小直徑大曲率隧道二次襯砌拱墻臺(tái)車的設(shè)計(jì)

彭文韜 蘇長(zhǎng)毅 劉燦光 劉康宇

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程（以下簡(jiǎn)稱“本工程”）涉及9個(gè)區(qū)間共17.5 km盾構(gòu)隧道洞通后的二次襯砌施工，隧道成形直徑最小僅3 m、最小轉(zhuǎn)彎半徑250 m，施工工期緊張。

傳統(tǒng)全圓針梁式臺(tái)車[1]與穿行式臺(tái)車在小斷面工況下難以投入多作業(yè)面進(jìn)行跳倉(cāng)施工，一般采用連續(xù)澆筑方式，施工工效低，且無(wú)法適應(yīng)大曲率隧道施工。

為解決上述問(wèn)題，研究了一種在二次襯砌底部仰拱先行施工條件下，可適應(yīng)小直徑大曲率隧道工況、多作業(yè)面跳倉(cāng)施工的二次襯砌拱墻臺(tái)車。

1 工程概況

本工程是全國(guó)首條正式開(kāi)建的深層污水輸送隧道，主隧全長(zhǎng)17.5 km，包含9個(gè)豎井和9個(gè)區(qū)間，區(qū)間埋深30.0～56.0 m，單區(qū)間最長(zhǎng)達(dá)3.6 km。采用厚25 cm的C50盾構(gòu)管片初次襯砌＋厚20 cm的C40二次襯砌的疊合式襯砌。區(qū)間隧道成形直徑3.0、3.2、3.4 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑250.0 m，全線曲線段占比達(dá)43%。隧道二次襯砌每14.4 m設(shè)1道變形縫，環(huán)向不設(shè)施工縫。

二次襯砌施工在盾構(gòu)隧道貫通后進(jìn)行，其中：下部120°仰拱先行施工，為拱墻臺(tái)車及電瓶運(yùn)輸車提供底部通行條件；上部240°拱墻采用拱墻臺(tái)車跳倉(cāng)法跟進(jìn)仰拱施工。

2 臺(tái)車整體設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

2.1 臺(tái)車整體設(shè)計(jì)

本工程拱墻臺(tái)車設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為14.4 m，根據(jù)成形洞徑不同分為3.0、3.2、3.4 m等3種類型。臺(tái)車由3節(jié)4.8 m分節(jié)小臺(tái)車鉸接連接而成。分節(jié)小臺(tái)車間集成各自的液壓控制系統(tǒng)，彼此相互獨(dú)立。拱墻臺(tái)車整體三維設(shè)計(jì)如圖1所示，其縱斷面如圖2所示。

圖1 拱墻臺(tái)車整體三維示意

圖2 拱墻臺(tái)車整體側(cè)視

拱墻臺(tái)車由模板系統(tǒng)、門架系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、小臺(tái)車鉸接耳座等組成。分節(jié)小臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組成如圖3所示。

圖3 拱墻臺(tái)車整體截面

2.1.1 模板系統(tǒng)

模板系統(tǒng)包括頂模、側(cè)模、搭接模板機(jī)構(gòu)和端模；頂模兩端采用鉸接形式分別與對(duì)稱分布在兩側(cè)的側(cè)模連接，每節(jié)小臺(tái)車模板縱向由2組寬1.5 m＋1組寬1.8 m鋼模組成，鋼模面板厚度8 mm，環(huán)楞弧形鋼板厚度14 mm，每組頂模設(shè)4道，最大間距600 mm；每組側(cè)模設(shè)3道，最大間距900 mm?？v楞為90 mm×56 mm×8 mm角鋼，環(huán)向間距300 mm，各組鋼模間設(shè)螺栓連接。

搭接模板機(jī)構(gòu)設(shè)置在小臺(tái)車兩端，前后相鄰小臺(tái)車連接采用搭接形式，前側(cè)小臺(tái)車設(shè)置外側(cè)搭接模板、后側(cè)小臺(tái)車設(shè)置內(nèi)側(cè)搭接模板；拱墻臺(tái)車第1節(jié)與最后1節(jié)端部設(shè)置外側(cè)搭接模板或端模。

隧道投入多套襯砌臺(tái)車跳倉(cāng)施工，奇數(shù)倉(cāng)安裝端模封堵端頭，偶數(shù)倉(cāng)安裝外側(cè)搭接模板用于搭接兩側(cè)奇數(shù)倉(cāng)已成形二次襯砌結(jié)構(gòu)。

