1 000 t過隧運架設(shè)備隧道口架橋工況研究與應用

孟凡田

（中鐵工程機械研究設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430066）

1 背景

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，在鐵路客運專線架橋施工中存在越來越多橋隧相連施工的工況，通過隧道運架梁施工是鐵路客運專線橋梁施工中的一大難題。主要是由于大噸位運架設(shè)備的寬度和高度超過了隧道凈空尺寸，受隧道斷面限界的限制，目前架橋機非拆解即使配備了900 t最低位運梁車馱運[1]，都難以滿足隧道內(nèi)馱運的需求。以往運架設(shè)備馱運通過隧道前需要經(jīng)過大范圍拆解來降低整體高度，縮短寬度，通過隧道后再通過應用外部起重設(shè)備進行安裝，整個拆裝過程對隧道進出口的拆裝場地提出了較高的要求，設(shè)備馱運通過隧道費時費力且安全風險較大。例如出隧道口首跨橋附近是深谷或大川，架橋機無法進行安裝恢復，因此出隧道口無法架梁。通常遇到這種情況時需要改變橋隧施工的設(shè)計方案，例如出隧道口位置增加開挖長度或采用現(xiàn)澆施工等方法，這樣會增加施工投資成本和延長施工工期。因此，如何解決這一施工難題，成為國內(nèi)外一個熱門的課題。

1 000 t過隧運架設(shè)備不僅可以用于1 000 t 20 m～40 m跨度預制箱梁架設(shè)，同時適用于900 t 20 m～32 m跨度預制箱梁的架設(shè)，能實現(xiàn)“一機多用”，并且不借助外部起重設(shè)備自折疊低位馱運通過隧道、進出隧道口架梁、不拆解馱運橋間轉(zhuǎn)移等特殊工況進行研究和應用。該套運架設(shè)備采用運梁車運梁，運梁車配合架橋機架梁的作業(yè)方式。通常由運梁車在預制梁場或提梁站裝梁后運至架橋機尾部，由運梁車配合架橋機完成箱梁的架設(shè)工作。針對高鐵線路隧道特點和隧道口架梁施工要求，首先由運梁車安裝自升降馱架將架橋機低位馱運通過隧道，在出隧道口通過運梁車安裝的自升降馱架，將架橋機由馱運狀態(tài)轉(zhuǎn)換成架橋機過孔支撐狀態(tài)，然后運梁車帶自升降馱架返回預制梁場并取梁，同時架橋機進行過孔作業(yè)，運梁車運梁通過隧道到達架橋機尾部，由運梁車配合架橋機完成架梁作業(yè)。

2016年，中國鐵路總公司開始對高速鐵路大跨度簡支梁建造關(guān)鍵技術(shù)進行研究[2]。2017年，鄭濟客專試驗段首次采用40 m大跨度預制箱梁運架梁施工，該試驗段為國內(nèi)外首次應用大跨度運架梁施工。2020年12月，該1 000 t過隧運架設(shè)備在新建福州至廈門客運專線9標段工程首次采用設(shè)備自折疊低位馱運通過西行山一號隧道和西行山二號隧道，并完成出隧道口運架梁施工，驗證了1 000 t過隧運架設(shè)備隧道口架梁工況的經(jīng)濟型和可行性。

2 運架設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

1 000 t過隧運梁車主要由車體、走行輪組及轉(zhuǎn)向機構(gòu)、馱梁臺車、自頂升馱架、電氣系統(tǒng)、氣制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及動力系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該設(shè)備在路基、相應標準隧道內(nèi)或已架橋面上行駛到架橋機尾部，通過一次喂梁、二次喂梁，配合架橋機完成箱梁的架設(shè)工作。

1 000 t過隧架橋機主要由前輔助支腿、前支腿、機臂、中支腿、起重小車、后支腿、后輔助支腿、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

