大跨度變截面襯砌臺車設計制造與應用

1、大跨度變截面襯砌臺車設計 、制造與應用戴保民 ,陳炳祥 ,趙勝利(中鐵十六局集團三公司 ,浙江 湖州 313000)摘 要 : 通過旗號嶺隧道大跨度變截面混凝土襯砌施工 ,介紹變截面襯砌臺車的設計 、制造與應用 ,主要涉及到大跨變截面襯砌臺車方案設計 ,拱形整體門架技術 ;附著式拱架技術 ; 雙大梁結構技術 ; 萬能桿件等綜合技術的應用和襯砌臺 車工程使用效果等 。關鍵詞 : 大跨度變截面襯砌臺車 ;方案設計 ;制造 ;應用 ;效果渝懷鐵路第二十二標段旗號嶺隧道中心里程為 dk348 + 670.5 ,隧道全長 4545m ,進口段 dk346 + 398 + 770 長 372m 按預留復

2、線設計為燕尾式隧道 ,其中洞口段 dk346 + 398 + 750 為 352m 的 大跨段 ,隧道開挖寬度由 12. 44m 變化到 20. 04m ,二襯凈寬從 10.9m 變化至 17. 18m ,共有 12 個變化斷面 ,寬度變化幅度為 6. 28m ,是渝懷鐵路全線開挖寬度最大 、變化截 面 最 多 的 隧 道 之 一 。設 計 、制造既能滿足二次襯砌斷面變化要求 ,又能做到操作方便 ,經 濟合理 ,剛度和穩(wěn)定性滿足使用要求的襯砌臺車 ,是保證大跨段 二次襯砌施工質量的核心關鍵技術 。1 襯砌臺車方案設計1. 1 襯砌結構設計技術參數(shù)旗號嶺隧道大跨段進口 dk346 + 398 +

3、 442. 27 長 44. 27m 位 于直線段內 ,其它 307. 73m 地段位于半徑 1200m 的緩和曲線和圓 曲線上 ,襯砌設計為電化鐵路車站隧道復合式曲墻襯砌 ,由半徑分別為 r1 、r2 、r3 的 5 弧段組成 ,如圖 1 所示 。拱頂混凝土厚度從5080cm 作相應的變化 ,其斷面尺寸變化見表 1 。1. 2 襯砌臺車方案設計由于大跨隧道二襯斷面尺寸變化頻繁 , 幅度大 , 使得襯砌臺 車的設計難度很大 ,襯砌臺車方案滿足特定條件是 :(1) 襯砌臺車使用方便 ,能縮短襯砌循環(huán)時間 ,加快襯砌速度 ; (2) 襯砌臺車進行不同斷面轉換 ,更換部件工作量少 ,方便快捷 ;(3

4、) 襯砌臺車剛度和穩(wěn)定性在泵送混凝土條件下多次循環(huán)使 用不變形 ;(4) 襯砌臺車制造 、安裝成本低 ,經濟實用 。顯然采用大模板全自動液壓襯砌臺車是很難滿足上述四個條件 。通過分析 、論證 、比 較 , 采 用 自 行 式 簡 易 襯 砌 臺 車 方 案 設 計 。臺車計 長 度 8. 4m , 利 用 加 油 站 利 用 厚 4mm 的 鋼 板 加 工 成1200mm 300mm 組合鋼模板 。臺車關鍵構造采用拱形整體門架 技術 、附著式拱架技術 、雙大梁結構技術及可自由拆裝組合的萬能桿件等技術來滿足臺車特定需要 。臺車構造示意圖見圖 2 。表 1 大跨段襯砌斷面尺寸變化明細表dk346

5、+398420420 470 480 500 530 560 590 620 650 690 710尺寸470480500530560590620650690710750r 1 (cm) r 2 (cm) r 3 (cm) h (cm)b (cm)52053453456358262466772378085187995059159159159165365365365365365365365365765765765761061061061061061061061080981381382283084285587188890991793810901110111011501198125813181398

6、14781578161817181. 2. 1 拱形整體門架的設計為適應大跨段不對稱加寬及臺車整體橫向移動的需要 ,并且 同時滿足大跨度臺車拱頂約 10000kn 壓力的要求 ,在門架的設計上改以往常用的框架式門架為拱形整體門架 ,拱形整體門架最大的特點是剛度大 ,整體穩(wěn)定性好 。門架由 8 榀拱架組成 ,每榀拱架 用 20 槽鋼組焊成高 60cm 的雙層桁架 ,加 12mm 厚的鋼板組焊成5 結論(1) 導管水下灌注法要求砼拌合物具有很高的流動性 、粘聚 性 、保水性 、抗?jié)B性等 ,據(jù)此 ,砼拌合物的水灰比 、粗細骨料的級配以及配合比應作相應的調整 。(2) 依據(jù)經驗公式能較準確地計算出砼拌

