大坡度隧道全液壓自行式襯砌臺車方案研究

崔竣堯

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

1.1 工程簡介

新疆某引水隧道SSIV標工程位于該工程線路尾部,處于戈壁灘腹地,穿越兩市三縣。隧道采用盾構法和鉆爆法施工［1］,主洞長度37.355 km,縱坡1/5000,支洞長度5.15 km,其中鉆爆法施工支洞長度3.633 km,縱坡12.9%,最大埋深295 m,共設有6 個施工支洞和1 個豎井。該工程建成后,對解決下游地區水資源匱乏有重要意義。

1.2 工程特點

鉆爆法施工的5#、9#、10#及11#支洞總長3.633 km,縱向坡度均為12.9%,其中需要施作二次襯砌段共1.785 km,較長的距離以及較大的坡度導致二次襯砌施工難度增大。為滿足工期計劃要求,二襯需隨著開挖進度跟進施工,掌子面開挖出渣以及施工一線物料運輸車輛、人員等來回穿梭,使得襯砌臺車在大坡度斜坡上的穩定性、安全性變得尤為重要,是必須要研究解決的施工重難點。

2 臺車行走系統方案比選

隧道襯砌臺車是用于隧道整體或局部混凝土襯砌的設備。襯砌模板臺車包括行走系統、門型架、機械支撐系統、邊模、頂模、頂升油缸、液壓系統、電氣系統,還包括平移系統、底縱梁；行走系統與底縱梁連接,門型架與邊模通過機械支撐系統連接,頂模系統通過平移系統、升頂油缸與門型架連接。結合本項目支洞的大坡度襯砌段施工難題,進行多種襯砌臺車行走系統方案比選。

2.1 輪式軌道臺車

（1）臺車結構為滿足設計10 m結構段長度的要求,擬采用10.1 m長邊頂拱全液壓模筑臺車,主要由門型架部分、模板部分、液壓系統和行走部分組成,設計為整體可調組合鋼模板、液壓油缸脫立模、絲杠千斤頂支撐、電動減速機自動行走。由于臺車落于軌道上,穩定性較差,在進行混凝土澆筑時需設置內側斜撐加固,見圖1。鑒于該襯砌臺車是為本項目專門設計制造的非標產品,設計時要充分考慮施工機械的匹配問題,確保襯砌與開挖支護施工同時進行［3］,互不沖突,根據現場機械外形尺寸情況統計,最高的車輛高3.8 m,最寬的車輛3 m（最寬點在高度3.4 m的位置）,故需要在高度3.4 m以下的凈寬不小于3.1 m,凈高不小于4 m。臺車直接落在鋪設好的軌道上,采用2×11 kW行走電機鏈條驅動,帶動鋼輪移動［2］。

圖1 輪式軌道式臺車橫斷面示意圖

（2）可行性分析

1）技術方面

該種臺車普遍應用于各類隧道襯砌施工中,工人對其熟悉度高,操作較順手,但襯砌臺車門型架凈寬、凈高尺寸在不澆筑混凝土的狀態下能夠滿足車輛通行要求,在進行混凝土澆筑時凈寬僅為2.5 m,小于3.1 m的要求,無法滿足大型車輛通行。故從技術方面分析,此方案不可行。

2）安全方面

在12.9%的坡道上使用輪式軌道臺車時存在如下幾點問題：首先,軌道鋪設時對其固定的難度大,易發生枕木或軌道滑溜現象。其次,臺車行走時雖使用減速電機控制臺車移動,但臺車也會在自重的作用下滑溜,與軌道發生相對移動,易發生脫軌現象,會嚴重威脅施工安全,影響安全目標的實現。故從安全方面分析,此方案不可行。

2.2 液壓軌道臺車

（1）臺車結構

10.1 m長邊頂拱全液壓模筑臺車,設計為整體可調組合鋼模板、液壓油缸脫立模、絲杠千斤頂支撐、液壓油缸頂進行走。在臺車前后兩端門架上同一高度共設置4個舉升油缸,油缸下設置馬凳,馬凳騎于軌道上方且不接觸軌道,馬凳連接桿穿過外側固定槽道,使其只能上下伸縮,不發生側向偏移,見圖2、圖3。設計時仍要充分考慮施工機械的匹配問題。將行走油缸固定與橫梁下,將軌道掛于行走輪之下,使其與臺車相對獨立。將行走油缸與行走梁采用鋼絲繩連接,并與臺車形成整體。臺車舉升油缸伸出,使臺車升高,此時馬凳處于支地狀態,行走輪下的掛輪帶動鋼軌脫離地面；行走油缸一伸一縮,帶動鋼絲繩使鋼軌相對臺車前移；當行走油缸伸縮完畢,舉升油缸收縮,使鋼軌落于地面,臺車負重落于鋼軌上。行走油缸繼續伸縮,軌道不動,臺車相對發生移動,重復以上動作,完成臺車就位工作。

