巨跨地下洞庫頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車施工技術(shù)

余備軍，劉永剛，張志和

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

近年來，在完善交通體系建設(shè)、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、強(qiáng)化國防現(xiàn)代化建設(shè)等國家重大戰(zhàn)略指導(dǎo)下，超大型交通隧道、地下儲(chǔ)備洞庫、地下國防建設(shè)等工程越來越多。襯砌施工是隧道、洞庫等建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)工程成品質(zhì)量起到了決定性作用。目前，大型地下工程二次襯砌施工裝備以襯砌臺(tái)車為主，非標(biāo)準(zhǔn)斷面多以滿堂架為主，部分工程采用了兩者組合的結(jié)構(gòu)形式。在施工跨度方面，地下結(jié)構(gòu)斷面尺寸越來越大，襯砌臺(tái)車跨度已達(dá)32.7 m，滿堂架可達(dá)40 m。在施工效果方面，襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、費(fèi)用高，但移動(dòng)方便，所需人工少；滿堂架以人工操作為主，移動(dòng)困難、效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

目前，關(guān)于大跨度隧道(洞庫)襯砌施工技術(shù)的研究已取得了一些進(jìn)展。劉永勝等[1]對(duì)巨跨超扁平洞庫的穩(wěn)定機(jī)制、關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)及其評(píng)價(jià)體系、定量化設(shè)計(jì)方法、施工工藝工法以及監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究。林春剛等[2]融合全液壓鋼模襯砌臺(tái)車與模塊化高性能貝雷架的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，研制了巨跨地下洞庫被覆施工一體化裝備。卞少帥等[3]對(duì)國內(nèi)外大跨度地下工程的設(shè)計(jì)和施工方法進(jìn)行了研究，總結(jié)了現(xiàn)有工程建設(shè)方法、經(jīng)驗(yàn)和存在的問題，探討了大跨度地下工程未來的發(fā)展趨勢。陳建勛等[4]對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)外超大跨公路隧道工程建設(shè)情況進(jìn)行了介紹，對(duì)隧道圍巖變形規(guī)律與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法等進(jìn)行了研究。朱苦竹等[5]研究了淺埋軟弱圍巖大跨度隧道的開挖工法。洪開榮[6]對(duì)大跨度地下水封能源洞庫修建技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)了修建地下水封洞庫工程的關(guān)鍵技術(shù)。彭振華等[7]以某海島地下水封油庫為依托，對(duì)海島環(huán)境下建造地下水封洞庫的圍巖穩(wěn)定性和水封可靠性進(jìn)行了研究。徐干成等[8]對(duì)大跨度扁平地下洞室開挖方案進(jìn)行了研究，提出將進(jìn)深方向的大跨度洞室變成小跨度洞室的縱向跳格、橫向分布的開挖方案。王浩等[9]對(duì)超大斷面隧道襯砌臺(tái)車各系統(tǒng)的應(yīng)力和位移進(jìn)行了研究。袁偉澤等[10]為研究預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)大跨地下工程開挖穩(wěn)定的影響，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力值和間距2個(gè)因素進(jìn)行了分析研究。劉思遠(yuǎn)等[11]結(jié)合工程實(shí)例，建議澆筑二次襯砌混凝土?xí)r應(yīng)注意對(duì)稱澆筑，保持臺(tái)車受力對(duì)稱。劉軍[12]對(duì)整體移動(dòng)式腳手架在超大斷面隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。張進(jìn)軍[13]經(jīng)過研究分析，提出了采用組合鋼模板全液壓脫立模、電動(dòng)減速機(jī)自動(dòng)行走的襯砌臺(tái)車。于寶軍[14]對(duì)山區(qū)軟巖大跨大斷面四線鐵路車站隧道二次襯砌施工技術(shù)進(jìn)行了研究。李梁等[15]研究了結(jié)合鋼管、型鋼支架、輪子、木模板等設(shè)計(jì)的移動(dòng)式被覆模架，其易于操作且成本低。

綜上所述，超大跨度隧道(洞庫)的研究主要集中在施工工法、開挖方案比選、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析等方面。而關(guān)于50 m級(jí)以上的級(jí)超大跨度洞庫二次襯砌施工技術(shù)及裝備的研究少有涉及。目前，跨度50 m以下隧道(洞庫)的二次襯砌施工以腳手架體系為主。其中，跨度40 m以下隧道(洞庫)的襯砌設(shè)備普遍采用臺(tái)架、腳手架聯(lián)合支撐鋼模板或襯砌模板臺(tái)車；跨度40～50 m隧道(洞庫)被覆施工設(shè)備采用碗扣式腳手架支撐體系和整體自行式貝雷架支撐臺(tái)架。目前，已有研究尚不能解決巨跨扁平地下洞庫襯砌施工中面臨的被覆結(jié)構(gòu)工程體積大、面積大、自重大、鋼筋密集等技術(shù)難題。因此，本文對(duì)巨跨地下洞庫頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車裝備進(jìn)行系統(tǒng)分析，在施工難點(diǎn)、施工要求、施工技術(shù)及裝備方案等方面進(jìn)行系統(tǒng)探討。

