全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)研制技術(shù)

1、全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)研制技術(shù) 摘要全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)主要由主橋、前后坡橋、走行機(jī)構(gòu)、主橋總成、墊梁、仰拱模板系統(tǒng)、中心水溝模板等通過鉸接、高強(qiáng)度螺栓集成為一體非標(biāo)施工設(shè)備，通過結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)論評(píng)定穩(wěn)定性。同時(shí)以不同地質(zhì)條件、襯砌類型、工藝工況等為科研載體，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)優(yōu)化和完善，對(duì)該設(shè)備在施工組織管理、操作使用及質(zhì)量通病預(yù)防、故障診斷及維修保養(yǎng)、混凝土施工工藝等方面深入研究。 關(guān)鍵詞全自動(dòng)；棧橋式仰拱移動(dòng)模架；穩(wěn)定性計(jì)算；研究 基金：交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目管理中心（2013 315 q03 080） 1.研究背景 從隧道施工技術(shù)的發(fā)展艱辛歷程回望，我國(guó)隧道機(jī)

2、械施工從上世紀(jì)80年代逐步興起到至今，所形成了多種機(jī)械化施工成套技術(shù)和設(shè)備配套模式分析，超前支護(hù)的c6鉆機(jī)、地質(zhì)鉆孔機(jī)，掌子面開挖的機(jī)械挖掘機(jī)、懸臂掘進(jìn)機(jī)、銑挖機(jī)、tbm等，拱墻襯砌整體模板臺(tái)車，以及各種噴錨、灌注、裝卸、型材加工等機(jī)械設(shè)備配置相對(duì)成熟和完善，在功效、進(jìn)度、質(zhì)量、安全控制等已經(jīng)取得了巨大的成果。但是隧道仰拱施工設(shè)備的研究相對(duì)較為落后，對(duì)于全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)的研究與應(yīng)用方面做得較少。很多單位和項(xiàng)目所研制移動(dòng)棧橋存在穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)單一、靈活性不足、操作復(fù)雜、行走和定位困難、效率較低等問題，在使用過程中，對(duì)異形結(jié)構(gòu)的仰拱襯砌模板、中心水溝模板定位控制難，仰拱襯砌和填充

3、混澆、混凝土形體難以控制、澆筑時(shí)間長(zhǎng)，無法適應(yīng)各種工況和地質(zhì)條件、施工質(zhì)量病害多。在使用過程中始終難以保證仰拱施工安全質(zhì)量、進(jìn)度、行車安全、與掌子面平行作業(yè)等問題。 全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)是在類似棧橋的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和優(yōu)化，增加了液壓自行裝置、前后左右移動(dòng)機(jī)構(gòu)、人行道及警示標(biāo)識(shí)等裝置和自動(dòng)功能，解決了隧道仰拱襯砌、仰拱填充、中心水溝施工質(zhì)量難以控制的情況下，并確保安全步距控制和過往行車安全通行條件。 2.總體結(jié)構(gòu)及功能介紹 由中交隧道局所承建的滬昆鐵路客運(yùn)專線貴州段ckgztj-3標(biāo)全長(zhǎng)52.968km，其中隧道31座/38.917km，隧道比為73.5%。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，充分

4、利用標(biāo)段內(nèi)隧道長(zhǎng)、多、難、圍巖類型多、地質(zhì)復(fù)雜、不同工藝工況等特點(diǎn)為科研載體，研發(fā)全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)。該設(shè)備主要由走行機(jī)構(gòu)、主橋總成、前后橋板總成、液電系統(tǒng)、仰拱模板（支撐定位、收模機(jī)構(gòu)）、中心水溝模板等通過鉸接、高強(qiáng)度螺栓連接為一體，用于隧道仰拱襯砌和填充施工的自行式液壓棧橋式移動(dòng)模架設(shè)備。該設(shè)備在隧道仰拱施工過程中，以保證車輛正常通行、仰拱襯砌、仰拱填充、中心水溝一次性襯砌施工同步進(jìn)行。 表1 全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)構(gòu)造主要名稱和技術(shù)參數(shù)表 序號(hào) 結(jié)構(gòu)名稱 主要參數(shù) 序號(hào) 結(jié)構(gòu)名稱 主要參數(shù) 1 主橋長(zhǎng) 19m 12 前后橋提升油缸行程 350mm 2 前（后）

