24 m履帶自行式仰拱棧橋與半幅仰拱模板聯(lián)合設(shè)計(jì)的研究與應(yīng)用

時(shí)安琪，王柏松，武家欣，王浩

（中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司，河南新鄉(xiāng)453000）

0 引 言

隨著隧道施工機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化、文明化水平的提高，自行式仰拱棧橋已成為隧道施工中必不可少的施工設(shè)備之一。目前自行式仰拱棧橋的研究較多，如韓星俊、田曉峰等[1-2]研究了軌行式仰拱棧橋與仰拱模板一體機(jī)的施工工藝，但是仰拱施工質(zhì)量受到過(guò)車時(shí)棧橋振動(dòng)的影響，且需要人工鋪設(shè)鋼軌，施工時(shí)間長(zhǎng)；羅進(jìn)、李斌等[3-4]分析了24 m履帶自行式棧橋配合全幅模板的應(yīng)用，棧橋無(wú)需鋪設(shè)鋼軌，但是施工工序復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開挖與襯砌同步；為此薛江松等[5]研發(fā)了36 m履帶仰拱棧橋的應(yīng)用，但是增加了棧橋整體長(zhǎng)度、質(zhì)量和成本；另外譚楊輝、劉翔等[6-7]探討了步履式仰拱棧橋的施工應(yīng)用，但是行走橫移等動(dòng)作需換步操作，棧橋操作復(fù)雜。

為了解決上述的不足，本文提出了24 m履帶自行式棧橋配合半幅仰拱模板聯(lián)合施工方法，進(jìn)一步提升仰拱棧橋的使用性能，提高施工效率。

1 履帶仰拱棧橋與半幅模板組合設(shè)計(jì)

24 m履帶自行式仰拱棧橋與半幅仰拱模板組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。棧橋兼具前進(jìn)、后退及高度、橫向調(diào)整的功能。棧橋下有效凈空24 m，可滿足兩模12 m仰拱的施工區(qū)間。棧橋設(shè)計(jì)額定過(guò)車承載60 t，行車寬度3.5 m，兩走道寬度均為1.2 m，間距0.9 m。模板采用半幅模板，整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)隧道斷面設(shè)計(jì)，可一次定位在同一區(qū)段進(jìn)行仰拱澆筑和仰拱填充施工，模板自帶脫模與高度調(diào)整功能。棧橋上設(shè)計(jì)有跑車，可拖帶仰拱模板與中心水溝模板整體移動(dòng)。模板與棧橋施工時(shí)各成獨(dú)立的系統(tǒng)，仰拱施工質(zhì)量不受過(guò)車時(shí)棧橋振動(dòng)的影響。

圖1中橋下區(qū)段Ⅰ為仰拱澆筑和仰拱填充澆筑區(qū)域，澆筑完成后區(qū)段Ⅰ進(jìn)入養(yǎng)護(hù)時(shí)間，區(qū)段Ⅱ進(jìn)行鋼筋綁扎，隨后模板可單獨(dú)移動(dòng)到區(qū)段Ⅱ進(jìn)行仰拱施工，同時(shí)區(qū)段Ⅰ的強(qiáng)度滿足棧橋行走，可以同步進(jìn)行棧橋前端開挖。

模板可停留在棧橋后端，結(jié)合橋下施工區(qū)間，模板可在三模仰拱施工區(qū)間內(nèi)移動(dòng)定位施工，從而亦滿足不同仰拱長(zhǎng)度的施工需求，方便現(xiàn)場(chǎng)施工的工序組織。

2 仰拱棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仰拱棧橋主要由主橋、前后坡橋、前后支撐、履帶、后行走、環(huán)鏈跑車等主要結(jié)構(gòu)組成，控制系統(tǒng)采用機(jī)電液一體化控制，自動(dòng)化程度高，各主要結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)螺栓或銷軸聯(lián)接，現(xiàn)場(chǎng)拆裝方便。

2.1 主橋設(shè)計(jì)

主橋采用雙箱型梁結(jié)構(gòu)，之間用型鋼橫梁栓接，橫梁上方栓接走道，整體結(jié)構(gòu)滿足挖機(jī)在橋上360°轉(zhuǎn)向，輔助進(jìn)行仰拱清底作業(yè)。

設(shè)計(jì)計(jì)算施加約束邊界條件為：主橋跨度為28 m，略大于實(shí)際跨度，采用1.2倍動(dòng)載系數(shù)，實(shí)際加載總重為60×1.2=72 t，車輛前后輪軸距為4 m，假設(shè)后重輪承擔(dān)2/3 荷載，為48 t，前輪承擔(dān)1/3 荷載，為24 t，重輪位于跨中，走道均分荷載，考慮橋身自重影響。

采用ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖3所示，主橋撓度控制在54 mm以內(nèi)，54/28000≈1/518＜1/500，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)簡(jiǎn)支橋梁撓度控制為跨度的1/500倍的相關(guān)規(guī)定。忽略由于網(wǎng)格劃分造成的應(yīng)力集中影響，整體強(qiáng)度控制在160 MPa，滿足選材Q235B的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.2 前后坡橋

