大跨度变截面衬砌台车设计制造与应用

1、大跨度变截面衬砌台车设计 、制造与应用戴保民 ,陈炳祥 ,赵胜利(中铁十六局集团三公司 ,浙江 湖州 313000)摘 要 : 通过旗号岭隧道大跨度变截面混凝土衬砌施工 ,介绍变截面衬砌台车的设计 、制造与应用 ,主要涉及到大跨变截面衬砌台车方案设计 ,拱形整体门架技术 ;附着式拱架技术 ; 双大梁结构技术 ; 万能杆件等综合技术的应用和衬砌台 车工程使用效果等 。关键词 : 大跨度变截面衬砌台车 ;方案设计 ;制造 ;应用 ;效果渝怀铁路第二十二标段旗号岭隧道中心里程为 dk348 + 670.5 ,隧道全长 4545m ,进口段 dk346 + 398 + 770 长 372m 按预留复

2、线设计为燕尾式隧道 ,其中洞口段 dk346 + 398 + 750 为 352m 的 大跨段 ,隧道开挖宽度由 12. 44m 变化到 20. 04m ,二衬净宽从 10.9m 变化至 17. 18m ,共有 12 个变化断面 ,宽度变化幅度为 6. 28m ,是渝怀铁路全线开挖宽度最大 、变化截 面 最 多 的 隧 道 之 一 。设 计 、制造既能满足二次衬砌断面变化要求 ,又能做到操作方便 ,经 济合理 ,刚度和稳定性满足使用要求的衬砌台车 ,是保证大跨段 二次衬砌施工质量的核心关键技术 。1 衬砌台车方案设计1. 1 衬砌结构设计技术参数旗号岭隧道大跨段进口 dk346 + 398 +

3、 442. 27 长 44. 27m 位 于直线段内 ,其它 307. 73m 地段位于半径 1200m 的缓和曲线和圆 曲线上 ,衬砌设计为电化铁路车站隧道复合式曲墙衬砌 ,由半径分别为 r1 、r2 、r3 的 5 弧段组成 ,如图 1 所示 。拱顶混凝土厚度从5080cm 作相应的变化 ,其断面尺寸变化见表 1 。1. 2 衬砌台车方案设计由于大跨隧道二衬断面尺寸变化频繁 , 幅度大 , 使得衬砌台 车的设计难度很大 ,衬砌台车方案满足特定条件是 :(1) 衬砌台车使用方便 ,能缩短衬砌循环时间 ,加快衬砌速度 ; (2) 衬砌台车进行不同断面转换 ,更换部件工作量少 ,方便快捷 ;(3

4、) 衬砌台车刚度和稳定性在泵送混凝土条件下多次循环使 用不变形 ;(4) 衬砌台车制造 、安装成本低 ,经济实用 。显然采用大模板全自动液压衬砌台车是很难满足上述四个条件 。通过分析 、论证 、比 较 , 采 用 自 行 式 简 易 衬 砌 台 车 方 案 设 计 。台车计 长 度 8. 4m , 利 用 加 油 站 利 用 厚 4mm 的 钢 板 加 工 成1200mm 300mm 组合钢模板 。台车关键构造采用拱形整体门架 技术 、附着式拱架技术 、双大梁结构技术及可自由拆装组合的万能杆件等技术来满足台车特定需要 。台车构造示意图见图 2 。表 1 大跨段衬砌断面尺寸变化明细表dk346

5、+398420420 470 480 500 530 560 590 620 650 690 710尺寸470480500530560590620650690710750r 1 (cm) r 2 (cm) r 3 (cm) h (cm)b (cm)52053453456358262466772378085187995059159159159165365365365365365365365365765765765761061061061061061061061080981381382283084285587188890991793810901110111011501198125813181398

6、14781578161817181. 2. 1 拱形整体门架的设计为适应大跨段不对称加宽及台车整体横向移动的需要 ,并且 同时满足大跨度台车拱顶约 10000kn 压力的要求 ,在门架的设计上改以往常用的框架式门架为拱形整体门架 ,拱形整体门架最大的特点是刚度大 ,整体稳定性好 。门架由 8 榀拱架组成 ,每榀拱架 用 20 槽钢组焊成高 60cm 的双层桁架 ,加 12mm 厚的钢板组焊成5 结论(1) 导管水下灌注法要求砼拌合物具有很高的流动性 、粘聚 性 、保水性 、抗渗性等 ,据此 ,砼拌合物的水灰比 、粗细骨料的级配以及配合比应作相应的调整 。(2) 依据经验公式能较准确地计算出砼拌

