預(yù)制仰拱邊箱涵吊機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

章遠(yuǎn)方

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 工程概況

仰拱施工通常采用現(xiàn)澆方法進(jìn)行施工。在隧道掌子面施工的同時(shí)，后方一般采用仰拱模板臺(tái)車(chē)配合施工，盡早使隧道形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，達(dá)到“早封閉”原則[1-2]。目前，在國(guó)內(nèi)鐵路隧道施工中，仰拱一般采用現(xiàn)澆方案，存在工序繁雜、施工效率低、施工質(zhì)量難以保證等問(wèn)題。為保證隧道內(nèi)混凝土施工質(zhì)量，提高隧道使用壽命，工廠化預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配成為主要手段之一。國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)隧道內(nèi)預(yù)制拼裝技術(shù)進(jìn)行了大量研究[3-7]。

清華園隧道是國(guó)內(nèi)第一座采用仰拱預(yù)制拼裝技術(shù)的大直徑高鐵盾構(gòu)隧道，是北京地區(qū)直徑最大的盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑11.1 m，外徑12.2 m[8-9]。隧道仰拱不再采用現(xiàn)澆方式進(jìn)行施工，而是將仰拱分成兩種箱涵結(jié)構(gòu)(中箱涵和邊箱涵)，兩種箱涵采用螺栓進(jìn)行連接，通過(guò)澆筑混凝土使箱涵結(jié)構(gòu)和隧道管片形成一個(gè)整體。箱涵結(jié)構(gòu)全部采用工廠預(yù)制，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，中箱涵作為物料通道，必須跟隨管片掘進(jìn)進(jìn)行施工。邊箱涵與中箱涵不能同時(shí)施工，因此，研發(fā)了一種隧道邊箱涵預(yù)制拼裝設(shè)備。邊箱涵吊機(jī)起重小車(chē)上安裝有4臺(tái)電動(dòng)葫蘆，負(fù)責(zé)邊箱涵的吊運(yùn)，同時(shí)完成邊箱涵吊裝工作。4個(gè)電動(dòng)葫蘆可以同時(shí)起升，也可以分開(kāi)單個(gè)起升，單動(dòng)能夠?qū)⒌蹙呒斑呄浜{(diào)整姿態(tài)，適應(yīng)于多種拼裝工況，實(shí)現(xiàn)邊箱涵的快速自動(dòng)拼裝，降低邊箱涵施工風(fēng)險(xiǎn)，能夠大大提高施工效率。

2 預(yù)制仰拱邊箱涵施工

2.1 隧道仰拱預(yù)制箱涵

清華園盾構(gòu)隧道預(yù)制仰拱塊分為3部分，分別是中箱涵，兩側(cè)邊箱涵，如圖1所示。中箱涵由盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行鋪設(shè)，邊箱涵采用運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸至安裝位置，由邊箱涵吊機(jī)進(jìn)行吊運(yùn)和對(duì)位安裝[10-13]。邊箱涵自重約11.5 t，其尺寸見(jiàn)圖2所示。

圖1 隧道預(yù)制仰拱斷面布置圖

圖2 邊箱涵尺寸圖(單位：mm)

2.2 仰拱箱涵施工技術(shù)

中箱涵在盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)后配套箱涵吊機(jī)完成中箱涵的鋪設(shè)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，中箱涵作為物料通道，必須跟隨管片掘進(jìn)進(jìn)行施工。邊箱涵與中箱涵不能同時(shí)施工，應(yīng)該錯(cuò)開(kāi)一個(gè)施工循環(huán)。中箱涵通過(guò)螺栓連接到管片上，邊箱涵與中箱涵、管片通過(guò)螺栓連接，從而三部分形成一個(gè)整體。

