玉磨鐵路隧道整體配套移動棧橋仰拱施工技術(shù)研究

陳秦瀧 王慶建 崔光耀

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，南寧 530000）

目前隧道施工制約進(jìn)度的瓶頸主要是仰拱施工，仰拱施工保證了隧道封閉成環(huán)［1-2］和施工安全。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，仰拱施工一般采取簡易施工棧橋，只有行車功能，兩邊無任何防護(hù)，仰拱下作業(yè)人員有一定安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，仰拱施工現(xiàn)均要求定型鋼模板澆筑混凝土，兩邊的仰拱弧形模板和中心水溝模板常規(guī)采取挖機(jī)和裝載機(jī)進(jìn)行配合吊裝定位關(guān)模，吊裝模板時(shí)，其他車輛無法從棧橋通過，且模板定位還需大量的人員和定位鋼筋，無形中增加投入。此外，人工關(guān)模常容易出現(xiàn)定位不精確或跑偏、跑?，F(xiàn)象，嚴(yán)重影響混凝土外觀質(zhì)量［3-8］。隧道仰拱施工質(zhì)量將嚴(yán)重影響隧道使用［9］，傳統(tǒng)的自行式仰拱棧橋設(shè)備操作復(fù)雜［10］，為有效提高隧道仰拱施工效率和質(zhì)量，減少工序相互干擾，玉磨鐵路隧道采用新型仰拱施工技術(shù)進(jìn)行仰拱施作。

本文通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了一種整體配套移動棧橋設(shè)備，該技術(shù)不僅有效解決了棧橋移動和施工工序相互干擾的問題，且實(shí)現(xiàn)了仰拱快速施工、中心水溝和填充混凝土澆筑。該棧橋結(jié)構(gòu)安全可靠、移動方便、定位關(guān)模快速、節(jié)約勞動力、物力和機(jī)械使用、效果良好。本文研究可為隧道仰拱施工提供有力技術(shù)支持。

1 整體配套移動棧橋結(jié)構(gòu)原理

隧道整體配套移動棧橋是集行車、仰拱弧形邊模板、仰拱端頭模板、中心水溝模板為一體的自行式的施工仰拱棧橋。該棧橋特點(diǎn)是仰拱填充施作效率高、一次性成型、混凝土外觀質(zhì)量好，止水帶安裝順直。

該棧橋主要由單車道棧橋鋼結(jié)構(gòu)主體、前后引橋、仰拱弧形模板及支撐、仰拱端頭模板、中心水溝模板、履帶式行走系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)、混凝土梭槽、止水帶定位器等組成，如圖1所示。棧橋主體采取型鋼拼焊、橋面鋪焊防滑鋼板，仰拱弧形模板通過伸縮液壓油缸定位；中心水溝采用伸縮式定型模板，方便脫模；端頭采用提升式定型模板；行走為履帶式系統(tǒng)，可360°旋轉(zhuǎn)。

圖1 整體配套移動棧橋結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）整體配套移動棧橋由單車道橋身、前后引橋、仰拱弧形模板及支撐、仰拱端頭模板、中心水溝模板、履帶式行走系統(tǒng)、混凝土振動梁、液壓升降系統(tǒng)、混凝土梭槽、止水帶定位器等組成。棧橋總重約55 t，總長30 m，主體結(jié)構(gòu)長20 m，前引橋6.5 m，后引橋3.5 m，采取I 400 拼焊、橋面總寬3.4 m，單邊橋面1.2 m，中間間隔1 m，鋪焊6 mm 防滑鋼板，橋面縱梁和橫穿梁采用I 400 焊接。前行走為履帶式系統(tǒng)，稱重能力達(dá)50 t，可360°旋轉(zhuǎn)。該移動棧橋技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)表

