隧道二次襯砌臺(tái)車受力簡析

劉云珠

中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西 太原 030032

前言

全斷面鋼模板砼襯砌隧道臺(tái)車（簡稱臺(tái)車）受力分析主要包括頂模和邊模兩部分。臺(tái)車結(jié)構(gòu)受力分析應(yīng)考慮工作及非工作兩種工況下的載荷，強(qiáng)度校核時(shí)應(yīng)以最大載荷為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。非工作狀態(tài)，臺(tái)車只承受自重，結(jié)構(gòu)受力較小；工作狀態(tài)，臺(tái)車受自身重量、混凝土自重、振搗、混凝土入倉產(chǎn)生的沖擊等各方面產(chǎn)生的力，因此，臺(tái)車強(qiáng)度校核載荷應(yīng)以工作狀態(tài)產(chǎn)生的荷載為依據(jù)進(jìn)行校核[1-2]。襯砌臺(tái)車主視圖及側(cè)視圖如圖1所示。

1 臺(tái)車整體受力分析

1.1 頂模板載荷分析

頂模板通過托架總成承受整個(gè)上部模板的載荷，而托架縱梁又承受豎向載荷并傳力于門架。

頂部模板承受的載荷有最大開挖0.8米時(shí)的混凝土自重及注漿口封口時(shí)該處的擠壓力。由于混凝土輸送泵通過幾十米的水平管道及豎直管道向臺(tái)車輸送混凝土，與注漿口接口處的局部擠壓力較大，其他地方壓力較小，因此，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，只考慮自重載荷的壓力對模板影響，這在工程計(jì)算中是可行的。

頂部模板受力簡圖如圖2所示。假設(shè)混凝土厚度為最大開挖厚度0.8m，臺(tái)車襯砌長度為12m，同時(shí)假定上部整個(gè)混凝土的自重由頂模板承受，所灌注混凝土即為圖中的陰影部分面積S（由ABCD四點(diǎn)構(gòu)成的陰影面）。S＝8.92m2，則混凝土自重W＝12×8.92×2.45＝262.25（t﹚，頂模板自重G=26.32﹙t﹚。

圖1 臺(tái)車主視圖與側(cè)視圖

圖2 頂模板結(jié)構(gòu)受力簡圖

圖3 邊模板結(jié)構(gòu)受力簡圖

圖4 門架結(jié)構(gòu)受力簡圖受力簡圖

圖5 模板部分

1.2 邊模板載荷分析

臺(tái)車邊模板左右對稱，結(jié)構(gòu)及受力相同，由于模板下部向里靠攏，不承受混凝土自重，因此自重載荷不必考慮，只考慮澆注混凝土?xí)r的側(cè)壓力對其影響，如圖3所示。

臺(tái)車邊模板的側(cè)壓力計(jì)算有如下兩種方法：

方法一：新澆混凝土對鋼模板的最大側(cè)壓力q，按下式計(jì)算：q=rhR+C

公式中：q―混凝土側(cè)壓力，rh―混凝土的容重，2.45t∕m3，R―內(nèi)部插入振搗器的影響半徑，取0.75，C―混凝土入倉對模板的沖擊力，取0.2t∕㎡，代入上式，q=2.45×0.75＋0.2=2.04t∕㎡

方法二：采用內(nèi)部振搗器時(shí)，新澆混凝土對鋼模板的最大側(cè)壓力F，按下式計(jì)算：F=0.22rht0β1β2V1/2，公式中：F―混凝土側(cè)壓，rh―混凝土的容重，2.45t∕m3，t0―新澆混凝土的初凝時(shí)間（h）取5小時(shí)，β1―外加劑影響系數(shù)，不加外加劑時(shí)取1.0，加具有緩解作用的外加劑時(shí)取1.2，β2―混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于3cm時(shí)取0.85；當(dāng)坍落度為5―9cm時(shí)取1.0；當(dāng)坍落度為11―15cm時(shí)取1.15，V―混凝土的澆筑速度（m∕h），取1.5m∕h

將上述各值代入：F=0.22×2.45×5×1.2×1.15×1.51/2=4.56（t∕㎡）

邊墻的側(cè)壓力取為4.7t∕㎡，該值取自日本歧埠工業(yè)公司液壓臺(tái)車的計(jì)算值，大于目前國內(nèi)邊模板的側(cè)壓力計(jì)算值，偏于安全。

