超大斷面隧道變截面襯砌臺車設計及應用

任文斌

(中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西西安 710000)

1 引言

在城市地下互通立交超大斷面隧道施工中，面對襯砌斷面突變的情況，如何成功完成臺車體系轉換，確保隧道施工安全質量及安全步距，是變截面隧道施工的難點之一[1]。隧道存在多種加寬斷面時，既要滿足施工需求、保證襯砌質量，又要節省成本、減少人力、提高施工效率，對襯砌臺車提出了更高的要求。襯砌臺車的設計直接影響著隧道的質量、成本及進度。

2 工程概況

海滄疏港通道工程蔡尖尾山隧道設計主線為分離式雙向6車道，設計總長4.245 km，左線起止里程ZK2＋155～ZK6＋400，右線起止里程YK2＋160～YK6＋405，隧道從進口四車道分4次突變加寬到最大斷面后，分岔出“3＋2”個車道，最大開挖凈跨度30.5 m，開挖斷面面積達421.7 m2，是目前亞洲開挖跨度及斷面最大的城市地下互通立交隧道。隧道襯砌結構厚度為50～75 cm，采用C35～C40鋼筋砼，隧道襯砌結構斷面加寬示意見圖1。

圖1 隧道襯砌結構斷面加寬示意(單位:cm)

3 襯砌臺車設計

3.1 總體思路

蔡尖尾山隧道主線以三車道為主，S3→S4→FC2→FC3→FC4→FC5斷面依次加寬D1＝375 cm、D2＝50 cm、D3＝275 cm、D4＝350 cm、D5＝310 cm，拱頂高度依次增加97.8 cm、0 cm、53.8 cm、128.4 cm、112.6 cm，加寬斷面中線偏距為最大加寬寬度的1/2，依次為:187.5 cm、25 cm、127.5 cm、175 cm、155 cm。變化側拱墻圓心O2、O3半徑保持不變，圓心將隨擴挖最大寬度對應外擴，拱頂及仰拱圓心O1、O′1半徑隨兩個變化斷面成線性比例增加。以S3-S4斷面變化值(見表1)為例，即每次加寬后斷面的R01，R01′在加寬值范圍內同加寬值成線型比例，R02，R03值不變(見圖2)。

表1 S3-S4斷面加寬參數 cm

圖2 拱頂及仰拱半徑隨加寬值的變化

同時通過比較分析發現所有加寬段襯砌斷面設計尺寸，各斷面的邊墻結構尺寸與半徑完全一致，只有拱部斷面半徑尺寸存在變化[2]。臺車主桁架按照標準三車道設計，加寬段臺車通過三車道臺車主門架增加副門架實現，分別加寬375 cm、50 cm、275 cm、350 cm、310 cm，完成加寬段后再轉換為三車道斷面臺車。

3.2 三車道襯砌臺車基本結構組成

襯砌臺車外輪廓比隧道襯砌理論內輪廓面外擴5 cm，襯砌臺車設計結構和組成有模板體系組成、頂模型鋼立柱支架、平移系統、門架系統、行走系統、支撐絲杠、液壓千斤頂、液壓升降系統、電氣控制系統等部分[3]。超大斷面隧道斷面設計尺寸的高度、跨度越大，對襯砌臺車設計結構受力要求越高，臺車鋼板厚度、支撐強度、各系統組成都隨之不同[4－5]。

(1)模板組成:模板由12 mm面板、面板連接法蘭、槽鋼加強背帶、加筋鋼板等組成，兩端法蘭厚度為14 mm，兩法蘭間增加了 20作為支撐，采用 10及A3δ10的加強立板沿模板寬度方向布置。

(2)頂模型鋼立柱支架:頂模型鋼立柱支架由工字鋼縱梁、橫梁及小立柱組成，縱梁高度為600 mm，由鋼板焊接成的H型鋼梁，橫梁用 25工字鋼，小立柱用I18工字鋼。頂模型鋼立柱支架是頂模結構的承重體系，隨著臺車斷面的增加，支架系統隨之加寬、加高。

(3)平移系統:臺車的液壓平移系統由前后共4個液壓油缸組成，它設置在門架上橫梁頂部，與頂模支架橫梁相連。平移系統通過液壓油缸水平方向頂升、收縮，用來調整襯砌臺車水平位移。

(4)門架系統:臺車門架是一個空間的整體框架結構[6]，門架系統包含主門架和副門架，主門架為標準三車道門架，副門架在斷面加寬時用于臺車斷面加寬，門架由大橫梁、立柱及底縱梁組裝而成，主要連接方式為螺栓連接，各大橫梁、立柱及底縱梁之間通過縱橫連接梁及斜撐和剪刀撐等連接。

