扁平特大斷面隧道模板臺車設(shè)計及施工

雍金柱

(中鐵一局集團有限公司，陜西西安 710054)

模板臺車是模筑混凝土施工過程中使用的以鋼結(jié)構(gòu)件為主體的非標準專用設(shè)備，具有施工效率高、表面成形質(zhì)量好等諸多優(yōu)點[1]。為解決傳統(tǒng)的定型鋼模和滿堂支架施工機械化程度低、施工周期長和質(zhì)量差等問題，模板臺車已成為隧道工程二次襯砌施工的主要方法[2][3]。隧道斷面形式有圓形、馬蹄形、矩形等，斷面可分為特大(≥100 m2)～極小(≤3 m2)等5種。因隧道斷面設(shè)計不同，其截面設(shè)計、鋼板厚度、支撐強度等也不同[4][5]。隨著車流量的增加，越來越多的隧道也相應(yīng)地增加車道數(shù)，即由雙向四車道變?yōu)榱嚨阑虬塑嚨赖缺馄叫翁卮罂缍人淼繹6-7]。扁平特大跨度隧道的二襯厚度相對更大，其施工水平直接影響著隧道的質(zhì)量、成本及進度。因此，扁平特大斷面隧道模板臺車的合理設(shè)計和施工已成為當下隧道工程的熱門議題。國內(nèi)較多學者主要針對中等斷面(≤50 m2)隧道的模板臺車展開研究，如李宏[8]以銀西鐵路賈塬隧道工程為背景，借助ANSYS有限元軟件仿真模擬2種型材的臺車門架工況，對相同邊界條件分別進行檢算并做出比較分析；王鑫等[9]以西安地鐵二號線某區(qū)間隧道工程為背景，結(jié)合自制簡易鋼模臺車在特殊斷面的二次襯砌施工情況，對類似工程進行對比分析；顏曦等[10]采用有限元方法，計算穿行式液壓鋼模臺車的強度和剛度，分析研究臺車系統(tǒng)的主體構(gòu)成、工作原理以及主要施工過程，并成功應(yīng)用于南水北調(diào)一期黃河盾構(gòu)穿越工程。對特大斷面隧道模板臺車的研究成果相對較少，張剛宏等[11]結(jié)合滬昆客專長昆湖南段喇叭口隧道洞門工程(開挖跨度20.7 m)，探討隧道襯砌模板臺車的設(shè)計、制作、安裝等關(guān)鍵技術(shù)，成功解決了喇叭口隧道洞門襯砌問題；閆明超[12]依托壁板坡特長隧道工程(開挖跨度17 m)，針對其超大斷面變截面的特點，在二襯施工中采用變截面模板臺車，實現(xiàn)了4種斷面形式的過渡；唐果良[13]以重慶輕軌較新線臨江門車站隧道為例(開挖跨度23.04 m)，介紹該隧道整體式液壓模板臺車的研制與全斷面襯砌施工技術(shù)。

以平潭綜合試驗區(qū)牛寨山隧道工程為依托，經(jīng)方案比選，采用自行液壓隧道模板臺車進行二襯結(jié)構(gòu)施工?；谒淼辣馄教卮髷嗝娴奶攸c，給出模板臺車的概略尺寸，計算模板臺車的頂模、側(cè)模及門架受力情況；然后判斷模板臺車結(jié)構(gòu)的剛度、強度及穩(wěn)定性是否滿足要求，確定模板臺車的技術(shù)參數(shù)。最后，對模板臺車二襯施工流程展開分析，總結(jié)相關(guān)施工經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

平潭金井灣大道牛寨山隧道位于平潭綜合試驗區(qū)西側(cè)，隧道設(shè)計為雙向四車道，北線總長874 m，南線總長835 m，隧道設(shè)計扁平率為0.691，最大開挖跨度為21.13 m，開挖斷面達260 m2，屬扁平特大斷面隧道。隧道襯砌分為初期支護和二次襯砌，其中二襯結(jié)構(gòu)采用55 cm厚C30鋼筋混凝土。牛寨山隧道結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 牛寨山隧道結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