1.3 邊模板水平載荷及千斤頂軸向載荷

（1）邊模板水平載荷

由于襯砌長度為12米，邊模板豎直高度取7.2米，則邊模板水平載荷W=12×7.2×4.7=406.08（t）

假設(shè)上述水平載荷由14個(gè)支承千斤承擔(dān)，總共七組千斤頂，而中間五組千斤頂承受的力最大，則中間每組千斤承受的力為404.16∕5=80.83（t）。假設(shè)每組載荷由4個(gè)千斤平均承擔(dān)，則每個(gè)千斤的軸向載荷為F2=80.83∕4=20.21（t）。

（2）水平千斤的強(qiáng)度校核

水平千斤采用矩形螺紋T75×8，螺桿及螺母均為45#鋼，其6s=360Mpa,

[6b]=144Mpa,[τ]=108Mpa,安全系數(shù)為2.5。

由于螺桿和螺母材料相同，只需校核螺桿螺紋強(qiáng)度。

根據(jù)螺桿彎曲強(qiáng)度公式：6b=3FH1∕πd3b2n≤[6b]，螺桿剪切強(qiáng)度公式：τ＝F∕πd3bn≤[τ]，公式中：F―軸向載荷N，F(xiàn)=20.21×104N，H1―基本牙型高度mm，H1=0.5P=4mm，d3―外螺紋小徑，d3=64mm，n―旋合圈數(shù)，n=H∕P，P為螺距8mm，螺桿高度H=160mm，則n=20，b―螺紋牙根部的寬度mm，矩形螺紋b=0.5P，即b=4mm，將各值代入上式：則6b=3×20.21×104×4/π×64×42×20=37.69Mpa＜[6b]，τ=20.21×104/π×64×4×20=12.56Mpa＜[τ]因此，水平方向支承千斤強(qiáng)度通過。

1.4 門架結(jié)構(gòu)的受力分析

臺(tái)車門架是一個(gè)空間的整體框架結(jié)構(gòu)。其主要水平及垂直方向的載荷靠7榀門架承受。門架整體框架結(jié)構(gòu)的受力分析分兩種情況：其一是水平載荷作用下的門架受力，其二是垂直載荷作用下的門架受力。為了保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，門架橫梁和立柱都會(huì)分別通過工字鋼或槽鋼把其連成整體。在7榀門架中，中間的門架受力最大，其受力簡圖如圖4所示。

2 臺(tái)車模板受力分析

臺(tái)車模板分頂模、左右邊模，由于頂模受到混凝土自重、施工載荷及注漿口封口時(shí)的擠壓力等載荷的作用，其受力條件顯然比其他部位的模板更復(fù)雜、受力更大、結(jié)構(gòu)要求更高。由于邊模與頂模的結(jié)構(gòu)構(gòu)造一樣，邊模不受砼自重，載荷較小，因此對其強(qiáng)度分析時(shí)只考慮頂模。

在襯砌時(shí)的混凝土自重及邊墻壓力靠模板承受。模板的整體強(qiáng)度有拱板、托架及千斤頂支架，從而保證其工作時(shí)絕對可靠。

臺(tái)車模板沿洞軸方向看是一個(gè)圓柱殼，通過計(jì)算得知模板下的托架支承及圓弧拱板(400mm寬，12mm厚)的剛度是足夠的，而頂模最危險(xiǎn)處應(yīng)在最頂部（由于灌注時(shí)的壓力）。因此，其力學(xué)模型可取最頂部1.5米長度，1.5米寬的這部分模板進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度校核。其力學(xué)模型如圖5所示。

該部分載荷由兩部分組成，一是砼的自重，二是注漿口封口時(shí)產(chǎn)生的較大擠壓力，該值是一個(gè)不確定的值，它與灌注封口時(shí)的操作有極大關(guān)系。如果混凝土已經(jīng)灌滿，而操作人員仍然由輸送泵輸送混凝土，由于輸送泵的理論出口壓力（36.5kg∕cm2）很大，就有可能造成模板的變形破壞。由于輸送管的長度及高度的變化，注漿口接口處壓力實(shí)際有多大，目前沒有理論及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)可供參考。