1 技術(shù)背景

1.1 工程概況

某在建工程為巨大跨度、極小矢跨比的地下洞庫，被覆結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土一次澆筑成型。被覆結(jié)構(gòu)跨度為目前已有工程最大跨度的2～3倍，混凝土厚度為常規(guī)隧道的4～5倍，被覆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度為1.8～3.0 m，單循環(huán)混凝土澆筑量近2 000 m3，澆筑面積大于500 m2，自重?cái)?shù)千t。被覆結(jié)構(gòu)采用分段澆筑一次成型，每次澆筑平均長度為10.3 m，單次澆筑完成后，被覆模板體系需向前移動(dòng)10.3 m，然后進(jìn)行下一組被覆結(jié)構(gòu)澆筑。

1.2 施工難點(diǎn)及要求

1.2.1 施工難點(diǎn)

1)地下洞庫被覆結(jié)構(gòu)跨度、高度、厚度均遠(yuǎn)超現(xiàn)有地下工程案例，單次混凝土澆筑的襯砌模板及其支架體系承受載荷高達(dá)千t，橫向?qū)挾却笥?0 m，縱向長度(10.3 m)相對(duì)橫向?qū)挾容^小，縱向剛度較弱，在上述載荷作用下，極易發(fā)生扭曲變形及失穩(wěn)。因此，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

2)拱頂中部范圍內(nèi)近水平的位置，由于襯砌鋼筋設(shè)置較為密集(主筋最小凈距僅約120 mm)，混凝土澆筑期間送料、振搗難度極大，極不利于混凝土填充。

1.2.2 施工要求

1)襯砌臺(tái)車應(yīng)根據(jù)澆筑速度、混凝土工作性能、左右分層澆筑高度差等參數(shù)綜合設(shè)計(jì)，并具有經(jīng)審查批準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算書，其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2)襯砌臺(tái)車的骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具備足夠的強(qiáng)度與剛度。設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求：主要結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)荷載分項(xiàng)系數(shù)不小于1.5，采用容許應(yīng)力法計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)不小于2.0。設(shè)計(jì)剛度要求：1.5倍額定荷載條件下，全斷面總體變形量不大于10 mm。

3)襯砌臺(tái)車門架內(nèi)凈空要保證洞內(nèi)車輛和人員的安全通行，滿足洞內(nèi)鑿巖臺(tái)車、裝渣機(jī)等施工設(shè)備及風(fēng)水管路的通行和穿越。

4)端頭模板及卡具應(yīng)操作方便、安裝牢固，不漏漿、不損傷防水板，端頭模板應(yīng)具有足夠抵抗變形、保壓和抗壓的能力，保壓壓力值不小于0.15 MPa。

5)襯砌臺(tái)車應(yīng)具備便捷的混凝土分配機(jī)構(gòu)，以降低人工換管的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少作業(yè)時(shí)間。

6)襯砌臺(tái)車應(yīng)考慮混凝土澆筑、振搗、檢查等作業(yè)的需要，在適當(dāng)位置設(shè)置澆筑口和作業(yè)窗(檢查窗)；振搗工作窗布置應(yīng)確保振搗范圍滿足施工要求，端頭工作窗距離端頭不得大于75 cm。

2 頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

巨跨地下洞庫襯砌施工裝備融合全液壓襯砌臺(tái)車與盤扣式支架體系施工技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，采用盤扣式支架體系+鋼模板技術(shù)方案，輔以液壓、電氣控制系統(tǒng)，形成集自主行走、混凝土澆筑、振搗等功能于一體的頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車。

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)包括臺(tái)車模板系統(tǒng)、盤扣式門架系統(tǒng)、臺(tái)車底盤系統(tǒng)，是被覆結(jié)構(gòu)的承力體系。門架立柱頂端安裝螺旋千斤頂，通過縱向通梁頂升或下降臺(tái)車模板體系；臺(tái)車底盤為型鋼焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，其后端間隔設(shè)置水平頂推油缸，驅(qū)動(dòng)臺(tái)車步進(jìn)行走；模板上設(shè)置作業(yè)窗口，便于混凝土澆筑和振搗；支架體系上部設(shè)置混凝土布料系統(tǒng)和作業(yè)平臺(tái)。

2.2 臺(tái)車主要結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)

2.2.1 臺(tái)車主要結(jié)構(gòu)

