一種新型智能化隧道襯砌臺車力學(xué)特征研究

王青松

(1.中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016；2.中國鐵建高原隧道施工技術(shù)及裝備研發(fā)中心 陜西西安 710016)

1 引言

隧道襯砌臺車是傳統(tǒng)礦山法隧道施工中施作二襯混凝土的重要設(shè)備，承擔(dān)著澆筑過程中二襯混凝土靜荷載以及沖擊、振搗作用下的動荷載，因此需要科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)形式，既能滿足安全要求，又要保證減少材料浪費(fèi)[1－2]。二襯混凝土的施工質(zhì)量是后期隧道安全運(yùn)營的重要保證，傳統(tǒng)普通襯砌臺車施工過程中受自身缺陷及作業(yè)人員影響，易導(dǎo)致二襯澆筑存在背后空洞、注漿不飽滿等問題，因此結(jié)構(gòu)合理、節(jié)能高效、智能化作業(yè)已成為隧道襯砌臺車的重要發(fā)展方向[3－5]。

隨著襯砌臺車在隧道工程中的大量應(yīng)用，前人在臺車應(yīng)力、變形特征等方面取得了諸多研究成果，目前理論分析多為將臺車拆解、簡化成單獨(dú)的梁或板進(jìn)行計(jì)算[6]。曹小林[7]認(rèn)為襯砌臺車的穩(wěn)定性主要取決于門架的剛度及底部的約束。王前[8]將臺車面板簡化為四邊固定模型，認(rèn)為10 mm＋2 mm復(fù)合式鋼面板有助于提高澆筑質(zhì)量。但淑英[9]對襯砌臺車的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)受力分析進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和說明。但實(shí)際情況中，襯砌臺車往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過人為拆解將復(fù)雜受力體系簡化為板、梁等進(jìn)行計(jì)算，存在精度不足、計(jì)算量繁重等問題，因此通過建立三維有限元數(shù)值模型對襯砌臺車做整體受力分析已成為重要的科研方法和手段[10－11]。王浩[12]通過數(shù)值分析及現(xiàn)場監(jiān)測，認(rèn)為臺車澆筑過程中應(yīng)力呈現(xiàn)外側(cè)大、內(nèi)部小的規(guī)律，混凝土凝固過程中臺車結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本不變。路光達(dá)[13]利用Midas對兩端門架式新型襯砌臺車進(jìn)行數(shù)值分析，但其模型中對頂部荷載的簡化值得商榷。姬海東[14]通過數(shù)值模擬，認(rèn)為臺車應(yīng)力最大位置是縱向連接梁的跨中位置。

綜上分析可知，以往關(guān)于襯砌臺車的力學(xué)分析多是先建模后分層或者單次施加荷載進(jìn)行計(jì)算，未考慮混凝土的初凝問題；其次以往研究多是對襯砌臺車進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力特征分析，不能反映其混凝土澆筑及凝固過程中的動態(tài)應(yīng)力特征。因此本文考慮混凝土的初凝，分三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并通過現(xiàn)場實(shí)測來對某新型智能化襯砌臺車作業(yè)過程中的應(yīng)力、變形特征進(jìn)行分析，以期為相關(guān)研究和工程實(shí)踐提供參考。

2 新型智能襯砌臺車總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

新型智能襯砌臺車主要包括:灌注系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)、拱頂灌注飽滿度監(jiān)測系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及自動行走系統(tǒng)等。通過智能化控制和數(shù)字顯示平臺，可實(shí)現(xiàn)臺車自動化行走、定位、支模、封端、灌注、振搗、清洗等一系列流程。通過傳感器的可視化信號監(jiān)測，有效保證了拱頂混凝土灌注飽滿度，提高了襯砌施工質(zhì)量。

2.2 臺車結(jié)構(gòu)