5、橋長(zhǎng) 8.4m 13 仰拱模板提升行程 500mm 3 前（后）橋坡比 15% 14 棧橋移動(dòng)速度 8m/min 4 仰拱有效作業(yè)長(zhǎng)度 0-12m 15 棧橋重量 55.93t 5 主橋行車寬度 3.584m 16 仰拱模板系統(tǒng)重 15t 6 輪組橫向中心距 5.1m 17 中間水溝模板重 3t 7 輪徑（鋼制橡膠外圈） 400mm 18 總重量 73.93t 8 墊梁橫向中心距 3944mm 19 行走電機(jī)功率 64kw 9 整橋允許通過的最大動(dòng)載荷 55t 20 整機(jī)配電功率 24kw 10 中橋有效作業(yè)空間 2m 21 動(dòng)載系數(shù) 1.4 11 中橋頂升油缸行程 300mm 22 車輛通行

6、速度 12公里/小時(shí) 3.細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明 3.1 主橋總成 主橋總成共由4組花架梁、10組橋面連接而成?；芰翰捎?6mm鋼板拼焊工字型結(jié)構(gòu)梁、工36b#、14#鋼拼焊而成；考慮安裝、運(yùn)輸?shù)纫蛩?，梁體中心處設(shè)一處分模，由高強(qiáng)螺栓密布連接；橋面采用12mm花紋鋼板、工36b#、14#鋼、槽36b#鋼拼焊而成，以1m為單元形成框架梁結(jié)構(gòu)；橋面與主橋連接形式除了受剪切力方向的豎向連接，采用高強(qiáng)度螺栓連接形式，另外增加橋面與主橋連接處牛腿結(jié)構(gòu)，形成小橫擔(dān)梁，采用普通六角頭螺栓連接形式，進(jìn)一步加強(qiáng)和保證此處連接的可靠性、安全性。 3.2走行機(jī)構(gòu) 共由六組主動(dòng)走行機(jī)構(gòu)和兩組從動(dòng)走行機(jī)構(gòu)組成，輪組均采用高

7、性能耐磨橡膠材料，8組走行機(jī)構(gòu)采用6組驅(qū)動(dòng)。其中兩端四組主動(dòng)走行機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)整機(jī)前后自行位移，中間一組主動(dòng)走行機(jī)構(gòu)與主橋之間的連桿為鉸接銷連接，可進(jìn)行垂直平面的自由折疊。另設(shè)兩組從動(dòng)輪組作輔助。在走行機(jī)構(gòu)與主橋連桿之間同時(shí)設(shè)有旋轉(zhuǎn)裝置和定位裝置。 3.3前后橋板總成 前后橋板總成相對(duì)整機(jī)中心處完全對(duì)稱，采用15%的坡度，使其施工重載車輛順利通過。主要采用工20b#和槽10#鋼拼焊而成，與主橋連接形式為60鉸接銷連接。理想狀態(tài)下，前后橋板與主橋之間的組裝間隙、錯(cuò)臺(tái)誤差均小于10mm。前后橋橋面寬3.3m，橋面兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)起吊點(diǎn)；前后吊臂采用工20b#和槽10#鋼拼焊而成，與花架梁采取螺栓連接形

8、式；在前后吊臂與前后橋板起吊點(diǎn)的垂直位置，設(shè)置提升油缸完成前后橋板的起升與降落動(dòng)作。在前后橋板的下方分別設(shè)置支撐，進(jìn)一步縮短該橋板承載過程中的力臂，提高安穩(wěn)性。 3.4液電系統(tǒng) 整機(jī)液電系統(tǒng)主要由兩組液電操縱臺(tái)，油箱容量分別為180l，額定壓力16mpa，16個(gè)油缸包括：8個(gè)主橋升降油缸、4個(gè)前后橋板提升油缸、4個(gè)仰拱模板油缸，及若干油管組成，左右對(duì)稱。電氣部分主要由六組3t電動(dòng)跑車裝置和六組驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，液壓操縱臺(tái)同時(shí)為電源控制人口，要求統(tǒng)一指揮，協(xié)調(diào)操縱。 3.5仰拱模板、支撐定位、收模機(jī)構(gòu) 按照隧道斷面仰拱尺寸設(shè)計(jì)，外側(cè)半徑r2.2m向隧道中線方向過渡至r17.2m，弧長(zhǎng)2.62m，縱向

