超大斷面隧道變截面襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)及應(yīng)用

任文斌

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司 陜西西安 710000)

1 引言

在城市地下互通立交超大斷面隧道施工中，面對(duì)襯砌斷面突變的情況，如何成功完成臺(tái)車體系轉(zhuǎn)換，確保隧道施工安全質(zhì)量及安全步距，是變截面隧道施工的難點(diǎn)之一[1]。隧道存在多種加寬斷面時(shí)，既要滿足施工需求、保證襯砌質(zhì)量，又要節(jié)省成本、減少人力、提高施工效率，對(duì)襯砌臺(tái)車提出了更高的要求。襯砌臺(tái)車的設(shè)計(jì)直接影響著隧道的質(zhì)量、成本及進(jìn)度。

2 工程概況

海滄疏港通道工程蔡尖尾山隧道設(shè)計(jì)主線為分離式雙向6車道，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)4.245 km，左線起止里程ZK2＋155～ZK6＋400，右線起止里程YK2＋160～YK6＋405，隧道從進(jìn)口四車道分4次突變加寬到最大斷面后，分岔出“3＋2”個(gè)車道，最大開挖凈跨度30.5 m，開挖斷面面積達(dá)421.7 m2，是目前亞洲開挖跨度及斷面最大的城市地下互通立交隧道。隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為50～75 cm，采用C35～C40鋼筋砼，隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面加寬示意見圖1。

圖1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面加寬示意(單位:cm)

3 襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)

3.1 總體思路

蔡尖尾山隧道主線以三車道為主，S3→S4→FC2→FC3→FC4→FC5斷面依次加寬D1＝375 cm、D2＝50 cm、D3＝275 cm、D4＝350 cm、D5＝310 cm，拱頂高度依次增加97.8 cm、0 cm、53.8 cm、128.4 cm、112.6 cm，加寬斷面中線偏距為最大加寬寬度的1/2，依次為:187.5 cm、25 cm、127.5 cm、175 cm、155 cm。變化側(cè)拱墻圓心O2、O3半徑保持不變，圓心將隨擴(kuò)挖最大寬度對(duì)應(yīng)外擴(kuò)，拱頂及仰拱圓心O1、O′1半徑隨兩個(gè)變化斷面成線性比例增加。以S3-S4斷面變化值(見表1)為例，即每次加寬后斷面的R01，R01′在加寬值范圍內(nèi)同加寬值成線型比例，R02，R03值不變(見圖2)。

表1 S3-S4斷面加寬參數(shù) cm

圖2 拱頂及仰拱半徑隨加寬值的變化

同時(shí)通過比較分析發(fā)現(xiàn)所有加寬段襯砌斷面設(shè)計(jì)尺寸，各斷面的邊墻結(jié)構(gòu)尺寸與半徑完全一致，只有拱部斷面半徑尺寸存在變化[2]。臺(tái)車主桁架按照標(biāo)準(zhǔn)三車道設(shè)計(jì)，加寬段臺(tái)車通過三車道臺(tái)車主門架增加副門架實(shí)現(xiàn)，分別加寬375 cm、50 cm、275 cm、350 cm、310 cm，完成加寬段后再轉(zhuǎn)換為三車道斷面臺(tái)車。

3.2 三車道襯砌臺(tái)車基本結(jié)構(gòu)組成

襯砌臺(tái)車外輪廓比隧道襯砌理論內(nèi)輪廓面外擴(kuò)5 cm，襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和組成有模板體系組成、頂模型鋼立柱支架、平移系統(tǒng)、門架系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、支撐絲杠、液壓千斤頂、液壓升降系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分[3]。超大斷面隧道斷面設(shè)計(jì)尺寸的高度、跨度越大，對(duì)襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受力要求越高，臺(tái)車鋼板厚度、支撐強(qiáng)度、各系統(tǒng)組成都隨之不同[4－5]。

(1)模板組成:模板由12 mm面板、面板連接法蘭、槽鋼加強(qiáng)背帶、加筋鋼板等組成，兩端法蘭厚度為14 mm，兩法蘭間增加了 20作為支撐，采用 10及A3δ10的加強(qiáng)立板沿模板寬度方向布置。

(2)頂模型鋼立柱支架:頂模型鋼立柱支架由工字鋼縱梁、橫梁及小立柱組成，縱梁高度為600 mm，由鋼板焊接成的H型鋼梁，橫梁用 25工字鋼，小立柱用I18工字鋼。頂模型鋼立柱支架是頂模結(jié)構(gòu)的承重體系，隨著臺(tái)車斷面的增加，支架系統(tǒng)隨之加寬、加高。

