大跨度伸縮式仰拱棧橋設(shè)計及應(yīng)用

張光明

（中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司 湖北襄陽 441006）

1 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)熱潮到來，工程規(guī)模將越來越大，技術(shù)難度也越來越高。以隧道施工為例，面對如何提升作業(yè)工效、提高安全系數(shù)、改善作業(yè)環(huán)境、降低作業(yè)強(qiáng)度、保證工程質(zhì)量、有效節(jié)約資源的需求和難題，傳統(tǒng)、粗放的“人海戰(zhàn)術(shù)”已然無法應(yīng)對，而隧道機(jī)械化施工已成為新形勢下隧道施工的主流。目前隧道機(jī)械化施工［1-5］生產(chǎn)主作業(yè)線在不同圍巖級別下最大施工進(jìn)度不一致，同等條件下仰拱作業(yè)線施工能力普遍低于掌子面和二襯作業(yè)線施工能力，仰拱施工已成為制約隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

另外，在超前地質(zhì)預(yù)報、開挖方法選擇、施工安全步距［6-7］和開挖進(jìn)尺的控制四個關(guān)鍵問題中，安全步距尤為重要。安全步距值過小，安全冗余度高，施工工作空間小，工序相互干擾大，施工成本升高；安全步距值過大，隧道安全無法保證，易造成坍塌事故。因此，開展能夠平衡安全和進(jìn)度管理要求的工裝、工法研究具有更重大的現(xiàn)實意義。

近年來，中央為促進(jìn)西藏經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、維護(hù)國家統(tǒng)一、鞏固邊疆穩(wěn)定需要，正在規(guī)劃建設(shè)川藏鐵路。川藏鐵路隧道工程占比大，特長隧道眾多，隧道埋深超大，道路及輔助坑道條件差，高寒高海拔地區(qū)人工、機(jī)械施工工效低下，建設(shè)難度前所未有。高原缺氧、高地溫等導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境惡劣，對施工機(jī)械化、信息化水平提出了迫切需求，而長大隧道帶來施工工序多、工序間相互干擾多、時間長等問題，對傳統(tǒng)12 m、24 m仰拱棧橋［8-12］施工工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

在機(jī)械化配套原則、施工組織方法、重大工裝配套、驗工計價模式等方面進(jìn)行了理論創(chuàng)新、思維創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)設(shè)計了大跨度伸縮式仰拱棧橋，通過施工應(yīng)用形成了掌子面、仰拱及二次襯砌三大主作業(yè)線并行施工和仰拱棧橋下方的開挖支護(hù)、仰拱襯砌、仰拱填充三區(qū)平行流水作業(yè)的快速協(xié)同施工工法。

2 大跨度仰拱棧橋組成及功能特點

2.1 組成

大跨度伸縮式仰拱棧橋是在隧道施工中避免隧道開挖、支護(hù)、出渣等工序干擾、提高施工工效的機(jī)械設(shè)備。該棧橋主要由主橋總成、伸縮式前導(dǎo)梁總成、仰拱模板總成以及電液系統(tǒng)等組成，前導(dǎo)梁可沿主橋縱向伸縮增大橋上通行距離和橋下施工區(qū)間。大跨度伸縮式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其技術(shù)參數(shù)見表1。

（1）主橋

仰拱棧橋的主橋總成由主橋后引橋、后走行機(jī)構(gòu)、后支腿、主梁、縱移小車、中支腿、前支腿、主橋縱移機(jī)構(gòu)、主橋前引橋等組成，如圖2所示。

（2）伸縮式前導(dǎo)梁

伸縮式前導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)由后輪機(jī)構(gòu)、次橋主梁、輔助支腿和前引橋等組成，如圖3所示。

