自行式仰拱棧橋研究與設計

劉順成

(中鐵十五局集團第四工程有限公司 河南鄭州 450000)

1 仰拱棧橋簡介

仰拱棧橋是架設在仰拱施工作業(yè)段上的橋梁，是解決隧道掘進物料的運輸及仰拱安全作業(yè)的工裝設備，使隧道的掘進不受仰拱施工的阻礙，以實現(xiàn)隧道掘進與仰拱施工可同步進行[1]。目前隧道仰拱施工棧橋有簡易棧橋和自行式棧橋兩種[2]。

(1)簡易棧橋

簡易棧橋是施工班組直接采用工字鋼或H型鋼組合焊接加工的板梁結(jié)構(gòu)。一副棧橋由兩片板梁組成，前端搭在隧道掘進開挖臺階上，后端搭在仰拱填充面上，板梁間橫向無連接，整體穩(wěn)定性差，容易側(cè)翻傾覆。簡易棧橋沒有行走動力，需要在裝載機與挖掘機配合下拖拽進行移動和定位，機動能力差。并且施工仰拱作業(yè)時需要另外拼裝仰拱施工模板，施工效率低，施工質(zhì)量和安全難以保證，嚴重制約了隧道的快速施工。

(2)自行式仰拱棧橋

自行式仰拱棧橋是在簡易棧橋基礎上發(fā)展創(chuàng)新后的機械裝備，結(jié)構(gòu)整體性好，自帶行走裝置，不需要裝載機等外部動力，裝備有液壓和電氣控制系統(tǒng)，安全性好、實用性強、機械化程度高，從而實現(xiàn)隧道施工快速安全推進[3]。

2 自行式仰拱棧橋現(xiàn)狀

隨著我國隧道施工技術(shù)的進步，對仰拱施工的機械化要求越來越高[4]。目前施工中已出現(xiàn)多種自行式仰拱棧橋，按結(jié)構(gòu)形式分為懸挑式、橋跨式；按行走方式分為軌道式、步履式、履帶式、膠輪式。

2.1 按結(jié)構(gòu)形式分類

自行式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)主要由前引橋、主橋、后引橋3部分組成，按照跨越基坑的結(jié)構(gòu)不同分為懸挑式和橋跨式。

(1)懸挑式

懸挑式棧橋由前引橋跨越基坑，主橋及后引橋均在已施工的仰拱填充面上[5]，棧橋的移動均在填充面上，不受掌子面臺階及開挖基坑的工況影響，動力和控制系統(tǒng)都集中在主橋上，可隨時跨越或退出隧道仰拱基坑，機動靈活。但棧橋移動時前引橋依靠主橋和后引橋的配重處于懸挑狀態(tài)，前引橋跨越基坑的長度受主橋和后引橋的配重控制，使懸挑式結(jié)構(gòu)棧橋的跨越長度有限，同時棧橋的總體長度較長。懸挑式棧橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸挑式棧橋結(jié)構(gòu)示意

(2)橋跨式

橋跨式仰拱棧橋由主橋跨越基坑，前后引橋一端與主橋相連，另一端搭接在掌子面臺階和仰拱填充面上，棧橋跨越長度主要由主橋的結(jié)構(gòu)性能決定，因此可以實現(xiàn)較大的跨越長度[6]。但由于這種結(jié)構(gòu)形式的前支腿位于基坑底部，受到基坑環(huán)境的影響，使整個棧橋的移動不夠靈活，同時進出基坑時需要輔助坡道或拆除部分結(jié)構(gòu)，施工中途工藝變化或出現(xiàn)故障整個棧橋不能快速進出，存在影響整個隧道施工進度的弊端。橋跨式棧橋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 橋跨式棧橋結(jié)構(gòu)示意

2.2 按行走方式分類

(1)軌道式

軌道式采用了隧道傳統(tǒng)二襯臺車的行走方式，需要人工在行進方向上鋪設鋼軌來引導運行，對仰拱開挖處基底要求較高。由于開挖長度限制，倒運鋼軌頻繁，勞動強度較高、機械化程度低。

(2)步履式

步履式為軌道式的改進形式，對軌道進行了革新，不需要人工鋪設鋼軌，通過支腿與軌道間的交換支撐及軌道與棧橋的相對運動，反復操作來實現(xiàn)仰拱棧橋前行。機械化有所提高，降低了勞動強度，但是行走進度緩慢、操作復雜。

(3)履帶式

履帶式是在棧橋前端安裝履帶底盤、棧橋后端安裝被動拖輪，履帶拖動棧橋連續(xù)前行[7]，是目前自行式仰拱棧橋采用最多的行走方式。由于履帶底盤位于仰拱開挖基坑內(nèi)，棧橋只能隨著施工向前推進無法后退。履帶底盤長度一般為2～3 m，需要額外增加棧橋的長度來滿足基坑的作業(yè)空間，并且造價較高。

