全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机研制技术

[摘要]全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机主要由主桥、前后坡桥、走行机构、主桥总成、垫梁、仰拱模板系统、中心水沟模板等通过铰接、高强度螺栓集成为一体非标施工设备，通过结构受力计算结论评定稳定性。同时以不同地质条件、衬砌类型、工艺工况等为科研载体，经现场工艺试验优化和完善，对该设备在施工组织管理、操作使用及质量通病预防、故障诊断及维修保养、混凝土施工工艺等方面深入研究。

[关键词]全自动；栈桥式仰拱移动模架；稳定性计算；研究

[基金]：交通部西部交通建设科技项目管理中心（2013 315 Q03 080）

1.研究背景

从隧道施工技术的发展艰辛历程回望，我国隧道机械施工从上世纪80年代逐步兴起到至今，所形成了多种机械化施工成套技术和设备配套模式分析，超前支护的C6钻机、地质钻孔机，掌子面开挖的机械挖掘机、悬臂掘进机、铣挖机、TBM等，拱墙衬砌整体模板台车，以及各种喷锚、灌注、装卸、型材加工等机械设备配置相对成熟和完善，在功效、进度、质量、安全控制等已经取得了巨大的成果。但是隧道仰拱施工设备的研究相对较为落后，对于全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机的研究与应用方面做得较少。很多单位和项目所研制移动栈桥存在稳定性差、结构单一、灵活性不足、操作复杂、行走和定位困难、效率较低等问题，在使用过程中，对异形结构的仰拱衬砌模板、中心水沟模板定位控制难，仰拱衬砌和填充混浇、混凝土形体难以控制、浇筑时间长，无法适应各种工况和地质条件、施工质量病害多。在使用过程中始终难以保证仰拱施工安全质量、进度、行车安全、与掌子面平行作业等问题。

全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机是在类似栈桥的基础上进一步完善和优化，增加了液压自行装置、前后左右移动机构、人行道及警示标识等装置和自动功能，解决了隧道仰拱衬砌、仰拱填充、中心水沟施工质量难以控制的情况下，并确保安全步距控制和过往行车安全通行条件。

2.总体结构及功能介绍

由中交隧道局所承建的沪昆铁路客运专线贵州段CKGZTJ-3标全长52.968Km，其中隧道31座/38.917Km，隧道比为73.5%。在项目建设过程中，充分利用标段内隧道长、多、难、围岩类型多、地质复杂、不同工艺工况等特点为科研载体，研发全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机。该设备主要由走行机构、主桥总成、前后桥板总成、液电系统、仰拱模板（支撑定位、收模机构）、中心水沟模板等通过铰接、高强度螺栓连接为一体，用于隧道仰拱衬砌和填充施工的自行式液压栈桥式移动模架设备。该设备在隧道仰拱施工过程中，以保证车辆正常通行、仰拱衬砌、仰拱填充、中心水沟一次性衬砌施工同步进行。

表1 全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机构造主要名称和技术参数表

序号 结构名称 主要参数 序号 结构名称 主要参数

1 主桥长 19m 12 前后桥提升油缸行程 350mm

2 前（后）桥长 8.4m 13 仰拱模板提升行程 500mm

3 前（后）桥坡比 15% 14 栈桥移动速度 8m/min

4 仰拱有效作业长度 0-12m 15 栈桥重量 55.93t

5 主桥行车宽度 3.584m 16 仰拱模板系统重 15t

6 轮组横向中心距 5.1m 17 中间水沟模板重 3t

7 轮径（钢制橡胶外圈） φ400mm 18 总重量 73.93t

8 垫梁横向中心距 3944mm 19 行走电机功率 6×4KW

9 整桥允许通过的最大动载荷 55t 20 整机配电功率 24KW

10 中桥有效作业空间 2m 21 动载系数 1.4

11 中桥顶升油缸行程 300mm 22 车辆通行速度 ≤12公里/小时

3.细部结构设计说明

3.1 主桥总成

主桥总成共由4组花架梁、10组桥面连接而成。花架梁采用16mm钢板拼焊工字型结构梁、工36b#、14#钢拼焊而成；考虑安装、运输等因素，梁体中心处设一处分模，由高强螺栓密布连接；桥面采用12mm花纹钢板、工36b#、14#钢、槽36b#钢拼焊而成，以1m为单元形成框架梁结构；桥面与主桥连接形式除了受剪切力方向的竖向连接，采用高强度螺栓连接形式，另外增加桥面与主桥连接处牛腿结构，形成小横担梁，采用普通六角头螺栓连接形式，进一步加强和保证此处连接的可靠性、安全性。

