海底隧道新型頂模模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

王恒珂 劉 斌

1 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430040

2 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430040

3 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心 武漢 430040

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，為了使城與城之間聯(lián)系更加緊密，促使道路隧道工程向更深、更長(zhǎng)、更立體化方向發(fā)展[1]。過(guò)江、跨海等大型隧道的工程不斷出現(xiàn)，其施工條件極其復(fù)雜，且工期較緊，對(duì)工程施工技術(shù)有更高要求。由工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，模板臺(tái)車的施工方法不僅提高了混凝土的表觀質(zhì)量，還取得了較好的工期效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，傳統(tǒng)模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自重較大，爬坡能力較差，且焊接工作量繁重，拼裝拆卸速度較慢[1]。因此，本文結(jié)合大連灣海底隧道項(xiàng)目暗埋段施工工程，開(kāi)展了隧道行車道頂模模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上進(jìn)行創(chuàng)新，模塊化設(shè)計(jì)，減少施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接拼裝工作，減輕臺(tái)車自重，方便轉(zhuǎn)場(chǎng)，并增強(qiáng)臺(tái)車的工作性能和適用條件，提高施工功效，降低施工成本，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并為以后的臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

文中所述工程為海底隧道北側(cè)陸域段，位于梭魚灣北岸即大連港外輪航修廠內(nèi)原碼頭附近，陸域段全長(zhǎng)385 m（K0+355 ～K0+785 ），由北向南分別為敞開(kāi)段、暗埋段，其中敞開(kāi)段50 m，暗埋段380 m（含南端58 m、2 段止推段）。臺(tái)車方案針對(duì)暗埋段進(jìn)行設(shè)計(jì)，此段位于 K0+487.731 ～K0+785 之間，全長(zhǎng)297.629 m，分成 10 個(gè)施工段，9 段為30 m，最后一段為 27.629 m，且澆筑方向有3.5%～4%的坡度。為方便暗埋段施工，每澆筑段澆筑長(zhǎng)度為 30 m，整個(gè)暗埋段分 10 段澆筑。隧道斷面圖如圖1 所示，隧道總體寬度41.3 m，總體高度11.4 m，雙行車道左右凈寬12.65 m，凈高8.6 m；中間廊道凈寬4.4 m，凈高8.55 m；兩側(cè)廊道凈寬2.9 m，凈高8.5 m；墻身厚度為0.6 ～1.5m。具體施工時(shí)分為底板下部結(jié)構(gòu)、隔墻結(jié)構(gòu)、頂板與外墻體結(jié)構(gòu)三部分分層澆筑，形成直線性流水作業(yè)。3 個(gè)作業(yè)段限界分明，互不干擾，可提高材料的周轉(zhuǎn)率，節(jié)省材料的投入，保證施工空間的通行，為控制澆筑質(zhì)量提供保障。如果工期要求緊，可安排兩個(gè)流水段同時(shí)施工。

圖1 隧道橫斷面圖

2 模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模板臺(tái)車由軌道、臺(tái)車骨架、行走裝置、施工作業(yè)平臺(tái)、開(kāi)合模系統(tǒng)以及模板系統(tǒng)等組成。臺(tái)車外形尺寸為36.8 m×12.65 m×6.2 m（長(zhǎng)×寬×高），為了方便施工，提高施工效率，本工程模板臺(tái)車采用工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式。具體結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

2.1 臺(tái)車骨架設(shè)計(jì)

臺(tái)車骨架三角撐的立柱采用250×250×6 的薄壁方鋼，斜撐和橫聯(lián)均采用180×180×6 的薄壁方鋼，橫聯(lián)通過(guò)銷軸將立柱和斜撐連在一起形成一個(gè)固定的三角結(jié)構(gòu)，并通過(guò)上橫桿和連接絲桿連接兩個(gè)三角撐間形成一片穩(wěn)定的三角架，片與片之間間隔1.8 m，共有21 片。臺(tái)車上下縱梁采用HW300×300 的型鋼，兩端的節(jié)長(zhǎng)4.9 m，中間的節(jié)長(zhǎng)5.4 m，節(jié)與節(jié)之間通過(guò)螺栓連接。臺(tái)車行走方向通過(guò)立柱間斜撐和上下縱梁將每一片三角撐連接起來(lái)組成一個(gè)完整的模板臺(tái)車骨架。三角形支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且比較穩(wěn)定，受力明確，通過(guò)立柱和斜撐把混凝土壓力以及結(jié)構(gòu)自重傳遞到車輪上。