(3)平移系統(tǒng):臺(tái)車的液壓平移系統(tǒng)由前后共4個(gè)液壓油缸組成，它設(shè)置在門架上橫梁頂部，與頂模支架橫梁相連。平移系統(tǒng)通過液壓油缸水平方向頂升、收縮，用來調(diào)整襯砌臺(tái)車水平位移。

(4)門架系統(tǒng):臺(tái)車門架是一個(gè)空間的整體框架結(jié)構(gòu)[6]，門架系統(tǒng)包含主門架和副門架，主門架為標(biāo)準(zhǔn)三車道門架，副門架在斷面加寬時(shí)用于臺(tái)車斷面加寬，門架由大橫梁、立柱及底縱梁組裝而成，主要連接方式為螺栓連接，各大橫梁、立柱及底縱梁之間通過縱橫連接梁及斜撐和剪刀撐等連接。

(5)行走系統(tǒng):行走系統(tǒng)由主動(dòng)行走系統(tǒng)和被動(dòng)行走系統(tǒng)組成[7]，采用手動(dòng)或遙控開關(guān)控制電機(jī)帶動(dòng)行走輪行走，通過鏈條傳動(dòng)、減速機(jī)進(jìn)行減速，設(shè)置行走輪箱對(duì)行走系統(tǒng)予以保護(hù)。臺(tái)車電機(jī)總功率為15 kW，運(yùn)行速度為6 m/min，額定爬坡能力3%，為保證臺(tái)車襯砌狀態(tài)平穩(wěn)，行走電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)。

(6)支撐絲杠:包括側(cè)模調(diào)模絲杠、對(duì)地支撐絲杠、防錯(cuò)位連接絲杠。

(7)千斤頂:臺(tái)架升降千斤頂、門架頂升千斤頂。

(8)液壓升降系統(tǒng):臺(tái)車液壓系統(tǒng)主要由泵站、液壓油缸、壓力管道構(gòu)成，是整個(gè)襯砌臺(tái)車定位、固定及結(jié)構(gòu)變化調(diào)整的動(dòng)力源[8]，采用三位四通手動(dòng)換向閥人工手動(dòng)進(jìn)行換向，來實(shí)現(xiàn)油缸的伸縮動(dòng)作，左右側(cè)模調(diào)模油缸各采用一個(gè)換向閥控制兩側(cè)水平油缸的動(dòng)作，四個(gè)豎向升降油缸各采用一個(gè)換向閥控制油缸頂升。四個(gè)水平油缸用兩個(gè)換向閥操作其同步動(dòng)作。

(9)電氣控制系統(tǒng):電氣控制系統(tǒng)主要控制行走系統(tǒng)電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)及正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)，也是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力，行走電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)運(yùn)行及超載保護(hù)。

3.3 臺(tái)車技術(shù)規(guī)格

模板面板分為頂模、邊模和吊模共同拼接成襯砌設(shè)計(jì)斷面尺寸。頂模及邊模、吊模采用鉸接，鉸接點(diǎn)的位置為斷面尺寸圓與圓或直線的切點(diǎn)，也是面板弧度的變化點(diǎn)，可以保證臺(tái)車可通過變形與襯砌斷面尺寸相符，同時(shí)保證了臺(tái)車脫模時(shí)面板收縮空間[9]，模板面板之間采用法蘭盤進(jìn)行栓接。

(1)襯砌臺(tái)車長(zhǎng)度L＝10.5 m、面板厚12 mm(Q235B)，模板沿縱向分為7節(jié)，每節(jié)寬度分別為1.5 m[10]。

(2)行走電機(jī)功率7.5 kW×2；液壓電機(jī)功率5.5 kW ×1。

(3)水平左右調(diào)整量150 mm(單邊)。

(4)液壓系統(tǒng)流量Q＝20 L/min。

(5)系統(tǒng)工作壓力P＝16 MPa。

(6)液壓油缸型號(hào)及工作行程:豎向升降油缸φ200/180×300 mm數(shù)量4個(gè)；邊模調(diào)節(jié)油缸φ100/50×300 mm數(shù)量4個(gè)；水平平移油缸φ100/50×300 mm數(shù)量4個(gè)。