（2）整體配套移動棧橋能滿足工地提供的斷面行車要求，其主要組成部分有：

①橋身：直接承載著輪胎踏面，是棧橋的主要受力部件，由優(yōu)質(zhì)鋼材拼焊而成。

②前引橋后端：通過銷子鉸接在橋身上，前引橋前端搭接在虛碴路面上，形成坡度過渡虛碴路面和棧橋踏面的高度差，前引橋和橋身支腿間有油缸連接。

③后引橋前端：通過銷子鉸接在橋身上，后引橋后端搭接在混凝土路面上形成坡度過渡混凝土路面和棧橋踏面的高度差，后引橋和橋身間有油缸連接。

④行走系統(tǒng)：采用的50 t 履帶式液壓驅(qū)動行走，行走動力為液壓頂進(jìn)。棧橋通車狀態(tài)下履帶式驅(qū)動行走不受力。從動行走機(jī)構(gòu)采用注膠鋼輪。棧橋移動前，需收起仰拱弧形模板、中心水溝模板、端頭模板、引橋。

⑤液壓系統(tǒng)：由電機(jī)、柱塞油泵、多路閥、前引橋起升油缸、后橋起升油缸移、前坡橋起升油缸、后坡橋起升油缸、管路和輔件組成，主要為棧橋的行走和前后橋升降提供動力，完成棧橋的移動功能。

⑥仰拱弧形模板：通過伸縮液壓油缸定位，絲桿輔助固定。

⑦中心水溝：采用有倒角的倒梯形的定型模板，方便脫模。

⑧端頭：采用提升式定型模板。

（3）整體配套移動棧橋通過多組連接組件完成連接，主要包括：

①支架：包括水平梁、第一斜梁和第二斜梁；水平梁沿橫橋向設(shè)置，且一端與棧橋主體的護(hù)欄相連接，第一斜梁兩端分別與主橋和水平梁連接，第二斜梁兩端分別與水平梁和第一斜梁連接。

②多根連接桿，設(shè)置于支架和仰拱弧形模板之間，連接桿兩端分別與支架和仰拱弧形模板鉸接。

3 整體配套移動棧橋受力驗(yàn)算

3.1 設(shè)計(jì)概況

本棧橋?yàn)樗淼朗┕ざO(shè)計(jì)，是隧道施工過程中襯砌仰拱施工的同時(shí)保證隧道內(nèi)施工車輛正常通行的專用設(shè)備，在隧道快速施工中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

棧橋安裝調(diào)試完畢后，整個(gè)棧橋依靠主梁兩端支撐座傳力到預(yù)先灌注好的仰拱底面和前端開挖面上。設(shè)計(jì)該仰拱棧橋適用于玉磨鐵路仰拱襯砌，棧橋形成道寬3 400 mm，仰拱襯砌長12 m，棧橋通過渣土車按照50 t 計(jì)算。履帶自行式移動棧橋前后支點(diǎn)的中心距離為20 m，當(dāng)車輛通過棧橋時(shí)，主梁為主要受力部件，因此只需對主梁進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2 主梁強(qiáng)度校核

主梁是棧橋的主要受力部件，在其最大受力狀態(tài)其需要承受的重量包括：（1）允許通過最大車輛重量P=50 t；（2）主梁本身總重量G=55 t；其中：載荷P 簡化為集中載荷，集中載荷F=50 t；載荷G 簡化為均布載荷，均布載荷集度q=b／L=55／20=2.75 t／m，L 為針梁受力模型兩支點(diǎn)間距離（m）。

當(dāng)允許通過的最重車輛（載荷G）處于棧橋主梁中間時(shí)，棧橋?yàn)樽畲笫芰顟B(tài)，其受力簡圖和彎矩圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 主梁受力簡圖

圖3 主梁受力彎矩圖

從圖3可以看出，主梁最大彎矩發(fā)生在主梁的中間部位，此截面也就是主梁的危險(xiǎn)截面。由主梁彎矩圖可知，此位置彎矩為主梁的最大彎矩：Mmax=13 276 kN·m。假設(shè)主梁截面為等截面梁，計(jì)算得其抗彎系數(shù)W=90 667 cm3。則此截面的彎曲應(yīng)力應(yīng)為：σ=Mmax／W=10.5×106／90 667=115.81 MPa

主梁所用材料為Q235，其極限應(yīng)力σs=235 MPa，取其安全系數(shù)ns=1.8，則其許用應(yīng)力［σ］=σs／ns=130 MPa。所以σ＜ ［σ］。