智能襯砌臺車結(jié)構(gòu)見圖1。臺車前后兩端采用門架式結(jié)構(gòu)，兩端門架橫梁連接兩個縱梁，主要承擔(dān)灌注系統(tǒng)移動及澆筑的荷載。臺車下部設(shè)有橫撐，將兩側(cè)底部主縱梁有效連接，形成穩(wěn)固的全包圍結(jié)構(gòu)，大大提高了臺車結(jié)構(gòu)整體性。本臺車將兩側(cè)邊模的絲杠直接頂緊縱梁并由油缸自動控制，提高施工效率，大大降低人力消耗。通過棧橋上跨底部橫撐，利用絲杠支撐地面，減少了車輛通行時對臺車的擾動。臺車環(huán)向由5塊模板組成，包括1塊頂模、2塊側(cè)模以及2塊底模，采用鉸接連接。

圖1 襯砌臺車結(jié)構(gòu)

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)要求以及施工現(xiàn)場需求確定臺車的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 智能襯砌臺車主要性能參數(shù)

3 襯砌臺車受力特征數(shù)值計(jì)算分析

襯砌臺車施工過程中結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，以保證施工安全及作業(yè)質(zhì)量。因此本文通過建立三維有限元數(shù)值模型，對臺車施工過程力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析。計(jì)算模型寬度為11.2 m，高度為7.7 m，縱向長度為12 m。模型中絲杠采用梁單元，其余結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬。

3.1 外部荷載及模擬工況確定

3.1.1 外部荷載計(jì)算

參考相應(yīng)規(guī)范[15－16]，襯砌臺車模板所受荷載為:

式中:γc為混凝土重度，取25 kN/m3；t0為混凝土初凝時間，取6.0 h；β1為外加劑影響修正系數(shù)，取1.15；β2為坍落度修正系數(shù)，取1.2；v為混凝土澆筑速度，取1 m/h(高度)。

計(jì)算可得F＝45.5 kPa，考慮施工擾動將F取值為50 kPa，則h＝F/γc＝2 m。

3.1.2 模擬工況確定

根據(jù)臺車受力計(jì)算以及混凝土參數(shù)取值，得到以下計(jì)算工況:

(1)工況1

如圖2a所示，混凝土已澆筑6 h，澆筑高度為6 m，則下部4 m高度范圍內(nèi)為50 kPa均布荷載，上部2 m高度范圍內(nèi)為線性荷載。

圖2 臺車數(shù)值計(jì)算模擬工況

(2)工況2

如圖2b所示，混凝土澆筑至頂部，下部1.7 m高度的混凝土已完成初凝，1.7～5.7 m高度范圍內(nèi)的混凝土荷載為50 kPa，上部2 m高度范圍內(nèi)為線性荷載。

(3)工況3

如圖2c所示，整個澆筑過程完成，二襯設(shè)計(jì)厚度為50 cm，此時下部2.2 m高度的混凝土已完成初凝，2.2～5.7 m高度范圍內(nèi)的混凝土荷載為50 kPa，上部2 m高度范圍內(nèi)為線性荷載。P0＝γch＝25 kN/m3×50 cm×0.01＝12.5 kPa，考慮到超欠挖問題，計(jì)算中P0取值為15 kPa。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.2.1 工況1計(jì)算結(jié)果分析

工況1中臺車位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示。門架系統(tǒng)位移較小，端部門架立柱最大位移發(fā)生在底部，為4.9 mm；中部立柱的最大位移發(fā)生在中下部，為4.0 mm。模板頂部位移為3.1 mm，模板底部位移最大，為6.6mm。

圖3 工況1臺車位移云圖

工況1中臺車應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示，門架系統(tǒng)有效應(yīng)力總體較小。端部門架最大應(yīng)力發(fā)生在下部小橫撐與立柱接觸部位，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，數(shù)值為141.6 MPa；門架橫梁上表面最大應(yīng)力為66.3 MPa，下表面最大應(yīng)力為52.5 MPa；門架斜撐總體應(yīng)力較小，在30 MPa以內(nèi)，其最大應(yīng)力為111.5 MPa，發(fā)生在斜撐與門架橫梁接觸處，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。中部立柱最大應(yīng)力發(fā)生在底部，數(shù)值為95.8 MPa，其整體應(yīng)力在60 MPa以內(nèi)。臺車絲杠均為受壓，最大壓應(yīng)力為78.2 MPa，發(fā)生在第二層絲杠與門架立柱接觸處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 工況1臺車應(yīng)力云圖