(7)臺(tái)車絲桿、千斤頂型號(hào):千斤頂無縫鋼管直經(jīng)89×6 mm。

(8)性能說明:電動(dòng)行走，液壓立模、收模。

(9)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):模板間隙≤1 mm；模板錯(cuò)臺(tái)≤1 mm；輪廓半徑±2 mm；模板平面度±2 mm；表面粗糙度≤0.5 mm。

3.4 襯砌臺(tái)車加寬設(shè)計(jì)

(1)小于50 cm臺(tái)車加寬設(shè)計(jì)

在標(biāo)準(zhǔn)四車道S4斷面臺(tái)車加寬50 cm至FC2斷面時(shí)，通過調(diào)節(jié)液壓支撐桿件長(zhǎng)度及增長(zhǎng)側(cè)面門架絲杠加長(zhǎng)座來調(diào)節(jié)臺(tái)車高度及寬度，同時(shí)為減小臺(tái)車與隧道斷面弧度偏差，設(shè)計(jì)在三車道臺(tái)車拱頂左右側(cè)各增加一塊20.1 cm加寬面板調(diào)節(jié)模板半徑；使弧度偏差控制在20 mm以內(nèi)。

(2)大于50 cm臺(tái)車加寬設(shè)計(jì)

當(dāng)襯砌斷面由S3→S4加寬375 cm，由FC2→FC3→FC4→FC5 分別加寬 275、310、350 cm 時(shí)，臺(tái)車斷面加寬尺寸變化較大，對(duì)于超大斷面扁平隧道，采用液壓頂升調(diào)節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)臺(tái)車斷面多次加寬，臺(tái)車自身結(jié)構(gòu)及二襯施工安全質(zhì)量問題均無法保障，為確保襯砌施工安全質(zhì)量，決定采用更換頂模，增加相應(yīng)支撐調(diào)節(jié)塊及系統(tǒng)桿件的方法，同時(shí)由于副門架每次加寬寬度較大，相對(duì)主門架承重增加，通過在副門架增加行走系統(tǒng)來減輕主門架承重，增強(qiáng)整個(gè)臺(tái)車的穩(wěn)定性。具體操作是更換與加寬斷面相同半徑的頂模，增加上下副門架、頂縱梁、小立柱、千斤頂、絲桿、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)，安裝通用邊模，實(shí)現(xiàn)S3→S4及FC2→FC5斷面臺(tái)車加寬。

超大斷面隧道襯砌臺(tái)車的設(shè)計(jì)及加工，不但需要滿足二次襯砌斷面頻繁多次變化要求，而且要考慮剛度和穩(wěn)定性滿足結(jié)構(gòu)受力要求，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操要簡(jiǎn)單方便，成本合理，是保證大跨徑隧道二次襯砌施工質(zhì)量及安全的關(guān)鍵[11]。臺(tái)車檢算主要對(duì)臺(tái)車自身門架、斜撐、面板、支架各單元及整體受力變形、穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)臺(tái)車行走過程及砼澆筑時(shí)的變形、穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，臺(tái)車設(shè)計(jì)時(shí)已通過邁達(dá)斯軟件進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)斷面及最大加寬斷面相關(guān)受力結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算參數(shù)均采用臺(tái)車加寬后結(jié)構(gòu)所受荷載最不利情況設(shè)定，對(duì)臺(tái)車整體及主要受力構(gòu)件和易損的部位進(jìn)行了驗(yàn)算分析，經(jīng)檢算臺(tái)車整體受力及各部件受力均滿足要求，詳細(xì)計(jì)算過程具體不再介紹。

4 加寬襯砌臺(tái)車的組裝與應(yīng)用

4.1 三車道標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)車安裝

鋼軌安裝→行走安裝→底梁安裝→門架立柱和橫梁安裝→拉桿安裝→調(diào)整門架→頂模架體安裝及調(diào)整→頂模安裝→邊模安裝→邊模通梁安裝→油缸及絲杠安裝→安裝液壓系統(tǒng)并調(diào)試，拆除時(shí)逆向操作即可。