(5)行走系統:行走系統由主動行走系統和被動行走系統組成[7]，采用手動或遙控開關控制電機帶動行走輪行走，通過鏈條傳動、減速機進行減速，設置行走輪箱對行走系統予以保護。臺車電機總功率為15 kW，運行速度為6 m/min，額定爬坡能力3%，為保證臺車襯砌狀態平穩，行走電機采用三相異步電動機。

(6)支撐絲杠:包括側模調模絲杠、對地支撐絲杠、防錯位連接絲杠。

(7)千斤頂:臺架升降千斤頂、門架頂升千斤頂。

(8)液壓升降系統:臺車液壓系統主要由泵站、液壓油缸、壓力管道構成，是整個襯砌臺車定位、固定及結構變化調整的動力源[8]，采用三位四通手動換向閥人工手動進行換向，來實現油缸的伸縮動作，左右側模調模油缸各采用一個換向閥控制兩側水平油缸的動作，四個豎向升降油缸各采用一個換向閥控制油缸頂升。四個水平油缸用兩個換向閥操作其同步動作。

(9)電氣控制系統:電氣控制系統主要控制行走系統電機的起動、制動及正、反向運轉，也是液壓系統的動力，行走電機可以正反轉運行及超載保護。

3.3 臺車技術規格

模板面板分為頂模、邊模和吊模共同拼接成襯砌設計斷面尺寸。頂模及邊模、吊模采用鉸接，鉸接點的位置為斷面尺寸圓與圓或直線的切點，也是面板弧度的變化點，可以保證臺車可通過變形與襯砌斷面尺寸相符，同時保證了臺車脫模時面板收縮空間[9]，模板面板之間采用法蘭盤進行栓接。

(1)襯砌臺車長度L＝10.5 m、面板厚12 mm(Q235B)，模板沿縱向分為7節，每節寬度分別為1.5 m[10]。

(2)行走電機功率7.5 kW×2；液壓電機功率5.5 kW ×1。

(3)水平左右調整量150 mm(單邊)。

(4)液壓系統流量Q＝20 L/min。

(5)系統工作壓力P＝16 MPa。

(6)液壓油缸型號及工作行程:豎向升降油缸φ200/180×300 mm數量4個；邊模調節油缸φ100/50×300 mm數量4個；水平平移油缸φ100/50×300 mm數量4個。

(7)臺車絲桿、千斤頂型號:千斤頂無縫鋼管直經89×6 mm。

(8)性能說明:電動行走，液壓立模、收模。

(9)質量標準:模板間隙≤1 mm；模板錯臺≤1 mm；輪廓半徑±2 mm；模板平面度±2 mm；表面粗糙度≤0.5 mm。

3.4 襯砌臺車加寬設計

(1)小于50 cm臺車加寬設計

在標準四車道S4斷面臺車加寬50 cm至FC2斷面時，通過調節液壓支撐桿件長度及增長側面門架絲杠加長座來調節臺車高度及寬度，同時為減小臺車與隧道斷面弧度偏差，設計在三車道臺車拱頂左右側各增加一塊20.1 cm加寬面板調節模板半徑；使弧度偏差控制在20 mm以內。

(2)大于50 cm臺車加寬設計

當襯砌斷面由S3→S4加寬375 cm，由FC2→FC3→FC4→FC5 分別加寬 275、310、350 cm 時，臺車斷面加寬尺寸變化較大，對于超大斷面扁平隧道，采用液壓頂升調節的方法實現臺車斷面多次加寬，臺車自身結構及二襯施工安全質量問題均無法保障，為確保襯砌施工安全質量，決定采用更換頂模，增加相應支撐調節塊及系統桿件的方法，同時由于副門架每次加寬寬度較大，相對主門架承重增加，通過在副門架增加行走系統來減輕主門架承重，增強整個臺車的穩定性。具體操作是更換與加寬斷面相同半徑的頂模，增加上下副門架、頂縱梁、小立柱、千斤頂、絲桿、液壓系統、行走系統，安裝通用邊模，實現S3→S4及FC2→FC5斷面臺車加寬。

超大斷面隧道襯砌臺車的設計及加工，不但需要滿足二次襯砌斷面頻繁多次變化要求，而且要考慮剛度和穩定性滿足結構受力要求，同時現場實操要簡單方便，成本合理，是保證大跨徑隧道二次襯砌施工質量及安全的關鍵[11]。臺車檢算主要對臺車自身門架、斜撐、面板、支架各單元及整體受力變形、穩定性進行計算，同時對臺車行走過程及砼澆筑時的變形、穩定性進行計算，臺車設計時已通過邁達斯軟件進行了標準斷面及最大加寬斷面相關受力結構計算，計算參數均采用臺車加寬后結構所受荷載最不利情況設定，對臺車整體及主要受力構件和易損的部位進行了驗算分析，經檢算臺車整體受力及各部件受力均滿足要求，詳細計算過程具體不再介紹。