9、12m長(zhǎng)，由2m6塊組成。模板沿隧道中線左右對(duì)稱，采用油缸支撐、收模，雙頭絲杠剛性支撐。 在主橋上設(shè)置側(cè)翼支架，單側(cè)7組共14組，與仰拱模板之間采用雙頭絲杠剛性支撐。在主橋上設(shè)置懸臂梁，單側(cè)兩處共4處，可根據(jù)襯砌循環(huán)所需要的長(zhǎng)度尺寸，自由換位與主橋連接。懸臂梁與仰拱模板之間采用3t電動(dòng)跑車、雙耳式提升油缸及模板通聯(lián)連接為一體。輪胎采用特制大半徑鋼輪，就位后定位采用液壓油缸行程加全站儀測(cè)量精確定位。 3.6中心水溝模板 主要由縱梁、橫擔(dān)梁、平模板及支撐絲杠組成。采用主橋底部懸掛兩組3t電動(dòng)跑車結(jié)構(gòu)形式，配套設(shè)置雙頭絲杠。平模板單塊設(shè)計(jì)尺寸為1.5m1.291m，縱向長(zhǎng)度為1.5m8組12米，左右

10、對(duì)稱。與橫擔(dān)梁之間采用單孔鉸銷連接形式。 4.穩(wěn)定性分析 移動(dòng)棧橋是隧道施工中架設(shè)在仰拱上方的臨時(shí)便橋，主要作用是保證仰拱施工時(shí)，其他工序作業(yè)仍可有序進(jìn)行（主要是大型車輛可自由通過全幅仰拱施工段），必須保證移動(dòng)棧橋安全可靠。針對(duì)全自動(dòng)液壓棧橋式仰拱移動(dòng)模架一體機(jī)整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范和路橋施工計(jì)算手冊(cè)等規(guī)范，采用有限元軟件abaqus對(duì)該移動(dòng)棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算。 4.1計(jì)算參數(shù) 通過棧橋車輛荷載按50t混凝土攪拌運(yùn)輸車考慮，混凝土攪拌運(yùn)輸車重軸（后軸）單側(cè)為4輪，單輪寬30cm，雙輪橫向凈距10cm，單個(gè)車輪著地面積=0.20.3m2。兩后軸間距135cm，左側(cè)后雙輪與右側(cè)后雙輪

11、距190cm。車總寬為250cm。混凝土攪拌運(yùn)輸車前軸重p1=100kn，后軸重p2=400kn。荷載圖示如下圖： 活載橫向示意圖（圖中尺寸cm） 設(shè)計(jì)通車能力按車輛限重50t，限速12km/h，按通過棧橋車輛為50t混凝土攪拌運(yùn)輸車滿載時(shí)考慮，后軸按400kn計(jì)算，載重車輛技術(shù)參數(shù)如表2所示。 車輛載荷沖擊動(dòng)載系數(shù)為1.3，車輛制動(dòng)力按一輛重車的30%計(jì)算，車輛對(duì)支腿的橫向偏移力按一輛重車的10%計(jì)算。 表2 載重車輛技術(shù)參數(shù) 總重量 （kn） 前軸重 （kn） 后軸重（kn） 軸距（m） 輪距（m） 前后輪著地寬度 及長(zhǎng)度（m） 外形尺寸（m） 500 100 400 1.35 1.3 1

12、.9 0.3 4.2 計(jì)算依據(jù) 主要計(jì)算依據(jù)為： 移動(dòng)棧橋布置圖、 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（jtg d60-2004）、公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（jtj041-2000）、路橋施工計(jì)算手冊(cè)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （gb50017-2003）。 4.3荷載分析 移動(dòng)棧橋的工況有兩種：工況1 是車輛位于主桁架跨中并偏載時(shí)，主梁桁架承受的荷載。工況2是車輛位于前支腿上并偏載時(shí)，支腿所承受的荷載。驗(yàn)算棧橋強(qiáng)度時(shí)需乘以車輛運(yùn)行的沖擊系數(shù)，驗(yàn)算剛度時(shí)無需施加動(dòng)載系數(shù)。 移動(dòng)棧橋受到的荷載為：自身重力、載重車輛對(duì)移動(dòng)棧橋的輪壓荷載、制動(dòng)力及車輛對(duì)支腿的橫向偏移力。其中，移動(dòng)棧橋的自身重力由軟件自行設(shè)置，重力加速度取9.