圖3 伸縮式前導(dǎo)梁

（3）仰拱模板總成

仰拱模板總成由中心水溝模板、仰拱填充端模、仰拱弧模和弧形振搗梁等組成，如圖4所示。

圖4 模板總成

（4）電液系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)設(shè)置有輔助支腿電氣柜、前支腿電氣柜、中支腿電氣柜、主控制柜四個電氣柜，各柜之間通過以太網(wǎng)通信組網(wǎng)連成整體，在主控制柜（后支腿）上進(jìn)行仰拱棧橋集中控制，可采用遙控操作。

液壓系統(tǒng)設(shè)置有輔助支腿液壓系統(tǒng)、前支腿液壓系統(tǒng)、中支腿液壓系統(tǒng)、后支腿液壓系統(tǒng)，采用獨立單元設(shè)計，系統(tǒng)模塊化可減少沿程損失和功率損耗，機(jī)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，維修方便。

2.2 施工區(qū)間及操作流程

大跨度伸縮式仰拱棧橋可形成仰拱開挖支護(hù)、仰拱襯砌、仰拱填充施工三個作業(yè)區(qū)間（各作業(yè)區(qū)間長度12 m），作業(yè)區(qū)間各工序流水作業(yè)、并行作業(yè)，有效加快仰拱施工進(jìn)度，縮短二襯臺車跟進(jìn)時間，提高隧道施工進(jìn)度。該棧橋不僅滿足隧道開挖、支護(hù)、出渣等工序所需設(shè)備的通過條件，還實現(xiàn)了橋上通行施工車輛、橋下進(jìn)行仰拱施工作業(yè)，避免開挖面施工車輛與仰拱施工工序間干擾。作業(yè)區(qū)間示意如圖5所示。

圖5 作業(yè)區(qū)間示意

大跨度仰拱棧橋前移操作流程（見圖6）如下：

圖6 大跨度仰拱棧橋前移操作流程

（1）后引橋升起→后走行機(jī)構(gòu)油缸頂升后支腿離開仰拱填充面→主橋前支腿收起→棧橋準(zhǔn)備前行；

（2）通過油缸伸縮推動棧橋前行6 m；

（3）放下前支腿→收起中支腿→油缸推動中支腿前行6 m→放下中支腿→收起前支腿→棧橋裝備前行下6 m；

（4）油缸推動棧橋前行6 m→放下前支腿→收起中支腿→油缸推動中支腿前行6 m→放下中支腿→收起后走行油缸后支腿承載→放下后引橋→棧橋移動到位→繼續(xù)下個循環(huán)仰拱開挖施工。

2.3 功能特點

（1）棧橋結(jié)構(gòu)合理

棧橋主要由主橋總成和可伸縮式前導(dǎo)梁總成等組成，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有承載能力大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全可靠，為施工車輛及作業(yè)人員提供了安全保障。主橋下方空間用于仰拱施工，前導(dǎo)梁在仰拱施工時可前移，有效跟進(jìn)仰拱出渣，且便于通行。棧橋支腿配置橫移油缸，前、后橫移油缸同時動作實現(xiàn)棧橋整體橫移，單獨動作可實現(xiàn)棧橋糾偏，滿足大斷面雙線隧道及曲線隧道的施工要求。

（2）作業(yè)距離長、工序銜接緊

大跨度伸縮式仰拱棧橋有效施工長度36 m，施工距離長，可形成仰拱開挖與支護(hù)、仰拱襯砌、仰拱填充施工三個作業(yè)區(qū)間，作業(yè)區(qū)間各工序流水作業(yè)、并行作業(yè)，有效加快仰拱施工進(jìn)度。

（3）液壓驅(qū)動、運行平穩(wěn)可靠

整機(jī)由液壓系統(tǒng)提供動力，棧橋主橋、前導(dǎo)梁的前移、后退均采用液壓油缸驅(qū)動。整機(jī)采用液壓驅(qū)動，具有機(jī)構(gòu)簡單、控制靈活、性能穩(wěn)定可靠、維修方便等優(yōu)點。

