單線鐵路隧道變截面臺車模板應(yīng)用及改造設(shè)計(jì)

劉光波

（中鐵二十四局集團(tuán)浙江工程有限公司，浙江 杭州 310000）

隧道模板襯砌臺車因其施工的可靠性與高效性，已成為隧道施工中二次襯砌常用的機(jī)械設(shè)備，但在鐵路隧道設(shè)計(jì)中，因地質(zhì)圍巖等級的不同、隧道轉(zhuǎn)彎半徑的差異、錨段的不同布置，導(dǎo)致單條隧道存在多個斷面尺寸。若每一尺寸斷面制造一臺模板臺車，不僅會增加施工成本，而且臺車的頻繁組裝、安拆還會影響施工進(jìn)度，甚至影響施工安全。因此，將模板襯砌臺車模板設(shè)計(jì)成可變截面，便可只采用一臺模板臺車以滿足多斷面的襯砌施工需求。

1 工程概況

金臺鐵路I 標(biāo)段全長30.35km，其中，隧道共4.987km，為新蝙蝠嶺隧道2211m、石錦隧道2076m、朝川隧道700m，隧道內(nèi)施工采用無軌運(yùn)輸，隧道二次襯砌采用整體式液壓襯砌模板臺車施工，本文主要介紹石錦隧道中襯砌臺車模板的設(shè)計(jì)、改造及應(yīng)用。

石錦隧道為單線電氣化鐵路隧道，設(shè)計(jì)旅客列車速度120km/h，位于浙江省永康市江南街道皮店村山后盧村附近，進(jìn)口里程SDK1+579，出口里程SDK3+655，全長2076米，隧道最大埋深213 米，SDK3+655 ～647.659 段位于R=2000m 的曲線上，SDK1+835.71 ～SDK2+455.274 段位于R=1200m 的曲線上，SDK2+598.561 ～SDK3+655 段位于R=1000m的曲線上，其余段均位于直線上。線路縱坡4.2‰/171m，3‰/1370m、-3‰/535m 的人字坡。各級圍巖占整條隧道百分比：Ⅴ-16.1%、Ⅳ-36.6%、Ⅲ-33.2%、Ⅱ-14.1%，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占整條隧道比重為52.7%，Ⅱ、Ⅲ級圍巖占47.3%。另外在SDK1+720、SDK1+887、SDK2+845、SDK3+420、SDK3+606存在五條斷層，因此，整條隧道圍巖地質(zhì)情況較差。

2 研究圖紙、了解隧道二次襯砌基本參數(shù)

研究圖紙統(tǒng)計(jì)，石錦隧道襯砌類型較多，有加寬斷面（W=200、300、400、500）、一般錨段斷面（W=200，h 加=500），下錨段斷面（W=200）共計(jì)6 種襯砌斷面。分析發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌可分為三大類，且交替進(jìn)行，第一種為下錨段襯砌類型，隧道內(nèi)只在SDK2+500.0-SDK2+503.5與SDK2+616.5-SDK2+620.0 兩處布置，且襯砌長度均僅為3.5 米，考慮到經(jīng)濟(jì)性問題，兩處下錨段單獨(dú)支設(shè)模板進(jìn)行澆筑，不采用模板臺車；第二種為一般錨段類型，布置在SDK2+503.5-SDK2+616.5，共計(jì)113 米；其余為各級圍巖加寬類型，加寬值從200 ～300 不等。因單線鐵路隧道隨著斷面的加寬，其隧道斷面變化具有規(guī)律性，單線鐵路隧道圍巖二次襯砌標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸如圖1（標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面圖）。模板襯砌臺車正視圖如圖2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面圖

圖2 W=200 模板襯砌臺車正視圖

隧道拱頂AB 段為r1的半徑弧，拱邊AC 與BD 段為r2的半徑弧，拱邊CE 與DF 段為r3的半徑弧。由隧道的斷面圖可知，隧道的斷面曲線半徑r2與r3均為固定不變值，隧道斷面的加寬，是通過改變拱頂AB 段半徑弧r1的值得以實(shí)現(xiàn)的，而一般錨段襯砌類型的加高，則是在保證r3不變的前提下，通過同時增大CE 與DF 段弧線長度實(shí)現(xiàn)的，其變化具有規(guī)律性。

3 襯砌臺車模板的設(shè)計(jì)

在對石錦隧道二次襯砌基本參數(shù)詳細(xì)研究后，臺車模板基本設(shè)計(jì)方向已確定：根據(jù)隧道斷面加寬值，只需改變AB段鋼模弧形半徑，保持AC、BD、CE、DF 段側(cè)模弧形的半徑不變，并平移邊模油缸行程至設(shè)計(jì)加寬位置，用邊模絲杠進(jìn)行限位即可。而改變拱頂AB 段半徑弧r1的值，可通過三種方式實(shí)現(xiàn)：

（1）更換頂模法。即在不同的斷面上，整體更換AB 弧段模板，該方法可使臺車模板外輪廓與隧道斷面輪廓完全吻合，幾乎零偏差，但由于頂模的整體更換，不僅增加了模板投入成本，在單線鐵路隧道有限的空間內(nèi)，還給模板的安裝與拆卸造成了困難。

