张吉怀铁路吉首隧道衬砌施工信息化控制系统

　　摘要为消除铁路隧道衬砌质量隐患，提升衬砌质量，加强对衬砌混凝土浇筑全过程的控制，确保隧道衬砌“质量可靠、安全可控”，文章结合张吉怀铁路吉首隧道，介绍了一套集台车就位控制、浇筑振捣控制、施工信息监控于一体的隧道衬砌施工信息化控制系统。在吉首隧道中的实际应用表明，该系统可以实现衬砌混凝土浇筑全过程的可视化、数据化、信息化、智能化，达到了集中、高效、便利的管理目标，对提升隧道衬砌质量、提高隧道衬砌施工效率、降低作业人员劳动强度具有重要的意义。

　　关键词隧道衬砌混凝土信息化控制系统

　　1引言

　　“信息化”概念是日本学者梅棹忠夫在20世纪60年代首次提出，之后传播到西方，70年代后期，西方社会普遍使用“信息社会”和“信息化”概念。随着我国经济高速增长，我国信息化有了显著的发展和进步，缩小了与发达国家的差距。信息化是以现代通信、网络、数据库技术为基础，以计算机等智能化工具为手段，将所研究对象的各要素汇总至数据库，通过信息获取、信息传递、信息处理、信息再生、信息利用的方式，供使用者生活、工作、学习、辅助决策等。

　　信息化技术以适量投入获取最佳效益，极大地提高各种行为的效率，为推动人类社会进步提供了极大的技术支持。信息化最终目的是将信息技术融入到新的管理模式和方法中，实现扁平化、网络化、集成化的管理创新，其核心要素是建设数据平台和挖掘数据深度。信息化水平的评价主要体现在3个方面：

　　(1)是否实现了扁平化流水线管理;(2)是否实现了通过网络处理复杂的“专业 性”问题;(3)是否达到了决策层随时调用数据进行实时监控和管理的目的。隧道衬砌是永久性结构，主要作用是防止围岩风化、解除地下水影响、支持和维护隧道的长期稳定以及保持列车安全运行的空间。因此，隧道衬砌必须“质量可靠、安全可控”，具有足够的强度、厚度、耐久性和一定的抗冻、抗渗和抗侵蚀性。隧道衬砌质量隐患对其安全使用影响很大，国内外因隧道衬砌质量导致的安全事故时有发生[1，2]。

　　传统的隧道衬砌施工缺陷较多[3]，为了提高铁路隧道衬砌质量，国内工程技术人员对隧道衬砌施工信息化技术进行了大量的科研攻关。赵晓锋等[4]研发了衬砌模板台车定位和空洞监控系统，利用高精度激光传感器对模板台车进行定位，采用电极液位传感器对衬砌是否存在空洞进行监控，并开发了相关的信息化软件，具备视频监控、同步数据等功能，实现人机交互及模板台车数据传输。姬海东等[5]研究了隧道衬砌施工信息化控制技术，主要包括衬砌台车定位控制、混凝土的状态和浇筑方量监控、拱顶浇筑压力反馈、台车脱模时间设定等，通过信息集成，研制了隧道数字化衬砌台车。

　　相关学者针对隧道衬砌施工信息化技术的研究，主要从台车定位、混凝土浇筑状态、拱顶浇筑压力等方面进行功能设计，对于隧道衬砌施工信息化集成控制系统的系统研究与分析较少，传统的衬砌台车在智能化、信息化水平上仍有提升空间[6]。基于此，本文依托张吉怀铁路吉首隧道，对隧道衬砌施工信息化控制系统进行了详细介绍和系统分析，以期完善隧道衬砌施工信息化控制系统方面的研究，为信息化控制系统在隧道衬砌施工中的推广应用提供借鉴。

　　2隧道衬砌施工信息化控制系统

　　隧道衬砌施工信息化控制系统组成，该系统由3部分组成：台车就位控制系统、浇筑振捣控制系统、施工信息监控系统。台车就位控制系统包括台车行走控制系统、台车液压控制系统和施工缝搭接控制系统，浇筑振捣控制系统包括自动旋转布料控制系统、拱顶自动振捣控制系统，施工信息监控系统包括浇筑过程监控系统、拱顶浇筑压力控制系统。

　　2.1台车就位控制系统

　　台车就位控制系统包括台车行走控制系统、台车液压控制系统和施工缝搭接控制系统。

　　2.1.1台车行走控制系统

　　衬砌台车在完成一段衬砌的施工作业后，需要移动到下一位置继续施工，由于衬砌台车较重，需要配置带有动力的行走系统。行走系统通常采用轮轨式，由行走轮、驱动及减速链轮链条、减速齿轮箱和电机等组成。

　　4套行走系统分别安装在4条支腿下部，采用独立驱动。信息化衬砌台车行走系统采用PLC变频控制，具有前进、后退、点动前进、点动后退的功能，电机之间可以联动控制。衬砌台车在定位过程中不是一次性准确定位，需要多次调整，因此在控制系统中设置前后点动控制，从而实现衬砌台车纵向精准定位。为避免台车在行走启动阶段产生较大的冲击，在控制系统中增加了行走电机软启动功能，有利于确保行走安全，延长行走机构使用寿命。台车行走控制系统主要技术参数：行走系统驱动电机减速机功率为4×7.5kW;行走控制变频器功率为37kW;行走速度一般为6～7m/min。