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車采用盤扣式支架搭建，可整體式移動(dòng)，便于快速組裝，且能夠循環(huán)使用。臺(tái)車主要由模板系統(tǒng)、門架系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、混凝土澆筑系統(tǒng)和振搗系統(tǒng)共5部分構(gòu)成。頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)見圖1。

(a)臺(tái)車橫斷面圖

2.2.2 臺(tái)車技術(shù)參數(shù)

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車總長度為10.5 m，循環(huán)澆筑長度為10.3 m，盤扣支架質(zhì)量約為170 t，其他型鋼、鋼材質(zhì)量約為140 t，總質(zhì)量約為310 t。臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)

2.3 臺(tái)車模板系統(tǒng)

2.3.1 主要結(jié)構(gòu)組成

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車模板系統(tǒng)主要由模板面板、次龍骨、主龍骨、頂部縱梁和頂升螺旋千斤頂5部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 臺(tái)車模板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模板面板采用10 mm厚鋼板，面板與次龍骨焊接，以防止面板移位、滑動(dòng)。面板預(yù)留澆筑窗口，窗口尺寸為50 cm×50 cm。模板系統(tǒng)分層預(yù)留多個(gè)工作窗，單排沿洞庫軸線方向布置5個(gè)窗口，梅花形布置，每排進(jìn)料口垂直高差為2 m，用于混凝土澆筑、振搗、觀察等；拱頂位置預(yù)留混凝土澆筑孔。應(yīng)保證拼裝好的臺(tái)車模板平整度小于3 mm，相鄰2塊面板錯(cuò)臺(tái)量小于1 mm。模板系統(tǒng)工作窗布置見圖3。

圖3 模板系統(tǒng)工作窗布置圖

由于洞庫被覆設(shè)計(jì)厚度較大、混凝土載荷較大，采用整體式鋼模板作為臺(tái)車面板結(jié)構(gòu)，模板面板縱向通過次龍骨連接，環(huán)向通過主龍骨連接，面板連接處縫隙滿焊后打磨平整。為提高模板的整體力學(xué)性能，便于脫模、立模等，采用盤扣式支架支撐整個(gè)模板系統(tǒng)。兩側(cè)直墻模板與中部弧形模板采用鉸接連接，通過液壓油缸實(shí)現(xiàn)展開與收縮，并應(yīng)用螺旋絲杠鎖緊。直墻模板與弧形模板鉸接示意見圖4。

圖4 直墻模板與弧形模板鉸接示意圖

2.3.2 模板升降系統(tǒng)

模板升降系統(tǒng)主要功能為臺(tái)車頂升定位和下降脫模，由螺旋千斤頂和頂托機(jī)構(gòu)支撐驅(qū)動(dòng)模板升降。螺旋千斤頂布置在臺(tái)車方鋼管立柱頂端，左右對(duì)稱布置14列，單列在前、中、后部位布置3個(gè)，共計(jì)42個(gè)，其用于支撐模板系統(tǒng)主龍骨，為模板升降過程中的主要承載機(jī)構(gòu)；頂托機(jī)構(gòu)布置在盤扣式支架頂部，支撐模板系統(tǒng)主龍骨，為模板升降系統(tǒng)微調(diào)機(jī)構(gòu)。螺旋千斤頂和頂托機(jī)構(gòu)均采用螺旋驅(qū)動(dòng)，結(jié)合模板定位測量可實(shí)現(xiàn)模板精準(zhǔn)定位。

2.4 臺(tái)車門架系統(tǒng)

2.4.1 主要結(jié)構(gòu)組成

臺(tái)車門架系統(tǒng)主要由門架立柱、盤扣式支架體系和行車通道3部分組成。其中，盤扣式支架體系主要由立桿、橫桿、斜桿、扣接頭和連接盤5個(gè)部分連接組成。

2.4.2 門架立柱

臺(tái)車門架立柱為豎向主要骨架，布置于底盤橫向通梁與縱向方鋼管交接處，立柱采用200 mm×200 mm方鋼管，左右各7×3根，共計(jì)42根，對(duì)稱布置，中部設(shè)置過車門洞。臺(tái)車門架立柱橫斷面如圖5所示。

圖5 臺(tái)車門架立柱橫斷面示意圖

2.4.3 行車通道

為了避免被覆結(jié)構(gòu)施工對(duì)洞內(nèi)掌子面、仰拱開挖、支護(hù)的交通影響，在臺(tái)車中部預(yù)留行車通道，尺寸為4.8 m×4.9 m(寬×高)。行車通道上部設(shè)置橫梁，橫梁采用200 mm×200 mm方鋼管，與行車通道外的盤扣架頂托進(jìn)行焊接。方鋼管上部安裝縱向18#工字鋼，用以支撐橫梁上部盤扣式支架體系。

