地鐵車輛段架梁機應用研究*

陳 明，侯國樹，鐘萬才，李志強，吳恩澤，王 生

(中鐵建工集團第五建設有限公司，廣東 廣州 511400)

1 工程概況

廣州地鐵11號線全長約44.2km，全部采用地下敷設方式，共設車站32座，赤沙車輛段1座，主變電站3座。11號線為廣州市中心環線，也是廣州地鐵首條環線，基本環繞廣州中心城區。全線僅設置1座車輛段，兼顧“車輛段+停車場”功能。赤沙車輛段總建筑面積約為36.2萬m2，雙層結構，地下部分高12m，地上高9m。基坑面積為13.67萬m2，寬約240m，長約750m,單層蓋板面積約17.1萬m2。

該工程采用裝配式結構的主要有縱梁、橫梁及小箱梁等預制構件，裝配式預制構件總片數8 802片，截面類型分為中縱梁、邊縱梁、箱梁，最大梁長18.37m，最大梁重為111.7t。裝配式結構如圖1所示。

圖1 裝配式結構

2 工況特點分析

地鐵車輛段在結構形式上因建筑功能需要，雙層雙向均存在跨度和方向上的變化，且無法統一，與傳統的線性橋梁或預制構件工況存在很大差異。同時車輛段預制梁體架設明顯有別于交通工程。

1)車輛段雙層縱橫雙向不均勻，不同于交通工程中線狀施工，而是變為縱橫向面狀施工。

2)工程預制裝配結構實為疊合結構，疊合層施工作業前，已架設好的預制構件不能承受施工荷載，給設備站位帶來極大的干擾。

3)存在大量現澆作業，如立柱、疊合層、濕接縫等，裝配式架梁與現澆作業交叉頻繁，架梁裝備與塔式起重機等非機動運輸設備存在平面位置上的沖突。

3 現有常規設備分析

本工程工況條件比較復雜，給現有設備選型帶來較大困難，國內現有架設工裝設備較難適配，具體分析如下。

3.1 C形吊

C形吊在國內處于研究和試生產階段，設備具有常規架橋機的基礎性能，為房建類裝配預制構件而設計，具有自重輕、移動方便的特點，如圖2所示。

圖2 C形吊設備

但該設備并不適用于本工程，主要原因為：①底板高差達1.7m，板面高低不平，C形吊無法行走；②C形吊在國內目前暫無使用先例，對設備吊裝的穩定性無法做出判斷；③此設備經現場簡易試驗及測算，使用頻次過多，經濟性較差。

3.2 雙懸臂一體式架梁機

雙懸臂一體式架梁機常規用于預制場或梁場的構件運輸，其在固定軌道上或固定路線內移動，少數工況條件下也用于預制構件的起吊架設，如圖3所示。

圖3 雙懸臂一體式架梁機

此類設備存在懸臂吊梁，起重量受限，無法有效起吊重型梁構件，此外設備支腿數量有限，單個支腿載荷過大，超出工程結構所允許的限值。

3.3 踩橋墩導梁機設備

踩橋墩導梁機設備常用于線性工程，如橋梁梁體的架設，設備其自身結構呈長線型，移動走形亦呈線形。此類設備所應用的工況條件與本工程較為相近，如圖4所示。

圖4 橋墩導梁機架設

此類設備可縱向架設預制構件，移動速度較快，但本工程難以適用，原因在于本工程梁柱節點上有預埋鋼筋，且縱橫梁之間鋼筋交錯，此類設備無法有效站位。此外，立柱分布不規則，間距不均，對此類設備的支腿調整存在諸多限制，整體架設效率降低。

經綜合分析和評估，國內成熟的架設機械皆不適應本工程的復雜工況，因此須重新研發一種可應用于本工程的架設機械。

4 架設設備研究分析

4.1 平面架梁方式

本工程裝配式預制構件架設為“面”狀工況，架梁是一個平面，運梁方向相對較固定，這會導致運梁方向和架梁方向呈垂直狀態。因此，要求設備吊具帶回轉功能。而常規架橋機為“線性”架梁，運梁方向與架梁方向在同一條線上，采用雙小車共同抬吊的方式帶梁通過，只有單個小車的起重量(約100t)會通過主梁跨中，且小車吊具不具備回轉功能，不能很好適應縱橫雙向工況的架設。

4.2 整機走形動作

本工程工況中除所需的設備存在橫向和縱向移動需求，設備移動走形過程中需過臺階、跨鏤空帶以及上基坑等。因此需要新型設備所有的支腿都帶有走形輪組，且為了避讓基坑內各種立柱以及不規則區域等，支腿走形輪組不僅輪組本身需帶有轉向功能，車架也需帶有轉向功能。過鏤空帶以及從1層結構到2層結構需要設備具有自頂升功能。

而常規架橋機(如200t架橋機)，因為只需沿縱向過孔，雖然也有4條支腿，但是支腿本身的功能比較少，可能存在單個支撐腿帶有驅動，但更多支腿只起支撐作用。常規架橋機的支腿也只能小范圍伸縮調整，不具備大伸縮的功能。

