大坡度隧道全液壓自行式襯砌臺(tái)車方案研究

崔竣堯

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

新疆某引水隧道SSIV標(biāo)工程位于該工程線路尾部,處于戈壁灘腹地,穿越兩市三縣。隧道采用盾構(gòu)法和鉆爆法施工［1］,主洞長(zhǎng)度37.355 km,縱坡1/5000,支洞長(zhǎng)度5.15 km,其中鉆爆法施工支洞長(zhǎng)度3.633 km,縱坡12.9%,最大埋深295 m,共設(shè)有6 個(gè)施工支洞和1 個(gè)豎井。該工程建成后,對(duì)解決下游地區(qū)水資源匱乏有重要意義。

1.2 工程特點(diǎn)

鉆爆法施工的5#、9#、10#及11#支洞總長(zhǎng)3.633 km,縱向坡度均為12.9%,其中需要施作二次襯砌段共1.785 km,較長(zhǎng)的距離以及較大的坡度導(dǎo)致二次襯砌施工難度增大。為滿足工期計(jì)劃要求,二襯需隨著開挖進(jìn)度跟進(jìn)施工,掌子面開挖出渣以及施工一線物料運(yùn)輸車輛、人員等來(lái)回穿梭,使得襯砌臺(tái)車在大坡度斜坡上的穩(wěn)定性、安全性變得尤為重要,是必須要研究解決的施工重難點(diǎn)。

2 臺(tái)車行走系統(tǒng)方案比選

隧道襯砌臺(tái)車是用于隧道整體或局部混凝土襯砌的設(shè)備。襯砌模板臺(tái)車包括行走系統(tǒng)、門型架、機(jī)械支撐系統(tǒng)、邊模、頂模、頂升油缸、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng),還包括平移系統(tǒng)、底縱梁；行走系統(tǒng)與底縱梁連接,門型架與邊模通過(guò)機(jī)械支撐系統(tǒng)連接,頂模系統(tǒng)通過(guò)平移系統(tǒng)、升頂油缸與門型架連接。結(jié)合本項(xiàng)目支洞的大坡度襯砌段施工難題,進(jìn)行多種襯砌臺(tái)車行走系統(tǒng)方案比選。

2.1 輪式軌道臺(tái)車

（1）臺(tái)車結(jié)構(gòu)為滿足設(shè)計(jì)10 m結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度的要求,擬采用10.1 m長(zhǎng)邊頂拱全液壓模筑臺(tái)車,主要由門型架部分、模板部分、液壓系統(tǒng)和行走部分組成,設(shè)計(jì)為整體可調(diào)組合鋼模板、液壓油缸脫立模、絲杠千斤頂支撐、電動(dòng)減速機(jī)自動(dòng)行走。由于臺(tái)車落于軌道上,穩(wěn)定性較差,在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)需設(shè)置內(nèi)側(cè)斜撐加固,見圖1。鑒于該襯砌臺(tái)車是為本項(xiàng)目專門設(shè)計(jì)制造的非標(biāo)產(chǎn)品,設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮施工機(jī)械的匹配問(wèn)題,確保襯砌與開挖支護(hù)施工同時(shí)進(jìn)行［3］,互不沖突,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械外形尺寸情況統(tǒng)計(jì),最高的車輛高3.8 m,最寬的車輛3 m（最寬點(diǎn)在高度3.4 m的位置）,故需要在高度3.4 m以下的凈寬不小于3.1 m,凈高不小于4 m。臺(tái)車直接落在鋪設(shè)好的軌道上,采用2×11 kW行走電機(jī)鏈條驅(qū)動(dòng),帶動(dòng)鋼輪移動(dòng)［2］。

圖1 輪式軌道式臺(tái)車橫斷面示意圖

（2）可行性分析

1）技術(shù)方面

該種臺(tái)車普遍應(yīng)用于各類隧道襯砌施工中,工人對(duì)其熟悉度高,操作較順手,但襯砌臺(tái)車門型架凈寬、凈高尺寸在不澆筑混凝土的狀態(tài)下能夠滿足車輛通行要求,在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)凈寬僅為2.5 m,小于3.1 m的要求,無(wú)法滿足大型車輛通行。故從技術(shù)方面分析,此方案不可行。

