隧道衬砌台车是一种钻爆法隧道施工中拱墙二次衬砌施工作业设备，受制于国内劳动力人工成本低廉和机械化施工一次性投入费用高等因素的影响，国内隧道钻爆法施工机械化水平一度停滞不前。随着我国道路基础设施不断向纵深推进以及“一带一路”的实施，以我国为主的道路交通建设主战场正从东部逐步转向中西部、从国内转向海外，复杂、陌生地质条件将成为隧道建设的常态，修建难度将越来越大。传统普通钢模衬砌台车受自身缺陷限制如工艺复杂、工序多、质量控制受人为因素影响大等，施工后隧道衬砌出现了混凝土不密实、拱顶空洞、渗水、开裂等一系列问题，严重影响建设和运营安全，给后期整治增加了巨大的资金和工期成本，因此，传统的模板衬砌台车已不能满足现代隧道质量建设标准，自动化程度高、甚至智能化能保证隧道衬砌质量的新型二衬台车设备已成为现代隧道衬砌施工建设的必然需求。

　　 当前隧道衬砌施工仍较普遍采用钢模板整体衬砌台车，主要依靠人工操作，自动化程度不高，部分功能存在设计缺陷，工艺质量得不到有效保障，极易导致衬砌质量缺陷。主要存在以下问题。

　　 1)靠工人频繁开窗、换管灌注混凝土来保证施工工艺，浇筑耗时长，劳动强度大，不能有效做到分层逐窗进料，为了省力，同层往往1个窗口进料，两侧自流形成“人”字坡，导致混凝土离析，凝结后内部不密实，强度不足。

　　 2)人工插入式振捣器较笨重，工人操作不便，欠振、漏振现象频发，造成衬砌不密实、脱空、麻面;而附着式振捣器振捣频率低，振捣幅度大，易过振，且易与台车模板共振，损坏台车。

　　 3)拱顶混凝土灌注缺乏准确的结束判断依据，往往凭经验，导致混凝土灌注不饱满，拱顶衬砌内部空洞问题严重。

　　 4)中埋止水带施工质量主要依靠施工作业水平和责任心，不重视固定工艺，随意穿孔固定等情况经常发生，导致止水带固定不牢靠，浇筑过程中脱出混凝土、不居中，且端头模封堵不严密、漏浆造成端头处混凝土松散、空鼓、止水带脱出等问题。

　　 5)台车行走需要人工倒轨换轨，而台车定位又需要不断调整油缸、丝杠，自动化程度低、工效低、工人劳动强度大。

　　 由此可见，要保证施工工艺和施工质量，必须改善衬砌台车性能，降低劳动力，减少人为因素对提高衬砌质量的制约。

　　 从分析衬砌质量缺陷与衬砌台车性能的关系、研究隧道衬砌施工的关键技术等方面出发，通过改进台车设计，应用新技术，研发了新型智能化衬砌台车，较大程度上提高台车的机械化、智能化程度，减少人为因素引发的质量问题，较好保证了工效和工艺，保证了衬砌质量。

　　 根据传统衬砌台车应用中出现的质量问题，分别从衬砌台车的混凝土灌注系统、振捣系统、拱顶灌注饱满度监测系统、端模系统以及自动行走定位系统等方面进行了全新设计和改变，如图1所示，采用了部分新技术，增加了智能化控制和数字显示平台，智能化控制如图2所示，可通过测量数据直接控型油缸的变化调整。新型智能化衬砌台车主要技术参数如表1所示。

　　 台车行走采用轮轨步进式走行方式，如图3所示。钢轨前移时，底座支撑地面，钢轨拖轮提升起钢轨，然后在电机带动下，拖动钢轨前移;台车前移时，底座向上提升，钢轨着地，通过电机驱动链轮，链条带动驱动轮转动，驱动轮在钢轨上向前开始行走。

　　 智能衬砌台车在纵梁部位设置有多组水平横移油缸和竖向顶升油缸，可通过输入工控机偏差数值自动控制横移油缸和顶升油缸的伸缩，调整、对正台车，最终实现台车自动定位。而台车的固定则是在前端门架径向设置带有弹性撑靴的支撑杆，在台车定位后，通过油缸控制顶在初支面上，保证台车的稳固。