1.2 牛寨山隧道模板設(shè)計方案比選

(1)支架模板法

主要采用膠合板或竹膠板配合滿堂支架施工，耗費木材較多，且板面拼縫多，結(jié)構(gòu)整體性差，混凝土面平整度控制難度大，外觀質(zhì)量較差；另一方面，該方法施工工序繁多，裝配、拆卸工效低，轉(zhuǎn)場復(fù)雜，施工周期長。

(2)液壓隧道模板臺車

該臺車鋼模與車架各自為獨立系統(tǒng)，通過可調(diào)油缸連接鋼模板進行立模與拆模作業(yè)，操作簡便，結(jié)構(gòu)簡潔，提高了混凝土面板的平整度，大幅提升了模板的重復(fù)利用率，且施工質(zhì)量和工效高。

通過方案比選，決定采用自行液壓隧道模板臺車進行二次襯砌結(jié)構(gòu)施工。

2 自行液壓隧道模板臺車總體結(jié)構(gòu)

牛寨山隧道模板臺車結(jié)構(gòu)如圖2所示，施工現(xiàn)場實景見圖3。模板臺車由行走裝置、門架、模板、工作梯、電液控系統(tǒng)等組成。

2.1 行走裝置

行走機構(gòu)由4組行走小車組成，為兩組主動輪組和兩組被動輪組，各輪組由兩套輪軸與箱體裝配成小車箱體。主動輪組由電機作為動力驅(qū)動，實現(xiàn)臺車的位移。行走小車具有較高的箱體強度和制作精度，且便于檢修保養(yǎng)。

圖2 隧道模板臺車結(jié)構(gòu)示意

圖3 隧道模板臺車實景

2.2 門架

門架由行走梁、立柱、上橫梁、立柱平撐、立柱斜撐、二橫梁八字撐、附門架等組成，行走梁、立柱、二橫梁由Q235(10～12 mm)鋼板焊接制作，其中兩端均為雙腹板，具有較好的抗變形強度。兩端上橫梁的上平面為兩組平移系統(tǒng)，平移小車與頂伸油缸連接，油缸連接上縱梁，形成左右與上下的運動。除支撐桿件外，門架總成其它主件均采用Q235鋼板自動埋弧焊接成型，具有較好的抗變形強度。

2.3 模板

臺車模板由一塊拱頂模板、兩塊側(cè)模板組成。模板寬度為1.8 m(與門架等寬)，相鄰模板通過法蘭裝置連接(形成縱向臺車長度)，頂模板與側(cè)模板以耳板銷軸連接。模板整體抗變形強度好，襯砌后的混凝土表面線縫小。模板頂部設(shè)置注漿口，直徑為125 mm。

2.4 工作梯

工作梯主要包括爬梯和工作平臺，主要由型鋼與矩形鋼制作而成，有較好的強度和可靠性，便于工作人員上下作業(yè)和安全操作。

2.5 電、液控系統(tǒng)

電、液控系統(tǒng)由液壓操縱柜與油箱組合成一體。下部為油箱，上部為電控電器與液壓原件，箱面為電源總開關(guān)、臺車驅(qū)動按扭、調(diào)壓閥、油壓表、組合閥操縱桿。

3 隧道模板臺車設(shè)計

初定自行液壓隧道模板臺車一個工作循環(huán)的模板長度L和模板厚度δ分別為9 m和700 mm，根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[14]，計算模板結(jié)構(gòu)的強度和剛度，并對門架結(jié)構(gòu)進行受力分析，驗證臺車的力學性能是否滿足要求。

3.1 模板受力計算

(1)混凝土對側(cè)模的壓力

混凝土對側(cè)模產(chǎn)生的壓力由新澆筑混凝土對模板側(cè)面的壓力、泵送混凝土時產(chǎn)生的載荷和振搗混凝土時產(chǎn)生的載荷組成。

①新澆筑混凝土對模板側(cè)面的壓力

當采用內(nèi)部振搗時，新澆筑的混凝土作業(yè)于模板的最大側(cè)壓力標準值可按照式(1)、式(2)計算，并取兩式中的較小值。

(1)