3.2.2 工況2計(jì)算結(jié)果分析

限于篇幅，本章節(jié)未給出工況2臺車位移及受力云圖。結(jié)果表明:門架系統(tǒng)位移較小，端部門架立柱最大位移發(fā)生在底部，為3.1 mm；中部立柱的最大位移發(fā)生在中部位置，為3.5 mm。模板頂部位移為3.5 mm，模板底部位移最大，為4.6 mm。

工況2中臺車門架系統(tǒng)應(yīng)力總體較小。其中端部門架最大壓應(yīng)力發(fā)生在下部小橫撐與立柱接觸部位，為85.9 MPa；門架橫梁上表面最大拉應(yīng)力為60.2 MPa，下表面最大壓應(yīng)力為60.5 MPa；門架斜撐總體應(yīng)力較小，在30 MPa以內(nèi)，其最大應(yīng)力為63.1 MPa，發(fā)生在斜撐與門架橫梁接觸處。中間立柱最大應(yīng)力發(fā)生在頂部，數(shù)值為57.7 MPa，其整體應(yīng)力在50 MPa以內(nèi)。臺車絲杠均為受壓，最大壓應(yīng)力為44.2 MPa，發(fā)生在第二層位置。

3.2.3 工況3計(jì)算結(jié)果分析

限于篇幅，本章節(jié)未給出工況3中臺車位移及受力云圖。計(jì)算結(jié)果表明:門架系統(tǒng)位移較小，其中端部門架立柱最大位移發(fā)生在底部，為1.9 mm；中部立柱的最大位移發(fā)生在中上部位置，為2.5 mm。模板頂部位移為2.2 mm，模板底部位移最大，為3.4 mm，但整體上邊模底部的位移在2.5 mm左右，拱腰邊模變形最大值達(dá)到3.0 mm。

工況3中臺車端部門架最大應(yīng)力發(fā)生立柱頂部，數(shù)值為54.2 MPa；門架橫梁上表面最大應(yīng)力為55.0 MPa，下表面最大應(yīng)力為52.5 MPa；門架斜撐總體應(yīng)力較小，在30 MPa以內(nèi)，其最大應(yīng)力為86.4 MPa，發(fā)生在斜撐與門架橫梁接觸處。中間立柱最大應(yīng)力發(fā)生在上部，數(shù)值為57.7 MPa，其整體應(yīng)力在40 MPa以內(nèi)。臺車絲杠上下兩層為受壓，最大壓應(yīng)力為35.1 MPa，中間一層絲杠存在局部受拉，最大拉應(yīng)力13.2 MPa。

4 襯砌臺車現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與分析

本文依托陜西眉太高速太白山隧道，對隧道襯砌臺車進(jìn)行施工全過程的動態(tài)監(jiān)測，澆筑完成時間為12.3 h。

端部門架受力如圖5所示，門架立柱外側(cè)受拉，澆筑過程中最大拉應(yīng)力為24.7 MPa，澆筑結(jié)束時，拉應(yīng)力為19.8 MPa，工況3數(shù)值計(jì)算結(jié)果為19.3 MPa，兩者結(jié)果相近；凝固過程中應(yīng)力略有增加，最大拉應(yīng)力為29.8 MPa，比澆筑過程最大拉應(yīng)力大約20%，并最終穩(wěn)定在22 MPa左右。門架立柱上部外側(cè)澆筑過程主要受拉，最大拉應(yīng)力為7.5 MPa，澆筑結(jié)束時拉應(yīng)力為1.8 MPa；凝固過程中拉應(yīng)力略有增加，最大拉應(yīng)力為13.4 MPa，并最終穩(wěn)定在10 MPa左右。

