烏東德高線公路不同截面隧洞兩用鋼模臺(tái)車的設(shè)計(jì)研究

廖湘輝，余　維，周　恒，韋仕龍，趙　楚

(三峽大學(xué)，湖北宜昌443002)

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烏東德高線公路不同截面隧洞兩用鋼模臺(tái)車的設(shè)計(jì)研究

廖湘輝，余維，周恒，韋仕龍，趙楚

(三峽大學(xué)，湖北宜昌443002)

摘要：對(duì)烏東德水電站建設(shè)中的左岸高線公路過壩道路下段和出線場(chǎng)道路隧洞的襯砌澆筑方案進(jìn)行研究對(duì)比，在保證襯砌要求的前提下，進(jìn)行了兩臺(tái)車的可靠性設(shè)計(jì)與分析，基于臺(tái)車截面大小類似，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證臺(tái)車的主體結(jié)構(gòu)相似，實(shí)現(xiàn)可互換性的要求，以節(jié)約成本。通過對(duì)鋼模臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析得出，設(shè)計(jì)滿足變形要求，結(jié)構(gòu)合理可靠。

關(guān)鍵詞：高線公路；隧洞；鋼模臺(tái)車；互換性；有限元分析；烏東德水電站

1工程概況

在烏東德水電站的建設(shè)中，左岸高線公路隧道分為兩部分，其一位于左岸高線過壩道路下段，襯砌后洞型斷面為三心圓形，斷面尺寸為10.14 m×8.04 m；其二位于左岸出線場(chǎng)道路，襯砌后洞型斷面為城門洞型，斷面尺寸為8.0 m×6.0 m?，F(xiàn)場(chǎng)條件和技術(shù)要求如下：①坡度要求。左岸高線過壩道路下段隧道設(shè)計(jì)最大坡度5.378%，左岸出線場(chǎng)道路設(shè)計(jì)最大坡度7.000%。②襯砌厚度。左岸高線過壩道路下段承載混凝土厚度為0.4+(0.3～0.5) m，左岸出線場(chǎng)承載混凝土厚度為0.6+(0.3～0.5) m。③高線過壩澆筑分段長度為9 m，搭接長度為10 cm，軌距為6.5 m，左岸出線場(chǎng)道路澆筑分段長度為9 m，搭接長度為10 cm，軌距為5 m。④襯砌時(shí)隧洞內(nèi)的通行寬度滿足20 t自卸汽車的雙向通行要求。⑤臺(tái)車最下部橫梁距底板凈高不低于5 m。⑥襯砌澆筑時(shí)模板最大變形不超過3 mm。

為保證施工要求和隧洞的襯砌要求及施工質(zhì)量，專門設(shè)計(jì)鋼模臺(tái)車進(jìn)行澆筑?；谝陨弦蠛拖嚓P(guān)行業(yè)規(guī)范，考慮先高線過壩道路下段后出線場(chǎng)道路的澆筑順序，設(shè)計(jì)一種可重復(fù)利用的門架系統(tǒng)及附件支撐系統(tǒng)，從而可以滿足在高線過壩段使用之后直接拆除并應(yīng)用在出線場(chǎng)道路上。

2鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)互換性設(shè)計(jì)

(1)臺(tái)車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜合考慮隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)的條件及技術(shù)要求[1]，并根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范，鋼模臺(tái)車需設(shè)計(jì)成邊墻頂拱整體澆筑的自行式臺(tái)車。

(2)臺(tái)車門架設(shè)計(jì)。兩隧洞對(duì)于襯砌的要求除了截面形狀不同，其他的主要技術(shù)條件類似，可設(shè)計(jì)一套能同時(shí)應(yīng)用于高線過壩臺(tái)車和出線場(chǎng)道路臺(tái)車的門架。為了保證在襯砌時(shí)隧洞內(nèi)的通行寬度可滿足20 t自卸汽車的雙向通行要求，同時(shí)考慮到兩隧洞的截面尺寸較小，在保證門架強(qiáng)度和剛度的前提下，將門架的立柱支撐設(shè)計(jì)成變截面梁的結(jié)構(gòu)支撐組成形式[2]。門架的主梁采用“H”形鋼截面形式，每榀之間的連系梁采用較小的“H”形鋼截面形式，并使用剪刀撐加強(qiáng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，門架的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1　臺(tái)車門架結(jié)構(gòu)框架

(3)臺(tái)車邊模支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼模臺(tái)車門架與側(cè)模板之間采用絲桿連接。設(shè)計(jì)時(shí)考慮在澆筑混凝土過程中側(cè)模的力學(xué)承載性能，在保證絲杠應(yīng)力強(qiáng)度足夠的情況下，在門架立柱上設(shè)置不同的連接耳板，從而達(dá)到一套邊模支撐系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)高線過壩臺(tái)車模板和出線場(chǎng)道路臺(tái)車模板的支撐。