式中F——新澆筑混凝土對模板最大側(cè)壓力的標準值；

rc——混凝土的重力密度，對普通混凝土取26 kN/m3；

t0——新澆混凝土的初凝時間，采用t0=200/(T+15)=5.7計算，混凝土入模時的溫度T取20 ℃；

β1——外加劑影響修正系數(shù)，摻外加劑時取1.2；

β2——混凝土坍落度影響修正系數(shù)，混凝土塌落度為50～90 mm時取1.0；

v——混凝土的澆筑速度，取4.7 m/h。

F=rcH

(2)

式中：H為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度，取10.3 m。

由式(1)和式(2)，求得F分別為84.82 kN/m2和247.2 kN/m2，取兩者中的較小值，新澆筑的混凝土作業(yè)于模板的最大側(cè)壓力標準值F=84.82 kN/m2。混凝土側(cè)壓力分布情況如圖4所示，圖4中,h=F/rc,h為有效壓頭高度。

圖4 混凝土側(cè)壓力計算分布圖形

新澆筑混凝土對模板側(cè)面的載荷系數(shù)取1.2，該載荷設(shè)計值F設(shè)=1.2F=1.2×84.82=101.78 kN/m2。

②泵送混凝土時產(chǎn)生的載荷

泵送混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載標準值為4.0 kN/m2，豎向荷載分項系數(shù)取1.4，該載荷設(shè)計值為4×1.4=5.6 kN/m2。

③振搗混凝土時產(chǎn)生的載荷

根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[14]，對大體積結(jié)構(gòu)、柱(邊>300 mm)、墻(厚>100 mm)的側(cè)面模板進行承載力計算時，其側(cè)壓力只考慮①和②兩種載荷組合，因此，振搗混凝土時產(chǎn)生的載荷在此處不計取。

④側(cè)模承載力

F側(cè)=新澆筑混凝土對模板側(cè)面的壓力+泵送混凝土時產(chǎn)生的載荷=101.78+5.6=107.38 kN/m2。

(2)側(cè)模受力驗算

①面板

側(cè)模面板為14 mm厚的鋼板，由間距745 mm的槽鋼支撐，面板縱向長度為210 mm，可簡化為跨度745 mm的矩形平板進行分析，周界固定(見圖5)。

圖5 側(cè)模面板受力情況

(3)

式中：f為面板中心撓度；

查《機械設(shè)計手冊》[15]，c3取0.028 4；

745 mm寬面板所受壓力q=107.38×0.745=80 kN·m；

b為面板縱向長度(210 mm)；

E為彈性模量(206 GPa)；

h為面板厚度(14 mm)。

根據(jù)公式(3)，求得側(cè)模面板最大中心撓度f=0.11 mm≤2 mm，故側(cè)模面板剛度滿足要求。

σ=c6q(b/h)2

(4)

式中：σ為面板長邊中心應(yīng)力；

查《機械設(shè)計手冊》，c6取0.028 4；

q為寬面板所受壓力(745 mm)；

b和h分別為面板縱向長度和厚度。

根據(jù)式(4)，求得長邊中心應(yīng)力σ=9 MPa≤[σ]=140 MPa(允許拉壓應(yīng)力)，故側(cè)模面板強度也滿足要求。

②弧板

側(cè)?；“逋瑯訛閎=14 mm鋼板，h=400 mm，模板連接梁最大間距1 500 mm?；“迨芰δＰ涂稍O(shè)為受均布力的簡支梁(見圖6)，跨距B=1 500 mm，弧板截面如圖7所示。

圖6 側(cè)?；“迨芰η闆r

圖7 側(cè)?；“褰孛?單位：mm)

強度驗算：

由F側(cè)=107.38 kN/m2，可求弧板所受均布力q1=FQ=p×B/2=107.38×1.5/2=80.5 kN/m，最大彎矩Mmax=q1l2/8=80.5×1.52/8=22.6 kN·m，弧板抗彎模量w=bh2/6=0.014×0.42/6=0.37×10-3m3。

弧板受到的最大彎曲應(yīng)力σmax=Mmax/W=22.6×103/(0.37×10-3)=61 MPa<[σ]=181 MPa(容許彎曲應(yīng)力)；最大剪應(yīng)力τmax=1.5FQ/A=1.5×80.5×103/(0.014×0.4)=21.56 MPa<[τ]=140 MPa(容許剪應(yīng)力)。