3 預(yù)制仰拱邊箱涵吊機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)后方邊箱涵快速對(duì)位安裝、提高仰拱施工效率，研究一種適應(yīng)隧道內(nèi)高低錯(cuò)位行走方式的邊箱涵吊機(jī)。邊箱涵吊機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高低腿結(jié)構(gòu)形式、高腿弧面走行系統(tǒng)、四點(diǎn)起吊調(diào)節(jié)邊箱涵姿態(tài)和U型吊具結(jié)構(gòu)等。

3.1 邊箱涵吊機(jī)結(jié)構(gòu)組成

邊箱涵吊機(jī)主要由主結(jié)構(gòu)、起重小車(chē)、可旋轉(zhuǎn)U型吊具、走行系統(tǒng)和箱涵件調(diào)整定位機(jī)構(gòu)等組成。邊箱涵吊機(jī)三維效果圖見(jiàn)圖3所示。

3.1.1 主結(jié)構(gòu)

主結(jié)構(gòu)采用一高一低支腿形式，前支腿采用折彎結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)隧道弧面行走工況，同時(shí)在前支腿上設(shè)置導(dǎo)向輪，以中箱涵作為參考，保證箱涵吊機(jī)走行對(duì)中。后支腿走行在已鋪設(shè)完成的邊箱涵上。該走行機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)隧道弧面走行工況，保證箱涵吊機(jī)走行對(duì)中，并且不會(huì)發(fā)生前傾危險(xiǎn)。當(dāng)防走空輪處于無(wú)支撐狀態(tài)時(shí)，整機(jī)會(huì)立即斷電，使行走處于無(wú)動(dòng)力狀態(tài)。

3.1.2 起重小車(chē)

起重小車(chē)采用四點(diǎn)起吊方式，每個(gè)電葫蘆吊鉤和下部吊具旋轉(zhuǎn)吊架連接。起重小車(chē)走行系統(tǒng)通過(guò)掛輪掛在工字梁上，通過(guò)齒輪、齒條驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。起重小車(chē)上安裝有4個(gè)5 t電動(dòng)葫蘆，負(fù)責(zé)邊箱涵吊運(yùn)工作，見(jiàn)圖4所示。4個(gè)電動(dòng)葫蘆可以同時(shí)起升，也可以分開(kāi)單個(gè)起升。

3.1.3 可旋轉(zhuǎn)U型吊具

可旋轉(zhuǎn)U型吊具包含上部旋轉(zhuǎn)吊架和下部U形架，見(jiàn)圖5所示。U型架能夠旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)到位后自動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)側(cè)箱涵和中箱涵的對(duì)位安裝。吊具吊住邊箱涵后，能夠自動(dòng)加緊。吊具起升過(guò)程中，起吊高度超高后系統(tǒng)自動(dòng)防止沖頂。

圖3 邊箱涵吊機(jī)三維效果圖 圖4 起重小車(chē)布置圖 圖5 可旋轉(zhuǎn)U型吊具

3.1.4 走行系統(tǒng)

走行系統(tǒng)采用無(wú)軌行走，四驅(qū)動(dòng)力，保證運(yùn)行平穩(wěn)，前走行系統(tǒng)行走在管片上，能夠完美貼合管片弧度，結(jié)構(gòu)受力合理，行走過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)。后走行系統(tǒng)行走在拼裝后的邊箱涵，安裝有防落空裝置，避免人員操作失誤導(dǎo)致后腿落空。

3.2 邊箱涵吊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

起重量12 t(不含吊具)，吊具3.5 t；吊運(yùn)系統(tǒng)起升速度0～7 m/min；小車(chē)行走速度0～10 m/min；大車(chē)行走速度0～10 m/min；行走輪中心距5.6 m。

3.3 邊箱涵吊機(jī)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

為保證邊箱涵吊機(jī)結(jié)構(gòu)要求，對(duì)邊箱涵吊機(jī)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。采用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)邊箱涵吊機(jī)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，邊箱涵吊機(jī)主結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖6所示。

