高速鐵路隧道仰拱全工序履帶式棧橋設計與應用

薛江松， 李金鵬

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450003； 2. 石家莊鐵道大學， 河北 石家莊 050043)

0 引言

高速鐵路隧道仰拱襯砌采取全幅施工，仰拱弧型面一次成型，縱向不留施工縫，仰拱與仰拱回填分層澆筑。仰拱襯砌配套工藝工裝是影響隧道仰拱施工質量、進度、成本的關鍵因素，研制新型仰拱棧橋，集成仰拱襯砌機械化施工裝備，對于保證仰拱襯砌質量、提高仰拱施工效率、降低仰拱施工成本具有重要意義。

針對高速鐵路隧道仰拱施工裝備，國內外學者已有較多研究。文獻[1]中設計的新型組合弧形鋼模板解決了仰拱與邊墻一次澆筑成型的問題； 文獻[2]中設計的簡易棧橋解決了仰拱施工區域車輛正常通行的問題； 文獻[3]中設計的加長型仰拱棧橋減少了仰拱模板的立模時間； 文獻[4-6]中設計的自行式仰拱棧橋和下掛式仰拱模板，解決了整車移動以及模板定位、脫模機械化作業； 文獻[7-8]以鐵路隧道仰拱機械化施工資源配置情況為例，定量分析了隧道施工安全、進度、質量和經濟等指標，認為隧道仰拱機械化配套施工具有良好的經濟性。上述研究解決了隧道施工車輛正常通過仰拱施工區域的問題，但當前、后行走路面高差大以及路況環境差時，棧橋移動難問題尚未得到很好解決，且仰拱施工輔助工裝機械化程度低，仰拱模板和中心水溝模板移動及定位依靠人工實現，導致模板定位精度低、仰拱襯砌縱向直線度誤差大，嚴重影響仰拱施工質量。

本文根據高速鐵路隧道仰拱施工要求，研制出新型仰拱施工裝備，將棧橋底部分成3個有效作業區域，每個作業區域設計了獨立、操作性強的施工裝備，采用四桿機構和液壓系統，將仰拱模板懸掛在棧橋兩側，設計縱向梁，提高模板直線度，并采用液壓履帶行走機構，解決了仰拱模板定位精度差和棧橋行走機構難以適應隧道仰拱施工惡劣工況的問題。

1 研究背景

1.1 工程概況

鄭萬(鄭州—萬州)高鐵是聯系西南地區和中原地區的主要客運快速通道，線路自鄭州經平頂山、南陽、鄧州、襄陽至重慶萬州，全長約785 km。向家灣隧道位于湖北興山至巴東北區間，中心起始里程為DK584+091.62，全長4 663.24 m，最大埋深為1 025 m。隧道設計為14‰和30‰的單面上坡，屬Ⅰ級高風險低瓦斯隧道(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比分別為35%、56%、9%)，采用鉆爆法大型機械化配套施工。隧道地質主要以灰巖、碳質頁巖為主，巖層中—強風化，節理裂隙相對發育，地質情況復雜，施工安全風險高。

1.2 仰拱全工序履帶式棧橋設計要求

針對向家灣隧道進口施工組織特點，在保證設備基本功能的前提下，需要對棧橋性能進一步優化，主要內容如下。

1)棧橋行走驅動部分?？紤]到前端行走路面為平整度極差的仰拱初期支護面，后端行走路面為仰拱回填面，需滿足前、后端行走路面標高不同的要求，而且整車要移動快速、性能穩定、操作簡便，無其他設備輔助，一人即可完成整車的移動。

2)根據隧道仰拱施工組織安排，仰拱基底清理、鋼筋綁扎、仰拱襯砌、仰拱回填等仰拱全工序作業時間與前端掌子面開挖全工序進度同步(Ⅳ級圍巖施工進度為8 m/d)。

3)根據隧道仰拱施工要求，仰拱襯砌采取全幅施工，兩側弧型面與底部拱形一次成型。為提高施工效率，仰拱模板的定位和移動必須具備操作方便、定位快速準確的特點，同時為保證施工質量，仰拱模板采用的連接方式需能避免主橋上車輛通行引起振動。

2 仰拱全工序履帶式棧橋系統設計

2.1 棧橋的結構組成

根據向家灣隧道施工組織要求，結合隧道斷面圖，棧橋主結構采用貝雷梁的設計技術[4]，保證施工車輛正常通行，橋面車輛通過區域寬度設計為3.6 m，橋面設計額定載荷為50 t。棧橋總長51.6 m，其結構組成見圖1。

