隧道二次襯砌拱部預制管片頂升機構設計與應用

2022-04-20 01:55:48蔣昭漢

隧道建設(中英文) 2022年3期

李荊，蔣昭漢

(1. 廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室，廣東廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東廣州 511458； 3. 中交一公局第二工程有限公司，江蘇蘇州 215000)

0 引言

鐵路隧道二次襯砌通常采用整體模筑方式施工，礙于現有技術限制，此類隧道經常出現襯砌背后空洞、裂紋、滲漏水、襯砌厚度不足等病害，尤其是拱部位置，上述病害現象更為嚴重[1]。為此，提出開展二次襯砌“邊墻現澆+拱部預制”新工法及配套裝備研究，以較好地解決上述問題[2]。采用新工法施工時，涉及多種管片升降設備。筆者調研發現，現有的升降技術已在工程車輛鏟斗舉升機構[3]、門座起重機[4]等工程機械上得到了廣泛應用；在隧道及地下工程領域，其應用主要有以下4類： 1)用于盾構法施工隧道全環管片的拼裝，這類頂升機構[5-7]通常具備旋轉、抓取及頂升功能； 2)用于大型設備的過隧運輸，如應用于武廣客運專線大寨壩隧道的DF900D導梁式定點起吊架橋機[8]及應用于福廈客專過隧道及出隧道口的1 000 t過隧運架設備[9]，這類設備體積大，結構復雜； 3)用于在建隧道某些工序，如隧道構件安裝、隧道無紡布和防水板鋪設、預埋槽道安裝及鑿巖平臺升降等[10-12]，這類頂升機構雖然結構形式有所區別，但是升降原理基本一致； 4)用于營運隧道襯砌檢修[13]與日常維護，可實現單線隧道全斷面檢修及雙線隧道半斷面檢修。

然而，在鉆爆法施工的鐵路山嶺隧道二次襯砌拱部預制拼裝技術領域，目前尚缺乏配套的頂升設備。本文依托重慶鐵路樞紐東環線胡家溝隧道工程，從頂升機構方案設計與安裝位置優化、升降油缸選型與穩定性校核和邊墻襯砌臺車門架系統強度校核等方面開展頂升機構設計與應用研究，確?，F場能夠順利完成拱部預制管片的拼裝作業。

1 工程概況

依托重慶鐵路樞紐東環線胡家溝隧道工程，改變原有的鐵路隧道二次襯砌整體式模筑施工方式，采用邊墻現澆+拱部預制拼裝的新工法。具體方案為：試驗段二次襯砌拱部采用預制管片，其余部位采用襯砌模板臺車現澆，將預制管片與現澆邊墻通過不同形式的接頭進行連接，并采取一系列的預緊、防排水、注漿加固等手段將二者固連成一個整體。胡家溝隧道最大埋深27 m，全長228 m，采用新工法施工的試驗段隧道長度最初定為150 m，后期隨著現場施工的推進變更為132 m，其中，L型榫接頭管片長度為72 m，大球形接頭管片長度為60 m；除試驗段外，剩余96 m隧道的二次襯砌施工則采用傳統的襯砌模板臺車全環現澆方式。拱部管片全部在預制廠完成預制，管片預制與現場二次襯砌邊墻施工同步進行。

管片頂升機構與管片安裝小車3D作業示意圖見圖1。如圖所示，待二次襯砌邊墻完工后，首先將管片安裝臺車與邊墻襯砌臺車上方軌道對接，待預制管片通過專用設備運輸至施工現場后，使用門式吊機將管片提運至邊墻襯砌臺車的管片頂升機構上，放置過程中需不斷調整管片左右側所處里程位置，使管片端部左右側在同一里程上。隨后，用管片安裝小車將管片運送至拼裝位置，完成預制管片的安裝。待預制管片安裝完成，采用混凝土+注砂漿方式回填，第1組安裝5片后回填注漿施工，此后每6片為1個注漿單元進行回填注漿，填充拼裝間隙，使得管片連接成整體。