3.2走行机构

共由六组主动走行机构和两组从动走行机构组成，轮组均采用高性能耐磨橡胶材料，8组走行机构采用6组驱动。其中两端四组主动走行机构主要实现整机前后自行位移，中间一组主动走行机构与主桥之间的连杆为铰接销连接，可进行垂直平面的自由折叠。另设两组从动轮组作辅助。在走行机构与主桥连杆之间同时设有旋转装置和定位装置。

3.3前后桥板总成

前后桥板总成相对整机中心处完全对称，采用15%的坡度，使其施工重载车辆顺利通过。主要采用工20b#和槽10#钢拼焊而成，与主桥连接形式为φ60铰接销连接。理想状态下，前后桥板与主桥之间的组装间隙、错台误差均小于10mm。前后桥桥面宽3.3m，桥面两侧各设有一个起吊点；前后吊臂采用工20b#和槽10#钢拼焊而成，与花架梁采取螺栓连接形式；在前后吊臂与前后桥板起吊点的垂直位置，设置提升油缸完成前后桥板的起升与降落动作。在前后桥板的下方分别设置支撑，进一步缩短该桥板承载过程中的力臂，提高安稳性。

3.4液电系统

整机液电系统主要由两组液电操纵台，油箱容量分别为180L，额定压力16Mpa，16个油缸包括：8个主桥升降油缸、4个前后桥板提升油缸、4个仰拱模板油缸，及若干油管组成，左右对称。电气部分主要由六组3t电动跑车装置和六组驱动电机组成，液压操纵台同时为电源控制人口，要求统一指挥，协调操纵。

3.5仰拱模板、支撑定位、收模机构

按照隧道断面仰拱尺寸设计，外侧半径R2.2m向隧道中线方向过渡至R17.2m，弧长2.62m，纵向12m长，由2m×6块组成。模板沿隧道中线左右对称，采用油缸支撑、收模，双头丝杠刚性支撑。

在主桥上设置侧翼支架，单侧7组共14组，与仰拱模板之间采用双头丝杠刚性支撑。在主桥上设置悬臂梁，单侧两处共4处，可根据衬砌循环所需要的长度尺寸，自由换位与主桥连接。悬臂梁与仰拱模板之间采用3t电动跑车、双耳式提升油缸及模板通联连接为一体。轮胎采用特制大半径钢轮，就位后定位采用液压油缸行程加全站仪测量精确定位。

3.6中心水沟模板

主要由纵梁、横担梁、平模板及支撑丝杠组成。采用主桥底部悬挂两组3t电动跑车结构形式，配套设置双头丝杠。平模板单块设计尺寸为1.5m×1.291m，纵向长度为1.5m×8组12米，左右对称。与横担梁之间采用单孔铰销连接形式。

4.稳定性分析

移动栈桥是隧道施工中架设在仰拱上方的临时便桥，主要作用是保证仰拱施工时，其他工序作业仍可有序进行（主要是大型车辆可自由通过全幅仰拱施工段），必须保证移动栈桥安全可靠。针对全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机整体结构，结合公路桥涵设计规范和路桥施工计算手册等规范，采用有限元软件ABAQUS对该移动栈桥进行结构受力分析计算。

4.1计算参数

通过栈桥车辆荷载按50t混凝土搅拌运输车考虑，混凝土搅拌运输车重轴（后轴）单侧为4轮，单轮宽30cm，双轮横向净距10cm，单个车轮着地面积=0.2×0.3m2。两后轴间距135cm，左侧后双轮与右侧后双轮距190cm。车总宽为250cm。混凝土搅拌运输车前轴重P1=100kN，后轴重P2=400kN。荷载图示如下图：

活载横向示意图（图中尺寸cm）

设计通车能力按车辆限重50t，限速12km/h，按通过栈桥车辆为50t混凝土搅拌运输车满载时考虑，后轴按400kN计算，载重车辆技术参数如表2所示。

车辆载荷冲击动载系数为1.3，车辆制动力按一辆重车的30%计算，车辆对支腿的横向偏移力按一辆重车的10%计算。

表2 载重车辆技术参数

总重量

（KN） 前轴重

（KN） 后轴重（KN） 轴距（m） 轮距（m） 前后轮着地宽度

及长度（m） 外形尺寸（（m）

500 100 400 1.35 1.3 1.9 0.3

4.2 计算依据

主要计算依据为： 移动栈桥布置图、 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）、公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）、路桥施工计算手册、钢结构设计规范 （GB50017-2003）。