2.4.4 盤扣式支架體系

盤扣支架立桿置于底盤槽鋼上，兩端區(qū)域立桿間距為0.9 m×1.2 m×2.0 m(橫向間距×縱向間距×橫桿步距)；中部區(qū)域立桿間距為1.2 m×1.2 m×2.0 m(橫向間距×縱向間距×橫桿步距)。盤扣式支架體系示意見圖6。

圖6 盤扣式支架體系示意圖

盤扣式支架頂部自由高度若大于40 cm，則在40 cm處加設(shè)1層水平橫桿，保證支架體系立桿的穩(wěn)定性。為保證頂托機(jī)構(gòu)與臺(tái)車模板接觸面受力均勻，在臺(tái)車模板主龍骨與頂托機(jī)構(gòu)接觸面間加設(shè)斜三角楔子。主龍骨支撐于縱向通梁上，采用18#工字鋼沿洞庫輪廓進(jìn)行加工，縱向間距為1.2 m；次龍骨支撐于主龍骨上，采用10#槽鋼，采用焊接方式與主龍骨連接，次龍骨環(huán)向間距0.2 m。斜三角楔子與主龍骨、次龍骨、面板結(jié)構(gòu)示意見圖7。

圖7 斜三角楔子與主龍骨、次龍骨、面板結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 臺(tái)車底盤系統(tǒng)

2.5.1 主要結(jié)構(gòu)組成

臺(tái)車底盤系統(tǒng)主要由縱向、橫向方鋼管，18#縱向槽鋼以及液壓泵站裝置組成。

底盤系統(tǒng)主架采用200 mm×200 mm方鋼管，方鋼管縱向間距約為5.3 m，共布置3排；方鋼管橫向間距約為5 m，共布置14列?？v向與橫向方鋼管之間布置18#槽鋼，槽口朝上，橫向依次排列，兩端區(qū)域槽鋼橫向間距為0.9 m，中部區(qū)域槽鋼橫向間距為1.2 m?？v向方鋼管、橫向方鋼管及槽鋼布置在同一平面，連接處采用焊接形式。臺(tái)車底盤布置示意見圖8。

圖8 臺(tái)車底盤布置示意圖(局部)

2.5.2 頂推滑行機(jī)構(gòu)

臺(tái)車底盤系統(tǒng)后端間隔設(shè)置14條水平頂推油缸，行程1 000 mm，每個(gè)水平頂推油缸后端抵在橫向延伸的油缸支撐上。將油缸支撐放置于地面，其后方采用螺紋鋼作為反力支撐。螺紋鋼插入洞庫底板混凝土中，深度為20～25 cm，螺紋鋼與底板預(yù)留孔間隙不大于5 mm。每個(gè)水平頂推油缸配備螺紋鋼數(shù)量至少為2根，總數(shù)量不少于28根，以確保油缸支撐受力平衡，支撐時(shí)不會(huì)發(fā)生擺動(dòng)。臺(tái)車行走過程中，需配備至少10根行程為1 000 mm的油缸支撐，用于增加水平頂推油缸的有效頂推距離，以完成臺(tái)車10.5 m步進(jìn)行走。行走系統(tǒng)示意見圖9。

圖9 行走系統(tǒng)示意圖

2.6 混凝土澆筑系統(tǒng)

地下洞庫被覆混凝土澆筑應(yīng)按照左右對(duì)稱、由下向上、分層澆筑的工藝要求連續(xù)澆筑，一次成型。為提高混凝土澆筑質(zhì)量、避免出現(xiàn)冷縫，采用封閉式管路澆筑混凝土。管路預(yù)先布置在澆筑窗口內(nèi)，通過逐次變換與混凝土泵車連接的管路，滿足混凝土澆筑工藝要求。由于混凝土澆筑量巨大，為提高工效，兩側(cè)可分別設(shè)置1套獨(dú)立的澆筑管路同時(shí)澆筑混凝土，并嚴(yán)格控制澆筑速度和兩側(cè)混凝土的高度差?；炷翝仓苈凡贾萌鐖D10所示。

圖10 混凝土澆筑管路布置圖

混凝土澆筑系統(tǒng)采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)混凝土管路快速變換，其結(jié)構(gòu)主要包括主管路、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和分支管路。主管路前端接通泵車，后端接通旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；分支管路以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圓心為中心，環(huán)形布置，其前端對(duì)接伸縮機(jī)構(gòu)，后端放置于各個(gè)工作窗內(nèi)或接通拱部灌注管。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與伸縮機(jī)構(gòu)配套使用，是管路快速變換的核心部件。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，可回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；伸縮機(jī)構(gòu)采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，可伸縮滑動(dòng)，接口處使用管箍人工鎖緊。澆筑混凝土?xí)r，可根據(jù)工藝要求，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使伸縮機(jī)構(gòu)逐個(gè)與分支管路對(duì)接，隨后在泵送壓力下將混凝土注入模板艙內(nèi)。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接原理見圖11。