設(shè)計(jì)后坡橋與主橋銷軸鉸接，由油缸提升翻轉(zhuǎn)，坡橋落地坡度約為11°，可滿足現(xiàn)場(chǎng)工程車輛的爬坡需求。

設(shè)計(jì)前坡橋長(zhǎng)度8 m，與主橋銷軸鉸接，由油缸舉升翻轉(zhuǎn)，坡橋落下時(shí)，坡度約11°，可使車輛下仰拱方便開挖出渣，坡橋舉升最大角度為40°，可滿足現(xiàn)場(chǎng)挖機(jī)方便清理坡橋下渣土。現(xiàn)場(chǎng)使用情況如圖4所示。

2.3 前后支撐及履帶

如圖5(a)所示，設(shè)計(jì)后支撐剛性支撐在箱梁和橫梁下方，兩后支撐對(duì)稱，不影響中心水溝模板在橋下通行。如圖5(b)所示，前支撐在箱梁下方栓接，支腿下有絲桿調(diào)整高度，適應(yīng)左右凹凸不平高差；絲桿下方設(shè)計(jì)鉸支座，適應(yīng)仰拱弧度；支撐內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)向套筒，套筒下方安裝35 t履帶，套筒內(nèi)裝油缸，用于實(shí)現(xiàn)棧橋前端自動(dòng)升降；履帶集成轉(zhuǎn)向油缸，可自動(dòng)轉(zhuǎn)向90°，用于棧橋前端橫移。

2.4 后行走及環(huán)鏈跑車

后行走采用鐵普輪，后行走整體可旋轉(zhuǎn)90°，棧橋后端橫移時(shí)采用電動(dòng)機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，行走速度為5～10 m/min；行走機(jī)構(gòu)上方安裝伸縮導(dǎo)向套筒，套筒上方安裝油缸，實(shí)現(xiàn)棧橋后端的自動(dòng)升降。

環(huán)鏈跑車為帶動(dòng)模板行走的主要機(jī)構(gòu)，對(duì)稱設(shè)置在主橋箱梁兩側(cè)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、跑車、從動(dòng)機(jī)構(gòu)及礦用環(huán)鏈組成，可前進(jìn)后退，可點(diǎn)動(dòng)微調(diào)，行走速度為5～10 m/min。實(shí)物照片如圖6所示。

3 仰拱模板及中心水溝模板

3.1 半幅仰拱模板

模板系統(tǒng)如圖7所示，半幅模板結(jié)構(gòu)包含上部的矮邊墻模板及下部銷軸鉸接的翻轉(zhuǎn)模板，兩側(cè)模板關(guān)于隧道中心線對(duì)稱。翻轉(zhuǎn)模支撐時(shí)仰拱澆筑，翻轉(zhuǎn)模板翻轉(zhuǎn)后仰拱填充，翻轉(zhuǎn)動(dòng)力可以是油缸或環(huán)鏈葫蘆。矮邊墻模板上方間隔設(shè)置有止水帶夾具，保證止水帶直順。

模板前端由前端梁把兩幅模板連接成整體，前端梁前端設(shè)計(jì)有脫模套筒組件，內(nèi)設(shè)油缸，用于自動(dòng)調(diào)整模板高度定位及脫模。模板后端安裝后行走機(jī)構(gòu)，后行走機(jī)構(gòu)上設(shè)置液壓千斤，用于后端高度調(diào)整及脫模。脫模后前端梁通過(guò)吊鉤掛在跑車上，由跑車拖動(dòng)模板移動(dòng)。

3.2 中心水溝模板

中心水溝模板由邊模板、底模板及支撐絲杠等組成，邊模板和底模板通過(guò)銷軸鉸接，澆筑時(shí)由交叉錯(cuò)落布置的絲杠支撐，為便于脫模，模板整體呈倒“八”字形定位，如圖8所示。后端設(shè)計(jì)液壓千斤升降后行走機(jī)構(gòu)，前端與半幅模板前端梁活動(dòng)或固定連接，脫模后隨仰拱模板整體移動(dòng)。

4 結(jié)論

本文以黃黃鐵路3標(biāo)段鐵家沖一號(hào)隧道和劉元隧道項(xiàng)目為依托設(shè)計(jì)研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，優(yōu)化了棧橋及模板結(jié)構(gòu)，有效發(fā)揮了橋下24 m作業(yè)空間，提高了施工效率，達(dá)成了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了該設(shè)備良好的使用性能。

1）模塊化設(shè)計(jì)，拆裝方便。棧橋可自動(dòng)進(jìn)行橫向、縱向、高度方向調(diào)整，主驅(qū)動(dòng)履帶行走，操作簡(jiǎn)易。主橋結(jié)構(gòu)合理，挖機(jī)可在橋上旋轉(zhuǎn)360°，輔以仰拱清底工作。

2）前坡橋長(zhǎng)度及翻轉(zhuǎn)角度合理，開挖出渣及坡橋下清渣更方便。

3）半幅模板與棧橋互為獨(dú)立系統(tǒng)，行走和施工互不干涉，避免橋上過(guò)車時(shí)棧橋的振動(dòng)影響施工質(zhì)量。

4）模板自脫模，棧橋上環(huán)鏈跑車可拖帶模板整體移動(dòng)定位，節(jié)約時(shí)間，操作方便。

5）仰拱模板與中心水溝模板整體設(shè)計(jì)，一次定位即可完成仰拱澆筑和填充作業(yè)。模板可跨三模仰拱區(qū)間，可方便地組織施工工序，并留有養(yǎng)護(hù)區(qū)段，保證了開挖襯砌同步。