4.2 三車道斷面加寬至四車道斷面

三車道二襯施工結(jié)束后按序拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件后安裝四車道斷面臺(tái)車，增加350 cm上橫梁副門架及連接桿件，安裝臺(tái)車上部加長(zhǎng)架體。更換拱頂半徑775 cm面板為995 cm，安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調(diào)試液壓及行走系統(tǒng)后即可實(shí)現(xiàn)四車道斷面的襯砌施工。正洞三車道臺(tái)車重量117 t，正洞三車道斷面變換成四車道斷面臺(tái)車時(shí)約增加62 t結(jié)構(gòu)件，拆裝時(shí)間預(yù)計(jì)為10 d左右完成。加寬前后如圖3、圖4所示。

圖3 主線三車道標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)車斷面圖(單位:cm)

圖4 三車道加寬至四車道標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)車斷面圖(單位:cm)

4.3 四車道斷面加寬至FC2斷面

四車道臺(tái)車變?yōu)镕C2斷面臺(tái)車的步驟如下:四車道二襯施工結(jié)束后按序拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，原來四車道頂部模板做成3塊，中間塊模板不變，通過升降油缸把模板向上頂25.4 mm，再通過平移油缸把兩側(cè)的頂模向兩側(cè)移動(dòng)，中間加201.3 mm的加寬塊，臺(tái)梁加長(zhǎng)，頂模架體小立柱加高，頂部臺(tái)梁加長(zhǎng)，增長(zhǎng)加寬側(cè)側(cè)面門架絲杠加長(zhǎng)座來調(diào)節(jié)臺(tái)車高度及寬度，其他不變。四車道斷面變換成FC2斷面時(shí)約增加6.28 t結(jié)構(gòu)件，拆裝所需時(shí)間約3 d，加寬后如圖5所示。

圖5 四車道加寬至FC2臺(tái)車斷面圖(單位:cm)

4.4 FC2斷面加寬至FC3斷面

FC2車道二襯施工結(jié)束后拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件，增加700 cm副門架上橫梁及連接桿件，安裝臺(tái)車上部加長(zhǎng)架體，更換半徑1 055 cm拱頂面板為半徑1 255 cm面板、安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調(diào)試液壓及行走系統(tǒng)后即可實(shí)現(xiàn)FC3斷面的襯砌施工。FC2斷面變換成FC3斷面時(shí)約增加66 t結(jié)構(gòu)件，拆裝所需時(shí)間約10 d。加寬后如圖6所示。

4.5 FC3斷面加寬至FC4斷面

FC3車道二襯施工結(jié)束后拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件，增加350 cm上橫梁副門架及連接桿件，安裝臺(tái)車上部增長(zhǎng)架體，更換拱部半徑1 255 cm面板為半徑1 405 cm，安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調(diào)試液壓及行走系統(tǒng)后即可實(shí)現(xiàn)FC4斷面的襯砌施工。FC3斷面變換成FC4斷面時(shí)約增加113 t結(jié)構(gòu)件，拆裝所需時(shí)間約10 d。加寬后如圖7所示。

圖7 FC3斷面加寬至FC4斷面臺(tái)車斷面圖(單位:cm)

4.6 FC4斷面加寬至FC5斷面

FC4車道二襯施工結(jié)束后拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件，增加660 cm副門架及連接桿件，安裝臺(tái)車上部架體，更換拱部半徑1 405 cm面板為半徑1 555 cm，安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調(diào)試液壓及行走系統(tǒng)后即可實(shí)現(xiàn)FC5斷面的襯砌施工。加寬后如圖8所示。FC4斷面變換成FC5斷面時(shí)約增加92 t結(jié)構(gòu)件，拆裝所需時(shí)間約12 d。最大斷面FC5總重量456.28 t。

圖8 FC4斷面加寬至FC5斷面臺(tái)車斷面圖(單位:cm)

5 結(jié)束語

在車流量日益增加的趨勢(shì)下，堵車現(xiàn)象頻繁，雙向四車道遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足車流量順利通行需求，只有通過增大隧道寬度，通過設(shè)計(jì)雙向六車道或八車道等扁平形特大跨度隧道增加車道數(shù)量以滿足發(fā)展需求[12－14]。而扁平超大斷面隧道的襯砌施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)隨之增加，其施工水平直接影響著隧道的質(zhì)量、成本及進(jìn)度。蔡尖尾山2＃隧道變截面臺(tái)車設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了215 m2至421.73 m2超大斷面隧道多次變截面襯砌成功澆筑，施工過程中臺(tái)車安拆及體系轉(zhuǎn)換加快，同時(shí)確保了現(xiàn)場(chǎng)施工安全質(zhì)量及進(jìn)度要求，對(duì)同類臺(tái)車設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。