　　 1)自动定位

　　 台车后端面板安装3个距离传感器，其行走至浇筑段后，通过距离传感器自动测量后端顶部、左侧、右侧面板上3个关键点与成型隧道衬砌面的距离，就会在工控机-定位界面对应显示当前台车后端左、右偏差值与上、下偏差值，以及显示台车目标位置的黄色轮廓、实际位置的绿轮廓，按下移动按钮后，台车后端将根据偏差值自动移动顶紧衬砌面，即绿色轮廓移向黄色轮廓并重合后，实现后端定位。

　　 台车前端是由全站仪测得台车实际面板轮廓与设计轮廓顶部、左侧、右侧3个关键点偏差值，在工控机-定位及支模界面输入偏差值后，如图4所示，按下移动键，台车将根据输入的偏差量进行移动定位。

　　 2)台车固定

　　 在台车前端门架上、下对称安装有4个可伸缩的支撑杆。其通过油缸伸出，如图5所示，将顶部的弹性撑靴牢固顶在初支表面上，防止台车上浮和在振捣时移动。

　　 台车收模前，油缸收回，将支撑顶放倒，不影响行走。

　　 台车由平行四边形机构与两侧横梁形成稳固的可伸缩门架结构。台车的支模、脱模运动由5个相同的平行四边形机构实现，每个平行四边形底部纵梁上设2组横移油缸，同时推动、拉动侧模偏转，两侧模同时带动顶模移动，实现3块模板展开、缩回，同时配合纵梁上设置的顶升油缸的升降，实现台车的支模、脱模功能，如图6所示。

　　 每个四边形两侧上部的控型油缸，有效保证了台车支模状态下的稳固。模板将荷载通过四边形结构均匀传递到两侧纵梁上，对台车模板形成足够支撑，纵梁之间设置9道横撑，有效防止了纵梁内收。

　　 另外，通过栈桥上跨横撑，栈桥中间直接支撑地面，不影响洞内车辆通行的同时也避免了台车的扰动。

　　 稳固的全包围结构使得台车两侧边模的撑地丝杠直接由油缸自动控制顶在纵梁上，提高施工效率。

　　 灌注系统由布料机、偏摆灌注机、滑动轨道等组成，如图7所示，共同完成上、下区域灌注。上层采用偏摆灌注机灌注，下层采用布料机分层逐窗灌注。控制系统可自动控制灌注管至各灌注窗口，所用窗口均安装有传感器，窗口可在灌注管到达时通过油缸控制自动打开，实现全自动灌注功能。

　　 灌注系统设有自动清洗装置，如图8所示，上部偏摆灌注系统与下部折叠臂灌注系统分别清洗。遥控器设有“清洗上”、“清洗下”按钮，可根据选择分别对折叠臂上部泵管进行清洗。

　　 如“清洗下”按钮，布料机的清洗口会对准折叠臂的喇叭口，布料机会到达清洗位置，折叠臂会自动运动到清洗姿态，打开球阀，折叠臂泵管清洗，关闭球阀，清洗结束。清洗动作完成后，必须拆除清洗气管，否则布料机会拖动气管引起气管损坏。

　　 端模安装固定的夹持止水带的刚模端头如图9所示。下模板首先翻转到位，然后将止水带放入下模板之间后，直接翻转上模板，即可将止水带夹紧，简化止水带固定施工过程，提高止水带固定施工效率和质量，能有效降低施工成本，同时该装置在拆模时只需翻转上模板，而不必完全拆卸上模板，有利于提高拆模速度。

　　 由于拱部下模板向上翻转，比较费力，故拱部设置电动推杆，可自动推动下模板翻转，在降低劳动强度的同时，起到很好的加固端模作用。

　　 另外，上模板与初支接触部分，设置了不同长度的抽插板，里侧紧贴上模板，外侧由支撑丝杆顶紧固定。抽插板能适应不规则的开挖轮廓面，减少漏浆，增强严密性，如图10所示。

　　 传统衬砌台车，普遍采用电动振动器，振幅相对较大，频率低，易与台车发生共振，从而损坏台车，缩短台车寿命。而高频附着式振动器通过控制气流量来控制振动频率、激振力，有规律的单个开启，其振动频率高、振幅小，作用半径大的特点，如表2所示，既可避免对台车的破坏，同时又能有效保证混凝土质量，仅开启6～7s可迅速排出作用半径范围内的混凝土气泡，保证了混凝土密实度，避免松散、麻面等衬砌质量通病。

