)襯砌臺(tái)車縱向精準(zhǔn)定位。為避免臺(tái)車在行走啟動(dòng)階段產(chǎn)生較大的沖擊，在控制系統(tǒng)中增加了行走電機(jī)軟啟動(dòng)功能，有利于確保行走安全，延長(zhǎng)行走機(jī)構(gòu)使用壽命。臺(tái)車行走控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)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(tái)車液壓控制系統(tǒng)

　　液壓系統(tǒng)作為襯砌臺(tái)車的立模、脫模和模板對(duì)中等動(dòng)作的動(dòng)力源，由電動(dòng)機(jī)、液壓泵、手動(dòng)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(tái)車液壓系統(tǒng)具有3項(xiàng)功能：

　　(1)襯砌臺(tái)車整體升降由4個(gè)升降油缸完成;(2)襯砌臺(tái)車模板橫移由4個(gè)橫移油缸完成;(3)邊模板收放由每側(cè)的2個(gè)下展油缸共4個(gè)油缸完成。襯砌臺(tái)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(shí)，達(dá)到接觸面后立即停止油缸頂推，防止對(duì)混凝土造成破壞。液壓控制系統(tǒng)通過(guò)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控及本地控制，遠(yuǎn)程遙控采用液壓無(wú)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(shí)現(xiàn)同時(shí)操作，也可分別操作。臺(tái)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(kāi)裂，襯砌臺(tái)車采用V型槽零搭接橡膠緩沖式就位技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)要求襯砌臺(tái)車就位時(shí)采取“施工縫零搭接”精準(zhǔn)定位。為實(shí)現(xiàn)襯砌臺(tái)車精準(zhǔn)定位信息化，采用光電傳感器監(jiān)測(cè)模板與搭接襯砌之間的間距。

　　在襯砌臺(tái)車搭接混凝土的一端，沿襯砌臺(tái)車模板環(huán)向布置3個(gè)光電傳感器，即左、右邊模板各1個(gè)，模板拱頂1個(gè)。立模過(guò)程中，當(dāng)模板與接觸面之間的距離小于設(shè)定值時(shí)，搭接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒作業(yè)人員緩慢移動(dòng)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(dòng)旋轉(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)和拱頂自動(dòng)振搗控制系統(tǒng)。

　　2.2.1自動(dòng)旋轉(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)桁架式大凈空新型襯砌臺(tái)車采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)布料機(jī)逐窗澆筑技術(shù)。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)布料機(jī)由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、主管路、分支管路組成。布料系統(tǒng)共設(shè)置15個(gè)分支管路，其中在左、右邊模板分別設(shè)置5個(gè)，在頂模板設(shè)置3個(gè)，剩余2個(gè)作為備用。混凝土澆筑時(shí)主要通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換窗澆筑。

　　自動(dòng)旋轉(zhuǎn)布料控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制、布料推桿伸縮控制兩部分組成。伺服電機(jī)共有15個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置，每個(gè)位置按實(shí)際排列順序放置在控制系統(tǒng)的界面上。按下啟動(dòng)按鈕，伺服電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)，按下需要轉(zhuǎn)動(dòng)到的位置，布料系統(tǒng)即可在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)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(gè)按鈕。當(dāng)布料系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，按下布料推桿的“伸出”按鈕，布料推桿將自動(dòng)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(duì)中，可以開(kāi)始澆筑混凝土。

　　當(dāng)前位置完成澆筑后，需要將布料系統(tǒng)對(duì)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(fù)位后“縮到位”指示燈亮，然后按下布料系統(tǒng)下一個(gè)需要對(duì)中的位置，布料系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到該位置。重復(fù)上述操作，即可完成對(duì)中，并開(kāi)始澆筑混凝土。自動(dòng)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(duì)中精度為±1mm;旋轉(zhuǎn)角度為±180°。

　　2.2.2拱頂自動(dòng)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(tái)車的拱部模板上安裝了4套高頻氣動(dòng)振搗裝置，從而實(shí)現(xiàn)了拱部混凝土的高頻自動(dòng)振搗。同時(shí)考慮到鋼筋的影響，在襯砌臺(tái)車的拱部模板上全方位設(shè)置了4排共24個(gè)高頻氣動(dòng)振搗器，高頻氣動(dòng)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(gè)，距拱頂中心2m位置兩側(cè)各布置1排、每排4個(gè)。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(dòng)頻率為12000～20000次/min;振幅為2mm;激振力為7.5kN。混凝土振搗時(shí)間可通過(guò)“T設(shè)定”自行設(shè)置。