　　2.1.2台车液压控制系统

　　液压系统作为衬砌台车的立模、脱模和模板对中等动作的动力源，由电动机、液压泵、手动换向阀、垂直及侧向液压油缸、液压锁、油箱及管路等组成。桁架式大净空新型衬砌台车液压系统具有3项功能：

　　(1)衬砌台车整体升降由4个升降油缸完成;(2)衬砌台车模板横移由4个横移油缸完成;(3)边模板收放由每侧的2个下展油缸共4个油缸完成。衬砌台车油缸设置了油缸顶推限位，与已完成衬砌施作的断面搭接定位时，达到接触面后立即停止油缸顶推，防止对混凝土造成破坏。液压控制系统通过PLC系统实现远程遥控及本地控制，远程遥控采用液压无线控制系统，方便近距离观察定位情况，改变传统定位现状，保证定位精度。升降油缸可实现同时操作，也可分别操作。台车液压控制系统主要技术参数：控制系统工作电压为交流电220V;泵站工作压力为12MPa，功率为5.5kW，工作电压为交流电380V。

　　2.1.3施工缝搭接控制系统

　　为彻底消除隧道衬砌施工缝的“月牙状”压溃型开裂，衬砌台车采用V型槽零搭接橡胶缓冲式就位技术，这项技术要求衬砌台车就位时采取“施工缝零搭接”精准定位。为实现衬砌台车精准定位信息化，采用光电传感器监测模板与搭接衬砌之间的间距。

　　在衬砌台车搭接混凝土的一端，沿衬砌台车模板环向布置3个光电传感器，即左、右边模板各1个，模板拱顶1个。立模过程中，当模板与接触面之间的距离小于设定值时，搭接监测系统自动报警，提醒作业人员缓慢移动模板，逐渐压紧已施作的衬砌结构。光电传感器主要技术参数：工作电压为直流电24V;分辨率为1024p/r;精度为±1mm。

　　2.2浇筑振捣控制系统

　　浇筑振捣控制系统包括自动旋转布料控制系统和拱顶自动振捣控制系统。

　　2.2.1自动旋转布料控制系统桁架式大净空新型衬砌台车采用自动旋转布料机逐窗浇筑技术。自动旋转布料机由回转机构、伸缩机构、主管路、分支管路组成。布料系统共设置15个分支管路，其中在左、右边模板分别设置5个，在顶模板设置3个，剩余2个作为备用。混凝土浇筑时主要通过回转机构实现自动换窗浇筑。

　　自动旋转布料控制系统由伺服电机转动控制、布料推杆伸缩控制两部分组成。伺服电机共有15个转动位置，每个位置按实际排列顺序放置在控制系统的界面上。按下启动按钮，伺服电机处于启动状态，按下需要转动到的位置，布料系统即可在伺服电机驱动下，自动转动到相应的位置。布料系统的推杆每次伸出、收缩的距离相同，在控制界面上有“伸出”、“缩回”两个按钮。当布料系统转动到位后，按下布料推杆的“伸出”按钮，布料推杆将自动伸出，伸出到位后，“伸到位”指示灯将亮起，表示布料系统已完成对中，可以开始浇筑混凝土。

　　当前位置完成浇筑后，需要将布料系统对中到下一位置，首先按下布料推杆的“缩回”按钮，将布料推杆退回至原始位置，复位后“缩到位”指示灯亮，然后按下布料系统下一个需要对中的位置，布料系统将自动转动到该位置。重复上述操作，即可完成对中，并开始浇筑混凝土。自动旋转布料控制系统主要技术参数：工作压力为12MPa;扭矩为200N·m;旋转速度为750r/min;油缸推力为7.6kN;对中精度为±1mm;旋转角度为±180°。

　　2.2.2拱顶自动振捣控制系统

　　为了保证隧道拱部衬砌混凝土质量，在衬砌台车的拱部模板上安装了4套高频气动振捣装置，从而实现了拱部混凝土的高频自动振捣。同时考虑到钢筋的影响，在衬砌台车的拱部模板上全方位设置了4排共24个高频气动振捣器，高频气动振捣器在拱顶中心环向两侧各50°范围内沿隧道纵向均匀布置，其中距拱顶中心1m位置两侧各布置1排、每排8个，距拱顶中心2m位置两侧各布置1排、每排4个。振捣器主要技术参数：振捣半径为1.5m;工作气压为0.6MPa;振动频率为12000～20000次/min;振幅为2mm;激振力为7.5kN。混凝土振捣时间可通过“T设定”自行设置。