(4)膠輪式

膠輪式仰拱棧橋是新出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式，采用液壓馬達驅(qū)動實心橡膠輪胎的方式在已施工好的仰拱填充面上行進和后退，無需輔助設施可自行連續(xù)行走，且不受基坑限制。但是存在設備結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)難度大、制作要求高等問題。

綜上所述，目前仰拱施工中采用的自行式仰拱棧橋均不同程度存在結(jié)構(gòu)復雜、操作不靈活、裝備技術(shù)不成熟且造價高等缺點，不利于推廣使用。

3 新型自行式仰拱棧橋設計

通過研究分析，懸挑式和橋跨式兩種結(jié)構(gòu)形式的棧橋在針對不同工況和施工工藝時各有優(yōu)勢，如何將兩種結(jié)構(gòu)形式分別與各種行走方式最優(yōu)組合，優(yōu)化完善控制系統(tǒng)，增加附屬功能，是新型自行式仰拱棧橋的研發(fā)內(nèi)容。經(jīng)過大量研究與設計，最終設計出輪胎行走懸挑式和步履行走橋跨式兩種自行式仰拱棧橋。

兩種新型自行式仰拱棧橋都由主體結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)組成[8]。新型棧橋能夠承載不超過60 t的各類施工車輛，且能自動走行、起升降落和橫移，用于隧道仰拱開挖、仰拱及填充施工[9]。

3.1 輪胎行走懸挑式仰拱棧橋

3.1.1 主體結(jié)構(gòu)

(1)棧橋結(jié)構(gòu)主要由前引橋、主橋、后引橋3部分組成，整個橋面為圓弧流線型，全部由鋼板焊接而成，各部分之間連接采用鉸接懸挑式結(jié)構(gòu)，通過液壓油缸控制前后引橋的懸挑與下落。輪胎行走懸挑式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輪胎行走懸挑式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)示意

(2)主橋上設計有行走、橫移機構(gòu)。主橋始終位于已硬化的仰拱填充面上，使棧橋整體受力與支撐不受基坑惡劣環(huán)境的干擾，便于棧橋的前進、后退與橫移調(diào)整。

(3)前引橋是跨仰拱施工的主要結(jié)構(gòu)，強度、剛度、穩(wěn)定性必須滿足施工要求，凈跨15 m，采用近似圓弧拱形結(jié)構(gòu)，自重較輕，抵抗豎向變形能力強。前引橋下部設有可移動的牽引小車，用以牽引附屬結(jié)構(gòu)施工作業(yè)。

(4)后引橋為主橋的坡道結(jié)構(gòu)，與主橋坡度弧形連接平穩(wěn)過渡，同時內(nèi)部采用實心填充結(jié)構(gòu)對整個棧橋起配重作用。

3.1.2 行走系統(tǒng)

輪胎行走懸挑式仰拱棧橋采用四輪行走結(jié)構(gòu)，四輪位于主橋兩側(cè)下方，前輪為主動輪，有驅(qū)動、升降功能；后輪為從動輪，有轉(zhuǎn)向、升降功能。輪胎采用鋼圈包裹聚氨酯的實心輪胎，尺寸結(jié)構(gòu)小而承載力強。動力采用電機減速機驅(qū)動，造價低、故障率低且易替換維修，通過電器元件實現(xiàn)遙控控制。采用這種行走系統(tǒng)使得整個主橋結(jié)構(gòu)更加緊湊，棧橋高度更低、行走穩(wěn)定、移動靈活。

3.2 步履行走橋跨式仰拱棧橋

3.2.1 主體結(jié)構(gòu)

棧橋結(jié)構(gòu)主要由主橋、前引橋、后引橋、前支腿、中支腿、后支腿6部分組成。步履行走橋跨式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 步履行走橋跨式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)示意

(1)主橋采用箱梁結(jié)構(gòu)作為縱向主梁，橫梁采用D型施工便梁結(jié)構(gòu)形式連接，這種結(jié)構(gòu)形式具有穩(wěn)定性好、承載力強的特點。跨度可實現(xiàn)單次施工仰拱達12 m和24 m兩種長度。

(2)前后引橋采用拉升結(jié)構(gòu)設計，提升動力采用液壓油缸。該結(jié)構(gòu)設計具有升降角度范圍大、運行平穩(wěn)無沖擊、安全性高的特點。

(3)前支腿采用龍門型結(jié)構(gòu)，中間橫梁內(nèi)置平移油缸，實現(xiàn)棧橋主體前部的平移功能；中支腿采用H型結(jié)構(gòu)，設有上下導軌輪，通過中支腿驅(qū)動輪箱的牽引在主橋?qū)к壣锨昂笠苿樱缓笾炔捎蒙抵扰c驅(qū)動輪箱一體結(jié)構(gòu)，在支腿落下后，驅(qū)動輪箱轉(zhuǎn)動帶動棧橋行走。

