三角形鉸接式隧道襯砌臺車設(shè)計理念及應(yīng)用

藺清君

(中鐵二十二局集團第二工程有限公司 北京 100041)

1 引言

如何加強施工安全質(zhì)量、提升施工管理水平是項目管理的重點管控目標，高比例隧道工程又是施工的重難點、高風(fēng)險工程，襯砌臺車在其中起著關(guān)鍵作用。在當代科技迅猛發(fā)展應(yīng)用下，有必要對襯砌臺車加強研發(fā)、改進利用，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以減輕隧道襯砌臺車的自重，降低施工建設(shè)單位的成本投入風(fēng)險，為國家提倡“節(jié)能減排”提供技術(shù)服務(wù)保障[1]?；诖?，研發(fā)出三角形鉸接式隧道襯砌臺車并投入使用，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，加強了企業(yè)對市場的快速反應(yīng)能力[2]。

2 傳統(tǒng)通用臺車存在的缺陷

襯砌臺車是公路、鐵路隧道混凝土襯砌施工的一次成型大型設(shè)備，不僅能確保一邊開挖、一邊襯砌的要求，臺車門架凈空高度和寬度能保證無軌運輸車輛的通行[3]，而且直接影響到隧道施工安全、質(zhì)量及進度。目前所用臺車主要是由模板系統(tǒng)、門架總成、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成[4]。受設(shè)計、施工、運輸制約，在使用過程中往往存在如下問題:

(1)支撐系統(tǒng)易變形，造成環(huán)向接縫跑模和錯臺等質(zhì)量缺陷；頂部模板受壓變形甚至被打塌；表面存在冷縫、顏色不一致等問題。

(2)臺車模板與矮邊墻搭接錯臺及錯縫控制困難[5]。

(3)二襯澆筑時間長，操作平臺空間狹小。

(4)臺車構(gòu)件基本為一次性非標產(chǎn)品，不能滿足不同截面隧道二襯施工要求，無法重復(fù)周轉(zhuǎn)，且未形成標準化和通用化，生產(chǎn)成本較高。

(5)臺車自重大，安裝、拆卸工作量大，時間長。

3 三角形鉸接式隧道襯砌臺車設(shè)計理念及技術(shù)特點

3.1 設(shè)計理念

三角形鉸接式臺車以普通臺車的結(jié)構(gòu)框架為基礎(chǔ)，改變門架受力狀態(tài)的設(shè)計理念，變門式剛性臺架為三角形柔性臺架(見圖1)。通過建立合理的受力模型及不同部位受力狀態(tài)的理論計算，分別在拱頂范圍、起拱線附近、邊墻底部對模板系統(tǒng)面板采用不同的用鋼要求；在生產(chǎn)制造上對于結(jié)構(gòu)相接構(gòu)件以銷栓連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接工藝，實現(xiàn)了生產(chǎn)工廠化和構(gòu)件標準化，可以保持較高的模板精度和形位公差。趙增耀[6]給出其移動運輸更加便捷快速、整體構(gòu)件的分布更加合理緊湊、具有較大的推廣性和參照性的結(jié)論。

圖1 三角形柔性臺車

3.2 技術(shù)特點

(1)計算條件

結(jié)合現(xiàn)場實際，統(tǒng)計分析相同工況項目的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，參照設(shè)計規(guī)范要求，確定計算采用如下相關(guān)參數(shù)指標[7-8]:

自重/Ws＝6.25 N/mm；

混凝土荷載重/Wc＝61.44 N/mm；

注漿荷重/Wa1＝80.00 N/mm；

注漿荷重/Wa2＝40.00 N/mm；

側(cè)圧/P1＝20.71 N/mm；

側(cè)圧(最大)/P2＝82.46 N/mm。

(2)力學(xué)模式

利用3D模擬技術(shù)，建立臺車的有限元計算模型。根據(jù)現(xiàn)場實際施工灌注工況，門架荷載處于變化狀態(tài)，通過計算機計算各部位各節(jié)點受力分布(見圖2)，分析整體結(jié)構(gòu)的強度、剛度及可靠性，掌握臺車整體力學(xué)水平和應(yīng)力分布[9]，進而為襯砌臺車的優(yōu)化設(shè)計及使用提供依據(jù)。

