自行式仰拱棧橋研究與設計

劉順成

(中鐵十五局集團第四工程有限公司 河南鄭州 450000)

1 仰拱棧橋簡介

仰拱棧橋是架設在仰拱施工作業(yè)段上的橋梁，是解決隧道掘進物料的運輸及仰拱安全作業(yè)的工裝設備，使隧道的掘進不受仰拱施工的阻礙，以實現(xiàn)隧道掘進與仰拱施工可同步進行[1]。目前隧道仰拱施工棧橋有簡易棧橋和自行式棧橋兩種[2]。

(1)簡易棧橋

簡易棧橋是施工班組直接采用工字鋼或H型鋼組合焊接加工的板梁結(jié)構(gòu)。一副棧橋由兩片板梁組成，前端搭在隧道掘進開挖臺階上，后端搭在仰拱填充面上，板梁間橫向無連接，整體穩(wěn)定性差，容易側(cè)翻傾覆。簡易棧橋沒有行走動力，需要在裝載機與挖掘機配合下拖拽進行移動和定位，機動能力差。并且施工仰拱作業(yè)時需要另外拼裝仰拱施工模板，施工效率低，施工質(zhì)量和安全難以保證，嚴重制約了隧道的快速施工。

(2)自行式仰拱棧橋

自行式仰拱棧橋是在簡易棧橋基礎上發(fā)展創(chuàng)新后的機械裝備，結(jié)構(gòu)整體性好，自帶行走裝置，不需要裝載機等外部動力，裝備有液壓和電氣控制系統(tǒng)，安全性好、實用性強、機械化程度高，從而實現(xiàn)隧道施工快速安全推進[3]。

2 自行式仰拱棧橋現(xiàn)狀

隨著我國隧道施工技術的進步，對仰拱施工的機械化要求越來越高[4]。目前施工中已出現(xiàn)多種自行式仰拱棧橋，按結(jié)構(gòu)形式分為懸挑式、橋跨式；按行走方式分為軌道式、步履式、履帶式、膠輪式。

2.1 按結(jié)構(gòu)形式分類

自行式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)主要由前引橋、主橋、后引橋3部分組成，按照跨越基坑的結(jié)構(gòu)不同分為懸挑式和橋跨式。

(1)懸挑式

懸挑式棧橋由前引橋跨越基坑，主橋及后引橋均在已施工的仰拱填充面上[5]，棧橋的移動均在填充面上，不受掌子面臺階及開挖基坑的工況影響，動力和控制系統(tǒng)都集中在主橋上，可隨時跨越或退出隧道仰拱基坑，機動靈活。但棧橋移動時前引橋依靠主橋和后引橋的配重處于懸挑狀態(tài)，前引橋跨越基坑的長度受主橋和后引橋的配重控制，使懸挑式結(jié)構(gòu)棧橋的跨越長度有限，同時棧橋的總體長度較長。懸挑式棧橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸挑式棧橋結(jié)構(gòu)示意

(2)橋跨式

橋跨式仰拱棧橋由主橋跨越基坑，前后引橋一端與主橋相連，另一端搭接在掌子面臺階和仰拱填充面上，棧橋跨越長度主要由主橋的結(jié)構(gòu)性能決定，因此可以實現(xiàn)較大的跨越長度[6]。但由于這種結(jié)構(gòu)形式的前支腿位于基坑底部，受到基坑環(huán)境的影響，使整個棧橋的移動不夠靈活，同時進出基坑時需要輔助坡道或拆除部分結(jié)構(gòu)，施工中途工藝變化或出現(xiàn)故障整個棧橋不能快速進出，存在影響整個隧道施工進度的弊端。橋跨式棧橋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 橋跨式棧橋結(jié)構(gòu)示意

2.2 按行走方式分類

(1)軌道式

軌道式采用了隧道傳統(tǒng)二襯臺車的行走方式，需要人工在行進方向上鋪設鋼軌來引導運行，對仰拱開挖處基底要求較高。由于開挖長度限制，倒運鋼軌頻繁，勞動強度較高、機械化程度低。

(2)步履式

步履式為軌道式的改進形式，對軌道進行了革新，不需要人工鋪設鋼軌，通過支腿與軌道間的交換支撐及軌道與棧橋的相對運動，反復操作來實現(xiàn)仰拱棧橋前行。機械化有所提高，降低了勞動強度，但是行走進度緩慢、操作復雜。

(3)履帶式

履帶式是在棧橋前端安裝履帶底盤、棧橋后端安裝被動拖輪，履帶拖動棧橋連續(xù)前行[7]，是目前自行式仰拱棧橋采用最多的行走方式。由于履帶底盤位于仰拱開挖基坑內(nèi)，棧橋只能隨著施工向前推進無法后退。履帶底盤長度一般為2～3 m，需要額外增加棧橋的長度來滿足基坑的作業(yè)空間，并且造價較高。