故側(cè)模弧板的強度滿足要求。

剛度驗算：

弧板慣性矩Ix=9.5×10-4m4

(5)

式中f——護板最大撓度；

q——弧板所受均布力(80.5 kN/m)；

l——弧板跨距(1.5 m)；

E——彈性模量(206 GPa)；

Ix——弧板慣性矩。

根據(jù)公式(5)計算最大撓度fmax=1.96 mm<2 mm，故側(cè)模弧板剛度滿足要求。

(3)混凝土對頂模的壓力

混凝土對頂模產(chǎn)生的壓力由混凝土重力和澆筑混凝土的側(cè)壓力組成，頂模受力情況如圖8所示。

圖8 頂模受力情況

①混凝土重力

臺車頂模板長9.0 m，圓弧長15.2 m，混凝土厚為0.7 m，其密度為2.6 t/m3。

可得混凝土的重力W=2.6×9×π(10.352-9.652)/4=257.2 t，折算成單位面載荷P=257.2/(9×15.2)=1.88 t/m2=18.8 kN/m2?？傻茫琍設(shè)=1.2P=1.2×18.8=22.6 kN/m2。

②澆筑混凝土的側(cè)壓力

泵送混凝土對側(cè)模產(chǎn)生的載荷為5.6 kN/m2。

③混凝土對頂模的壓力

P頂=混凝土重力+澆筑混凝土的側(cè)壓力=22.6+5.6=28.2 kN/m2。

(4)頂模受力驗算

①面板

頂模面板計算模型同側(cè)模面板，重力密度取78.5 kN/m3，面板自重為78.5×0.014=1.099 kN/m2，面板受到的壓力q=28.2+1.099=29.3 kN/m2。

根據(jù)式(3)和式(4)求得中心撓度f=2.13×10-3mm≤2 mm，長邊中心應(yīng)力σ=2.46 MPa≤[σ]=140 MPa，故頂模面板剛度和強度均滿足要求。

②弧板

頂?；“鍨棣?4 mm鋼板，h=400 mm，模板連接梁最大間距為1 250 mm?；“迨芰δＰ屯瑯涌稍O(shè)為受均布力的簡支梁(見圖9)，計算方法與側(cè)?；“逑嗨啤?/p>

圖9 頂?；“迨芰η闆r

強度驗算：

由q=29.3 kN/m2，可求弧板所受均布力q1=29.3×1.25/2=18.3 kN/m，最大彎矩Mmax=18.3×1.252/8=3.57 kN·m，弧板抗彎模量w=0.37×10-3m3。

弧板受到的最大彎曲應(yīng)力σmax=3.57×103/(0.37×10-3)=9.6 MPa<[σ]-181 MPa(容許彎曲應(yīng)力)；最大剪應(yīng)力τmax=1.5×18.3×103/(0.014×0.4)=4.9 MPa<[τ]=140 MPa(容許剪應(yīng)力)。

故頂?；“鍙姸葷M足要求。

剛度驗算：

弧板慣性矩Ix=1.0×10-3m4，根據(jù)公式(5)計算求得最大撓度fmax=0.0028 mm<2 mm，故頂模弧板剛度滿足要求。

3.2 門架受力計算

臺車門架是一個空間的整體框架結(jié)構(gòu)，水平及垂直方向的載荷主要靠門架承受。門架結(jié)構(gòu)示意見圖10。門架整體框架結(jié)構(gòu)的受力分析有兩種情況：其一是門架水平載荷的受力載荷分析，水平載荷主要為側(cè)模通過支撐絲杠傳遞的支反力；其二是垂直載荷作用下的門架受力，主要為傳遞下來的頂模及混凝土自重，如圖11所示為門架對模板的支反力。中間門架相對兩邊門架受力更大(中間立柱截面小于兩端立柱，且中間立柱受力是兩端的約2倍)，故計算中間門架即可。

圖10 門架結(jié)構(gòu)示意

圖11 門架對模板的支反力

(1)計算參數(shù)