2.1.2 門架、支撐及液壓系統(tǒng)

門架系統(tǒng)主要由模板平移托架及連接的門架HW150型鋼橫梁、HW150型鋼縱梁、雙拼14b#槽鋼立柱、12#槽鋼連系梁等組成。每節(jié)小臺(tái)車共設(shè)4榀門架，最大中心間距1.4 m。每節(jié)小臺(tái)車支撐系統(tǒng)自上而下包括4組上側(cè)模支撐絲桿、4組下側(cè)模支撐絲桿、4組門架橫撐絲桿和4組底部支撐絲桿。

每節(jié)小臺(tái)車液壓系統(tǒng)包括由臺(tái)車操作閥、液壓泵站組成的液壓控制系統(tǒng)，以及2組模板平移油缸、2組臺(tái)車頂升油缸、2組側(cè)模收支油缸等。分節(jié)小臺(tái)車間液壓控制系統(tǒng)各自集成，實(shí)現(xiàn)小臺(tái)車間獨(dú)立控制、依次對(duì)中、依次支模。

臺(tái)車操作流程為：臺(tái)車依次推行就位→依次操作模板平移油缸，模板水平對(duì)中到位→依次操作臺(tái)車頂升油缸，模板高程位置到位→依次操作側(cè)模收支油缸，側(cè)模支出到位→依次安裝側(cè)模支撐絲桿、底部支撐絲桿、橫撐絲桿到位→連接泵管，澆筑混凝土。

2.2 臺(tái)車受力驗(yàn)算

根據(jù)模板臺(tái)車設(shè)計(jì)情況，結(jié)合施工過(guò)程的實(shí)際情況，以長(zhǎng)3.4 m的臺(tái)車為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主要取以下荷載：

1）結(jié)構(gòu)自重。單節(jié)臺(tái)車?yán)碚撡|(zhì)量約9 t，考慮1.35荷載分項(xiàng)系數(shù)，自重荷載設(shè)計(jì)值共計(jì)12.2 t。

2）混凝土側(cè)壓力。本工程二次襯砌采用的自密實(shí)混凝土初凝時(shí)間達(dá)10 h，坍落度大于180 mm，故按流體壓力計(jì)算混凝土澆筑側(cè)壓，最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在側(cè)模底部，約66.7 MPa，考慮1.35荷載分項(xiàng)系數(shù)，側(cè)壓荷載設(shè)計(jì)值最大為90 MPa。

分別采用Midas Gen軟件對(duì)臺(tái)車門架結(jié)構(gòu)、Solidworks軟件對(duì)臺(tái)車模板系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果為：門架變形主要整體向內(nèi)變形，最大水平位移出現(xiàn)在門架底部，最大水平位移2.48 mm＜3.15 mm的允許位移；最大應(yīng)力175 MPa，位于立柱與橫向撐桿交點(diǎn)處；變形及應(yīng)力均滿足要求。

模板變形主要整體向內(nèi)變形，最大位移出現(xiàn)在模板中下部位置，最大位移0.46 mm＜1.50 mm的允許位移；最大應(yīng)力95.5 MPa，位于模板與絲桿連接處；變形及應(yīng)力均滿足要求。

3 臺(tái)車針對(duì)性設(shè)計(jì)

3.1 小直徑隧道工況針對(duì)性設(shè)計(jì)

本工程隧道二次襯砌單作業(yè)面投入8套臺(tái)車（圖4）進(jìn)行跳倉(cāng)法施工，沿用原盾構(gòu)階段電瓶運(yùn)輸車（高1.8 m，寬1.2 m，長(zhǎng)6.6 m）進(jìn)行軌枕軌道等物料運(yùn)輸及臺(tái)車推行，需在最小成形洞徑3.0 m工況下實(shí)現(xiàn)電瓶車在臺(tái)車門架內(nèi)部通行，且保障臺(tái)車內(nèi)部操作空間。故需對(duì)臺(tái)車門架做針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證臺(tái)車使用便利的前提下，盡量增大門架內(nèi)凈空。

圖4 臺(tái)車脫模狀態(tài)設(shè)計(jì)