(4)膠輪式

膠輪式仰拱棧橋是新出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式，采用液壓馬達驅(qū)動實心橡膠輪胎的方式在已施工好的仰拱填充面上行進和后退，無需輔助設施可自行連續(xù)行走，且不受基坑限制。但是存在設備結(jié)構(gòu)復雜、技術難度大、制作要求高等問題。

綜上所述，目前仰拱施工中采用的自行式仰拱棧橋均不同程度存在結(jié)構(gòu)復雜、操作不靈活、裝備技術不成熟且造價高等缺點，不利于推廣使用。

3 新型自行式仰拱棧橋設計

通過研究分析，懸挑式和橋跨式兩種結(jié)構(gòu)形式的棧橋在針對不同工況和施工工藝時各有優(yōu)勢，如何將兩種結(jié)構(gòu)形式分別與各種行走方式最優(yōu)組合，優(yōu)化完善控制系統(tǒng)，增加附屬功能，是新型自行式仰拱棧橋的研發(fā)內(nèi)容。經(jīng)過大量研究與設計，最終設計出輪胎行走懸挑式和步履行走橋跨式兩種自行式仰拱棧橋。

兩種新型自行式仰拱棧橋都由主體結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)組成[8]。新型棧橋能夠承載不超過60 t的各類施工車輛，且能自動走行、起升降落和橫移，用于隧道仰拱開挖、仰拱及填充施工[9]。

3.1 輪胎行走懸挑式仰拱棧橋

3.1.1 主體結(jié)構(gòu)

(1)棧橋結(jié)構(gòu)主要由前引橋、主橋、后引橋3部分組成，整個橋面為圓弧流線型，全部由鋼板焊接而成，各部分之間連接采用鉸接懸挑式結(jié)構(gòu)，通過液壓油缸控制前后引橋的懸挑與下落。輪胎行走懸挑式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輪胎行走懸挑式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)示意

(2)主橋上設計有行走、橫移機構(gòu)。主橋始終位于已硬化的仰拱填充面上，使棧橋整體受力與支撐不受基坑惡劣環(huán)境的干擾，便于棧橋的前進、后退與橫移調(diào)整。

(3)前引橋是跨仰拱施工的主要結(jié)構(gòu)，強度、剛度、穩(wěn)定性必須滿足施工要求，凈跨15 m，采用近似圓弧拱形結(jié)構(gòu)，自重較輕，抵抗豎向變形能力強。前引橋下部設有可移動的牽引小車，用以牽引附屬結(jié)構(gòu)施工作業(yè)。

(4)后引橋為主橋的坡道結(jié)構(gòu)，與主橋坡度弧形連接平穩(wěn)過渡，同時內(nèi)部采用實心填充結(jié)構(gòu)對整個棧橋起配重作用。

3.1.2 行走系統(tǒng)

輪胎行走懸挑式仰拱棧橋采用四輪行走結(jié)構(gòu)，四輪位于主橋兩側(cè)下方，前輪為主動輪，有驅(qū)動、升降功能；后輪為從動輪，有轉(zhuǎn)向、升降功能。輪胎采用鋼圈包裹聚氨酯的實心輪胎，尺寸結(jié)構(gòu)小而承載力強。動力采用電機減速機驅(qū)動，造價低、故障率低且易替換維修，通過電器元件實現(xiàn)遙控控制。采用這種行走系統(tǒng)使得整個主橋結(jié)構(gòu)更加緊湊，棧橋高度更低、行走穩(wěn)定、移動靈活。

3.2 步履行走橋跨式仰拱棧橋

3.2.1 主體結(jié)構(gòu)

棧橋結(jié)構(gòu)主要由主橋、前引橋、后引橋、前支腿、中支腿、后支腿6部分組成。步履行走橋跨式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 步履行走橋跨式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)示意

(1)主橋采用箱梁結(jié)構(gòu)作為縱向主梁，橫梁采用D型施工便梁結(jié)構(gòu)形式連接，這種結(jié)構(gòu)形式具有穩(wěn)定性好、承載力強的特點?？缍瓤蓪崿F(xiàn)單次施工仰拱達12 m和24 m兩種長度。

(2)前后引橋采用拉升結(jié)構(gòu)設計，提升動力采用液壓油缸。該結(jié)構(gòu)設計具有升降角度范圍大、運行平穩(wěn)無沖擊、安全性高的特點。

(3)前支腿采用龍門型結(jié)構(gòu)，中間橫梁內(nèi)置平移油缸，實現(xiàn)棧橋主體前部的平移功能；中支腿采用H型結(jié)構(gòu)，設有上下導軌輪，通過中支腿驅(qū)動輪箱的牽引在主橋?qū)к壣锨昂笠苿?；后支腿采用升降支腿與驅(qū)動輪箱一體結(jié)構(gòu)，在支腿落下后，驅(qū)動輪箱轉(zhuǎn)動帶動棧橋行走。