圖11 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接原理示意圖

巨跨地下洞庫二次襯砌混凝土澆筑時(shí)，拱頂中部約30 m寬度范圍的襯砌鋼筋設(shè)置較為密集(主筋最小凈距僅約120 mm)，導(dǎo)致混凝土澆筑期間送料、振搗難度極大，極不利于混凝土填充。為解決巨跨地下洞庫拱頂近水平段混凝土澆筑困難、易出現(xiàn)裂縫的難題，拱部采用矩陣布置多條灌注管，按照逐層澆筑的方法填充拱部混凝土。在拱頂近水平段內(nèi)，灌注管橫向間隔5±0.5 m，縱向間隔3±0.5 m，采用鋼管豎直焊接固定在襯砌主鋼筋上，灌注管下部按照分層澆筑要求與分支管路連接，連接方式見圖10。灌注管距拱頂20±2 cm，左右邊緣灌注管與中線灌注管高差為30～70 cm。

拱部灌注后，灌注管埋設(shè)在混凝土內(nèi)，不再取出，可減少對(duì)襯砌混凝土的破壞，同時(shí)可提高襯砌混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。拱頂灌注管布置見圖12。

(a)平面布置圖

2.7 混凝土振搗系統(tǒng)

被覆鋼筋較為密集，為提高混凝土的密實(shí)度，邊墻混凝土采用插入式振搗器搗固。插入式振搗器振搗應(yīng)遵循快插慢拔的原則，以減少帶入空氣而形成氣泡，影響混凝土密實(shí)度。由于拱部混凝土設(shè)計(jì)厚度較大，現(xiàn)有的附著式振搗器有效振搗深度難以滿足振搗施工需求，因而拱部混凝土采用免振搗的自密實(shí)混凝土，取消了拱部的配套振搗設(shè)備。

2.8 頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車受力分析

2.8.1 計(jì)算荷載

在洞庫襯砌澆筑過程中將涉及到以下荷載。

1)鋼筋混凝土自重a，取26 kN/m3。

2)支撐結(jié)構(gòu)荷載模板(定型鋼模板)自重b1，取0.8 kN/m2；模板及次龍骨自重b2，取1.1 kN/m2；模板及主龍骨自重b3，取1.3 kN/m2。

3)施工人員、機(jī)具荷載c，取2.5 kN/m2。

4)混凝土傾倒及振搗荷載d，取2 kN/m2。

5)支架自重e，取0.6 kN/m2。

計(jì)算模板支架及腳手架構(gòu)件承載力(抗彎、抗剪、穩(wěn)定性)時(shí)的荷載設(shè)計(jì)值，應(yīng)取其標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載的分項(xiàng)系數(shù)。其中，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.2，可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

2.8.2 材料物理特性

臺(tái)車模板系統(tǒng)所用材料物理特性如表2所示。

表2 臺(tái)車模板系統(tǒng)所用材料物理特性

2.8.3 模板計(jì)算

鋼模板按10 mm厚考慮，取1 m寬、2 m厚的混凝土作為計(jì)算單元，計(jì)算單元長度l=1 m，則混凝土最大自重荷載

a=26 kN/m3×2 m=52 kN/m2。

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值

q1=(a+b1)×l=52.8 kN/m。

設(shè)計(jì)值

q2=[1.2×(a+b1)+1.4×(c+d)]×l=69.7 kN/m。

模板按3跨連續(xù)梁計(jì)算，支撐跨徑L=250 mm。

1)強(qiáng)度驗(yàn)算：

Mmax=0.1×q2×L2=0.44 kN·m；

σ=Mmax/W=26.4 MPa

滿足要求。

2)撓度驗(yàn)算：計(jì)算跨徑即次龍骨凈距Lc按200 mm計(jì)算，則最大撓度值為

滿足要求。

2.8.4 次龍骨計(jì)算

按最不利情形考慮，對(duì)次龍骨進(jìn)行計(jì)算?；炷梁穸热?.0 m，最大支撐跨徑按1.2 m計(jì)算，次龍骨間距按0.2 m計(jì)算。則混凝土最大自重荷載