7、合物的配合比 ,此 配合比应进行配合比试验 ,根据变化情况相应调整砼配合比参参考文献地质普通砼配合比设计技术规定(j gj 55 - 81) s 1 北京 :中国建筑工业出版社 ,1995 .杨兴堂. 砼配合比设计计算科学性与理论性的探讨j . 西部探矿工 程 ,2002 .基础工程施工与管理m. 北京 :地质矿产部教育司.123型 。拱形门架共分 5 段 ,各段之间用高强螺栓连接 。每榀拱架用菱形米字撑和围带进行纵向连接 ,构成若干个三角不变体 ,使台 车的纵向结构更趋合理 ,使支撑系统与拱架模板系统的连接始终控制在理想的受力范围 。经过理论计算 ,泵送混凝土条件下拱型整体门架的强度 、刚度

8、 、稳定性满足跨度为 18m ,拱顶厚 1. 2m 混 凝土衬砌需要 (安全系数取 2. 5) 。台车的设计上采用了更换附着式拱架的方案 ,附着式拱架是将大半径的拱架做成带槽式附着面的拱桁架 ,与原有拱桁架采用销孔 定位 ,螺栓连接 ,达到加宽后拱部抬高 、弧线曲率与设计一致的目的 。通过计算 ,整个大跨段仅需 4 榀附着式拱架就可将 r1 弧段在加宽过程中产生的曲率误差消除在允许范围之内 。附着式拱 架每榀重 120kg 左右 ,在加宽的过程中更换较为方便 。图 3 滑槽 、扁担梁示意图r1 段弧拱架的加宽采用加宽块和滑槽的方式 ,加宽块宽度分别为 20cm、60cm、100cm、140cm

9、 ,整个加宽过程共需 10 块 ,加宽 块用钢板制作 ,高强螺栓连接 。滑槽用 20 槽钢加工 , 水平固定在拱型门架上 ,槽口向上 ,槽口内放入用 16 槽钢对焊成的扁担 梁 ,滑槽与扁担梁用 24u 型卡固定 ,如图 3 所示 。拆掉 u 型卡 ,用千斤顶进行扁担梁的水平移动 ,配合加宽块达到对 r1 弧段拱 架加宽的目的 。r1 弧段拱架的抬高采用通过双耳座固定在扁担梁和拱型 门架上的可调丝杆完成 ,双耳座与扁担梁用 24u 型卡固定 ,与r1 弧段拱架铰接 ,可调丝杆用 200 和 160 圆钢加工成螺母 、螺 杆 。(2) r2 、r3 弧段拱架的设计 。r2 、r3 弧段在台车加宽

10、过程中需 要变换一次半径 ,采用更换附着式拱架解决半径的变化 。图 1 大跨段二砌内轮廓断面图图 2 台车构造示意图1 、整体拱形门架 ;2 、下弦杆 ;3 、斜撑 ;4 、r1 弧拱架 ;5 、附着式拱架 ;6 、加宽块 ;7 、可调丝杆 ;8 、滑槽和扁担梁 ;9 、小立柱 ;10 、r2 弧拱架 ;11 、万能杆件 ;12 、r3 弧拱架 ;13 、双大梁 ;14 、行走轮 ;15 、球形支座 ;16 、下弦杆支撑小立柱 ;17 、围带 ;18 、枕木图 4 万能杆件构造示意图1. 2. 2 拱架的设计由于衬砌断面的半径尺寸不断发生变化 ,要求 r1 弧段尺寸 发生相应变化 , 设计上为