3.2.2 行走系統(tǒng)

棧橋的行走采用步履自行的方式，依靠驅(qū)動輪箱與中支腿的交替運動來實現(xiàn)行走。驅(qū)動輪箱通過減速機驅(qū)動聚氨酯輪胎旋轉(zhuǎn)，帶動棧橋前后運動。主橋后端安裝有中支腿驅(qū)動輪箱，前端安裝有被動張緊輪箱，之間用鏈條與中支腿環(huán)形連接，中支腿在驅(qū)動輪箱帶動鏈條牽引下沿主橋上的導軌前后運動。

3.3 液壓系統(tǒng)

棧橋的升降、平移及前后引橋的起落全部采用液壓系統(tǒng)控制，油缸均配有液壓鎖或平衡閥，保證油缸在使用中運行平穩(wěn)、同步伸縮、安全可靠。液壓站控制閥組全部采用電磁控制閥，通過電路控制電磁閥進而控制油缸的伸縮實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的遠程控制。

3.4 自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制柜、無線遙控器等組成。控制系統(tǒng)設計有無線遙控功能，同時配有有線控制手柄作為備用、維修的功能。自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)設備自動控制、設備監(jiān)控、故障報警及處理、遠程控制等功能。通過PLC的邏輯控制可保證油缸在條件滿足邏輯要求的情況下進行動作，有效防止了誤操作帶來的損壞。設備上分布的各感應器可對設備所處狀態(tài)進行監(jiān)控，當出現(xiàn)故障時即可發(fā)出報警信號。遠程控制可對設備進行遙控操作，操作者可在安全距離及需要觀察定位狀態(tài)的位置進行設備操作，使得操作便捷且安全。

3.5 附屬結(jié)構(gòu)

自行式仰拱棧橋可配套中央水溝、整體式仰拱及填充施工模板、移動溜槽、仰拱填充攤鋪機等附屬結(jié)構(gòu)。連接采用仰拱棧橋下掛式結(jié)構(gòu)，在主橋下安裝動力小車，提供牽引動力，實現(xiàn)附屬結(jié)構(gòu)的移動和定位。設計獨立液壓控制系統(tǒng)，控制附屬結(jié)構(gòu)模板的升降、脫模等，增強仰拱施工的機械化，提高了仰拱施工效率。模板為整體設計加工，強度高，可實現(xiàn)仰拱及仰拱填充的全幅施作[11]，同時避免了人工額外的輔助加固，有利于模板快速準確定位[10]，滿足隧道仰拱混凝土整幅澆筑一次成型和快速施工的需求，提高了施工質(zhì)量[12]。

3.6 新產(chǎn)品的優(yōu)勢

新產(chǎn)品與其它自行式仰拱棧橋相比，其優(yōu)點見表1。

表1 方案比較

新產(chǎn)品還具有的其它優(yōu)點:

(1)產(chǎn)品設計采用模塊化，主要部件獨立成塊，不同配置可根據(jù)用戶要求定制。

(2)采用PLC來實現(xiàn)電液的集中控制，通過程序?qū)Ω餍盘柼幚砜蓪崿F(xiàn)各執(zhí)行部件的手動獨立動作與集中自動控制，還可實現(xiàn)各信號的監(jiān)控與報警的處理。

(3)可配置觸摸屏無線控制，方便操作者在更好的位置上進行設備的操作，使操作更加安全、方便。

4 結(jié)束語

本文通過對現(xiàn)有仰拱棧橋設備的研究分析，結(jié)合各自的優(yōu)點，為滿足多種工況要求，設計了輪胎行走懸挑式和步履行走橋跨式兩種全新形式的仰拱棧橋。

(1)輪胎行走懸挑式仰拱棧橋具有高度低、行走穩(wěn)定、機動靈活的特點，適用于隧道圍巖差、安全步距短、施工空間緊張且設備轉(zhuǎn)場方便的隧道。

(2)步履行走橋跨式仰拱棧橋具有跨越基坑長度大、主橋截面單一可方便增減長度，同時可裝配多種附屬結(jié)構(gòu)的特點，適用于隧道圍巖好、安全步距長的隧道。

(3)兩種棧橋都采用了無線電與液壓控制系統(tǒng)，提供了更加安全、可靠的操作方式，加快了施工速度、減少了勞動強度、保證了設備操作的安全性。

上述兩種新型棧橋通過采用先進材料和先進技術(shù)有效地克服了目前仰拱棧橋裝備的缺陷，是對傳統(tǒng)棧橋設備的一次革新。相信隨著該產(chǎn)品的問世，對隧道仰拱施工安全、質(zhì)量的提高有重大意義，有助于隧道施工機械化、標準化的積極推進。