圖5 端頭門架應(yīng)力變化曲線

端部門架斜撐受力如圖6所示，以受拉為主，澆筑過程中斜撐上部外側(cè)最大拉應(yīng)力為17.6 MPa，應(yīng)力較小。 澆筑結(jié)束時，測點(diǎn)16＃、17＃、18＃的應(yīng)力數(shù)值分別為 2.2 MPa、8.1 MPa、6.7 MPa，工況 3 中數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別為 2.9 MPa、9.3 MPa、7.9 MPa，結(jié)果較為接近。

圖6 端部門架斜撐應(yīng)力變化曲線

2＃門架應(yīng)力變化如圖7所示，2＃門架總體應(yīng)力較小，門架立柱底部內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉。澆筑過程中，外側(cè)最大拉應(yīng)力為43.6 MPa，內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)力為42.7 MPa；門架斜撐內(nèi)側(cè)受力以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力為11.2 MPa，最大拉應(yīng)力為7.8 MPa。澆筑結(jié)束時，測點(diǎn)21＃的應(yīng)力分別為26.2 MPa，工況3中數(shù)值計(jì)算結(jié)果為22.8 MPa。凝固過程中，襯砌混凝土凝結(jié)膨脹，門架應(yīng)力有所增加，門架立柱底部最大拉應(yīng)力為51.5 MPa，比澆筑過程最大應(yīng)力值大18%，門架斜撐受力逐步由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，最大拉應(yīng)力為14.2 MPa。

圖7 2＃門架應(yīng)力變化曲線

3＃門架結(jié)構(gòu)(中間門架)與2＃一致，受力情況也較為相似，門架立柱底部內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉。澆筑過程中，外側(cè)最大拉應(yīng)力為32.2 MPa，內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)力為23.7 MPa；門架上部外側(cè)最大拉應(yīng)力為19.6 MPa。凝固過程中，襯砌混凝土凝結(jié)膨脹，門架應(yīng)力有所增加，門架立柱底部外側(cè)最大拉應(yīng)力為35.6 MPa，門架立柱上部外側(cè)最大拉應(yīng)力增長為61.4 MPa。

臺車絲杠在澆筑過程中以受壓為主，但由于絲杠實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜，存在彎曲變形及振動干擾，所以導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)拉應(yīng)力。澆筑過程中最底層絲杠最大壓應(yīng)力為50～60 MPa，第二層絲杠最大壓應(yīng)力約為40 MPa。混凝土凝固過程中，絲杠受力呈現(xiàn)先減小、后增大，最后趨于穩(wěn)定的趨勢，最終所受壓應(yīng)力在30 MPa以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測，對新型智能襯砌臺車進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)受力分析，得到以下結(jié)論:

(1)臺車結(jié)構(gòu)總體安全可靠，存在局部應(yīng)力集中。其中端頭門架立柱最外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓，最大應(yīng)力在30 MPa以內(nèi)，端頭門架斜撐最大拉應(yīng)力在20 MPa以內(nèi)；2＃門架立柱最大應(yīng)力在50 MPa以內(nèi)；絲杠最大壓應(yīng)力小于60 MPa。臺車總體結(jié)構(gòu)安全可靠，且存在較大優(yōu)化空間。

(2)臺車在邊模澆筑過程中變形最大，即工況1最為不利，底模板最大變形為6.6 mm，頂模板最大變形為3.1mm。隨著澆筑高度增加，邊模變形量超過模板底部，因此建議對二襯臺車進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，要考慮混凝土的初凝作用，而不是單次全環(huán)加載。

(3)由于混凝土在凝結(jié)過程中發(fā)生膨脹，使得臺車主體結(jié)構(gòu)受力增加，增大幅度約為20%，因此建議在臺車優(yōu)化分析中，要適當(dāng)考慮混凝土凝固過程對臺車結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。