（2）頂模中間加寬塊法。該法適用于各種寬度增加的斷面，首先要設(shè)計(jì)好基準(zhǔn)斷面臺車，并將頂模AB 平均分成兩塊，在不同斷面上，同時水平與豎向移動頂模與邊模至相應(yīng)位置，中間添加相應(yīng)加寬塊，以使模板外輪廓與隧道斷面輪廓大致相同，顯然該方法節(jié)約模板，裝卸方便，但由于只對模板作水平與豎向的位移，除頂模加寬塊處與隧道斷面輪廓線吻合外，其余模板外輪廓與隧道設(shè)計(jì)輪廓線均有誤差，特別是當(dāng)加寬值達(dá)到W=500 時，誤差甚至超過了施工要求的50mm。

（3）旋轉(zhuǎn)頂模，加裝加寬塊法。該方法基本同方式二，區(qū)別在于增加了鉸接銷，頂模與邊模同時向外移動到相應(yīng)位置后，兩半塊頂模繞鉸接銷向外旋轉(zhuǎn)到與隧道拱頂輪廓線重合后再加裝頂模加寬塊，該方法臺車模板與隧道斷面誤差遠(yuǎn)小于第二種方法，同時成本也較低，裝卸方便，但因頂模的旋轉(zhuǎn)，加寬塊需按楔形制作方可與頂模配套使用，制作與安裝稍有難度，而且頂模旋轉(zhuǎn)角度有限，大加寬值隧道無法使用本方法。

三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在綜合比較分析后，選擇了第三種方案。選擇原因如下：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表明，隧道斷面加寬值從W=200 到W=500，若臺車模板的基準(zhǔn)模板按單線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面加寬W=200 進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，則相當(dāng)于最大加寬值僅為W=300，屬于小加寬值，加寬后的模板外輪廓線與加寬隧道設(shè)計(jì)輪廓線間誤差小，精確度高，隧道襯砌截面尺寸相當(dāng)于在W=200 的基準(zhǔn)模板基礎(chǔ)上加寬W=100、W=200、W=300、加高h(yuǎn)加=500，只需加工四種規(guī)格的替換模板，便可利用一輛臺車實(shí)現(xiàn)整條隧道的二襯斷面施工。該方案在滿足設(shè)計(jì)的前提下，不僅經(jīng)濟(jì)性較好，而且安裝、拆卸較為便捷。

4 不同隧道斷面襯砌臺車模板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 臺車基準(zhǔn)斷面模板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

全車由門型框架、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、連接件、緊固裝置、面板等構(gòu)成。因隧道斷面均加寬W=200 以上，故臺車頂模基準(zhǔn)面板按單線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面加寬W=200 進(jìn)行設(shè)計(jì)，為確保隧道襯砌凈空尺寸、便于施工，鋼模板外立面斷面半徑加大50mm 進(jìn)行設(shè)計(jì)，故面板半徑為R1=2410mm、R2=3260mm、R3=9400mm，通過強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性驗(yàn)算，臺車模板厚度采用δ10mm 的熱軋鋼板，將頂模從中間對稱分成兩塊模板，并用螺栓連接，在用于加寬W=200 斷面施工時，頂部無須加任何加寬塊。具體設(shè)計(jì)如圖2（W=200 模板襯砌臺車正視圖）。

4.2 加寬段臺車模板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面加寬W=300、400、500，實(shí)則是在斷面已加寬W=200 的基礎(chǔ)上，再加寬W=100、200、300，其 臺 車 模板設(shè)計(jì)改造方法相同，在此僅以標(biāo)準(zhǔn)斷面加寬W=500 為例進(jìn)行說明。在w=200 斷面的基礎(chǔ)上，通過左右移動頂模與邊模，并利用絲杠將兩半塊頂模繞鉸接銷軸向外旋轉(zhuǎn)到頂模端點(diǎn)與設(shè)計(jì)輪廓線的某一點(diǎn)重合后，增加弦長為359.2mm 的頂模加寬塊，臺梁加寬，平移加寬，絲杠加長到w=500 斷面輪廓。經(jīng)計(jì)算，旋轉(zhuǎn)后的頂模外輪廓與隧道斷面輪廓線誤差僅為25.5mm，滿足施工要求。設(shè)計(jì)如圖3（W=500 模板襯砌臺車正視圖）。

4.3 一般錨段臺車模板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一般錨段加寬W=200，實(shí)則是在斷面已加寬W=200 的模板臺車基礎(chǔ)上，通過旋轉(zhuǎn)邊模，同時，在兩邊模底部增加弦長為508mm 的邊模下部加寬塊以增加500mm 隧道斷面高度，同時頂縱梁加高500mm，經(jīng)計(jì)算，加高后的側(cè)模外輪廓與隧道CE、DF 斷面輪廓線誤差為13mm，與隧道AC、BD 斷面輪廓線誤差為10.1mm。設(shè)計(jì)如圖4（W=200一般錨段模板襯砌臺車正視圖）。

5 結(jié)語

金臺鐵路石錦隧道二襯模板臺車的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：隧道為電氣化鐵路單線隧道，隧道空間小，加之地質(zhì)較差，位于曲線上，單輛臺車需兼顧多種類型斷面的襯砌。為滿足多斷面的襯砌施工要求，施工臺車采用旋轉(zhuǎn)頂模，加裝頂模與側(cè)模加寬塊的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、改造，該方法不僅減小了臺車模板與隧道斷面輪廓的偏差，保證了施工質(zhì)量，同時也節(jié)約了成本。金臺鐵路石錦隧道二襯臺車模板的設(shè)計(jì)對單線鐵路變斷面模板臺車的設(shè)計(jì)具有重要的參考作用。

圖3 W=500 模板襯砌臺車正視圖

圖4 W=200 一般錨段模板襯砌臺車正視圖