(a) 邊墻襯砌臺車頂升機構頂升管片

(b) 管片安裝小車承接管片

2 方案設計及優化

2.1 功能需求及設計要點分析

管片頂升機構最基本的功能是實現管片的升降及將管片轉運至管片安裝小車。為了更好地實現這一功能，管片在升降過程中需要保持平穩，因此要求管片頂升機構自身強度、剛度能夠承載550 mm厚鋼筋混凝土預制管片的重量，并留有一定的安全余量。液壓油缸行程大、總長度長，在伸出過程中相當于材料力學中的細長桿，因此需要進行壓桿穩定性驗算，確保整個頂升機構作業過程中不會因為油缸的失穩而發生管片傾覆，造成安全事故。此外，頂升機構在邊墻襯砌臺車上的安裝位置不同，對臺車結構的整體受力情況存在一定影響，優化頂升機構的安裝位置同樣十分必要。

2.2 方案設計

如圖2所示，邊墻襯砌臺車分為2個功能作業區，左側是二次襯砌邊墻現澆作業區，右側安裝有頂升機構，用于拱部預制管片的提升及轉運。

2.2.1 總體結構設計

臺車頂升機構如圖3所示，由主支架、A型管套筒和橡膠墊塊組成。該頂升機構能夠便捷地實現管片快速穩定提升，且提升成本低、經濟性好。

(a) 主視圖

(b) 側視圖

(a) 左視圖 (b) 主視圖

其具體工作流程為： 1)初始狀態時，管片放置在頂升機構主架支撐面阻尼橡膠墊上，同時將限位A型管插入機構兩端的套筒內。2)管片放置好后，安裝在上部主梁內的油缸活塞桿緩緩升出，并逐步推動管片到達指定的高度。與此同時，管片安裝小車駛入到頂升機構的正下方，在安裝小車停穩對中后，取出兩端插入的限位A型管。3)安裝小車的頂升機構上升并逐步將整個管片內弧面支撐住，然后繼續上升一段距離，直至到達距離拱頂的指定位置。4)在管片被安裝小車托舉后，頂升機構主架在液壓油缸的作用下回降到初始位置，之后開始下一循環作業。

2.2.2 主要部件結構設計

2.2.2.1 主支架設計

頂升機構主支架如圖4所示，主要由長豎板、短豎板、面板、油缸耳板、豎梁和固定套筒通過焊接方式固定連接而成，結構簡單緊湊。主支架安裝在臺車2根上部主梁上，作為預制管片頂升作業的直接承載部件，通過油缸將管片頂升至指定位置，同時將外部載荷通過油缸及油缸支座傳遞至臺車和地面。

(a) 左視圖 (b) 主視圖

2.2.2.2 限位A型管設計

限位A型管如圖5所示，其與頂升機構主支架上的固定套筒聯合使用，可有效限制安放于主支架上的預制管片側向位移，防止管片在頂升過程中發生側傾、掉落事故。限位A型管使用非常方便，作業前只需將限位A型管插入到主支架上的固定套筒內，管片轉運時將限位A型管從固定套筒內拔出即可。

圖5 限位A型管

2.3 油缸選型設計及穩定性校核

2.3.1 油缸選型設計

油缸活塞桿在伸出過程中受到的壓力主要為管片重量和頂升機構自重，由于管片類型、重量不一，本文選取550 mm厚L型榫接頭管片為計算對象。

(1)

d=D×φ；

(2)

(3)

式(1)—(3)中：D為活塞直徑；d為活塞桿直徑；F為油缸計算外載荷；n為安全因數，取2；p1為工作壓力；p2為回油壓力；φ為桿徑比，取0.5；G1為管片重量；G2為頂升機構重量；ηm為液壓油缸機械效率，取0.9。

已知550 mm厚管片的縱向幅寬為2 000 mm，內弦長為8 600 mm，G1=246 kN，G2=6.912 kN。將相關數據代入式(1)—(3)，求得活塞直徑D，并根據液壓缸有關標準對活塞直徑進行圓整，取D=160 mm，繼而求得活塞桿直徑d=80 mm。根據施工工藝及臺車設計總裝圖可知，管片頂升高度為1 300 mm，因此取油缸行程s=1 500 mm。