　　需要振搗時(shí)，選擇相應(yīng)位置的附著式振搗器，按下啟動(dòng)按鈕，振搗器處于開(kāi)啟狀態(tài)，按下對(duì)應(yīng)位置的“伸出”按鈕，振搗棒在電動(dòng)推桿的作用下自動(dòng)向外伸出，伸出到位后，“伸到位”指示燈自動(dòng)亮起，隨后振搗棒通電，開(kāi)始振搗施工，振搗時(shí)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(dòng)縮回，縮回到位后，“縮到位”指示燈自動(dòng)亮起，按下“停止”按鈕，對(duì)應(yīng)的振搗棒將處于關(guān)停狀態(tài)，可防止錯(cuò)誤地再次啟動(dòng)振搗棒。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，確定拱部混凝土高頻氣動(dòng)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(guò)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(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)

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

　　(1)澆筑量監(jiān)控混凝土澆筑量包括實(shí)際澆筑量和預(yù)測(cè)澆筑量。實(shí)際澆筑量是指現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土施工時(shí)，利用傳感器將混凝土輸送泵擺動(dòng)輸送油缸的擺動(dòng)次數(shù)傳輸至控制系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)累計(jì)計(jì)算得出混凝土實(shí)際澆筑量。預(yù)測(cè)澆筑量是指隧道鋪設(shè)防水板后采用3D斷面儀對(duì)襯砌段落進(jìn)行斷面掃描，計(jì)算出理論需要澆筑的混凝土量。一般情況下，實(shí)際澆筑量應(yīng)比預(yù)測(cè)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(jìn)度監(jiān)控混凝土澆筑進(jìn)度監(jiān)控是指在襯砌臺(tái)車中部?jī)蓚?cè)的邊墻及拱腰部位環(huán)向各布置8個(gè)液位傳感器(共16個(gè))，當(dāng)混凝土澆筑到液位傳感器時(shí)，傳感器液位導(dǎo)電輸出信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收信號(hào)，實(shí)時(shí)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(shí)宜凸出襯砌臺(tái)車模板3～5mm，這樣，混凝土澆筑后一般不會(huì)在傳感器表面殘留，無(wú)需人工清洗，液位自動(dòng)回歸初始狀態(tài)，降低了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　(3)澆筑溫度監(jiān)控混凝土澆筑溫度監(jiān)控是在襯砌臺(tái)車外輪廓面板上安裝溫度傳感器，一般為1個(gè)，監(jiān)測(cè)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(yù)警監(jiān)控防脫空預(yù)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(gè)。當(dāng)混凝土澆筑至接觸端子或壓力傳感器時(shí)，繼電器工作，聲光報(bào)警器報(bào)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(yù)警監(jiān)控主要技術(shù)參數(shù)：檢測(cè)長(zhǎng)度為12m;元件間距為75cm;元件數(shù)量15個(gè)。

　　2.3.2拱頂澆筑壓力監(jiān)控系統(tǒng)

　　在襯砌臺(tái)車模板的頂部縱向均勻安裝4個(gè)壓力傳感器，間距一般為2.4m。從端頭開(kāi)始，壓力傳感器編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)。混凝土澆筑時(shí)，通過(guò)傳感器傳輸信號(hào)至控制系統(tǒng)，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示拱頂位置混凝土澆筑壓力及壓力變化曲線。當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)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(tái)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(kāi)發(fā)，通過(guò)PLC豐富的數(shù)字、模擬量接口與相應(yīng)的檢測(cè)終端通信，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)了襯砌施工信息的自動(dòng)監(jiān)控。信息化控制系統(tǒng)配備了GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊，可以自動(dòng)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(dòng)將每個(gè)襯砌循環(huán)的數(shù)據(jù)形成報(bào)表并自動(dòng)存儲(chǔ)。襯砌施工數(shù)據(jù)報(bào)表主要包含壓力、流量、溫度、預(yù)測(cè)澆筑量、實(shí)測(cè)澆筑量等實(shí)時(shí)信息，每間隔30s或按任意設(shè)置的時(shí)間自動(dòng)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(shí)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(huì)

　　(1)隧道襯砌施工采用信息化控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)襯砌混凝土澆筑全過(guò)程的可視化、數(shù)據(jù)化、信息化、智能化，達(dá)到了集中、高效、便利的管理目標(biāo)，對(duì)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(tái)車搭載信息化控制系統(tǒng)，基本構(gòu)成了智能化襯砌臺(tái)車，對(duì)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(dòng)強(qiáng)度具有重要的意義和廣闊的推廣應(yīng)用前景。(3)采用信息化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌施工的全過(guò)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(dá)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析和驗(yàn)證，通過(guò)不斷地完善襯砌施工工藝，可以進(jìn)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