2）安全方面

在12.9%的坡道上使用輪式軌道臺(tái)車時(shí)存在如下幾點(diǎn)問(wèn)題：首先,軌道鋪設(shè)時(shí)對(duì)其固定的難度大,易發(fā)生枕木或軌道滑溜現(xiàn)象。其次,臺(tái)車行走時(shí)雖使用減速電機(jī)控制臺(tái)車移動(dòng),但臺(tái)車也會(huì)在自重的作用下滑溜,與軌道發(fā)生相對(duì)移動(dòng),易發(fā)生脫軌現(xiàn)象,會(huì)嚴(yán)重威脅施工安全,影響安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。故從安全方面分析,此方案不可行。

2.2 液壓軌道臺(tái)車

（1）臺(tái)車結(jié)構(gòu)

10.1 m長(zhǎng)邊頂拱全液壓模筑臺(tái)車,設(shè)計(jì)為整體可調(diào)組合鋼模板、液壓油缸脫立模、絲杠千斤頂支撐、液壓油缸頂進(jìn)行走。在臺(tái)車前后兩端門架上同一高度共設(shè)置4個(gè)舉升油缸,油缸下設(shè)置馬凳,馬凳騎于軌道上方且不接觸軌道,馬凳連接桿穿過(guò)外側(cè)固定槽道,使其只能上下伸縮,不發(fā)生側(cè)向偏移,見圖2、圖3。設(shè)計(jì)時(shí)仍要充分考慮施工機(jī)械的匹配問(wèn)題。將行走油缸固定與橫梁下,將軌道掛于行走輪之下,使其與臺(tái)車相對(duì)獨(dú)立。將行走油缸與行走梁采用鋼絲繩連接,并與臺(tái)車形成整體。臺(tái)車舉升油缸伸出,使臺(tái)車升高,此時(shí)馬凳處于支地狀態(tài),行走輪下的掛輪帶動(dòng)鋼軌脫離地面；行走油缸一伸一縮,帶動(dòng)鋼絲繩使鋼軌相對(duì)臺(tái)車前移；當(dāng)行走油缸伸縮完畢,舉升油缸收縮,使鋼軌落于地面,臺(tái)車負(fù)重落于鋼軌上。行走油缸繼續(xù)伸縮,軌道不動(dòng),臺(tái)車相對(duì)發(fā)生移動(dòng),重復(fù)以上動(dòng)作,完成臺(tái)車就位工作。

圖2 液壓軌道式臺(tái)車橫斷面示意圖

圖3 液壓軌道式臺(tái)車縱剖面示意圖

（2）可行性分析

①技術(shù)方面

該種臺(tái)車較輪式軌道臺(tái)車新增舉升系統(tǒng),改進(jìn)了臺(tái)車行走方式,依靠馬凳與行走油缸交替作業(yè)達(dá)到行走目的,原理簡(jiǎn)單,操作難度較低,易于施工,同時(shí)該臺(tái)車門型架凈寬、凈高尺寸能夠滿足車輛通行要求。故從技術(shù)方面分析,此方案可行。

②安全方面

臺(tái)車雖依靠馬凳與行走油缸交替作業(yè)達(dá)到行走目的,但當(dāng)行走油缸作業(yè)時(shí),馬凳處于離地狀態(tài),此時(shí)仍存在臺(tái)車在自身重力作用下發(fā)生溜滑的風(fēng)險(xiǎn),鋼絲繩也會(huì)存在因拉力過(guò)大造成崩斷,使臺(tái)車下溜,造成安全事故。從安全方面分析,此方案仍不能有效解決臺(tái)車溜滑問(wèn)題,故此方案不可行。

2.3 液壓滑動(dòng)臺(tái)車

（1）臺(tái)車結(jié)構(gòu)

10.1 m長(zhǎng)邊頂拱全液壓模筑臺(tái)車,設(shè)計(jì)為整體可調(diào)組合鋼模板、液壓油缸脫立模、絲杠千斤頂支撐、液壓油缸頂進(jìn)行走（行走原理類似于液壓軌道臺(tái)車）見圖4。