圖1 棧橋整體結構圖(單位： mm)

2.2 棧橋的主橋設計

傳統高速鐵路隧道仰拱施工工藝流程如下： 測量放線(分段、高程控制、中線控制)—清底—棧橋就位—施作初期支護(或找平)—鋼筋綁扎—立模(安裝縱向止水帶)—澆灌仰拱混凝土—填充堵頭立模、中心水溝安裝、橫向排水管安裝—填充混凝土強度達到2.5 MPa后脫?！B護—混凝土達到設計強度—移動仰拱棧橋進行下一循環施工[3]。各工序需要在同一區域按照工藝流程逐步實施。為提高施工效率，該棧橋主橋有效工作長度設計為36 m，分3個作業區域，其中： 第1個作業區域為基礎底面清理、鋼筋綁扎工作區； 第2個作業區域為仰拱襯砌、仰拱回填工作區；第3作業區域為仰拱養護工作區?？紤]主橋前、后端搭接長度不小于1 m，預留行走機構安裝空間，主橋設計總長為42.8 m，采用工字鋼拼接成貝雷梁結構，主橋梁身高度為2.3 m。

2.3 棧橋前、后坡橋的設計

前坡橋是橋面行車道與仰拱開挖面之間的過渡部件，后坡橋是橋面行車道與仰拱回填面之間的過渡部件。前、后坡橋與行車道之間采用鉸接方式連接，通過2根液壓油缸驅動，實現坡橋的起升和降落，為保證車輛正常通行，考慮車輛重載爬坡能力，結合鋼結構尺寸，前坡橋設計坡度為19%，后坡橋設計坡度為16%[6]。

為保證前坡橋提升系統性能的穩定，結構和驅動部分的設計是重點。設計考慮將坡橋升降油缸設置在坡橋底部，油缸鉸接機構耳板中心孔采用50 mm長孔[7]，油缸通過一聯換向閥控制，主油路高壓油液經過一個液壓鎖，然后通過三通分流，分別流入2根升降油缸，解決了前坡橋起升后，底部可操作空間小，不容易清理坡橋下部虛碴的問題，實現了坡橋和坡橋油缸長期處于浮動狀態，可防止虛碴面回填不密實、液壓系統流量差異導致坡橋油缸損壞的問題。經過改進后的坡橋結構見圖2，在油缸定位長度不改變的情況下，坡橋前端可實現200 mm的上下浮動(見圖2中狀態1和狀態3比較)； 改變油缸定位長度，坡橋下端可提供3 900 mm高的作業空間(見圖2狀態2)。

圖2 棧橋前坡橋結構圖(單位：mm)

2.4 棧橋驅動系統的設計

棧橋驅動系統是棧橋的核心部件，其功能的穩定性、安全性、可操作性是評價棧橋設備性能的關鍵技術指標。國內近幾年研制出了不同形式的棧橋驅動方式，主要有4種，每種驅動方式的優缺點見表1。

表1 國內幾種棧橋驅動方式優缺點對比

根據表1的對比分析，為提高仰拱施工效率，棧橋驅動采用液壓履帶，履帶與主橋間通過鉸接銷連接，采用旋轉芯盤，實現履帶360°旋轉，可有效調整棧橋行走過程中產生的左右偏差。履帶的主要參數如下： 液壓系統流量設計為32 L/min，行走速度為5 m/min，驅動馬達轉矩為60 000 N·m，額定載荷為50 t[9]。

2.5 棧橋仰拱襯砌系統的設計

為實現仰拱全幅一次成型和仰拱模板快速、準確定位，棧橋仰拱襯砌系統設計思路是將仰拱模板與主橋加工成整體[7]，通過主橋兩側設置連桿機構，采用可調節支撐絲桿連接主架與仰拱模板，實現圖3所示的平行四邊形仰拱模板支撐系統。在該平行四邊形對角線上設計模板提升油缸，通過改變油缸長度和調整仰拱模板支撐系統平行四邊形對角線長度，實現仰拱模板相對位置的改變，最終依靠油缸液壓鎖穩定模板支撐體系，實現仰拱模板的定位和脫模[10]。改進后的仰拱模板支撐系統具體結構見圖3，圖中左側為模板定位狀態，支撐絲桿長度分別為1 259 mm和1 884 mm，模板提升油缸長度為1 200 mm； 右側為模板脫模狀態，支撐絲桿長度分別為1 071 mm和1 882 mm，模板提升油缸長度為800 mm。通過改變支撐絲桿1和提升油缸的長度，實現仰拱模板的精準定位和脫模，脫模空間離已襯砌仰拱面最小距離為211 mm。