7、合物的配合比 ,此 配合比應進行配合比試驗 ,根據(jù)變化情況相應調整砼配合比參參考文獻地質普通砼配合比設計技術規(guī)定(j gj 55 - 81) s 1 北京 :中國建筑工業(yè)出版社 ,1995 .楊興堂. 砼配合比設計計算科學性與理論性的探討j . 西部探礦工 程 ,2002 .基礎工程施工與管理m. 北京 :地質礦產部教育司.123型 。拱形門架共分 5 段 ,各段之間用高強螺栓連接 。每榀拱架用菱形米字撐和圍帶進行縱向連接 ,構成若干個三角不變體 ,使臺 車的縱向結構更趨合理 ,使支撐系統(tǒng)與拱架模板系統(tǒng)的連接始終控制在理想的受力范圍 。經過理論計算 ,泵送混凝土條件下拱型整體門架的強度 、剛度

8、 、穩(wěn)定性滿足跨度為 18m ,拱頂厚 1. 2m 混 凝土襯砌需要 (安全系數(shù)取 2. 5) 。臺車的設計上采用了更換附著式拱架的方案 ,附著式拱架是將大半徑的拱架做成帶槽式附著面的拱桁架 ,與原有拱桁架采用銷孔 定位 ,螺栓連接 ,達到加寬后拱部抬高 、弧線曲率與設計一致的目的 。通過計算 ,整個大跨段僅需 4 榀附著式拱架就可將 r1 弧段在加寬過程中產生的曲率誤差消除在允許范圍之內 。附著式拱 架每榀重 120kg 左右 ,在加寬的過程中更換較為方便 。圖 3 滑槽 、扁擔梁示意圖r1 段弧拱架的加寬采用加寬塊和滑槽的方式 ,加寬塊寬度分別為 20cm、60cm、100cm、140cm

9、 ,整個加寬過程共需 10 塊 ,加寬 塊用鋼板制作 ,高強螺栓連接 。滑槽用 20 槽鋼加工 , 水平固定在拱型門架上 ,槽口向上 ,槽口內放入用 16 槽鋼對焊成的扁擔 梁 ,滑槽與扁擔梁用 24u 型卡固定 ,如圖 3 所示 。拆掉 u 型卡 ,用千斤頂進行扁擔梁的水平移動 ,配合加寬塊達到對 r1 弧段拱 架加寬的目的 。r1 弧段拱架的抬高采用通過雙耳座固定在扁擔梁和拱型 門架上的可調絲桿完成 ,雙耳座與扁擔梁用 24u 型卡固定 ,與r1 弧段拱架鉸接 ,可調絲桿用 200 和 160 圓鋼加工成螺母 、螺 桿 。(2) r2 、r3 弧段拱架的設計 。r2 、r3 弧段在臺車加寬

10、過程中需 要變換一次半徑 ,采用更換附著式拱架解決半徑的變化 。圖 1 大跨段二砌內輪廓斷面圖圖 2 臺車構造示意圖1 、整體拱形門架 ;2 、下弦桿 ;3 、斜撐 ;4 、r1 弧拱架 ;5 、附著式拱架 ;6 、加寬塊 ;7 、可調絲桿 ;8 、滑槽和扁擔梁 ;9 、小立柱 ;10 、r2 弧拱架 ;11 、萬能桿件 ;12 、r3 弧拱架 ;13 、雙大梁 ;14 、行走輪 ;15 、球形支座 ;16 、下弦桿支撐小立柱 ;17 、圍帶 ;18 、枕木圖 4 萬能桿件構造示意圖1. 2. 2 拱架的設計由于襯砌斷面的半徑尺寸不斷發(fā)生變化 ,要求 r1 弧段尺寸 發(fā)生相應變化 , 設計上為

11、滿足隧道襯砌的結構尺寸 , 將 r1 、r2 、r3弧段分別進行特殊設計 。(1) r1 弧段的處理 。基本上每個襯砌斷面的 r1 數(shù)值均在變 化 ,變化范圍從 520950cm ,拱頂抬高 1. 29m。設計上采用附著 式拱架 、加寬塊和加寬滑槽 、絲桿調節(jié)等方式滿足臺車尺寸變化 的需要 。方法如下 :r1 弧段拱架為 16 槽鋼和角鋼組成的桁架結構 ,在抬高和加寬的過程中 ,由于曲率的變化造成加寬和抬高后的拱架與設計1. 2. 3 萬能桿件的設計為滿足襯砌斷面變化的需要 ,對 r2 、r3 弧段小范圍的加寬采 用萬能桿件技術 ,萬能桿件用壁厚 8mm 的 108 無縫鋼管加工而成 ,螺桿行