①主梁許用撓度值取L/400，次梁許用撓度值取L/250；

②頂模重30 t、頂模框架及附件重10.5 t、門架上液壓部分重2.2 t、門架上絲杠及千斤頂重1.2 t；頂?；炷林?.6×15.158×9=355 t；

③未澆筑頂模時門架絲桿垂直方向集中載荷F=(30+10.5+2.2+1.2)×10/(5×5)=17.5 kN；

④澆筑頂模時門架絲桿垂直方向集中載荷F=(355+30+10.5+2.2+1.2)×10/(5×5)=159 kN；

⑤門架絲桿水平方向集中載荷F1=176 kN、F2=247 kN、F3=244 kN、F4=244 kN、F5=180(230) kN、F6=103(105) kN，見圖12。

圖12 門架受力(單位:kN)

(2)澆筑側(cè)模時門架結(jié)構(gòu)受力分析

澆筑側(cè)模時門架彎矩和澆筑側(cè)模時門架位移的計算結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13 澆筑側(cè)模時門架彎矩

圖14 澆筑側(cè)模時門架位移

①門架上橫梁驗算

上橫梁為箱形梁，其截面特性為I=2.37×109mm4；W=5.925×106mm3。

經(jīng)力學求解器得=28 mm<13 450/400=33.6 mm；Mmax=8.97×105N·m，σmax=Mmax/W=8.97×105/5.925×10-3=151 MPa<[σ]=181 MPa。故澆筑側(cè)模時門架上橫梁的強度和剛度均滿足要求。

②門架二橫梁驗算

二橫梁為單30b工鋼，其截面特性為I=0.85×10-4m4；W=5.67×10-4m3。

經(jīng)力學求解器得fmax=22 mm<7 213/250=29 mm；Mmax=39×103N·m，σmax=Mmax/W=39×103/5.67×10-4=68.7 MPa<[σ]=18 MPa。故澆筑側(cè)模時門架二橫梁的強度和剛度均滿足要求。

③門架立柱驗算

立柱為箱形梁，其截面特性為I=0.913×109mm4；W=3×106mm3。

經(jīng)力學求解器得fmax=57 mm，為計算方便，門架力學模型左下端取為固定角支座，而實際應(yīng)與右端支座(支桿)相同，故右下端立柱設(shè)計計算位移為其實際位移的兩倍，則fmax=57/2=28.5 mm<50 mm(50 mm為模板設(shè)計外徑加大余量)；Mmax=29.8×104N·m，σmax=Mmax/W=29.8×104/3×10-3=99.3 MPa<[σ]=181 MPa。故澆筑側(cè)模時門架立柱的強度和剛度均滿足要求。

(3)澆筑頂模時門架結(jié)構(gòu)受力分析

澆筑頂模時門架彎矩和澆筑側(cè)模時門架位移的計算結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 澆筑頂模時門架彎矩

圖16 澆筑頂模時門架位移

①門架上橫梁驗算

上橫梁為箱形梁，經(jīng)力學求解器得fmax=13 mm<33.6 mm；Mmax=5.93×105N·m，σmax=Mmax/W=5.93×105/5.925×10-3=100 MPa<[σ]=181 MPa。故澆筑頂模時門架上橫梁的強度和剛度均滿足要求。

②門架二橫梁驗算

二橫梁為單30b工鋼，其經(jīng)力學求解器得fmax=13 mm<29 mm；Mmax=37×103N·m，σmax=Mmax/W=37×103/5.67×10-4=64 MPa<[σ]=181 MPa。故澆筑頂模時門架二橫梁的強度和剛度均滿足要求。

③門架立柱驗算

立柱為箱形梁，經(jīng)力學求解器得fmax=37 mm，同樣，為計算方便，門架力學模型左下端取為固定角支座，而實際應(yīng)與右端支座(支桿)相同，故fmax=37/2=18.5 mm<50 mm；Mmax=27.3×104N·m，σmax=Mmax/W=27.3×104/3×10-3=91 MPa<[σ]=181 MPa。故澆筑頂模時門架立柱的強度和剛度均滿足要求。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