圖2 液壓軌道式臺車橫斷面示意圖

圖3 液壓軌道式臺車縱剖面示意圖

（2）可行性分析

①技術方面

該種臺車較輪式軌道臺車新增舉升系統,改進了臺車行走方式,依靠馬凳與行走油缸交替作業達到行走目的,原理簡單,操作難度較低,易于施工,同時該臺車門型架凈寬、凈高尺寸能夠滿足車輛通行要求。故從技術方面分析,此方案可行。

②安全方面

臺車雖依靠馬凳與行走油缸交替作業達到行走目的,但當行走油缸作業時,馬凳處于離地狀態,此時仍存在臺車在自身重力作用下發生溜滑的風險,鋼絲繩也會存在因拉力過大造成崩斷,使臺車下溜,造成安全事故。從安全方面分析,此方案仍不能有效解決臺車溜滑問題,故此方案不可行。

2.3 液壓滑動臺車

（1）臺車結構

10.1 m長邊頂拱全液壓模筑臺車,設計為整體可調組合鋼模板、液壓油缸脫立模、絲杠千斤頂支撐、液壓油缸頂進行走（行走原理類似于液壓軌道臺車）見圖4。

圖4 液壓滑動式臺車橫斷面示意圖

在臺車前后兩端門架上同一高度共設置4 個舉升油缸,油缸下采用螺栓連接支腿和支撐塊,支腿穿過外側固定槽道,使其只能上下伸縮,不發生側向偏移。在行走梁（底部橫梁）設下掛行走塊,每個橫梁設2 個,行走塊寬度大于行走梁寬度,前后行走塊間采用硬連接,并于行走梁下固定設置行走油缸,油缸與其中一個行走塊連接,當油缸伸縮時可帶動兩個行走塊整體移動,此為該套行走系統的動力來源,行走塊距離為橫梁長度減掉行走油缸行程即可。當進行臺車移動時,舉升油缸伸出,使臺車升高,此時,行走塊處于離地狀態。行走油缸一伸一縮帶動行走塊,使行走塊在行走梁上滑動。行走油缸伸縮完畢后,舉升油缸收縮,使行走塊落地,臺車負重落于行走塊上。行走油缸再進行伸縮,行走梁在行走塊上滑行,使臺車相對行走塊進行移動,此時行走塊保持不動。重復以上動作,直至臺車移動到所需位置。當然,同樣需要充分考慮施工機械的匹配問題。

（2）可行性分析

1）技術方面

行走原理類似于液壓軌道臺車,較為易懂,且操作難度較低,易于施工,同時該臺車門型架凈寬、凈高尺寸能夠滿足車輛通行要求。故從技術方面分析,此方案可行。

2）安全方面

臺車自重46 t,即G=450.8 kN,當臺車置于12.9%的坡道上時,臺車自重在坡面的分力G1=G×sin =57.5 kN,臺車自重在垂直坡面的分力G2=FN=G×cos =447.1 kN,FN為臺車對坡面的壓力,而臺車與坡面的靜摩擦力F= ×FN,因為坡面為混凝土路面,取值在0.6~1.0間,當取最小值0.6時,F=268.26 kN≥G1,故臺車完全能夠穩定于12.9%的坡面上,安全性更佳［4］。故從安全方面分析,此方案可行。

綜上,結合本項目施工支洞12.9%大坡度的特點,通過從技術、安全方面綜合分析,確定第三種方案最佳,即液壓滑動式臺車更適合本項目施工。

3 結語

大坡度的襯砌施工是隧道工程施工領域面對的困難之一,施工組織及方案的合理制定是解決這一問題的關鍵,本文以新疆某引水隧洞SSIV標工程為例,圍繞大坡度隧道襯砌臺車方案的選擇,從技術和安全兩方面分別對三種不同的臺車方案進行分析論述,最后選定最佳方案,一方面保證了施工安全,另一方面因其故障率較電機驅動故障率低,也節省了過多的維修時間,提高了整體施工效率,同時也節約了維修成本。該方案的有效實施,不僅為項目解決了一個施工難題,更是為我們以后進行大坡度隧道襯砌施工提供了一定的技術參考,但各工程項目的特點不同,應結合項目的實際需求選擇合理的方案,確保安全順利的完成施工任務。