4.3 設備跨度

因本工程預制箱梁設計要求疊合層澆筑完成形成整體后，設備才允許站位，而梁柱節點的澆筑需要四周的預制箱梁架設完成。此外，結合澆筑與架設的工期安排，采取一次架設2列預制箱梁方式。因此所需設備本身需跨3列預制箱梁，而箱梁的列寬長短不一，最大達69m，常規狀態下需達到66m。

常規架橋機整機最長為53～68m，實際有效跨度支撐為20～33m。而根據建筑結構尺寸，所需設備的整機長度約為76m，實際跨度至少達到66m，遠遠大于常規橋機的跨度。從理論上，跨度大小對設備主梁的質量影響比起重量影響更大。因此，雖然整機長度相差不大，但是該設備的主梁質量要遠大于常規架橋機的主梁質量。

4.4 設備高度

設備高度應主要考慮工程的結構高度、預制梁片高度、運梁車高度、吊具高度及安全距離，需超過塔式起重機的高度。基坑內存在塔式起重機，最低有效降低高度為17.3m。綜合以上因素，設備的最低起升高度為20m。

4.5 設備起重量

常規架橋機額定起重量在200t左右，所需設備的最大起重量為111.7t，起重系統初步可滿足要求。

4.6 設備吊具

常規小車吊具不具備回轉功能，吊具長度2～3m。因為是雙小車抬吊，吊具本身不需帶調平功能。而本工程所需設備的小車吊具需帶有回轉功能，且因是單吊點，其吊具長度必須與梁片長度方向保持匹配，達到15m以上，且吊具本身還需帶有橫向和縱向調平功能。因此所需設備的吊具質量遠遠大于常規架橋機的質量，對所需設備主梁的影響進一步增大。

4.7 設備支腿質量

常規架橋機的多數支腿高度為4～5m，其最長的前輔助支腿高度也不到9m，且多數支腿只起到支撐作用，支腿底部不帶輪組。

所需設備的架梁機需站位在結構下層來架設上層梁片，并且所需設備需要通過基坑內塔式起重機，因此所需設備架梁及各支腿的整體高度應至少維持在20m以上，且支腿下方帶有輪組。

由于梁片承載力的限制，各支腿的輪組數量應相應增加，分散輪組受力，因此各支腿的承重要遠大于常規架橋機的支腿質量。單個箱梁承重最大為50t，單個支腿最大承重為200t，根據架梁設備結構形式，需要架梁設備具有荷載分擔的功能，不能使單個支腿的荷載過大。因此支腿設計有1套液壓裝置來分擔荷載。

綜上，所需設備的結構尺寸、性能參數與常規架橋機相比，所需設備功能和整機的長度、跨度、起升高度以及寬度等方面都有較高要求。綜合評估，吸收門式起重機和架橋機的優點，在常規架橋機的基礎上進行改進研發可行。

5 新型設備研發

經過綜合研究，最終針對該工程研制出新型橋門式起重架梁設備——八支腿四向行走自頂升架梁機，如圖5所示。

圖5 新型架梁機設備

新型設備主要由起重小車、主梁、支腿等部件組成。

1)起重小車 起重小車帶旋轉吊具，小車具有橫移功能。

2)主梁 采用桁架結構，承載性能較常規架橋機提升1倍。

3)支腿 設有4個支腿，帶伸縮功能，前支腿和中支腿能夠沿主梁方向移動，4個支腿都帶有走行輪。前支腿和中支腿為驅動輪，前輔助支腿和后支腿為從動輪，可解決雙層跨越問題。

4)大車 大車采用輪胎式，車架帶旋轉功能，解決縱橫向雙向移動問題。

新型架設設備工作如圖6所示。其主要工作原理為：①4條支腿可避免設備站在同一層面，解決設備支腿所占列的箱梁架設問題。②支腿收縮功能 4條支腿中的2條支腿自由收縮轉換，可解決高低差和過坑問題。③支腿升高功能 2條支腿自由升高，可解決雙層架設問題。④自動轉向輪胎 配備自動轉向架式機輪，可解決橫向縱向移動問題。

圖6 新型架梁機設備工作

6 應用效果分析

新型架梁機設備已成功生產，并且投入到廣州地鐵11號線赤沙車輛段工程中使用。新型架梁機整機重459t，最大起重量120t，最大起身高度20m，小車縱移速率空載時0～20m/min(重載時0～10m/min)，小車橫移速率空載時0～6m/min(重載時0～3m/min)，整機行走速率空載時0～5m/min。從使用情況看，新式架梁機較好地實現了橫向和縱向移動行走和整機上下升降的需求，對面狀裝配式結構施工有較好的適用性。新型架梁機設備屬于新式設備，在設計和生產制造上選擇更為輕便的桁架結構，用鋼量更節省，與常規架梁機相比在技術經濟性上有一定優勢，如表1所示。

表1 新式架梁機與常規架梁機技術分析

7 結語

地鐵裝配式車輛段結構為一種新型結構形式，傳統建設方式和常規架梁設備不適用于此種新型結構形式。根據應用工程的實際工況特征，對適用于此類裝配式結構形式的機械設備進行了研究，從設備需求、關鍵部件、關鍵參數進行了詳細分析，研制出一種新型架梁機設備，并取得了較好的應用效果。