4.3荷载分析

移动栈桥的工况有两种：工况1 是车辆位于主桁架跨中并偏载时，主梁桁架承受的荷载。工况2是车辆位于前支腿上并偏载时，支腿所承受的荷载。验算栈桥强度时需乘以车辆运行的冲击系数，验算刚度时无需施加动载系数。

移动栈桥受到的荷载为：自身重力、载重车辆对移动栈桥的轮压荷载、制动力及车辆对支腿的横向偏移力。其中，移动栈桥的自身重力由软件自行设置，重力加速度取9.8m/s2。采用ABAQUS 中的耦合约束命令，将移动栈桥受到前后轮压的受力区域进行耦合，然后将轮压施加在参考点上。

4.4分析结论

采用ABAQUS 软件对施工长度19m的移动栈桥主体结构进行了静力强度校核，模型采取三维整体建模方式，杆件以梁单元处理。计算模型中没有建立载重车辆，其对移动栈桥的轮压作用以载荷的形式施加到移动栈桥结构模型上，由此计算出该移动栈桥主体结构的整体变形以及各杆件应力的分布情况。通过提取并分析计算结果得出，移动栈桥各杆件的最大Mises 应力值在杆件材料的许用应力范围之内，主梁上下弦杆的挠度最大值在规范允许挠度范围之内。由此表明设计的移动栈桥主体结构的强度、刚度和稳定性均符合规定要求，可以满足工程需要。

5.施工技术内容

全自动仰拱液压栈桥式移动模架涉及到的专业较多，主要包括有隧道仰拱施工、机电控制和液压控制系统、钢结构设计等方面，从单方面的土建工作入手有一定局限性，必须要加强机械和电器工程方面的专业人员参与，针对涉及到各专业方面进一步研究和优化，充分发挥专业优势进行互补，并培养专业人才，对栈桥操作、液电系统维修保养工作和机械故障处理、隧道工程施工工艺和实施组织、施工过程中常规问题的处理应对、关键工序控制等方面培养专业、综合性技术工人。

通过在沪昆客专贵州段3标栋梁坡隧道、报信山隧道、上寨隧道、长滩隧道工艺试验过程中，从栈桥开始组装、行走、施工工艺、拆卸等方面进一步深入研究，通过对栈桥在现场工艺试验过程中对基础数据收集、施工工艺过程控制、关键工艺工序等方面全面分析和完善总结，并从研制、混凝土施工技术、工艺工法、操作和使用技术、故障诊断及维修保养技术、长大隧道施工组织管理技术等方面进行研究。

6.结论

通过近3年的科技研究和技术攻关，充分利用沪昆贵州项目隧道长、多、难、围岩衬砌类型多、工程地质条件复杂等特点为科研载体，研究在不同地质、衬砌类型、工艺工况条件下，通过对设备设计研制、现场工艺试验研究、各部（构）件改进和方案优化、技术总结，通过在多座隧道工艺性试验和推广应用，取得了良好的成果，解决了隧道仰拱衬砌、仰拱填充、中心水沟的质量控制以及安全步距控制和过往行车安全通行等问题，进一步提高隧道仰拱施工关键配套设备和加强施工组织的管理能力，进一步确保隧道仰拱施工安全质量和安全步距、长大隧道工期控制、提高经济效益、提升施工机械化水平。

【参考文献】

[1]中华人民共和国铁道部.铁建设[2010]241号 高速铁路隧道工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10753-2010 高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S] .北京：中国铁道出版社，2010

[3]中华人民共和国铁道部.TB10621-2009 高速铁路设计规范[S] .北京：中国铁道出版社，2010.

[4]王梦恕，等.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5]铁道部第二工程局.隧道（上）[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[6]铁道部第二工程局.隧道（下）[M].北京：中国铁道出版社，2003.

作者简介：

任浩，出生于1983年2月19日，男，工程师，2006年毕业于贵州大学，现在中交股份沪昆客专贵州段工程指挥部