3 運架設(shè)備過隧架橋工況的研究

時速350 km的鐵路客運專線標準隧道斷面半徑R為6 650 mm，時速250 km的鐵路客運專線標準隧道斷面半徑R為6 410 mm[3]。以現(xiàn)有高速鐵路設(shè)計規(guī)范的隧道尺寸限界和箱梁的結(jié)構(gòu)重量等參數(shù)為依據(jù)，考慮到設(shè)備的通用性，該運架設(shè)備需要同時滿足2種隧道斷面的進、出隧道口架梁。

圖1 1 000 t過隧運梁車結(jié)構(gòu)圖

圖2 1 000 t過隧架橋機結(jié)構(gòu)圖

2種隧道斷面相關(guān)尺寸如圖3所示。通過比較可以得知R6410 mm隧道斷面尺寸更小，以下根據(jù)R6410 mm隧道尺寸核實該過隧運架設(shè)備道內(nèi)低位馱運及過隧運梁車在隧道內(nèi)運梁的狀態(tài)[2]，如圖4所示。

圖3 時速350 km/250 km的高速鐵路雙線隧道斷面

圖4 隧道內(nèi)低位馱運及過隧運梁車在隧道內(nèi)運梁的狀態(tài)

3.1 過隧架橋機馱運轉(zhuǎn)場出隧道口架梁工況技術(shù)研究

傳統(tǒng)架橋機受限于支腿凈空尺寸，架橋機中、后支腿無法在隧道內(nèi)展開，通常需要出隧道預留一孔橋的空間才能站位施工，即出隧道口到橋頭32 m以上的距離才能滿足架梁作業(yè)要求。

此1 000 t過隧架橋機可以實現(xiàn)進隧道-20 m 距離架梁及出隧道+5 m 距離架梁。運梁車低位馱運架橋機到達隧道口，架橋機通過自身支腿折疊轉(zhuǎn)換支撐，不需要任何輔助吊裝設(shè)備。該設(shè)備低位馱運出隧道+5 m工況時架梁作業(yè)步驟如下（以出隧道口架設(shè)24 m預支箱梁為例），如圖5和圖6所示。1）運梁車高位馱運架橋機到隧道進口處。2）翻折并降低架橋機中支腿，前支腿和前輔助支腿收縮到過隧狀態(tài)，馱架整體降低了1.5 m，機臂底面離地4 m，準備過隧道，通過隧道按R6410 mm校核（如通過R6650 mm隧道，機臂底面離地面4.3 m）。3）運梁車馱運架橋機通過隧道。4）運梁車低位馱運架橋機出隧道口5 m，前支腿支距離墩臺0.6 m處駐車。5）馱架升高300 mm，翻折前支腿支撐到位并和橋臺錨固，后起重小車運行到架橋機前端。6）后輔助支腿翻折支撐在隧道內(nèi)路面上，安裝前支腿斜撐，降低運梁車馱架，前支腿和后輔腿支撐架橋機，運梁車緩慢退出回梁場取梁。7）后支腿翻折支撐在軌道上，兩起重小車運行到架橋機尾端，拆除前支腿斜撐，后輔助支腿離地，整機準備縱移。8）整機縱移36 m，中支腿出隧道后，通過中支腿外擺和整機縱移交替，直至中支腿完全展開。前輔助支腿支撐在墩臺上。通過前輔助支腿、前支腿和后支腿循環(huán)頂升[4]，將整機升高900 mm。9）中支腿翻折到正常位置，通過起重小車安裝中支腿下橫梁。10）中支腿支撐到位后，再支撐前輔助支腿。11）前支腿縱移24.7 m，支撐到位并與機臂插銷連接。12）起重小車運行到取梁位置；翻轉(zhuǎn)后輔助支腿和后支腿，架橋機出隧道口過孔完成達到待架梁狀態(tài)。13）運梁車從梁場提升站運梁通過隧道到達架橋機尾部。14）運梁車喂梁進入架橋機，兩馱梁臺車同步移梁到位。15）架橋機前起重小車取梁。16）架橋機前起重小車和運梁車后馱梁臺車同步拖梁到位。17）架橋機后起重小車取梁，同時運梁車退出架橋機返回梁場。18）前后起重小車吊梁同步走行到位。19）前后起重小車落梁到位。