12、程 600mm ,螺距 8mm ,共計 112 根 。萬能桿件結構如圖4 ,為使臺車模板系統(tǒng)荷載均衡傳遞到門架系統(tǒng) ,聯(lián)系絲桿采用三 角支撐法 。1. 2. 4 r2 、r3 弧段加寬設計r2 、r3 弧段加寬幅度較小時 ,可以由萬能桿件完成 ,當加寬幅 度較大時 ,受剛度和穩(wěn)定性限制 ,采用拱形整體門架加寬設計方案 ,見圖 5 。1. 2. 5 雙大梁及臺車的行走機構為適應臺車整體橫向移動的需要和滿足大跨拱頂 10000kn正壓力的要求 ,臺車底縱梁采用支撐較大荷載的雙大梁結構 ,大 梁用 18mm 厚鋼板組焊而成 ,大梁底部采用單邊雙道軌支撐 , 見圖 6 。行走系統(tǒng)采用 4 組 4 輪組

13、共 16 個 輪 行 走 , 其 中 驅 動 輪 4只 ,從動輪 12 只 ,設計 6 極低速電機 2 臺 ,功率 10kw ,通過電路設 置電機正反轉 ,達到自動行走的目的 。蝸輪蝸桿減速器速比 1 40 ,行走速度 10m/ min ,爬坡能力 2 % 。2 襯砌臺車的制作和組裝2. 1 襯砌臺車制作臺車大梁為 18mm 厚 鋼 板 組 焊 件 , 下 料 采 用 直 線 切 割 機 下 料 ,然后校正 ,大梁的底板及兩豎板采用雙面焊 ,中間筋板對角雙面焊 , 焊 接 時 2 人 同 時 對 稱 焊 接 , 制 成 后 的 大 梁 底 面 撓 度20mm ;門架制作前在工作平臺上放大樣制成

14、模具 ,模具必須放 線準確一致 ,所用連接板孔距誤差 1mm1 ; 拱架加工均為型材冷彎制作而成 ,在工作平臺上準確放樣制成模具加工 。2. 2 襯砌臺車組裝臺車組裝分以下步驟進行 :(1) 鋪設軌道 ,要求左右軌道標高 、間距符合要求 ,然后放置 行走輪 ;(2) 安裝雙大梁 ,要求兩雙大梁水平且對角線一致 ;(3) 將門架吊起安裝在大梁上 ,調垂直后用螺栓與大梁連接 緊固 。起吊前對門架在地面進行預拼裝 ; 緊固門架所有螺栓 ,安裝上小立柱及滑輪 、扁擔梁 ;圖 5 拱形整體門架加寬步驟圖臺車在整個大跨段襯砌的施工過程中充分體現(xiàn)出了操作簡便 ,有較好的強度 、剛度 、穩(wěn)定性和經濟實惠的特點

15、 。臺車首次組 裝時用吊車吊裝拱形整體門架和底縱梁 , 用手拉葫蘆吊裝小型構件 ,整個臺車組裝用時 48h ;施工過程中更換萬能桿件 8 次 ,每次更換時間都在 24h 以內 ; 拱形整體門架在 dk346 + 620 處加寬 一次用時 36h 。二襯過程中平均每 3 天一個循環(huán) ,且從未出現(xiàn)過跑?，F(xiàn)象 。施工過的二襯弧線圓順 、板面平整無錯臺 ,提高了襯 砌速度 ,確保了襯砌質量的優(yōu)良 。因大跨段 307. 73m 位于半徑1200m 的緩和曲線和圓曲線上 ,曲線上的每段變截面襯砌長度從 曲線內側向曲線外側逐漸增長 ,最大長度差值為 40cm ,本臺車模板設計時未考慮該長度差 ,施工時在曲線上的每段變截面中的 最后一組襯砌堵頭板的加工和安裝工序上較費時間 , 建議在大跨曲線隧道臺車模板的設計上考慮曲線的影響 。圖 6 行走機構示意圖(4) 上拱頂可調絲桿 ,安裝 r1 弧拱架 ,上拱調平 ,臺車中線與隧道中線一致 ,