a=26 kN/m3×2 m=52 kN/m2。

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值

q1=(a+b2)×0.2 m=10.62 kN/m。

設(shè)計(jì)值

q2=[1.2×(a+b2)+1.4×(c+d)]×0.2 m=14 kN/m。

按3跨連續(xù)梁計(jì)算，支撐跨徑L=1 200 mm。

1)強(qiáng)度驗(yàn)算：

Mmax=0.1×q2×L2=2.0 kN·m；

σ=Mmax/W=50.4 MPa

滿足要求。

2)剪力驗(yàn)算：

Vmax=0.6×q2×L=10.1 kN；

τ=Vmax/A=7.9 MPa

滿足要求。

3)撓度驗(yàn)算：次龍骨凈跨度Lc為1 106 mm,最大容許撓度值=1 106 mm/250=4.4 mm，則最大撓度值

滿足要求。

2.8.5 主龍骨計(jì)算

為保證安全，跨徑0.9 m內(nèi)混凝土厚度均按2 m計(jì)算，主龍骨間距為1.2 m，則混凝土最大自重荷載

a=26 kN/m3×2 m=52 kN/m2。

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值

q1=(a+b3)×1.2 m=64 kN/m。

設(shè)計(jì)值

q2=[1.2×(a+b3)+1.4×(c+d)]×1.2 m=84.3 kN/m。

按3跨連續(xù)梁計(jì)算，支撐跨徑L=900 mm。

1)強(qiáng)度驗(yàn)算：

Mmax=0.1×q2×L2=6.8 kN·m；

σ=Mmax/W=37 MPa

滿足要求。

2)剪力驗(yàn)算：

Vmax=0.6×q2×L=45.5 kN。

工字鋼剪力主要分布在腹板上，可假設(shè)剪力由整個(gè)腹板承受，則

τ=Vmax/A=14.8 MPa

滿足要求。

3)撓度驗(yàn)算：

wmax=0.677q2L4/(100EI)=0.11 mm

滿足要求。

3 襯砌臺(tái)車施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝流程

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車用于巨跨洞庫被覆混凝土襯砌施工，其施工工藝流程控制要點(diǎn)主要包括臺(tái)車定位、被覆混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)和臺(tái)車行走。施工工藝流程如圖13所示。

圖13 施工工藝流程圖

3.2 臺(tái)車定位技術(shù)

1)臺(tái)車定位前，對(duì)所有盤扣支架進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容為盤扣支架的垂直度、水平桿扣接頭與連接盤的插銷松動(dòng)掉落等情況。

2)臺(tái)車行走定位依靠液壓油缸頂推滑行機(jī)構(gòu)。

3)臺(tái)車行走到位后，操作立柱頂端的螺旋千斤頂，共同將模板系統(tǒng)頂升至設(shè)計(jì)高度，再微調(diào)豎向盤扣支架頂端的頂托機(jī)構(gòu)，支撐模板體系的主龍骨，達(dá)到定位狀態(tài)。

3.3 被覆混凝土澆筑技術(shù)

1)混凝土澆筑順序。巨跨地下洞庫被覆混凝土澆筑采取先邊墻、后拱部的順序進(jìn)行組織施工，循環(huán)澆筑長度為10.3 m，按“對(duì)稱、平衡、同步”的原則進(jìn)行混凝土澆筑，確保支架均勻受力。為保證振搗密實(shí)、氣泡有效排除，采用分層方式進(jìn)行混凝土澆筑。

2)混凝土澆筑工藝?；炷翝仓捎?臺(tái)泵車左右對(duì)稱澆筑，每臺(tái)泵車配備3臺(tái)混凝土運(yùn)輸罐車，以保證混凝土泵送的連續(xù)性。澆筑時(shí)，安排專人檢查左右兩側(cè)窗口混凝土澆筑高度，高度應(yīng)基本保持一致，并控制高差在30 cm內(nèi)。

3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)

巨跨地下洞庫每循環(huán)澆筑混凝土具有體積大、矢跨比小、等強(qiáng)時(shí)間長、帶模養(yǎng)護(hù)久等特點(diǎn)。因此，以“跟蹤追養(yǎng)、蓄熱保溫、調(diào)節(jié)溫差、控制裂紋”為原則對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。安裝鋼筋時(shí)預(yù)埋冷卻降溫管路，根據(jù)溫度監(jiān)測系統(tǒng)測得養(yǎng)護(hù)溫度，并實(shí)時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)用水溫度，降低水泥水化熱對(duì)大體積混凝土澆筑帶來的干縮等影響，提高混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

混凝土拆模后，采用隧道拱頂自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)裝置(見圖14)對(duì)混凝土進(jìn)行噴淋保濕養(yǎng)護(hù)，并按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，混凝土芯部與表面、表面與環(huán)境溫差不大于20 ℃，養(yǎng)護(hù)用水與混凝土表面溫差不大于15 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

1—臺(tái)車模板；2—隧道拱頂；3—噴淋養(yǎng)護(hù)管；4—吊環(huán)；5—角鋼限位卡；6—電磁閥感應(yīng)器；7—加強(qiáng)環(huán)；8—水管接頭；9—襯砌臺(tái)車；10—液壓站；11—液壓油缸。

3.5 臺(tái)車脫模技術(shù)

被覆混凝土施工時(shí)，留取同條件養(yǎng)護(hù)試件，結(jié)合養(yǎng)護(hù)時(shí)間要求，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上時(shí)方可脫模。