3.2 過隧架橋機馱運轉(zhuǎn)場支腿支撐關(guān)鍵技術(shù)研究

圖5 過隧架橋機隧道口過孔工況圖

圖6 過隧架橋機出隧道口架梁作業(yè)工況圖

1 000 t過隧運梁車采用槽型車體結(jié)構(gòu)降低運梁高度實現(xiàn)運梁通過隧道，但是整車寬度較寬，達到8 000 mm，與以往運架設(shè)備馱運轉(zhuǎn)場相比，架橋機馱運前的支撐支點位置離箱梁腹板位置較遠，此套運架設(shè)備按照以往設(shè)備馱運會造成箱梁局部載荷過大的情況導致梁片翼緣損壞，因此常規(guī)馱運方案不適用于該套運架設(shè)備。

針對上述情況，1 000 t過隧架橋機增設(shè)U型后輔助支腿。運梁車馱運架橋機之前，后輔助支腿和前支腿形成簡支的馱運支撐形式，前支腿通過錨桿和斜撐形成剛性支腿，后輔助支腿通過橫向銷軸與機臂連接，形成柔腿，如圖7所示。采用一“剛”一“柔”的支撐方式，實現(xiàn)了架橋機馱運之前的安全穩(wěn)定支撐。過隧架橋機馱運轉(zhuǎn)場支腿支撐狀態(tài)，如圖8所示。

后輔助支腿采用U型結(jié)構(gòu)形式，扁平的下橫梁將后輔助支腿載荷轉(zhuǎn)移到箱梁腹板處，一方面保證了寬式運梁車的通過性，另一方面保證了箱梁受力的安全性；其載荷傳遞原理如圖9所示。

3.3 低位馱運架橋機過隧道中支腿自折翻關(guān)鍵技術(shù)研究

架橋機通過隧道時，受隧道斷面尺寸的限制，往往需要在進、出隧道口位置借助其他起重設(shè)備對中支腿的整個部件進行拆解，如圖10所示。設(shè)備部件拆裝過程需要提前在進出隧道口預留拆裝場地，受場地限制拆裝過程風險較大且效率較低。

為了較好地解決過隧拆裝的問題，該過隧架橋機中支腿采用了雙向自折翻式設(shè)計[5]。此架橋機到達進隧道口時，中支腿下橫梁由起重小車吊裝拆除并提運至架橋機前方相應馱運位置，通過設(shè)備自帶折翻油缸將中支腿立柱和連系梁整體翻折90°，再通過設(shè)備自帶電動葫蘆翻折立柱與聯(lián)系梁成75°，中支腿達到過隧狀態(tài)，如圖11所示。運梁車低位馱運架橋機通過隧道，中支腿折疊后在隧道內(nèi)的狀態(tài)如圖12所示。

圖7 準備馱運時過隧架橋機支撐狀態(tài)

圖8 過隧架橋機馱運支撐狀態(tài)圖

圖9 U型后輔助支腿載荷傳遞原理圖

圖10 常規(guī)過隧架橋機支腿拆解作業(yè)

圖11 過隧架橋機中支腿折疊后的狀態(tài)

4 低位過隧運架設(shè)備過隧架橋工況的應用

1 000 t過隧運架設(shè)備于2020年10月5日在新建福州至廈門鐵路9標段投入使用，順利完成首榀箱梁的架設(shè)。新建福州至廈門客運專線位于福建省沿海地區(qū)，是構(gòu)建京福廈高速鐵路客運通道，也是東南沿海鐵路客運通道的重要組成部分。