(4)臺(tái)車其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于臺(tái)車的其他結(jié)構(gòu)如行走驅(qū)動(dòng)、從動(dòng)輪、油缸、千斤頂、防傾翻裝置、腳手架平臺(tái)、底梁頂絲、工作平臺(tái)和爬梯、電氣和液壓控制系統(tǒng)，只需設(shè)計(jì)和制造一套，兩輛臺(tái)車共用，實(shí)現(xiàn)高度的互換性要求。頂模架部分可共用，而模板系統(tǒng)則需各制作一套。

3鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)互換性的安裝

本臺(tái)車使用時(shí)，先按照左岸高線過壩道路下段隧洞的臺(tái)車圖紙進(jìn)行組裝，待混凝土襯砌施工完成后，拆除臺(tái)車。然后按照左岸出線場(chǎng)道路隧洞臺(tái)車圖紙重新組裝，以完成該部分混凝土襯砌施工。具體的做法是：①將模板更換為城門洞形模板；②保留頂模架的主縱梁，將主橫梁截?cái)嗪笾匦侣?lián)接成新臺(tái)車的主橫梁，更換新的豎梁及斜撐，拼裝成新臺(tái)車的頂模架。③去除門架主橫梁及支腿的可拆除節(jié)段，保留連系梁，截?cái)嗖糠中睋瘟?，保留行走?qū)動(dòng)及從動(dòng)輪并重新拼裝新臺(tái)車的門架，此時(shí)臺(tái)車的軌距變?yōu)? m。④將舊臺(tái)車的圍檁、油缸、千斤頂及防傾覆裝置直接用于新臺(tái)車，去除舊臺(tái)車絲桿的調(diào)整節(jié)，減短其長度后安裝在新臺(tái)車上，從而將新臺(tái)車的門架、模板及頂模架相互支撐起來，形成新臺(tái)車的整個(gè)主體結(jié)構(gòu)。⑤將舊臺(tái)車的爬梯和工作平臺(tái)稍作改裝后用于新臺(tái)車，安裝腳手架平臺(tái)及其他附件，將組裝成的新臺(tái)車用于出線場(chǎng)道路混凝土襯砌施工。

4鋼模臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)有限元分析

4.1有限元建模及網(wǎng)格劃分

鋼模臺(tái)車所用材料均為Q235型鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，重力加速度取g=9.8 m/s2。對(duì)兩個(gè)鋼模臺(tái)車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于ANSYS的有限元建模[4]，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)合理的簡化，采用BEAM188單元模擬門架及頂模架結(jié)構(gòu)，SHELL63單元模擬模板結(jié)構(gòu)，LINK180單元模擬絲桿支撐結(jié)構(gòu)，有限元模型如圖2所示。

圖2　鋼模臺(tái)車整體有限元模型

4.2邊界條件及載荷施加

根據(jù)鋼模臺(tái)車的實(shí)際施工工況，對(duì)鋼模臺(tái)車兩側(cè)的門架支撐立柱的下端點(diǎn)添加X、Y、Z3個(gè)方向的位移約束，由于在混凝土的澆筑過程中，模板會(huì)受到Z方向的作用力，而建模時(shí)忽略了防傾三角架，故在頂模板正中間的前后兩端點(diǎn)添加Z方向的位移約束[5]。

圖3　鋼模臺(tái)車靜力學(xué)分析結(jié)果

鋼模臺(tái)車在澆筑過程中，臺(tái)車主要受到自身重力、頂模對(duì)混凝土的支撐力及混凝土對(duì)側(cè)模的側(cè)壓力作用，其中重力通過設(shè)置重力加速度自動(dòng)添加。左岸高線過壩段襯砌厚度為0.4 m，左岸出線場(chǎng)襯砌厚度0.6 m，混凝土密度為ρ=2.50×103kg/m3。對(duì)左岸高線過壩段載荷進(jìn)行分析如下：頂模上混凝土自重載荷P1=1×10-2MPa。為模擬臺(tái)車真實(shí)載荷狀況，全面考慮了混凝土的初凝時(shí)間、澆筑時(shí)間、外加劑和塌落度對(duì)初凝時(shí)間的修正以及骨料的“自立性”，混凝土的側(cè)壓力計(jì)算公式為