　　需要振捣时，选择相应位置的附着式振捣器，按下启动按钮，振捣器处于开启状态，按下对应位置的“伸出”按钮，振捣棒在电动推杆的作用下自动向外伸出，伸出到位后，“伸到位”指示灯自动亮起，随后振捣棒通电，开始振捣施工，振捣时间由设定的参数决定。振捣完成后按下“缩回”按钮，振捣棒将自动缩回，缩回到位后，“缩到位”指示灯自动亮起，按下“停止”按钮，对应的振捣棒将处于关停状态，可防止错误地再次启动振捣棒。通过现场多次试验，确定拱部混凝土高频气动振捣器振捣参数。

　　2.3施工信息监控系统

　　施工信息监控系统包括浇筑过程监控系统和拱顶浇筑压力控制系统。

　　2.3.1浇筑过程监控系统

　　混凝土浇筑过程监控系统包括混凝土的浇筑量监控、浇筑进度监控、浇筑温度监控，以及防脱空预警监控。

　　(1)浇筑量监控混凝土浇筑量包括实际浇筑量和预测浇筑量。实际浇筑量是指现场浇筑混凝土施工时，利用传感器将混凝土输送泵摆动输送油缸的摆动次数传输至控制系统，通过系统累计计算得出混凝土实际浇筑量。预测浇筑量是指隧道铺设防水板后采用3D断面仪对衬砌段落进行断面扫描，计算出理论需要浇筑的混凝土量。一般情况下，实际浇筑量应比预测浇筑量大1～3m3。浇筑量监控主要技术参数：工作电压为直流电24V;工作电流为4～20mA;精度为1.5%。

　　(2)浇筑进度监控混凝土浇筑进度监控是指在衬砌台车中部两侧的边墙及拱腰部位环向各布置8个液位传感器(共16个)，当混凝土浇筑到液位传感器时，传感器液位导电输出信号，监测系统接收信号，实时显示混凝土浇筑位置。为了减少液位传感器的保养清洗，液位传感器安装时宜凸出衬砌台车模板3～5mm，这样，混凝土浇筑后一般不会在传感器表面残留，无需人工清洗，液位自动回归初始状态，降低了作业人员劳动强度。

　　(3)浇筑温度监控混凝土浇筑温度监控是在衬砌台车外轮廓面板上安装温度传感器，一般为1个，监测混凝土温度。浇筑温度监控主要技术参数：量程为0～150℃;精度为±0.6℃。(4)防脱空预警监控防脱空预警监控是在隧道拱顶纵向均匀安装接触端子或压力传感器，一般为4个。当混凝土浇筑至接触端子或压力传感器时，继电器工作，声光报警器报警，指示灯亮起，表明混凝土浇筑饱满，可以结束浇筑工作。防脱空预警监控主要技术参数：检测长度为12m;元件间距为75cm;元件数量15个。

　　2.3.2拱顶浇筑压力监控系统

　　在衬砌台车模板的顶部纵向均匀安装4个压力传感器，间距一般为2.4m。从端头开始，压力传感器编号分别为1号、2号、3号、4号。混凝土浇筑时，通过传感器传输信号至控制系统，在触摸屏上实时显示拱顶位置混凝土浇筑压力及压力变化曲线。当压力超过设定值时，监控系统会自动报警，停止浇筑作业。拱顶浇筑压力监控系统主要技术参数：两线制，量程为0～0.3MPa;电压为直流电24V;输出电流为4～20mA。

　　3衬砌施工信息化控制系统布置

　　在隧道衬砌台车右下部设置信息化监控中心。信息化控制系统是基于可编程序控制器PLC开发，通过PLC丰富的数字、模拟量接口与相应的检测终端通信，通过程序控制实现了衬砌施工信息的自动监控。信息化控制系统配备了GPRS无线数传模块，可以自动采集隧道衬砌施工信息，并上传至监控室。

　　信息化控制系统可以自动将每个衬砌循环的数据形成报表并自动存储。衬砌施工数据报表主要包含压力、流量、温度、预测浇筑量、实测浇筑量等实时信息，每间隔30s或按任意设置的时间自动生成1组数据。生成的数据可用于衬砌施工质量分析，同时也为衬砌施工工艺、衬砌工装改造提升提供了基础数据。

　　4结论与体会

　　(1)隧道衬砌施工采用信息化控制系统，可以实现衬砌混凝土浇筑全过程的可视化、数据化、信息化、智能化，达到了集中、高效、便利的管理目标，对提升隧道衬砌混凝土质量具有极为重要的作用。

　　(2)隧道衬砌台车搭载信息化控制系统，基本构成了智能化衬砌台车，对提升隧道衬砌质量、提高隧道衬砌施工效率、降低作业人员劳动强度具有重要的意义和广阔的推广应用前景。(3)采用信息化控制系统，实现了隧道衬砌施工的全过程控制和数据可追溯性。将隧道衬砌施工信息与隧道衬砌质量地质雷达检测结果进行对比、分析和验证，通过不断地完善衬砌施工工艺，可以进一步提升隧道衬砌质量水平，减少衬砌病害发生的概率。

　　参考文献References

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　　作者：张民庆1辛维克1贾大鹏1韩静玉2王百泉2马伟斌3王水善4