2.1 分析部分的混凝土自重P1

如圖5分析部分的模板長為1.5米，寬為1.5米，混凝土厚度為0.8米，其密度為2.45t∕m3。則混凝土自重：W=1.5×1.5×0.8×2.45=4.41（t）。單位面載荷：P1=4.41∕(1.5×1.5)=1.96t∕m2。

2.2 分析部分的擠壓面載荷P2

擠壓面載荷取4.7t∕m2（參考自日本歧埠工業(yè)公司提供的參數(shù)）。那么，這部分模板就受到P1與P2的作用，兩部分的合力：P=P1+P2=1.96+4.7=6.66t∕m2。

2.3 模板的彎曲應(yīng)力

由于模板的內(nèi)表面每隔230mm有一根加強(qiáng)角鋼，因此，我們可以把它簡化成每隔230mm的梁單元來考慮。將寬度為230mm的模板所受到的載荷折算成梁上線載荷，其翼緣板的寬度取它與之相鄰筋板間距的30%，即230×0.3=69mm，偏于安全。

根據(jù)上述模板所受的面載荷為6.66t∕m2，那么在230mm寬，1500mm長的面積上所受到的載荷為6.66×0.23×1.5=2.3（t），將此載荷作用在1.5米長的梁上，則其線載荷q為2.3∕1.5=1.53（t∕m）。

如要對整個(gè)模板進(jìn)行受力分析，就必須將整個(gè)模板等效成梁單元的空間框架結(jié)構(gòu)，利用有限元理論，通過電算進(jìn)行有限元分析。這里，我們只能取一根梁進(jìn)行分析，簡化后的梁單元力學(xué)模型按簡支梁處理。

為計(jì)算梁的彎曲應(yīng)力，必先計(jì)算該梁橫截面的形心，該截面是由75×8的角鋼及150×10的鋼板的組合截面，根據(jù)圖示坐標(biāo)系，計(jì)算組合截面形心O0的X、Y坐標(biāo)。組合截面形心公式計(jì)算形心的X、Y坐標(biāo)。x=ΣAixi∕ΣAi y=ΣAiyi∕ΣAi ，角鋼75×8的橫截面積A=879.7mm2，慣性矩Ix=469500mm4。將各值代入，則：x=(150×10×75＋879.7×95.7) ∕(1200＋879.7)=83.76mm，y=(150×10×79＋879.7×20.7)∕(1200＋879.7)=54.34mm，根據(jù)組合截面的平行移軸公式計(jì)算組合截面的慣性矩：Ix=150×83∕12＋8×150×24.662＋469500＋879.7×33.642=2201150.87mm4，抗彎截面模數(shù)：W1=Ix∕(83-54.34)=76802mm3，抗彎截面模數(shù)：W2=Ix∕54.34=40507mm3。簡支梁受到均布載荷作用下的最大彎矩位于跨中，其值為：Mmax＝ql2∕8=1.67×104×22∕8=4.7×103(N.m)梁的最大彎曲應(yīng)力：σ= Mmax∕W2=4.7×103∕4.0507×105=116.03 [ Mpa ][6s]=160Mpa，因而，梁的強(qiáng)度通過。

3 結(jié)束語

隧道二次襯砌臺(tái)車投入使用之前，必須經(jīng)過嚴(yán)格的受力分析計(jì)算，確保臺(tái)車模板、門架結(jié)構(gòu)及各受力千斤頂?shù)膹?qiáng)度可控。同時(shí)在使用過程中，必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求和適當(dāng)?shù)臐沧⑺俣龋?.0m∕h）進(jìn)行施工，同步撐緊模板下的撐地千斤及固定好軌道，把襯砌厚度控制在0.8m范圍內(nèi)。唯有此，襯砌臺(tái)車方能既保證安全，又提高施工效率。

[1]但淑英,劉濤.隧道雙功能全液壓伸縮全自動(dòng)行走混凝土襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)受力分析[J].公路,2009,(7):281-285.

[2]岳克勤.隧道二襯臺(tái)車模板受力驗(yàn)算[J].科技博覽,2010,(3):52-53.