由于實(shí)際有效懸臂長(zhǎng)度只有165 mm，其懸臂變形可忽略不計(jì)，所以結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，只考慮邊箱涵吊機(jī)在跨中起吊時(shí)工況。變形和應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7、圖8所示?？缍戎醒氪怪睋隙葹閒=4.3 mm<5 600/1 000 mm=5.6 mm，σ=44.7 MPa<[σ]=235/1.5 MPa=156 MPa。所以，邊箱涵吊機(jī)結(jié)構(gòu)變形和受力滿足規(guī)范要求，能夠滿足施工安全要求。

3.4 邊箱涵吊機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

邊箱涵吊機(jī)在隧道內(nèi)工作狀態(tài)見(jiàn)圖9所示。在施工中，由于吊具和隧道內(nèi)管線存在一定干涉，見(jiàn)圖10所示。在施工時(shí)，將吊具拆除，見(jiàn)圖11所示。通過(guò)在邊箱涵表面的吊孔安裝吊耳，實(shí)現(xiàn)箱涵的對(duì)位安裝。從實(shí)際施工看，邊箱涵吊機(jī)吊具后期需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免和隧道內(nèi)管線發(fā)生干涉。

圖6 邊箱涵吊機(jī)主結(jié)構(gòu)有限元模型 圖7 邊箱涵吊機(jī)主結(jié)構(gòu)變形云圖 圖8 邊箱涵吊機(jī)主結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 邊箱涵吊機(jī)工作狀態(tài) 圖10 邊箱涵對(duì)位安裝時(shí)干涉情況 圖11 邊箱涵對(duì)位安裝

由于設(shè)計(jì)中，未考慮“四點(diǎn)起吊，三點(diǎn)平衡”，很容易造成電葫蘆超載嚴(yán)重作業(yè)等危險(xiǎn)工況，所以對(duì)旋轉(zhuǎn)吊架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖12所示。在U形吊具上部旋轉(zhuǎn)吊架一側(cè)支撐梁設(shè)計(jì)一根均衡軸，使一側(cè)行成兩點(diǎn)單獨(dú)起吊、一側(cè)兩點(diǎn)同時(shí)起吊，從而使起吊系統(tǒng)行程“四點(diǎn)起吊，三點(diǎn)平衡”。

圖12 旋轉(zhuǎn)吊架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4 邊箱涵吊機(jī)的應(yīng)用

(1)走行輪系采用橡膠大直徑輪胎，承載能力大。橡膠大直徑輪胎行進(jìn)過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，能夠順利越過(guò)管片或箱涵件的錯(cuò)臺(tái)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。行走輪系采用四驅(qū)大扭矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全部加變頻器進(jìn)行調(diào)速，以確保啟動(dòng)和走行平穩(wěn)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有電磁制動(dòng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)行走輪系的穩(wěn)定可靠制動(dòng)。

(2)邊箱涵吊機(jī)行走功率滿足隧道內(nèi)30‰坡度施工要求。

(3)邊箱涵吊機(jī)行走輪系具有微動(dòng)轉(zhuǎn)向，適用于隧道彎曲施工環(huán)境。

(4)邊箱涵吊機(jī)前輪設(shè)計(jì)有側(cè)向定位裝置，保證邊箱涵吊機(jī)位置保持在隧道中心。

(5)邊箱涵吊機(jī)行走輪可快速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換至平面行走的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

京張高鐵清華園隧道仰拱采用預(yù)制拼裝技術(shù)，能夠有效地在復(fù)雜盾構(gòu)隧道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速施工的要求，避免了在盾構(gòu)機(jī)后方大量現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生的環(huán)境污染。采用邊箱涵吊機(jī)進(jìn)行箱涵的吊運(yùn)和安裝，能夠有效地提高邊箱涵和中箱涵的安裝精度，同時(shí)邊箱涵吊機(jī)下方可通過(guò)物流車(chē)，不會(huì)對(duì)其他物料運(yùn)輸發(fā)生干涉。