4 加寬襯砌臺車的組裝與應用

4.1 三車道標準臺車安裝

鋼軌安裝→行走安裝→底梁安裝→門架立柱和橫梁安裝→拉桿安裝→調整門架→頂模架體安裝及調整→頂模安裝→邊模安裝→邊模通梁安裝→油缸及絲杠安裝→安裝液壓系統并調試，拆除時逆向操作即可。

4.2 三車道斷面加寬至四車道斷面

三車道二襯施工結束后按序拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件后安裝四車道斷面臺車，增加350 cm上橫梁副門架及連接桿件，安裝臺車上部加長架體。更換拱頂半徑775 cm面板為995 cm，安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調試液壓及行走系統后即可實現四車道斷面的襯砌施工。正洞三車道臺車重量117 t，正洞三車道斷面變換成四車道斷面臺車時約增加62 t結構件，拆裝時間預計為10 d左右完成。加寬前后如圖3、圖4所示。

圖3 主線三車道標準臺車斷面圖(單位:cm)

圖4 三車道加寬至四車道標準臺車斷面圖(單位:cm)

4.3 四車道斷面加寬至FC2斷面

四車道臺車變為FC2斷面臺車的步驟如下:四車道二襯施工結束后按序拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，原來四車道頂部模板做成3塊，中間塊模板不變，通過升降油缸把模板向上頂25.4 mm，再通過平移油缸把兩側的頂模向兩側移動，中間加201.3 mm的加寬塊，臺梁加長，頂模架體小立柱加高，頂部臺梁加長，增長加寬側側面門架絲杠加長座來調節臺車高度及寬度，其他不變。四車道斷面變換成FC2斷面時約增加6.28 t結構件，拆裝所需時間約3 d，加寬后如圖5所示。

圖5 四車道加寬至FC2臺車斷面圖(單位:cm)

4.4 FC2斷面加寬至FC3斷面

FC2車道二襯施工結束后拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件，增加700 cm副門架上橫梁及連接桿件，安裝臺車上部加長架體，更換半徑1 055 cm拱頂面板為半徑1 255 cm面板、安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調試液壓及行走系統后即可實現FC3斷面的襯砌施工。FC2斷面變換成FC3斷面時約增加66 t結構件，拆裝所需時間約10 d。加寬后如圖6所示。

4.5 FC3斷面加寬至FC4斷面

FC3車道二襯施工結束后拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件，增加350 cm上橫梁副門架及連接桿件，安裝臺車上部增長架體，更換拱部半徑1 255 cm面板為半徑1 405 cm，安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調試液壓及行走系統后即可實現FC4斷面的襯砌施工。FC3斷面變換成FC4斷面時約增加113 t結構件，拆裝所需時間約10 d。加寬后如圖7所示。

圖7 FC3斷面加寬至FC4斷面臺車斷面圖(單位:cm)

4.6 FC4斷面加寬至FC5斷面

FC4車道二襯施工結束后拆掉半徑尺寸為585 cm的通用邊模，將其靠在已施作完畢的隧道邊墻上，拆下頂部模板及連接桿件，增加660 cm副門架及連接桿件，安裝臺車上部架體，更換拱部半徑1 405 cm面板為半徑1 555 cm，安裝通用的邊模及各種支撐桿件、調試液壓及行走系統后即可實現FC5斷面的襯砌施工。加寬后如圖8所示。FC4斷面變換成FC5斷面時約增加92 t結構件，拆裝所需時間約12 d。最大斷面FC5總重量456.28 t。

圖8 FC4斷面加寬至FC5斷面臺車斷面圖(單位:cm)

5 結束語

在車流量日益增加的趨勢下，堵車現象頻繁，雙向四車道遠遠不能滿足車流量順利通行需求，只有通過增大隧道寬度，通過設計雙向六車道或八車道等扁平形特大跨度隧道增加車道數量以滿足發展需求[12－14]。而扁平超大斷面隧道的襯砌施工難度及安全風險就會隨之增加，其施工水平直接影響著隧道的質量、成本及進度。蔡尖尾山2＃隧道變截面臺車設計，實現了215 m2至421.73 m2超大斷面隧道多次變截面襯砌成功澆筑，施工過程中臺車安拆及體系轉換加快，同時確保了現場施工安全質量及進度要求，對同類臺車設計具有參考價值。