圖3 仰拱模板定位、脫模狀態圖(單位： mm)

Fig. 3 State diagram of invert formwork locating and demoulding(unit： mm)

2.6 棧橋輔助工裝的設計

為提高環、縱向仰拱止水帶的安裝質量，棧橋采用4 mm厚輕質鋼板，按照仰拱弧度設計了雙層弧形仰拱鋼堵頭板，實現環向止水帶精確定位； 通過縱向梁附加夾具的結構形式，配合1 t緊線器，可提高縱向止水帶的直線度，保證止水帶的安裝質量[11]。

為提高仰拱回填的施工速度，將仰拱回填堵頭模板和中心水溝模板都設計成整體結構，采用液壓油缸驅動，實現模板快速定位及脫模。在對中心水溝結構設計時，為保證水溝整體脫模，其截面加工成具有一定拔模角度的梯形截面，具體結構見圖4。

1—止水帶夾具； 2—模板支撐體； 3—仰拱回填堵頭板； 4—中心水溝模板； 5—仰拱堵頭板； 6—仰拱模板。

圖4 Ⅳ級圍巖仰拱襯砌正視圖(單位： mm)

Fig. 4 Front view of invert lining in Grade Ⅳ surrounding rock(unit： mm)

2.7 棧橋主要部件強度校核

主橋是棧橋主要承力部件，考慮主橋兩側懸掛仰拱模板，主橋必須具備足夠的強度和剛度。因此，必須對主梁的抗彎性能和撓度進行校核，整車三維模型見圖5。

圖5 棧橋三維模型圖

2.7.1 主橋受力分析

分析主梁在不同工況條件下的受力狀態，其承受的外力包括： 1)載荷1， 棧橋允許通過最大車輛質量為50 t； 2)載荷2， 主梁自重G=70 t。其中： 載荷1簡化為集中載荷，集中載荷F1=500 kN； 載荷2簡化為均布載荷，均布載荷集度q=G/L=18 kN /m，L為主梁受力模型兩支點間距離，取為39 m。

當載荷1運行至主梁前、后支撐中間點時，主梁該處產生的彎矩最大。最大彎矩Mmax=F1×L/2+q×L2/8=13 172 kN·m， 其受力簡圖見圖6。

圖6 主梁受力圖(單位： mm)

2.7.2 主橋強度校核

假設主梁截面為等截面梁，主梁剖面見圖7。通過核算，該截面的抗彎系數W=105 248.1 cm3。

圖7 主梁剖視圖

主梁危險截面在最大彎矩作用下的應力σ=Mmax/W=125.15 MPa。主梁所用材料為Q235，其極限應力σs=235 MPa，取其安全系數ns=1.8，則其許用應力[σ]=σs/ns=131 MPa[12]。主梁危險截面應力小于主梁材料的許用應力，主梁的強度滿足要求。

2.7.3 主橋剛度校核

主梁簡化為簡支梁，在均布荷載和集中載荷共同作用下，最大撓度在前、后端支撐點中心位置，擾度計算公式[13]為：

Ymax=5qL4/(384EI)+ 8FL3/(384EI)。

(1)

式中：Ymax為梁跨中的最大撓度，mm；q為均布線荷載標準值，取為18 kN/m；E為鋼的彈性模量，對于工程用結構鋼取為210 000 N/mm2；I為主梁的截面慣矩，取為1.1×1011mm4；L為主梁支撐點間距，取為39 m；F為集中荷載，取為500 kN。

將相關數據帶入式(1)，得Ymax=50 mm。根據鋼結構設計規范，梁的擾度必須小于L/400=97.5 mm，計算梁的撓度為50 mm，主梁的剛度滿足要求。

2.8 棧橋的主要參數

根據對全工序履帶式棧橋的系統設計和對重要部件強度、剛度的校核，最終確定棧橋的主要技術參數，見表2。

表2棧橋主要技術參數

Table 2 Main technical parameters of full process crawler-type invert trestle

項目 參數 整車外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)51 600×13 000×5 130工作長度/m36額定載荷/t50行車道寬/mm3 600前、后坡橋坡度19%、16%模板脫模方式液壓式棧橋移動方式液壓履帶式整車自重/t96