第一，優(yōu)化門架型鋼尺寸，增設(shè)可拆卸式的輔助絲桿增強(qiáng)門架剛度。由臺(tái)車整體設(shè)計(jì)可知，門架橫梁及立柱等構(gòu)件型鋼尺寸均較小，每節(jié)小臺(tái)車門架設(shè)置4組橫撐絲桿，臺(tái)車支模狀態(tài)打開(kāi)，脫模狀態(tài)可卸下。

第二，保障側(cè)模絲桿安裝調(diào)節(jié)空間，避免臺(tái)車支模困難。門架立柱采用雙槽鋼加鋼板組焊形式，兩槽鋼腹板設(shè)計(jì)留一定空隙開(kāi)雙耳洞，連接上側(cè)側(cè)模支撐絲桿；下側(cè)側(cè)模支撐絲桿連接耳板置于底縱梁底部。這樣無(wú)需在門架立柱外側(cè)設(shè)置雙耳板，有效增大了絲桿調(diào)節(jié)量。

在臺(tái)車頂升油缸完全收回狀態(tài)，頂部最大脫模量達(dá)140 mm，門架有效內(nèi)凈空高1.9 m，寬1.4 m，電瓶車與門架凈距80 mm，滿足通行要求。使用階段可不完全收回頂升油缸進(jìn)一步增大凈空。因此除臺(tái)車澆筑及未達(dá)拆模強(qiáng)度階段，門架橫撐絲桿須處于安裝到位狀態(tài)，導(dǎo)致電瓶車無(wú)法通行外，其余階段電瓶車均可在臺(tái)車內(nèi)部通行。

臺(tái)車脫模后電瓶車開(kāi)入臺(tái)車內(nèi)部，在前側(cè)第1榀門架處安設(shè)臨時(shí)型鋼橫梁，即可推行臺(tái)車至下一倉(cāng)就位。

3.2 大曲率隧道工況針對(duì)性設(shè)計(jì)

在最小轉(zhuǎn)彎半徑250 m的工況下，由模擬可知，臺(tái)車在常用的12、9、6 m長(zhǎng)度規(guī)格下二次襯砌侵限分別為±72、±40、±18 mm，均大于規(guī)范允許限值±15 mm。故本工程考慮采用單套臺(tái)車長(zhǎng)14.4 m設(shè)計(jì)，并分成3節(jié)4.8 m小臺(tái)車，在最小轉(zhuǎn)彎半徑下內(nèi)襯壁厚侵限為±11 mm，滿足規(guī)范允許偏差要求。小臺(tái)車間采用鉸接式設(shè)計(jì)，由搭接模板機(jī)構(gòu)及鉸接耳座兩部分組成。

搭接模板機(jī)構(gòu)由前側(cè)小臺(tái)車設(shè)置的寬10 cm外側(cè)搭接模板和后側(cè)小臺(tái)車設(shè)置的寬8 cm內(nèi)側(cè)搭接模板組成，二者與臺(tái)車模板形式同樣分為3塊，與臺(tái)車端部法蘭盤螺栓連接。內(nèi)外側(cè)搭接模板均采用弧形鋼板焊接成直角形式，內(nèi)側(cè)搭接模板還需設(shè)承壓加勁板。

搭接模板機(jī)構(gòu)為企口形式連接，內(nèi)側(cè)搭接模板外表面貼緊外側(cè)搭接模板內(nèi)表面，二者非完全咬合而是留有寬3 cm間隙以適應(yīng)彎道。

鉸接耳座設(shè)置在相鄰兩節(jié)小臺(tái)車端部門架橫梁處，包括連接雙耳板、連接單耳板和固定銷軸，銷軸軸線位于搭接模板中線位置（圖5）；耳座雙耳板間預(yù)留間隙較大，連接單耳板在安裝固定銷軸后，相鄰小臺(tái)車沿隧道縱向以鉸接形式固定，但豎向仍有一定活動(dòng)空間，避免模板升降速度不均時(shí)造成搭接模板機(jī)構(gòu)擠壓變形。

圖5 小臺(tái)車鉸接耳座

隧道直線段施工時(shí)，搭接模板間隙可用橡膠條填塞，避免混凝土澆筑后形成凸槽；隧道進(jìn)入曲線段施工時(shí)，分節(jié)臺(tái)車間以固定銷軸為旋轉(zhuǎn)中心，模板內(nèi)弧側(cè)間隙適應(yīng)曲線變化而咬合或部分咬合、外弧側(cè)間隙拉開(kāi)但仍能保證內(nèi)外兩塊搭接模板保持搭接，混凝土澆筑完成后需對(duì)凸槽進(jìn)行打磨。