　　 台车配备45kW螺杆空压机1台，2m ^[3]储气罐1个，为振动器提供气源。全台车共布置振捣器32个，每侧4层，单侧每层4个，有效保证了混凝土的捣固质量。

　　 新型智能衬砌台车通过拱部面板上布设压力传感器、借助RPC管布置电极传感器实现了对混凝土灌注饱满度的数字化、可视化监测，避免了传统台车使用时仅凭经验或从端头目测来判断拱部混凝土灌注结束而导致混凝土灌注不饱满、拱顶衬砌内部空洞的做法缺陷。

　　 1)借助RPC管布置电极传感器监测

　　 将RPC管顶到防水板铺设面，当模板上方混凝土灌满后，浆液沿RPC管顶端十字槽流进管内，触碰到下方的电极液位开关后，工控机界面对应部位的监测显示状态为“灌满”，否则为“未灌满”。

　　 2)借助拱部面板上压力传感器压力监测

　　 混凝土在拱顶灌注过程中，流动混凝土对面板有垂直的压力值，可通过工控机灌注界面的“顶模压力”显示实时压力进行监测，来作为判断拱顶混凝土灌注是否饱满的参考依据。当该压力值达到设计厚度的压力值后，工控机灌注界面的“顶模混凝土状态”显示“已灌满”，否则显示“未灌满”。

　　 新型智能衬砌台车在甘肃省陇璋高速项目乌梁隧道出口左线首次使用，并取得较好的效果。通过自动行走、自动灌注等功能，大大提高了施工效率，传统台车12m衬砌段，灌注130～140m ^[3]混凝土需要至少12h，而采用新型智能衬砌台车仅需要8～10h，且灌注过程中，分层逐窗灌注、高频振捣、饱满度监测等技术的应用保证了混凝土施工质量。通过现场反馈，新型智能衬砌台车具有以下突出优势。

　　 1)自动化程度高，减少了劳动力

　　 与传统台车相比，自动化程度高，仅需1人操作，2～3人辅助，即可实现台车行走、定位、支模、封端、灌注、振捣、清洗等一系列流程。

　　 其中自动灌注系统加入了编程，首次实现通过计算机程序控制液压油缸行程，寻找、开启窗口实现自动分层逐窗灌注，打开了隧道衬砌施工智能化新时代。

　　 2)浇筑工艺得到有力保障，衬砌质量有效提高

　　 分层逐窗灌注工艺的自动化，减少了人为因素导致的质量问题，避免整个施工过程仅1个窗口灌注而导致的混凝土向两侧长距离流动造成离析的问题;高频气动附着式振动器的合理布置和使用，使混凝土得到充分均匀振捣，进一步保证了浇筑工艺，大大增强了混凝土内部密实度，提高了衬砌的强度和表观质量。

　　 3)信息化程度高，灌注饱满度双重监测系统，避免拱顶空洞

　　 通过电极、压力传感器的可视化信号监测，改变了传统靠经验等粗糙的方法判断拱顶混凝土是否灌注结束，有效保证了拱顶混凝土灌注的饱满度，极大减少了空洞质量问题，保证了衬砌整体质量。

　　 4)机械化程度高，具有一定程度的智能化，降低了劳动强度

　　 配备中控计算机界面，实现了一定程度的可视化监控、数字化以及智能化操控，作业人员操作简便，大大降低了劳动强度。

　　 新型隧道智能化衬砌台车基于现有工艺水平，针对隧道衬砌常见的质量通病，着力通过研发新型隧道施工装备，进一步弥补了传统衬砌施工装备的设计缺陷和功能不足，提高施工装备的适应性，对于减少衬砌施工质量缺陷具有显著作用。

　　 随着我国具有高海拔高难度的川藏铁路工程的开建，隧道修建技术将迎来新的挑战和机遇，特长、复杂地质的高原隧道开建数量将不断增多，未来融合5G信息技术、人工智能等现代科学技术的隧道工装设备将不断涌现，高度机械化、自动化、智能化的隧道施工将是必然趋势，我国在隧道现代化施工技术方面必将带来新的变革，也必将引领世界隧道建造技术的发展。