3.2.2 行走系統(tǒng)

棧橋的行走采用步履自行的方式，依靠驅(qū)動輪箱與中支腿的交替運動來實現(xiàn)行走。驅(qū)動輪箱通過減速機驅(qū)動聚氨酯輪胎旋轉(zhuǎn)，帶動棧橋前后運動。主橋后端安裝有中支腿驅(qū)動輪箱，前端安裝有被動張緊輪箱，之間用鏈條與中支腿環(huán)形連接，中支腿在驅(qū)動輪箱帶動鏈條牽引下沿主橋上的導軌前后運動。

3.3 液壓系統(tǒng)

棧橋的升降、平移及前后引橋的起落全部采用液壓系統(tǒng)控制，油缸均配有液壓鎖或平衡閥，保證油缸在使用中運行平穩(wěn)、同步伸縮、安全可靠。液壓站控制閥組全部采用電磁控制閥，通過電路控制電磁閥進而控制油缸的伸縮實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的遠程控制。

3.4 自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制柜、無線遙控器等組成?？刂葡到y(tǒng)設計有無線遙控功能，同時配有有線控制手柄作為備用、維修的功能。自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)設備自動控制、設備監(jiān)控、故障報警及處理、遠程控制等功能。通過PLC的邏輯控制可保證油缸在條件滿足邏輯要求的情況下進行動作，有效防止了誤操作帶來的損壞。設備上分布的各感應器可對設備所處狀態(tài)進行監(jiān)控，當出現(xiàn)故障時即可發(fā)出報警信號。遠程控制可對設備進行遙控操作，操作者可在安全距離及需要觀察定位狀態(tài)的位置進行設備操作，使得操作便捷且安全。

3.5 附屬結(jié)構(gòu)

自行式仰拱棧橋可配套中央水溝、整體式仰拱及填充施工模板、移動溜槽、仰拱填充攤鋪機等附屬結(jié)構(gòu)。連接采用仰拱棧橋下掛式結(jié)構(gòu)，在主橋下安裝動力小車，提供牽引動力，實現(xiàn)附屬結(jié)構(gòu)的移動和定位。設計獨立液壓控制系統(tǒng)，控制附屬結(jié)構(gòu)模板的升降、脫模等，增強仰拱施工的機械化，提高了仰拱施工效率。模板為整體設計加工，強度高，可實現(xiàn)仰拱及仰拱填充的全幅施作[11]，同時避免了人工額外的輔助加固，有利于模板快速準確定位[10]，滿足隧道仰拱混凝土整幅澆筑一次成型和快速施工的需求，提高了施工質(zhì)量[12]。

3.6 新產(chǎn)品的優(yōu)勢

新產(chǎn)品與其它自行式仰拱棧橋相比，其優(yōu)點見表1。

表1 方案比較

新產(chǎn)品還具有的其它優(yōu)點:

(1)產(chǎn)品設計采用模塊化，主要部件獨立成塊，不同配置可根據(jù)用戶要求定制。

(2)采用PLC來實現(xiàn)電液的集中控制，通過程序?qū)Ω餍盘柼幚砜蓪崿F(xiàn)各執(zhí)行部件的手動獨立動作與集中自動控制，還可實現(xiàn)各信號的監(jiān)控與報警的處理。

(3)可配置觸摸屏無線控制，方便操作者在更好的位置上進行設備的操作，使操作更加安全、方便。

4 結(jié)束語

本文通過對現(xiàn)有仰拱棧橋設備的研究分析，結(jié)合各自的優(yōu)點，為滿足多種工況要求，設計了輪胎行走懸挑式和步履行走橋跨式兩種全新形式的仰拱棧橋。

(1)輪胎行走懸挑式仰拱棧橋具有高度低、行走穩(wěn)定、機動靈活的特點，適用于隧道圍巖差、安全步距短、施工空間緊張且設備轉(zhuǎn)場方便的隧道。

(2)步履行走橋跨式仰拱棧橋具有跨越基坑長度大、主橋截面單一可方便增減長度，同時可裝配多種附屬結(jié)構(gòu)的特點，適用于隧道圍巖好、安全步距長的隧道。

(3)兩種棧橋都采用了無線電與液壓控制系統(tǒng)，提供了更加安全、可靠的操作方式，加快了施工速度、減少了勞動強度、保證了設備操作的安全性。

上述兩種新型棧橋通過采用先進材料和先進技術有效地克服了目前仰拱棧橋裝備的缺陷，是對傳統(tǒng)棧橋設備的一次革新。相信隨著該產(chǎn)品的問世，對隧道仰拱施工安全、質(zhì)量的提高有重大意義，有助于隧道施工機械化、標準化的積極推進。