3 仰拱全工序履帶式棧橋現場應用

3.1 仰拱施工工藝

向家灣隧道采用鉆爆法加強型機械化全斷面施工工法，本棧橋主要針對Ⅳ級圍巖施工，仰拱清底后，棧橋移動就位，棧橋底部3個作業區域同步作業。

3.1.1 仰拱鋼筋綁扎

根據仰拱施作長度(12 m)，提前把仰拱鋼筋采用擠壓套筒連接至設計仰拱長度，鋼筋搭接長度符合設計要求； 通過仰拱弧形模板和初期支護的間隙，把仰拱鋼筋放置在仰拱初期支護上，按照設計要求，分層綁扎鋼筋[14]。

3.1.2 仰拱弧形模板定位，堵頭板、止水帶安裝

通過操作液壓油缸控制手柄，按照圖3所示仰拱模板定位尺寸，結合測量放樣，確定仰拱模板位置，使仰拱模板準確定位。模板前后采用定制工裝，通過精軋螺紋鋼專用螺母將模板固定，防止模板上下浮動(現場加固照片見圖8)，然后將油缸、支撐絲桿銷軸拆除，防止車輛通行產生的振動影響仰拱襯砌質量。利用雙層弧形仰拱鋼堵頭板，實現環向止水帶精確定位。利用縱向止水帶夾具，調整夾具水平長度，配合1 t緊線器，實現縱向止水帶平直安裝。

圖8 仰拱模板端部的固定方式

3.1.3 仰拱混凝土澆筑

混凝土罐車行至棧橋上，采用梭槽澆筑混凝土。底部仰拱采取分片分層澆筑，采用插入式振搗器，加強混凝土振搗攤鋪。仰拱模板底部混凝土的澆筑順序為先從中間模板上的泵送口壓入混凝土再從仰拱兩側口壓入混凝土，采用附著式平板振動器振搗?；炷翝仓俣炔灰颂?，澆筑速度不超過30 m3/h。

3.1.4 立仰拱回填堵頭模板和中心水溝模板

通過操作液壓油缸控制手柄，將仰拱回填堵頭模板與中心水溝同時定位，人工調整模板位置，保證模板與仰拱端部對齊，避免仰拱與仰拱回填端面有較大錯臺。

3.1.5 仰拱混凝土養護

為加快混凝土強度增長，保證棧橋移動前后端行走區域混凝土強度達到5 MPa以上，要求混凝土澆筑完成后立即開展養護工作，仰拱表面及時使用土工布或草墊覆蓋，避免行車過程中的雜物掉落至回填混凝土內，根據隧道空氣溫度和濕度及時噴水養護。

3.1.6 仰拱施工工藝流程

仰拱施工每道工序需要的人員、材料、施工機械按照鐵路隧道施工定額進行配置，3個作業區域具體工作內容及工序循環時間見圖9。

3.2 棧橋施工現場使用情況

仰拱全工序履帶式棧橋應用在鄭萬高鐵湖北段9標向家灣隧道進口施工現場，整體性能達到前期設定的目標要求，滿足仰拱施工要求。現場應用照片見圖10。

3.3 仰拱施工質量

保證仰拱模板直線度誤差和定位精度是控制仰拱襯砌質量的關鍵。相對于普通仰拱棧橋襯砌模板難以精確定位、容易跑模和施工質量難以保證，導致后續隧道拱墻襯砌臺車搭接困難、縱向施工縫錯臺嚴重的問題，全工序仰拱棧橋配置的仰拱模板整體剛度好，模板組裝完成后直線度誤差小，且采用液壓油缸輔助定位，定位精度高，避免了上述問題，并能使混凝土達到內實外美的效果，仰拱堵頭板封堵牢固，止水帶安裝位置符合設計規范，能避免澆筑時止水帶變形(形成波浪形)影響隧道防水效果的問題[15]。