2.3.2 油缸活塞桿有限元屈曲分析

采用有限元模擬方法對油缸活塞桿進行一階屈曲分析。將油缸簡化為由缸筒、活塞桿、活塞及端蓋組成，除端蓋為方形外，其余各部分均為圓柱形，并忽略掉其余細微結構。油缸各組成部分材質均為45號鋼，在端蓋上下表面施加固定約束，網格為軟件自動劃分，在活塞桿頂部施加載荷F=144.35 kN。經過運算，有限元模擬分析得到的載荷因子為2.401 7，從而得到相應的臨界載荷為346.69 kN。

因此，當頂升機構負載不超過550 mm厚的管片重量時，在油缸平穩頂升過程中活塞桿滿足穩定性要求。

2.3.3 活塞桿穩定性校核

已知油缸行程s=1 500 mm，安裝距離為217 mm，因此油缸計算長度l=1 717 mm。由于油缸計算長度與活塞桿直徑比l/d=1 717/80=21.46>10，因此需要對活塞桿進行壓桿穩定性驗算。

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)—(6)中：λp為活塞桿的比例極限柔度；E為活塞桿材料的彈性模量；σp為活塞桿材料比例極限；λ為活塞桿柔度；μ為長度系數；i為截面慣性半徑；d為活塞桿直徑；Fcr為活塞桿臨界應力；I為橫截面的形心主慣性矩。

已知σp=280 MPa，E=210 GPa，活塞桿直徑d=80 mm；最大外部載荷Fmax=144.35 kN；油缸可簡化成一端固定、另一端自由的細長桿，長度系數μ=2；截面慣性半徑i=20 mm。

經過計算，可得λ=171.7>λp=86，符合歐拉公式應用條件，將上述數據代入式(7)得到臨界應力大小為352.847 kN。

取活塞桿穩定性安全因數nk=2～4，活塞桿工作安全因數為

(8)

因此活塞桿滿足穩定性要求。

2.4 頂升機構安裝位置優化設計

2.4.1 安裝方案1

頂升機構安裝方案1如圖6所示。臺車總長為15 m，頂升機構為1對，分別安裝在邊墻襯砌臺車2根上部主梁的外側端面，其中心平面與鄰近門架外側端面的距離為1.8 m。具體安裝過程如下：在臺車2根主梁外端面分別焊接1對限位方形套筒和油缸支座，將頂升機構主架豎梁插入對應的套筒內部，同時將頂升油缸缸筒固定在油缸支座上。

采用本方案的優點是加工及安裝工藝較簡單；缺點是安裝在此位置導致力的作用線與上部主梁中心面產生一定的距離，作業過程中會形成一個附加彎矩，增加主梁受力，不利于結構的穩定和應力分布。

圖6 頂升機構安裝方案1

2.4.2 安裝方案2

頂升機構安裝方案2如圖7所示。在臺車一側門架橫梁的兩端，對稱安裝2根3 m長的梁，其大小與臺車上部主梁一致且兩者中心在一個平面上。將頂升機構固定在梁的端面，其中兩端門架外端面距離為12 m，臺車總長為15 m，頂升機構中心平面與鄰近門架外側端面的距離為1.8 m。

圖7 頂升機構安裝方案2

2.4.3 安裝方案3

頂升機構安裝方案3如圖8所示。頂升機構分別安裝在臺車2根上部主梁內，在臺車主梁端部中心位置開設多個方形孔，頂升機構豎梁下穿主梁上的方形孔，主梁內部正對著方形孔的位置安裝有油缸支座，升降油缸端蓋固定在支座上，活塞桿則與頂升機構鉸接。頂升機構中心平面與鄰近門架外側端面的距離為1.8 m。采用本方案的優點是力的作用線位于上部主梁中心面上，結構受力更加合理，不會產生附加彎矩；缺點是加工及安裝工藝較復雜。