（4）電控操作簡單，安全有效

電氣系統(tǒng)采用PLC控制器＋觸摸屏的控制方式，除基本控制功能外，還配備了液壓系統(tǒng)監(jiān)控、故障報警提示等功能。電氣系統(tǒng)操作方式為主控制柜集中操控＋遙控，操作人員可以通過主控制柜上的旋鈕對整機(jī)各個機(jī)構(gòu)進(jìn)行操控，同時還可以通過遙控器操作使用。

（5）前導(dǎo)梁伸縮、擺動功能

通過前導(dǎo)梁伸縮能保持仰拱持續(xù)開挖，可實現(xiàn)仰拱開挖初支、仰拱襯砌、仰拱填充三區(qū)平行流水作業(yè)，提高仰拱施工速度；通過前導(dǎo)梁上、下擺動功能，能夠適應(yīng)三臺階、全斷面等不同工法的仰拱施工。

（6）防水板鋼筋臺車騎跨棧橋作業(yè)功能

為縮短二襯施工安全步距，在仰拱填充混凝土強(qiáng)度達(dá)不到承載要求時，防水板鋼筋臺車可騎跨到棧橋上，保證防水板鋪設(shè)及鋼筋綁扎持續(xù)作業(yè)，進(jìn)而實現(xiàn)工序間有效銜接，以達(dá)到縮短二襯施工安全步距的目的。

（7）實時監(jiān)控功能

設(shè)備能實時監(jiān)控棧橋運行中的各項參數(shù)，能實時查看各項數(shù)據(jù)參數(shù)，出現(xiàn)異常時及時預(yù)警。

3 應(yīng)用分析

大跨度伸縮式仰拱棧橋施工應(yīng)用在鄭萬高鐵重慶段，該試驗段為Ⅲah型復(fù)合襯砌斷面，分別采用Ⅰ級、Ⅱ級機(jī)械化配套施工進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，具體數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 隧道綜合工效分析對比（Ⅰ級機(jī)械化配套）

表3 隧道綜合工效分析對比（Ⅱ級機(jī)械化配套）

通過表2數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，采用Ⅰ級機(jī)械化配套施工中，傳統(tǒng)24 m棧橋制約綜合月進(jìn)度的為仰拱作業(yè)線，而采用大跨度伸縮式仰拱棧橋后，制約綜合月進(jìn)度的則為二襯作業(yè)線，不再影響仰拱施工，此時隧道綜合施工工效比應(yīng)用24 m仰拱棧橋隧道提高了50%。

通過表3數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，采用Ⅱ級機(jī)械化配套施工中，傳統(tǒng)24 m棧橋制約綜合月進(jìn)度的仍為仰拱作業(yè)線，而采用大跨度伸縮式仰拱棧橋后，制約綜合月進(jìn)度的則為掌子面作業(yè)線，同樣不再影響仰拱施工，此時隧道綜合施工工效比應(yīng)用24 m仰拱棧橋隧道提高了41.67%。

綜合上述分析，隧道在采用Ⅰ級、Ⅱ級機(jī)械化配套施工時，應(yīng)用大跨度伸縮式仰拱棧橋后，綜合工效大大提高，有效縮短了施工工期，同時實現(xiàn)了管理費、風(fēng)水電費等可變成本的降低。

4 結(jié)論

大跨度伸縮式仰拱棧橋的成功應(yīng)用，形成了掌子面、仰拱及二次襯砌三大主作業(yè)線并行施工，以及仰拱棧橋下方開挖支護(hù)、仰拱襯砌、仰拱填充三區(qū)平行流水作業(yè)的仰拱快速協(xié)同施工工法，解決了困擾隧道仰拱快速施工的重要瓶頸。

本新裝備、新工藝的應(yīng)用實施非常有助于提升隧道施工工效，保障隧道施工安全步距，降低可變成本，提高經(jīng)濟(jì)效益與社會效益等，具有很好的實用價值與應(yīng)用前景。