2.2 行走支撐裝置設(shè)計(jì)

由于臺(tái)車較長(zhǎng)，為了方便行走，將臺(tái)車分成3 段，每段設(shè)置一套主動(dòng)行走輪，由行走電機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)臺(tái)車沿軌道行走。支撐裝置由頂升和橫移液壓缸支撐系統(tǒng)以及地腳支撐系統(tǒng)組成，頂升和橫移液壓缸用來(lái)對(duì)整個(gè)臺(tái)車進(jìn)行調(diào)位，調(diào)位完成后由地腳支撐系統(tǒng)進(jìn)行支撐和整體固定。

2.3 模板設(shè)計(jì)

考慮工程施工周期較長(zhǎng)，模板周轉(zhuǎn)次數(shù)較多，為防止模板在使用和周轉(zhuǎn)過(guò)程發(fā)生較大變形和損壞進(jìn)而影響施工質(zhì)量，設(shè)計(jì)的模板自身剛度較大且為鋼模。模板整體由兩側(cè)角模和中間大面模板組成，角模以雙槽16 為圍檁，槽8 為背楞，8 mm 厚鋼板為面板拼裝而成且轉(zhuǎn)角位置為銷軸連接可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)角處拆模和立模。中間大面模板以雙槽32 為圍檁，槽8 為背楞，8 mm 厚鋼板為面板拼裝而成。所有模板都將在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)組裝成模板單元，在應(yīng)用時(shí)整塊吊運(yùn)，并通過(guò)螺栓連接組裝成一個(gè)整體。這樣能保證施工效率與質(zhì)量，減少材料因轉(zhuǎn)運(yùn)造成的損耗，且這些材料也可用于其他施工段的施工。

3 臺(tái)車結(jié)構(gòu)分析

整個(gè)臺(tái)車設(shè)計(jì)荷載包括臺(tái)車結(jié)構(gòu)自重、模板自重載荷170 kg/m2、混凝土澆筑側(cè)壓力載荷50 kN/m2、頂板混凝土壓力載荷2.4 t/m3、混凝土傾倒和振搗荷載、施工人員及設(shè)備載荷1.5 kN/m2。暗埋段施工條件下，風(fēng)載荷和溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較小，故計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)和溫度載荷的影響。臺(tái)車在使用過(guò)程中主要考慮三種工況[2]。

圖2 海底隧道行車道頂模模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)圖

頂板混凝土澆筑工況（工況一）：此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)由地腳支撐系統(tǒng)支撐。此時(shí)載荷有模板及結(jié)構(gòu)自重載荷、頂板混凝土壓力載荷、混凝土側(cè)壓力載荷、混凝土傾倒和振搗荷載、施工人員及設(shè)備載荷等，以此來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力與變形。

液壓缸頂升工況（工況二）：整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)開(kāi)始通過(guò)液壓缸由輪軌支撐切換成地腳支撐。此時(shí)載荷為模板及結(jié)構(gòu)的自重載荷、設(shè)備載荷等，以此來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力與變形。

行走工況（工況三）：整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)為輪軌支撐。行走時(shí)的載荷為模板及結(jié)構(gòu)的自重載荷、設(shè)備載荷等，以此來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力與變形。

在Ansys 軟件中建立模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用極限狀態(tài)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1 所示。由分析可知，工況一為最危險(xiǎn)工況，分析結(jié)果如圖3 所示。由分析結(jié)果可知，臺(tái)車整體受力比較均勻且最大應(yīng)力為51 MPa ≤215 MPa，整體變形為1.87 mm，能滿足設(shè)計(jì)使用要求。

表1 臺(tái)車各工況計(jì)算結(jié)果表

圖3 工況一條件下臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和位移云圖

4 臺(tái)車施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 臺(tái)車組裝

為減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作，臺(tái)車小的、能夠在工廠組裝且方便運(yùn)輸?shù)牟考仍诠S進(jìn)行組裝，組裝完成后再運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體拼裝。拼裝采用塔式起重機(jī)配合汽車起重機(jī)進(jìn)行，其拼裝流程為：測(cè)量放線→導(dǎo)軌鋪設(shè)→行走及支撐裝置就位→下部連接盤及下縱梁安裝→三角撐安裝→頂部連接盤及上縱梁橫梁、斜撐梁安裝→操作平臺(tái)安裝→模板安裝→調(diào)試及試行走。