脫模時(shí)，自兩側(cè)向中間逐步調(diào)節(jié)托座離開主龍骨，預(yù)留方鋼管立柱支撐模板體系。根據(jù)被覆結(jié)構(gòu)及支架變形監(jiān)測等指標(biāo)，確定是否縮回千斤頂活塞桿，然后通過千斤頂使模板體系整體下降離開混凝土表面，完成臺(tái)車脫模。

脫模過程中，螺旋千斤頂及托座縮回調(diào)節(jié)需結(jié)合變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行，當(dāng)支撐體系出現(xiàn)明顯變形、持續(xù)變形、變形速率增大的情況時(shí)，應(yīng)立即停止脫模，并通過反向調(diào)節(jié)螺旋千斤頂及托座進(jìn)行架體加固，待變形監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進(jìn)行脫模操作。

3.6 臺(tái)車行走技術(shù)

臺(tái)車底盤的后方設(shè)置14個(gè)水平頂推油缸。臺(tái)車行走前，根據(jù)水平頂推油缸安裝位置，在洞庫底板混凝土與油缸對(duì)應(yīng)位置鉆孔，并植入2根φ22 mm螺紋鋼作為反力架支撐。臺(tái)車行走時(shí)，每個(gè)水平頂推油缸后端支撐反力架，前端支撐于臺(tái)車底盤結(jié)構(gòu)，依靠液壓系統(tǒng)的同步性，確保油缸均勻受力，推動(dòng)整個(gè)臺(tái)車沿洞庫軸線向前滑動(dòng)行走。行走1個(gè)油缸行程后，活塞桿縮回，在油缸后端與反力架間增加行程墊塊，依次重復(fù)，行走至所需襯砌位置后即完成臺(tái)車行走。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

將頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車應(yīng)用于某巨跨超扁平地下洞室被覆施工中，在120 d內(nèi)完成了被覆施工任務(wù)。

4.1 脫模時(shí)間

巨跨地下洞庫被覆脫模時(shí)間主要結(jié)合規(guī)范要求、同條件養(yǎng)護(hù)試塊和端頭混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律綜合確定。

1)因巨跨洞室混凝土澆筑體量大、持續(xù)時(shí)間長，施工時(shí)需按照不同部位分別進(jìn)行試塊留樣。同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度記錄見表3。

表3 同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度記錄表

2)被覆端頭可視為不承重側(cè)墻，根據(jù)規(guī)范要求,當(dāng)混凝土強(qiáng)度≥2.5 MPa時(shí)方可拆除模板(一般在被覆澆筑完成12 h左右)。被覆端頭模板拆除后，由試驗(yàn)人員測回彈強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

表4 被覆端頭混凝土回彈強(qiáng)度記錄表

綜上分析,確定模板支撐體系脫模時(shí)間為澆筑后7 d，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%，滿足規(guī)范要求。

4.2 被覆施工效果

4.2.1 表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)

1)混凝土與模板充填飽滿，表面無松軟發(fā)泡層，表面密實(shí)、平整，無露石、漏筋、蜂窩等質(zhì)量缺陷；2)表面無體積大于50 cm3以上的氣泡，且體積大于6 cm3的氣泡不大于2%，滿足設(shè)計(jì)要求；3)表面無可見裂紋、明顯水紋及泌水現(xiàn)象；4)側(cè)面無空洞、麻面，混凝土表面凹進(jìn)小于5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 實(shí)體質(zhì)量評(píng)價(jià)

實(shí)體質(zhì)量檢測主要采用取芯法及地質(zhì)雷達(dá)法2種方法。取芯后切開斷面顯示：骨料分布均勻，無骨料堆積、漿骨分離、上下貫通氣孔、蜂窩等現(xiàn)象。拱墻襯砌取芯照片見圖15。

(a) (b)

地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場測線布置按照正拱頂1條、拱頂偏左右各1條、兩側(cè)拱腰各1條，單條測線長度為9 m。檢測參數(shù)：時(shí)窗范圍為100～150 ns，每次掃描采樣512個(gè)，掃描速率為120次/s?，F(xiàn)場檢測時(shí)，雷達(dá)天線緊貼于被覆表面，并沿測線勻速(1～3 km/h)連續(xù)滑動(dòng)，連續(xù)進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果顯示：被覆拱頂、拱頂左、拱頂右、左拱腰、右拱腰位置5段測線(共計(jì)45 m測線)范圍內(nèi)未見明顯空洞異常。

被覆厚度通過地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場測試獲得，結(jié)果見表5。

表5 被覆厚度檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知，襯砌無空洞、裂縫、不密實(shí)、滲漏水、止水帶偏位、施工縫壓潰、開裂掉塊等質(zhì)量缺陷問題，被覆混凝土實(shí)體厚度、密實(shí)度、鋼筋數(shù)量、保護(hù)層厚度均符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 臺(tái)車施工效果