11、满足隧道衬砌的结构尺寸 , 将 r1 、r2 、r3弧段分别进行特殊设计 。(1) r1 弧段的处理 。基本上每个衬砌断面的 r1 数值均在变 化 ,变化范围从 520950cm ,拱顶抬高 1. 29m。设计上采用附着 式拱架 、加宽块和加宽滑槽 、丝杆调节等方式满足台车尺寸变化 的需要 。方法如下 :r1 弧段拱架为 16 槽钢和角钢组成的桁架结构 ,在抬高和加宽的过程中 ,由于曲率的变化造成加宽和抬高后的拱架与设计1. 2. 3 万能杆件的设计为满足衬砌断面变化的需要 ,对 r2 、r3 弧段小范围的加宽采 用万能杆件技术 ,万能杆件用壁厚 8mm 的 108 无缝钢管加工而成 ,螺杆行

12、程 600mm ,螺距 8mm ,共计 112 根 。万能杆件结构如图4 ,为使台车模板系统荷载均衡传递到门架系统 ,联系丝杆采用三 角支撑法 。1. 2. 4 r2 、r3 弧段加宽设计r2 、r3 弧段加宽幅度较小时 ,可以由万能杆件完成 ,当加宽幅 度较大时 ,受刚度和稳定性限制 ,采用拱形整体门架加宽设计方案 ,见图 5 。1. 2. 5 双大梁及台车的行走机构为适应台车整体横向移动的需要和满足大跨拱顶 10000kn正压力的要求 ,台车底纵梁采用支撑较大荷载的双大梁结构 ,大 梁用 18mm 厚钢板组焊而成 ,大梁底部采用单边双道轨支撑 , 见图 6 。行走系统采用 4 组 4 轮组

13、共 16 个 轮 行 走 , 其 中 驱 动 轮 4只 ,从动轮 12 只 ,设计 6 极低速电机 2 台 ,功率 10kw ,通过电路设 置电机正反转 ,达到自动行走的目的 。蜗轮蜗杆减速器速比 1 40 ,行走速度 10m/ min ,爬坡能力 2 % 。2 衬砌台车的制作和组装2. 1 衬砌台车制作台车大梁为 18mm 厚 钢 板 组 焊 件 , 下 料 采 用 直 线 切 割 机 下 料 ,然后校正 ,大梁的底板及两竖板采用双面焊 ,中间筋板对角双面焊 , 焊 接 时 2 人 同 时 对 称 焊 接 , 制 成 后 的 大 梁 底 面 挠 度20mm ;门架制作前在工作平台上放大样制成

14、模具 ,模具必须放 线准确一致 ,所用连接板孔距误差 1mm1 ; 拱架加工均为型材冷弯制作而成 ,在工作平台上准确放样制成模具加工 。2. 2 衬砌台车组装台车组装分以下步骤进行 :(1) 铺设轨道 ,要求左右轨道标高 、间距符合要求 ,然后放置 行走轮 ;(2) 安装双大梁 ,要求两双大梁水平且对角线一致 ;(3) 将门架吊起安装在大梁上 ,调垂直后用螺栓与大梁连接 紧固 。起吊前对门架在地面进行预拼装 ; 紧固门架所有螺栓 ,安装上小立柱及滑轮 、扁担梁 ;图 5 拱形整体门架加宽步骤图台车在整个大跨段衬砌的施工过程中充分体现出了操作简便 ,有较好的强度 、刚度 、稳定性和经济实惠的特点

15、 。台车首次组 装时用吊车吊装拱形整体门架和底纵梁 , 用手拉葫芦吊装小型构件 ,整个台车组装用时 48h ;施工过程中更换万能杆件 8 次 ,每次更换时间都在 24h 以内 ; 拱形整体门架在 dk346 + 620 处加宽 一次用时 36h 。二衬过程中平均每 3 天一个循环 ,且从未出现过跑模现象 。施工过的二衬弧线圆顺 、板面平整无错台 ,提高了衬 砌速度 ,确保了衬砌质量的优良 。因大跨段 307. 73m 位于半径1200m 的缓和曲线和圆曲线上 ,曲线上的每段变截面衬砌长度从 曲线内侧向曲线外侧逐渐增长 ,最大长度差值为 40cm ,本台车模板设计时未考虑该长度差 ,施工时在曲线上的每段变截面中的 最后一组衬砌堵头板的加工和安装工序上较费时间 , 建议在大跨曲线隧道台车模板的设计上考虑曲线的影响 。图 6 行走机构示意图(4) 上拱顶可调丝杆 ,安装 r1 弧拱架 ,上拱调平 ,台车中线与隧道中线一致 ,