通過驗算分析，臺車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 臺車的主要技術(shù)參數(shù)

注：R1和R2位置參見圖2(a)。

4 自行液壓模板臺車施工流程及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 臺車就位

鋪設(shè)臺車行走軌道后，必須校對鋼軌是否平直，鋼軌中心距與襯砌中心距是否對齊吻合，兩側(cè)鋼軌縱向水平誤差應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)，并檢查鋼軌牢固性；枕木間距不應(yīng)超過600 mm。移動臺車時，應(yīng)確保模板收攏，門架底部支軌絲杠收起，動力線足夠長；并檢查所移動方向區(qū)域內(nèi)是否有其它阻擋物、工作臺面有無掉落物等。

4.2 臺車立模

(1)合閘通電，液壓系統(tǒng)怠速運轉(zhuǎn)，調(diào)整臺車至立模位置，將支撐行走梁底部支軌絲杠撐于鋼軌上并旋緊。

(2)操縱液壓控制閥，調(diào)整各部模板的位置。先確定拱頂模板位置與隧道斷面是否相符，精測各切線、腰線中心寬、臺車中心與隧道中心位置。

(3)操作換向閥手柄，首先平移水平油缸，調(diào)整模板臺車中心距與襯砌中心線對齊；再上升豎向油缸，調(diào)整臺車達到預(yù)定高度后，旋緊豎向各千斤頂；最后撐出側(cè)向油缸，確定腰線中心寬后，支撐側(cè)模絲杠。

(4)關(guān)閉電機，來回搖動換向閥手柄，使側(cè)向油缸卸壓；油缸卸壓后再啟動電機，保持油缸壓力。

(5)應(yīng)檢查各支撐點的穩(wěn)定性和整體相關(guān)尺寸，檢查無誤后方可進行澆筑。

4.3 澆筑混凝土

(1)澆筑前，臺車外表面需涂抹脫模劑，以減少脫模時的表面黏力。

(2)澆筑時混凝土最大下落高度不能超過3 m；臺車前后混凝土高度誤差不能超過0.6 m，左右兩端混凝土高度差不能超過0.6 m。

(3)采用附著式振動時，應(yīng)盡量采用短時間、多次數(shù)、左右對稱的振動方法，防止臺車的微移位或彈性變型?？杉尤敕浪蓊A(yù)警裝置。

4.4臺車脫模

(1)當澆筑混凝土達到拆模強度時，先拆除側(cè)面支撐絲杠一端的銷子，然后再松開拱部平臺支撐千斤頂。

(2)拆除端頭擋渣墻支護桿件和緊固件。

(3)操作液壓控制閥，先收回側(cè)模板油缸，再降落拱部升降油缸。

(4)清除模板表面的異物并檢查模板表面的質(zhì)量，特別是分模線、接模線、鉸接線、窗口、注漿口等位置。

5 結(jié)論與建議

(1)臺車頂模主要承受混凝土自重和澆筑混凝土的側(cè)壓力，側(cè)模主要承受新澆筑混凝土壓力和泵送混凝土時產(chǎn)生的載荷。計算結(jié)果表明，頂、側(cè)模面板最大撓度及中心應(yīng)力，以及弧板最大彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于容許值，臺車模板的強度、剛度滿足要求。

(2)門架上橫梁、二橫梁和立柱的最大撓度和彎曲應(yīng)力均小于容許值，臺車門架的強度和剛度均滿足要求。因此，自行液壓隧道模板臺車可承受平均厚度為0.7 m、循環(huán)模板長度為9 m的混凝土施工載荷及振搗載荷。

(3)自行液壓隧道模板臺車應(yīng)一次性組裝成型；臺車就位時，兩側(cè)鋼軌縱向水平誤差控制在10 mm以內(nèi)；移動臺車時要注意模板是否收攏，門架底部支軌絲杠是否收起；臺車立模時，先確定拱頂模板位置與隧道斷面是否相符，再精測臺車中心與隧道中心位置；澆筑混凝土時，還可加入防塌陷預(yù)警裝置。施工實踐表明，該模板臺車設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工質(zhì)量良好，對二襯模筑混凝土施工具有較好的借鑒意義。