1)本裝備與傳統(tǒng)腳手架施工工藝相比，實(shí)現(xiàn)了“只搭設(shè)一次，只拆卸一次”的目標(biāo)，減少了腳手架搭設(shè)、拆卸工序，有效縮短了工期，提高了施工質(zhì)量，具有工序合理、可控性高、操作簡便的特點(diǎn)。根據(jù)臺(tái)車門架系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，澆筑混凝土后，臺(tái)車門架系統(tǒng)未產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)安全的彈性變形，使用效果良好。

2)本裝備與傳統(tǒng)液壓襯砌臺(tái)車施工工藝相比，盤扣式支架搭建較為便捷，技術(shù)較為成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，所需設(shè)備配置較為常見，可通過租賃方式降低設(shè)備投入成本；同時(shí)，單件質(zhì)量輕，運(yùn)輸、安裝及拆卸方便，有利于現(xiàn)場組織施工；在洞庫、洞室等狹小空間內(nèi)用小型起吊設(shè)備即可輕松起吊并進(jìn)行搭設(shè)及拆除，無需投入大型起吊設(shè)備。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用傳統(tǒng)方案研制的鋼模襯砌臺(tái)車質(zhì)量約1 200 t，購置費(fèi)用約1 330萬元/臺(tái)，施工完成后廢舊鋼材按1 990元/t處置，殘值為238.8萬元，每臺(tái)臺(tái)車需要投入的成本為1 091.2萬元(不含安裝的人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出項(xiàng)目預(yù)算。

采用本文提出的襯砌臺(tái)車方案，盤扣支架租賃費(fèi)8萬元/月，按租賃4個(gè)月計(jì)算，其他鋼材購置費(fèi)60萬元～70萬元，材料成本合計(jì)約100萬元/臺(tái)。其他鋼材可重復(fù)利用，材料成本只需計(jì)算租賃盤扣支架的費(fèi)用，不超過30萬元。頂推滑行式盤扣支架襯砌臺(tái)車只需鋼材310 t左右，投入材料少，并且大部分由盤扣支架組成，可循環(huán)使用，有效減少了資源投入，避免了資源浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。

5 結(jié)論與討論

巨跨地下洞庫被覆施工裝備技術(shù)是隧道及地下工程領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)技術(shù)難題，被覆混凝土施工裝備體型巨大，拼裝、移動(dòng)、拆解、立模、脫模等均面臨巨大挑戰(zhàn)。本工程項(xiàng)目在保證施工安全的前提下，采用合適的施工裝備，合理配置施工資源，各工序協(xié)同推進(jìn)，保證了襯砌施工質(zhì)量，提高了施工效率，節(jié)約了項(xiàng)目成本。

1)頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺(tái)車行走、定位、澆筑、脫模等工序操作簡單，加工制造、現(xiàn)場組裝速度快，使用全過程安全可靠，施工效率高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度得以降低，滿足巨跨地下洞庫被覆施工需求，技術(shù)可靠、性能高。

2)巨跨地下洞庫被覆混凝土施工，采用盤扣式支架與門架立柱共同組成臺(tái)車門架系統(tǒng)，作為被覆混凝土澆筑過程中的主要承載體系，臺(tái)車門架系統(tǒng)強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)，各結(jié)構(gòu)部件未產(chǎn)生較大彈性變形。

3)臺(tái)車底盤系統(tǒng)依靠14個(gè)油缸水平頂推行走，可以保證整體推移過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)固不變形，對(duì)于控制盤扣式支架體系變形起到重要作用。通過控制14個(gè)水平頂推油缸伸縮行程量，可以準(zhǔn)確控制臺(tái)車行走偏移量，確保臺(tái)車定位精度及行走可靠。

4)門架立柱頂端布置的螺旋千斤頂和盤扣式支架上設(shè)置的可調(diào)頂托共同作用，保證了受力體系的可靠性。通過控制螺旋千斤頂及可調(diào)頂托的頂升量，消除了模板的局部變形，縮小了模板與上一循環(huán)搭接的縫隙，控制了2組襯砌接縫處錯(cuò)臺(tái)，是被覆襯砌質(zhì)量提升的關(guān)鍵。

巨跨地下洞庫被覆混凝土襯砌施工具有重大技術(shù)挑戰(zhàn)性，被覆跨度50 m以上洞庫的襯砌施工工藝、施工裝備等方面技術(shù)應(yīng)用案例較少，因此，澆筑控制措施及施工工藝、拆模時(shí)間及養(yǎng)護(hù)方式需進(jìn)一步明確，建議后續(xù)做進(jìn)一步研究；同時(shí)，需要進(jìn)一步深化研究液壓、電氣等自動(dòng)化施工裝備與控制技術(shù)、施工裝備的電液一體化及信息化技術(shù)，以提高襯砌裝備智能施工技術(shù)水平。