13、8m/s2。采用abaqus 中的耦合約束命令，將移動(dòng)棧橋受到前后輪壓的受力區(qū)域進(jìn)行耦合，然后將輪壓施加在參考點(diǎn)上。 4.4分析結(jié)論 采用abaqus 軟件對(duì)施工長(zhǎng)度19m的移動(dòng)棧橋主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力強(qiáng)度校核，模型采取三維整體建模方式，桿件以梁?jiǎn)卧幚?。?jì)算模型中沒有建立載重車輛，其對(duì)移動(dòng)棧橋的輪壓作用以載荷的形式施加到移動(dòng)棧橋結(jié)構(gòu)模型上，由此計(jì)算出該移動(dòng)棧橋主體結(jié)構(gòu)的整體變形以及各桿件應(yīng)力的分布情況。通過提取并分析計(jì)算結(jié)果得出，移動(dòng)棧橋各桿件的最大mises 應(yīng)力值在桿件材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，主梁上下弦桿的撓度最大值在規(guī)范允許撓度范圍之內(nèi)。由此表明設(shè)計(jì)的移動(dòng)棧橋主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性

14、均符合規(guī)定要求，可以滿足工程需要。 5.施工技術(shù)內(nèi)容 全自動(dòng)仰拱液壓棧橋式移動(dòng)模架涉及到的專業(yè)較多，主要包括有隧道仰拱施工、機(jī)電控制和液壓控制系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，從單方面的土建工作入手有一定局限性，必須要加強(qiáng)機(jī)械和電器工程方面的專業(yè)人員參與，針對(duì)涉及到各專業(yè)方面進(jìn)一步研究和優(yōu)化，充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，并培養(yǎng)專業(yè)人才，對(duì)棧橋操作、液電系統(tǒng)維修保養(yǎng)工作和機(jī)械故障處理、隧道工程施工工藝和實(shí)施組織、施工過程中常規(guī)問題的處理應(yīng)對(duì)、關(guān)鍵工序控制等方面培養(yǎng)專業(yè)、綜合性技術(shù)工人。 通過在滬昆客專貴州段3標(biāo)棟梁坡隧道、報(bào)信山隧道、上寨隧道、長(zhǎng)灘隧道工藝試驗(yàn)過程中，從棧橋開始組裝、行走、施工工藝、拆卸等方

15、面進(jìn)一步深入研究，通過對(duì)棧橋在現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)過程中對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、施工工藝過程控制、關(guān)鍵工藝工序等方面全面分析和完善總結(jié)，并從研制、混凝土施工技術(shù)、工藝工法、操作和使用技術(shù)、故障診斷及維修保養(yǎng)技術(shù)、長(zhǎng)大隧道施工組織管理技術(shù)等方面進(jìn)行研究。 6.結(jié)論 通過近3年的科技研究和技術(shù)攻關(guān)，充分利用滬昆貴州項(xiàng)目隧道長(zhǎng)、多、難、圍巖襯砌類型多、工程地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)為科研載體，研究在不同地質(zhì)、襯砌類型、工藝工況條件下，通過對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)研制、現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)研究、各部（構(gòu)）件改進(jìn)和方案優(yōu)化、技術(shù)總結(jié)，通過在多座隧道工藝性試驗(yàn)和推廣應(yīng)用，取得了良好的成果，解決了隧道仰拱襯砌、仰拱填充、中心水溝的質(zhì)量控制以及安全步距控制和過往行車安全通行等問題，進(jìn)一步提高隧道仰拱施工關(guān)鍵配套設(shè)備和加強(qiáng)施工組織的管理能力，進(jìn)一步確保隧道仰拱施工安全質(zhì)量和安全步距、長(zhǎng)大隧道工期控制、提高經(jīng)濟(jì)效益、提升施工機(jī)械化水平。 【參考文獻(xiàn)】 1中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)2010241號(hào) 高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南s.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010. 2中華人民共和國(guó)鐵道部.tb10753-2010 高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)s .北京