圖4 液壓滑動(dòng)式臺(tái)車橫斷面示意圖

在臺(tái)車前后兩端門架上同一高度共設(shè)置4 個(gè)舉升油缸,油缸下采用螺栓連接支腿和支撐塊,支腿穿過(guò)外側(cè)固定槽道,使其只能上下伸縮,不發(fā)生側(cè)向偏移。在行走梁（底部橫梁）設(shè)下掛行走塊,每個(gè)橫梁設(shè)2 個(gè),行走塊寬度大于行走梁寬度,前后行走塊間采用硬連接,并于行走梁下固定設(shè)置行走油缸,油缸與其中一個(gè)行走塊連接,當(dāng)油缸伸縮時(shí)可帶動(dòng)兩個(gè)行走塊整體移動(dòng),此為該套行走系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源,行走塊距離為橫梁長(zhǎng)度減掉行走油缸行程即可。當(dāng)進(jìn)行臺(tái)車移動(dòng)時(shí),舉升油缸伸出,使臺(tái)車升高,此時(shí),行走塊處于離地狀態(tài)。行走油缸一伸一縮帶動(dòng)行走塊,使行走塊在行走梁上滑動(dòng)。行走油缸伸縮完畢后,舉升油缸收縮,使行走塊落地,臺(tái)車負(fù)重落于行走塊上。行走油缸再進(jìn)行伸縮,行走梁在行走塊上滑行,使臺(tái)車相對(duì)行走塊進(jìn)行移動(dòng),此時(shí)行走塊保持不動(dòng)。重復(fù)以上動(dòng)作,直至臺(tái)車移動(dòng)到所需位置。當(dāng)然,同樣需要充分考慮施工機(jī)械的匹配問(wèn)題。

（2）可行性分析

1）技術(shù)方面

行走原理類似于液壓軌道臺(tái)車,較為易懂,且操作難度較低,易于施工,同時(shí)該臺(tái)車門型架凈寬、凈高尺寸能夠滿足車輛通行要求。故從技術(shù)方面分析,此方案可行。

2）安全方面

臺(tái)車自重46 t,即G=450.8 kN,當(dāng)臺(tái)車置于12.9%的坡道上時(shí),臺(tái)車自重在坡面的分力G1=G×sin =57.5 kN,臺(tái)車自重在垂直坡面的分力G2=FN=G×cos =447.1 kN,FN為臺(tái)車對(duì)坡面的壓力,而臺(tái)車與坡面的靜摩擦力F= ×FN,因?yàn)槠旅鏋榛炷谅访?取值在0.6~1.0間,當(dāng)取最小值0.6時(shí),F=268.26 kN≥G1,故臺(tái)車完全能夠穩(wěn)定于12.9%的坡面上,安全性更佳［4］。故從安全方面分析,此方案可行。

綜上,結(jié)合本項(xiàng)目施工支洞12.9%大坡度的特點(diǎn),通過(guò)從技術(shù)、安全方面綜合分析,確定第三種方案最佳,即液壓滑動(dòng)式臺(tái)車更適合本項(xiàng)目施工。

3 結(jié)語(yǔ)

大坡度的襯砌施工是隧道工程施工領(lǐng)域面對(duì)的困難之一,施工組織及方案的合理制定是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵,本文以新疆某引水隧洞SSIV標(biāo)工程為例,圍繞大坡度隧道襯砌臺(tái)車方案的選擇,從技術(shù)和安全兩方面分別對(duì)三種不同的臺(tái)車方案進(jìn)行分析論述,最后選定最佳方案,一方面保證了施工安全,另一方面因其故障率較電機(jī)驅(qū)動(dòng)故障率低,也節(jié)省了過(guò)多的維修時(shí)間,提高了整體施工效率,同時(shí)也節(jié)約了維修成本。該方案的有效實(shí)施,不僅為項(xiàng)目解決了一個(gè)施工難題,更是為我們以后進(jìn)行大坡度隧道襯砌施工提供了一定的技術(shù)參考,但各工程項(xiàng)目的特點(diǎn)不同,應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求選擇合理的方案,確保安全順利的完成施工任務(wù)。