新建福廈線路為350 km/h的雙線客運專線，線路全長277.42 km，全線設(shè)車站7座，新建橋梁93座，總長度為186.63 km，隧道33座，總長度為55.2 km，橋隧比85.72%。其中新建福州至廈門客運專線先行工程西山隧道至行山大橋段，DK255+949.62-DK265+853.20，該段線路全長為9 890.53 m，包括6座橋梁，橋梁總長度為5 965 m；4座隧道，分別為西山隧道、西行山一號隧道、西行山二號隧道和行山隧道，隧道總長度為2 888 m；9段路基，總長度為1 017 m。線路地理環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境復雜，該標段隧道地質(zhì)條件差，隧道洞口危巖落石不良地質(zhì)。穿越地貌斷層節(jié)理發(fā)育、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造較復雜，水量豐富，且路基基底不良地質(zhì)地段較多。

2020年12月3日，該過隧運架設(shè)備順利通過了福夏鐵路西行山一號和西行山二號隧道，并成功完成了出隧道口架梁作業(yè)，如圖13所示。這是1 000 t過隧運架設(shè)備在國內(nèi)外首次自折疊低位馱運通過隧道架梁。

在新建福州至廈門鐵路9標段截至2021年1月30日完成標段內(nèi)92榀箱梁架設(shè)（32 m梁79榀，24 m梁9榀），通過6段路基和2座隧道，實現(xiàn)了自折疊低位馱運通過隧道并在出隧道口架梁。應用情況證明，達到了設(shè)計工況的要求。

該套過隧運架設(shè)備已申請多項國家發(fā)明專利，分別為：1）大跨度過隧箱梁架橋機（專利號201810094137.6）。2）過隧運梁車（專利號201810094189.3）。3）適應寬式運梁車通行的架橋機轉(zhuǎn)場方法（專利號201810369716.7）。4）折疊伸縮式過隧架橋機中支腿及其應用步驟（專利號201810531611.7） 。

5 結(jié)論

圖12 過隧架橋機中支腿折疊后在隧道內(nèi)的狀態(tài)

圖13 過隧運架設(shè)備隧道口架梁作業(yè)圖

1 000 t過隧運架設(shè)備過隧工況在福夏鐵路中得到了應用，該運架設(shè)備采用以下 3 種工況技術(shù)創(chuàng)新：1）采用雙向自折疊中支腿，實現(xiàn)了運梁車馱運架橋機通過隧道，可以完成進隧道口-20 m和出隧道口+5 m運架梁施工。2）采用一“剛”一“柔”支撐方式，實現(xiàn)了大噸位架橋機的穩(wěn)定支撐。3）采用U型后輔助支腿結(jié)構(gòu)，在馱運工況下滿足寬式運梁車順利在內(nèi)凈空較小的架橋機下穿過。通過在新建福州至廈門鐵路9標段應用，采用上述工況技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)運架設(shè)備難以解決的進出隧道口運架梁技術(shù)難題。該過隧運架設(shè)備具有自折疊低位馱運過隧工序安全便捷、施工效率高以及成本低等優(yōu)點，得到了使用單位的高度評價。該運架設(shè)備將成為山區(qū)及沿海地區(qū)橋隧相連、多路基、高橋墩以及多梁型施工項目的首選設(shè)備。目前，國內(nèi)市場正在修建的鄭濟、福廈、湖杭、杭衢、南沿江、汕汕高鐵以及擬建設(shè)的京雄商、渝昆、沈白、渝西、西延高鐵等線路對1 000 t過隧運架設(shè)備已有明確的市場需求。國外市場中，印尼雅萬高鐵、俄羅斯莫喀高鐵均采用40 m跨度1 000 t預制箱梁。通過市場分析，該運架設(shè)備將會在今后的鐵路建設(shè)中廣泛應用。隨著高鐵建設(shè)的發(fā)展及高鐵技術(shù)的創(chuàng)新，該1 000 t過隧運架設(shè)備有廣闊的應用前景和市場潛力。