綜上，主梁是滿足強(qiáng)度要求的。

4.3 橫梁端板連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算

假設(shè)橫梁橫向設(shè)計(jì)為四榀橫梁連接成為一個(gè)整體，每個(gè)端部共設(shè)計(jì)有12 個(gè)M20 螺栓，棧橋承受集中載荷為50 t，均分到每個(gè)螺栓上承受的剪切力為：T=50／12／4=1.04 t。

假設(shè)螺栓殘余預(yù)緊力系數(shù)K=1.6，螺栓機(jī)械性能等級為8.8 級，螺栓相對剛度λ=0.25，則螺栓屈服強(qiáng)度σs=640 MPa，取安全系數(shù)Ss1=3，則螺栓許用應(yīng)力 ［σ］=213MPa。螺栓承受總載荷：F0=10.4×（1.6+1）=27.1 kN，螺栓計(jì)算應(yīng)力：σp=55.00 MPa，校核計(jì)算結(jié)果：σ≤［σ］，滿足要求。應(yīng)選用的螺栓：螺栓公稱尺寸為M20。經(jīng)過上述計(jì)算，螺栓強(qiáng)度完全能夠滿足使用要求。

5 施工工藝

5.1 施工操作要點(diǎn)

（1）必須設(shè)專人指揮，操作人員必須聽從指揮，不得擅自進(jìn)行升降或行走操作。

（2）主橋頂升前必須先收起前后引橋，引橋離地高度0.1 m 左右，不要將油缸全部收回。

（3）主橋頂升時(shí)必須緩慢進(jìn)行，保證水溝模板中心線與行走輪中心線基本重合才能頂升，頂升過程中必須保證橋面基本水平。

（4）主橋頂升高度不要過高，墊梁離地不得超過0.15 m，行走時(shí)不要反復(fù)點(diǎn)動。

（5）主橋下降時(shí)必須緩慢進(jìn)行，下降過程中必須保證橋面基本水平，頂升油缸不要全部收回，行走輪離鋼軌50 cm 即可。

（6）行走到工作位置后橋面要保持基本水平，行走輪必須高鋼軌頂面5 cm 以上。

（7）每次油缸操作完畢后立即停止油泵，以防止誤操作和油溫過高。

（8）運(yùn)行中，如果突然發(fā)生故障，應(yīng)采取措施將主橋固定，然后切斷電源進(jìn)行修理。

（9）工作狀態(tài)時(shí)后墊梁與已襯砌邊線必須保持0.5 m 的安全距離，開挖時(shí)必須保證與前墊梁邊線保持1 m 的安全距離。

5.2 施工工藝要點(diǎn)

棧橋定位要通過中心水溝模板初步確定棧橋定位，然后通過微調(diào)，確定中線。兩邊弧形模板可根據(jù)實(shí)際情況由油缸進(jìn)行調(diào)整。

混凝土澆筑要做到分層澆筑，仰拱施工時(shí)高邊墻弧形模板和仰拱腹模進(jìn)行關(guān)模澆筑仰拱混凝土，初凝后，腹模和弧形模板提升，繼續(xù)澆筑填充混凝土。

整體配套移動棧橋仰拱施工需成立專業(yè)仰拱施工班組。班組施工作業(yè)人員組成如表2所示。

表2 施工作業(yè)組織表

6 工藝成本控制

仰拱施工1組以12 m為例，工序?qū)嶋H施工約42 h。整體配套移動棧橋施工工序如表3所示。

表3 施工工序?qū)Ρ缺?/p>

由表3可知，整體配套移動棧橋節(jié)約人力10 人，節(jié)約工序時(shí)間約18 h。整體配套移動棧橋通過節(jié)約人力，縮短工序時(shí)間降低成本，且日常保養(yǎng)材料消耗較少，但存在自動化程度不高，一次性投入過大的問題。

7 結(jié)論

本文研發(fā)了一種整體配套移動棧橋，該棧橋不僅解決了棧橋移動和施工工序相互干擾的問題，而且滿足快速施工仰拱、中心水溝和填充混凝土澆筑的要求。經(jīng)驗(yàn)算，整體配套移動棧橋結(jié)構(gòu)安全可靠、移動方便、定位關(guān)模快速、節(jié)約勞動力、物力和機(jī)械使用、效果良好。