2.4.4 方案比選

對3種頂升機構安裝方案進行對比分析，如表1所示。由表可知，方案3臺車門架支腿與主梁結構應力分布更均衡且應力值最小。除彎矩外，方案1門架支腿所承受的外力與方案3在數值上相同，但在主梁上的應力分布不均勻，與頂升機構同一側的應力大，另一側應力小。采用方案2的安裝位置將導致靠近頂升機構的門架支腿受力比方案1和方案3中所受的力增大約30.7%，而另一側門架受力也比方案1和方案3所受的力增大約25%；雖然該側門架的受力方向向上，可以抵消一部分臺車的自重，但從整體上看，不利于臺車結構的穩定。綜上所述，頂升機構最終選擇方案3進行安裝。

(a)

(b)

表1 頂升機構安裝方案對比分析

2.5 邊墻襯砌臺車門架系統強度校核

當管片頂升機構采用方案3進行安裝時，針對管片頂升過程涉及的工況，采用有限元方法對邊墻襯砌臺車門架系統靜載強度進行校核。根據現場施工工藝，在管片頂升初始階段，邊墻襯砌臺車門架支撐系統所受靜載主要為頂升機構自重、管片重量，以及模板系統、附屬澆筑管路、液壓、電氣等裝置重量。已知單側門架所受頂升機構自重和管片重量的作用力之和為144 350 N，所受模板系統、附屬澆筑管路、液壓、電氣等裝置重量的作用力約為400 000 N。

利用軟件對邊墻襯砌臺車門架系統進行實體建模，本次計算主要校核門架系統的整體強度是否滿足要求，因此計算過程中為了節約計算資源，方便網格劃分，去掉了圓角、倒角及孔等結構。門架系統所有構件均采用Q235碳素結構鋼，屈服強度為235 MPa，所有構件采用剛性連接，視為一個整體，對4個門架立柱底部施加固定約束。在載荷施加方面，將左右2根15 m長門架上部主梁上表面分割為12 m和3 m 2部分進行同步加載，前者施加400 000 N，后者施加144 350 N；網格為系統自動劃分而成。經過計算，結構承受的最大應力約為176 MPa，根據鋼結構設計規范，門架系統鋼材的設計用抗彎強度為215 MPa，因此門架系統結構強度滿足要求。

3 現場應用

3.1 應用概況

試驗段拼裝式二次襯砌施工進度如表2所示。由表可知，截至2021年7月，現場邊墻襯砌澆筑累計完成11組(其中L型6組，球形5組)，共計132 m。管片廠生產L型榫接頭管片36片(6組)和球形接頭管片30片(5組)，均已完成安裝；全環現澆二次襯砌也已完工，現正在進行洞門以及中心水溝的施工作業。

表2 試驗段拼裝式二次襯砌施工進度表

3.2 邊墻二次襯砌澆筑

如圖9所示，現場正在使用邊墻襯砌臺車進行二次襯砌邊墻的現澆作業。臺車有2套不同結構形式的縱向封堵模板，分別用于L型榫接頭和球形接頭施工，作業時只需要更換臺車頂部左右兩側的縱向封堵模板，即可完成對應管片接頭的施工。

圖9 邊墻襯砌臺車施作二次襯砌邊墻

3.3 管片拼裝

管片拼裝過程如圖10所示。如圖10(a)、(b)所示，拱部預制管片運輸到邊墻襯砌臺車與吊機之間后，由吊機將管片提運至邊墻襯砌臺車頂升機構上，接著管片頂升機構將管片緩緩抬升；然后，圖10(c)中管片安裝小車沿著臺車上部軌道行駛至管片正下方，并將管片從頂升機構轉移至自身的管片支撐裝置上；最后，管片安裝小車將管片安裝到已完成澆筑的二次襯砌邊墻上。圖10(d)示出現場工人對相鄰管片連接螺栓縱向預緊后，進行環向止水條安裝。