圖2 計算力學(xué)模式

4 新舊臺車主要技術(shù)經(jīng)濟功能指標對比

統(tǒng)計分析新舊臺車的主要參數(shù)指標，新型臺車在支撐系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、安裝拆卸、現(xiàn)場施工、加工成本、周轉(zhuǎn)利用等方面優(yōu)勢明顯，具體參數(shù)見表1。

表1 新舊臺車主要技術(shù)經(jīng)濟功能指標對照

5 三角形鉸接式臺車的優(yōu)越性分析

5.1 改進支承結(jié)構(gòu)，提高臺車整體穩(wěn)定性

在襯砌混凝土灌注過程中，臺車受到液態(tài)混凝土作用產(chǎn)生垂直壓力和側(cè)向壓力及上浮力，經(jīng)臺車鋼模傳遞至支承結(jié)構(gòu)，再傳遞至門架。門架系統(tǒng)作為臺車受力的主要承載結(jié)構(gòu)，承受了臺車工作及行走時的水平豎向荷載，決定了臺車的剛度和穩(wěn)定性[10]。新型臺車采用鉸接三角支架結(jié)構(gòu)，縱向由4排三角形支撐架、4組行走和橫移機構(gòu)、2條底縱梁、3條頂縱梁和通過銷軸或卡板連接的多個拉桿組成。經(jīng)過理論計算和驗證，受力結(jié)構(gòu)更為合理，使臺車的整體剛度和穩(wěn)定性得到了很大提升。三角架與橫梁聯(lián)合結(jié)構(gòu)可有效抵抗掉塊、巖爆等意外事故造成的沖擊力，防止臺車變形，有效保護作業(yè)工人的施工安全。

5.2 強化模板局部剛度，提高施工質(zhì)量

新型臺車在三角支架頂部最大受力位置的注漿口處設(shè)置橫撐，防止模板產(chǎn)生變形，提高了隧道襯砌的質(zhì)量。另外，臺車液壓驅(qū)動可根據(jù)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整混凝土的分配比例，保持結(jié)構(gòu)受力平衡，以實現(xiàn)左右兩側(cè)的灌注量基本相同，避免偏壓造成跑模和錯臺等質(zhì)量缺陷，避免頂部模板受壓變形甚至被打塌。

5.3 減輕自重、重復(fù)周轉(zhuǎn)，經(jīng)濟效益顯著

(1)減輕臺車自重，節(jié)約鋼材用量

新型臺車采用三角支架結(jié)構(gòu)，替代了常規(guī)門架結(jié)構(gòu)中的支撐橫梁和斜撐，使臺車重量減輕。經(jīng)過理論計算和驗證，在不影響臺車整體結(jié)構(gòu)剛度的條件下，將常用的7榀支撐架減至4榀，合理地減少了臺車自重。以滬昆項目某隧道斷面為準，長度按12.1 m計算，普通臺車一臺套重達120～125 t，而新型臺車一臺套重量約95 t左右，減輕臺車自身重量達20% ～25%，臺車采購費用隨之降低。

(2)可重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，利于成本攤銷

新型臺車支撐系統(tǒng)、模板等的結(jié)構(gòu)連接采用銷軸和螺栓，可按構(gòu)件進行拆卸和組裝，使臺車同一工地多次周轉(zhuǎn)使用、多工地重復(fù)使用，節(jié)省了大量的資源配置，降低了工程成本。