式中，γc為混凝土的容重，取25 kN/m3；t0為混凝土初凝時(shí)間，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用公式t0=200/(T+15)計(jì)算，其中，T為混凝土的溫度，一般取25 ℃，從而得t0=5 h；β1為緩凝劑調(diào)整系數(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0；β2為塌落度調(diào)整系數(shù)，當(dāng)坍落度為110～150 mm時(shí)取1.15；V為混凝土在高度方向的澆筑速度，取1.0 m/h[3]。側(cè)墻混凝土左右對(duì)稱下料澆筑，上升速度不大于1.0 m/h。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到P2=3.16×10-2MPa。所以在鋼模臺(tái)車頂模中間109°的中心角范圍施加1×10-2MPa的面載荷，模板其他部位施加3.16×10-2MPa的面載荷。

根據(jù)上述方法，可得到左岸出線場(chǎng)壩段載荷：頂模上混凝土自重載荷P1=1.5×10-2MPa；混凝土的側(cè)壓力載荷P2=3.16×10-2MPa。即在鋼模臺(tái)車頂模中間105°的中心角范圍施加1.5×10-2MPa的面載荷，模板其他部位施加3.16×10-2MPa的面載荷。

4.3臺(tái)車靜力學(xué)分析結(jié)果

鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖3所示。從圖3可以得到如下結(jié)論：

(1)高線過壩臺(tái)車最大應(yīng)力為70.6 MPa，左岸出線場(chǎng)臺(tái)車的最大應(yīng)力為66.4 MPa。所受的最大應(yīng)力均出現(xiàn)兩側(cè)模板背面的環(huán)筋加強(qiáng)板處，符合實(shí)際情況。鋼模臺(tái)車桁架結(jié)構(gòu)的所用的材料為Q235，其許用應(yīng)力為235 MPa。而臺(tái)車結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均較小，使得臺(tái)車的應(yīng)力強(qiáng)度有較大的盈余量。

(2)高線過壩臺(tái)車的最大變形為2.00 mm，左岸出線場(chǎng)道路臺(tái)車的最大變形為1.73 mm，均出現(xiàn)在兩臺(tái)車側(cè)模板的中間部位，主要是混凝土的側(cè)壓力引起的，符合實(shí)際情況且變形量滿足剛度要求(模板最大變形不大于3 mm)，變形量均較小，模板剛度有較大的盈余量。

(3)對(duì)圖3a中的高線過壩臺(tái)車中的門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取[6]，得出的應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)鐖D3e和f所示，由圖3e、f可知，其最大應(yīng)力為38.7 MPa，最大變形為0.67 mm；而對(duì)圖3b中的出線場(chǎng)道路臺(tái)車的門架進(jìn)行提取，得出的應(yīng)力與變形如圖3g和h所示，由圖3g、h可知，其最大應(yīng)力為38.4 MPa，最大變形為0.70 mm。由以上數(shù)據(jù)可知，兩種情況下門架的應(yīng)力應(yīng)變均較小，故采用一套門架完全可以滿足兩隧洞的施工要求。

5結(jié)語

通過對(duì)烏東德水電站建設(shè)中的左岸高線公路過壩道路下段隧道和出線場(chǎng)道路隧道的襯砌澆筑方案進(jìn)行研究對(duì)比，設(shè)計(jì)了一種主體結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用的鋼模臺(tái)車，即主要結(jié)構(gòu)(包括門架、絲桿、行走系統(tǒng)等)具有通用性，可供兩隧道襯砌使用，通過對(duì)鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，驗(yàn)證了該方案可行。目前，該鋼模臺(tái)車已在工程中投入使用，使用狀況良好，保證了施工的順利進(jìn)行，大大縮短了施工周期，降低了施工成本。

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

Design Research of a Dual-purpose Steel Trolley for the Tunnels with Different Cross Section in Wudongde Highway

LIAO Xianghui, YU Wei, ZHOU Heng, WEI Shilong, ZHAO Chu

(China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

Abstract:By comparing the lining and pouring schemes of two tunnels in the left-bank highway of Wudongde Hydropower Station Project, two lining steel trolleys are designed for the construction of two tunnels. The reliability design and analysis of two steel trolleys are carried out on the premise of guaranteeing the lining requirements. As the similar section of two steel trolleys, the main structure of two trolleys is designed to be similar as far as possible to keep the interchangeability of two trolleys, which can save cost. The finite element analysis is carried out on the structure of two trolleys, and the result reveals that the structures is reasonable and meet the requirements of deformation．

Key Words:highway; tunnel; steel trolley; interchangeability; finite element analysis; Wudongde Hydropower Station

中圖分類號(hào)：TV554(271)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)01- 0058- 04

作者簡介：廖湘輝(1964—)，男，湖南漣源人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事水電施工技術(shù)研究及相應(yīng)專用施工設(shè)備工作．

收稿日期：2015- 03- 23