搭接模板間隙寬度根據(jù)隧道轉(zhuǎn)彎半徑要求模擬確定。當(dāng)內(nèi)弧側(cè)3 cm間隙寬度完全咬合時(shí)，對(duì)應(yīng)隧道擬合轉(zhuǎn)彎半徑為243 m＜250 m，外弧側(cè)間隙被拉開(kāi)至6 cm＜8 cm，滿足施工要求。

此外，需模擬電瓶車在彎道上與臺(tái)車門架是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)模擬可知，電瓶車在轉(zhuǎn)彎半徑250 m的彎道進(jìn)入臺(tái)車內(nèi)部時(shí)，與門架最小有效凈距為9.3 cm，電瓶車可順利通過(guò)。

3.3 混凝土澆筑針對(duì)性設(shè)計(jì)

由于拱墻澆筑高度較小，故每節(jié)小臺(tái)車只在頂部設(shè)1個(gè)澆筑口，側(cè)模上設(shè)2個(gè)對(duì)稱分布的觀察窗與澆筑口形成品字形布置，并設(shè)置附著式振搗器。為確保拱頂密實(shí)，每節(jié)小臺(tái)車頂部增設(shè)2個(gè)帶模注漿口，可安裝RPC注漿管進(jìn)行帶模注漿作業(yè)。

此外，本工程初次襯砌為管片柔性結(jié)構(gòu)，故二次襯砌變形縫設(shè)置較密集，臺(tái)車與變形縫長(zhǎng)度匹配為每14.4 m一道，不再設(shè)環(huán)向施工縫。故臺(tái)車需在奇數(shù)倉(cāng)設(shè)置端模，在二次襯砌厚度僅20 cm條件下，端模設(shè)計(jì)困難，易造成端部跑模漏漿現(xiàn)象。

為此，變形縫優(yōu)化采用背貼止水帶＋后裝式Ω形止水帶式設(shè)計(jì)，端模設(shè)計(jì)為分塊扇形鋼板形式，一端與臺(tái)車端部法蘭盤螺栓連接，一端直接抵緊背貼止水帶封堵端模，保障混凝土澆筑及帶模注漿壓力下端模穩(wěn)定。臺(tái)車法蘭盤開(kāi)環(huán)向長(zhǎng)圓孔，端模鋼板開(kāi)徑向長(zhǎng)圓孔，實(shí)際操作可根據(jù)止水帶設(shè)置情況靈活調(diào)節(jié)端模安裝位置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托武漢大東湖深隧工程二次襯砌施工，對(duì)小直徑大曲率隧道二次襯砌施工拱墻臺(tái)車進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，形成的結(jié)論如下：

1）在隧道最小成形直徑僅3 m工況下，通過(guò)門架優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障了臺(tái)車內(nèi)部操作空間與電瓶車通行內(nèi)凈空，解決了物料設(shè)備運(yùn)輸難題。

2）在隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑250 m工況下，通過(guò)將單套14.4 m臺(tái)車設(shè)計(jì)為3節(jié)彼此獨(dú)立的分節(jié)小臺(tái)車、節(jié)間采用由搭接模板機(jī)構(gòu)及鉸接耳座組成的鉸接式設(shè)計(jì)，保障了臺(tái)車對(duì)曲線段二次襯砌施工的高適應(yīng)性。

3）臺(tái)車設(shè)計(jì)功能齊備，施工質(zhì)量控制設(shè)計(jì)超前，使用便捷。

在本工程實(shí)際應(yīng)用中，長(zhǎng)區(qū)間采用雙作業(yè)面，每作業(yè)面投入8套拱墻臺(tái)車跳倉(cāng)法跟進(jìn)仰拱施工，單次襯砌施工長(zhǎng)度達(dá)115.2 m。用時(shí)不到3個(gè)月就完成了最長(zhǎng)3.6 km的3#—1#區(qū)間二次襯砌施工，全線17.5 km二次襯砌施工用時(shí)不到5個(gè)月，單作業(yè)面最高月襯砌690 m。臺(tái)車對(duì)小直徑大曲率隧道適應(yīng)性好，施工質(zhì)量良好。但因同時(shí)投入多套設(shè)備，成本較高，在工期緊張的項(xiàng)目中可參考應(yīng)用。