圖9 仰拱施工工序及其時間統計圖

(a) 棧橋后端(b) 棧橋全景(c) 仰拱模板(d) 仰拱端部堵頭板

圖10現場應用照片

Fig. 10 Site application photos of full process crawler-type invert trestle

3.4 仰拱施工經濟效益分析

3.4.1 仰拱施工進度分析

根據向家灣隧道每延米成洞仰拱施工情況，套用相關定額計算工日及能源消耗。普通仰拱棧橋為單工序作業，與全工序仰拱棧橋施工進度對比見表3。

從表3統計數據可知： 不同機械配置下每延米仰拱施工循環時間分別為5.5 h和3 h，完成12 m仰拱全工序作業時間分別為66 h和36 h。對比2種施工組織模式，普通機械化仰拱棧橋施工時仰拱混凝土養護時間不足，嚴重影響仰拱質量； 采用仰拱全工序履帶式棧橋，不僅保證了仰拱襯砌質量，而且節約30 h仰拱施工關鍵路線工序時間，效率提高了45.5%。

表3 12 m仰拱施工進度

3.4.2 仰拱施工成本分析

按照隧道總長4 663 m對設備采購價進行分攤，全工序仰拱棧橋設備采購價為98萬； 普通仰拱棧橋設備采購價為30萬。人工費執行《鐵路基本建設工程設計概(預)算編制辦法》綜合工費標準，為25.82元/工日； 施工用鋼材價格按照2017年市場平均采購單價4 000元/t核算，比較2種設備的仰拱施工直接成本。

3.4.2.1 普通仰拱棧橋施工直接成本

1)人工費。包括： ①開挖班2人，施工1個工班；②清底班4人，施工1個工班；③鋼筋綁扎6人，施工2個工班；④立模澆筑班8人，施工2個工班。施工12 m仰拱共計34個工班，人工費共計10 534.5元，每延米人工費用為877.88元。

2)輔助材料費。每延米仰拱模板、中心水溝槽模板定位及止水帶安裝需要消耗的鋼筋為30 kg，每延米輔助材料費為120元。

3.4.2.2 全工序仰拱棧橋施工直接成本

1)人工費。包括： ①開挖班2人，施工1個工班；②清底班4人，施工1個工班；③鋼筋綁扎6人，施工2個工班；④立模澆筑班4人，施工2個工班。施工12 m仰拱共計27個工班，人工費共計8 365.68元，每延米費用為697.14元。

2)輔助材料費。每延米仰拱模板、中心水溝槽模板定位及止水帶安裝需要消耗的鋼筋為5 kg，每延米輔助材料費為20元。

3.4.2.3 施工成本對比

不同機械配置下每延米仰拱施工直接成本對比見表4?？芍?采用全工序仰拱棧橋比普通仰拱棧橋每延米節省134.91元，向家灣隧道施工完成節省費用62.91萬元。全工序仰拱棧橋采用標準化設計，各部件采用螺栓連接，設備可重復使用，其投資價值更高。

表4 每延米仰拱施工直接成本

4 結論與建議

本文以鄭萬高鐵湖北段9標向家灣隧道為依托工程，研制了全工序履帶式仰拱棧橋，并結合現場試驗，驗證了該設備具有良好的工作性能和經濟效益，得到以下主要結論：

1)全工序履帶式仰拱棧橋采用液壓履帶行走機構，實現了操控簡便、行走靈活、安全可控；

2)全工序履帶式仰拱棧橋有效作業長度為36 m，實現了基底清碴、鋼筋綁扎、仰拱澆筑、仰拱回填、仰拱養護等工序在3個不同區域同步作業，極大地提高了施工效率，減少了仰拱施工時間；

3)全工序履帶式仰拱棧中的仰拱模板與主橋之間采用四連桿機構設計，解決了仰拱襯砌矮邊墻高度過大，仰拱模板定位、移動困難的問題，并研制出多種仰拱襯砌工藝工裝，降低了施工人員的勞動強度，提高了襯砌施工質量；

4)全工序履帶式仰拱棧橋改進了前、后坡橋連接結構，重新設計液壓回路，增加控制閥塊，降低了設備故障率，保證了整車性能的穩定，提高了仰拱施工效率；

5)全工序履帶式仰拱棧橋不僅能減少施工人員的投入，而且能降低仰拱模板、中心水溝槽模板固定鋼筋消耗量，節約施工成本。

全工序仰拱棧橋在鄭萬高鐵9標向家灣隧道中取得了較好的應用效果，達到了預定的設計目標，下一步可在此研究基礎上增設自動振搗系統、自動布料系統和自動養護系統等功能，進一步減少施工人員數量，降低勞動強度，避免人為因素對施工質量的影響，從而提高施工質量和效率。此外，在降低設備成本方面，對主橋結構標準化、輕便化、裝配式設計是進一步研究的方向。