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程[3]為：施工前準(zhǔn)備工作→臺(tái)車行走到特定位置→測(cè)量調(diào)位（通過(guò)橫移液壓缸可以對(duì)臺(tái)車進(jìn)行橫向調(diào)位）→支撐體系轉(zhuǎn)換（通過(guò)頂升液壓缸由輪軌接觸轉(zhuǎn)換為地腳支撐提高臺(tái)車結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性）→臺(tái)車面板處理、涂脫模劑→尺寸檢查→支承絲桿鎖定→混凝土澆筑→脫模行走（脫模時(shí)先通過(guò)調(diào)整角模絲桿脫開(kāi)角模，然后臺(tái)車由地腳支撐先轉(zhuǎn)換為豎向液壓缸支撐，收起地腳支撐，液壓缸回油整個(gè)臺(tái)車依靠結(jié)構(gòu)自重進(jìn)行脫模，脫模完成后臺(tái)車再由液壓缸支撐轉(zhuǎn)換為輪軌支撐，然后行走到下一個(gè)工位）→混凝土養(yǎng)護(hù)。

4.3 臺(tái)車使用注意事項(xiàng)[4]

1）模板臺(tái)車在投入使用后，需定期檢查整車緊固件是否松動(dòng)，并作相應(yīng)緊固（建議兩周一次）。每?jī)蓚€(gè)月對(duì)臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查，需要維修更換的零部件及時(shí)進(jìn)行維修更換。

2）保持臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)清潔，對(duì)散落的混凝土渣和油污及時(shí)清理，并根據(jù)使用周期對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行清理、潤(rùn)滑。

3）不間斷施工時(shí)，若臺(tái)車不需要反復(fù)行走，請(qǐng)關(guān)閉油泵，以延長(zhǎng)油泵及液壓部件的使用壽命。

4）液壓油應(yīng)定期更換，更換周期一般為半年。

5）施工過(guò)程中如遇任何緊急情況，第一時(shí)間啟動(dòng)安全制動(dòng)裝置并關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。

5 臺(tái)車應(yīng)用效果分析

1) 臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

2) 臺(tái)車可以自由組合成不同的長(zhǎng)度，增大了臺(tái)車的適用范圍。

3) 臺(tái)車為工人提供了較大的操作空間，且整體行走、支撐、調(diào)位機(jī)構(gòu)都在臺(tái)車底部，方便操作，并保障了操作工人的安全性。

4) 鋼模板之間拼縫嚴(yán)密性好，混凝土表面平整光亮、無(wú)明顯錯(cuò)縫。

5) 臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，構(gòu)件簡(jiǎn)單，模塊化設(shè)計(jì)，拼裝拆卸周轉(zhuǎn)方便，大大提高了施工效率。

6 結(jié)論

1）臺(tái)車整體采用桿系結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的箱形框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，雖然組裝連接起來(lái)相對(duì)比較繁瑣，但整個(gè)臺(tái)車的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了很多，而且采用模塊化設(shè)計(jì)，大部分連接工作在出廠前即已完成，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)的拼裝工序和勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）在施工操作空間方面，雖然沒(méi)有傳統(tǒng)的箱形框架結(jié)構(gòu)的空間大，但這種新型結(jié)構(gòu)形式相比之前的桿系結(jié)構(gòu)臺(tái)車留出的操作空間更大，更便于施工。對(duì)于操作空間要求不是特別大的工程，該臺(tái)車具有較大優(yōu)勢(shì)。

3)該臺(tái)車行走系統(tǒng)、調(diào)位系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)等集中可視化，且均布置于臺(tái)車結(jié)構(gòu)底部，方便布線、操作、檢修等。

4）該臺(tái)車的模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度較大，施工時(shí)主要依靠模板主背楞抗彎，既能防止施工時(shí)模板出現(xiàn)較大變形和損壞，也能減少臺(tái)車結(jié)構(gòu)本身的抗彎能力，使臺(tái)車桿系結(jié)構(gòu)只承受拉壓載荷，不承受彎曲載荷，受力較好。由計(jì)算結(jié)果可知，整個(gè)臺(tái)車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較小說(shuō)明這種方式也可以進(jìn)一步做到結(jié)構(gòu)的輕量化，臺(tái)車結(jié)構(gòu)仍有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。