(3)安裝、拆卸方便，節(jié)省運輸費用

新型臺車因自重較輕，采用12 m長的貨車僅需3車即可運輸至工地現(xiàn)場，而普通臺車運輸則需6車，節(jié)約運輸費用。同時，新型臺車采用銷軸和螺栓連接不僅將重復(fù)利用變?yōu)榭赡?，也大大減輕了裝拆、運輸工作量，節(jié)省了安拆人力。

5.4 加大操作空間，提升施工效率

新型臺車操作平臺增大，為作業(yè)人員提供了更為便利的工作面，克服了普通臺車拆換輸送管慢、移動溜槽困難的不足，使混凝土澆筑時間由原來的12～15 h縮短為8～10 h，工效提升了33%以上。

5.5 構(gòu)件批量生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期和組裝時間

新型臺車將變截面模板及其它構(gòu)件設(shè)計為標準件，批量生產(chǎn)，縮短臺車制造時間，12.1 m長的單臺套臺車的制造時間基本可以控制在30 d內(nèi)，在廠家技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)下組裝時間基本控制在7 d左右。

6 新型臺車適用范圍及配套使用要求

6.1 新型臺車適用范圍

在隧道設(shè)計中，不同的線路等級、不同的建筑限界以及不同的基本線間距，決定了隧道截面尺寸的差異，即使是同一條線路同一座隧道由于電氣化接觸網(wǎng)懸掛布置的要求，或者養(yǎng)護維修、救援和其它使用方面的要求，就可能存在某段的截面尺寸加寬變大的可能。新型臺車模板連接采用多點鉸接，通過更換不同寬度的中間模板，僅需調(diào)節(jié)兩側(cè)支撐絲杠，能適應(yīng)5.5～6.8 m范圍內(nèi)各種隧道斷面的襯砌施工。特別是對于有下錨段的地段(見圖3)，通過液壓收縮、增加背面支撐、調(diào)節(jié)絲杠橫撐實現(xiàn)隧道斷面半徑從5.61 m、5.96 m到6.48 m的自然圓順過渡。

6.2 配套使用要求

(1)襯砌臺車模板需和仰拱整體模板配套使用，矮邊墻的施工位置控制在水溝電纜槽蓋板下20 cm，仰拱整體模板的弧度和位置固定必須準確，確保實現(xiàn)和二襯臺車的無錯臺圓弧順接[11]。

(2)臺車行走軌道直接設(shè)在填充面上，不用下墊方木支撐。填充面標高有砟軌道為設(shè)計控制標高，無砟軌道為設(shè)計控制標高下30 cm。

(3)臺車長度按12.1 m加工制作，留10 cm做為搭接段。臺車模板背楞上需另外自行安裝功率為1.5 kW的附著式振動器，加強混凝土的振搗。

7 施工效果評價

三角形鉸接式隧道襯砌臺車研發(fā)生產(chǎn)后，除施工人為因素外，所有臺車施工均未發(fā)生任何變形跑?，F(xiàn)象，拼縫連接成環(huán)、成線明顯且無漏漿及錯臺，各構(gòu)件節(jié)點無開焊、脫縫掉栓現(xiàn)象，面板無“翹鼓塌陷”現(xiàn)象，行走未發(fā)生任何扭曲掉道[12]。調(diào)節(jié)絲杠定位支撐快，縱向施工縫與矮邊墻連接圓順、無錯臺，二襯表面光滑清潔，端模環(huán)向止水帶平整圓順，位置適中合理，埋設(shè)標準規(guī)范。

8 結(jié)束語

三角形鉸接式隧道襯砌臺車的推廣應(yīng)用，除了提升施工安全、質(zhì)量和進度外，還可以節(jié)約大量鋼材，并可通過實現(xiàn)集約化、標準化生產(chǎn)，減少分散式小作坊生產(chǎn)的浪費和產(chǎn)品殘次。不僅具有良好的經(jīng)濟效益和突出的社會效益，更重要的是新型臺車符合國家“節(jié)能減排”的政策和環(huán)保設(shè)計的發(fā)展趨勢，是我國隧道襯砌機械未來發(fā)展的方向。