王 松， 朱永戰(zhàn)， 喻致蓉

(平頂山平煤機(jī)煤礦機(jī)械裝備有限公司， 河南 平頂山 467000)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的加大及大城市交通擁堵客觀形勢(shì)的需要，為實(shí)現(xiàn)城市軌道線路順利通過(guò)狹小空間區(qū)域，重疊隧道的應(yīng)用實(shí)例也越來(lái)越多[1]，如廣州軌道交通5號(hào)線區(qū)莊站—楊箕站區(qū)間[2]，深圳軌道交通2號(hào)線大劇院站—湖貝站[3]、地鐵一期工程羅湖站—國(guó)貿(mào)站區(qū)間[4]、3號(hào)線老街站—曬布站區(qū)間[5]、7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間、11號(hào)線松崗站—碧頭站區(qū)間，北京軌道交通8號(hào)線南鑼鼓巷站[6]，南寧軌道交通1號(hào)線朝陽(yáng)廣場(chǎng)站—新民路站區(qū)間[7]等。小半徑、小凈距、長(zhǎng)距離重疊隧道施工具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，且重疊隧道間的相互影響較大，施工過(guò)程中如控制不當(dāng)，容易發(fā)生安全事故并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[7]。因此，施工時(shí)對(duì)已施工的隧道縱向、橫向進(jìn)行整體加強(qiáng)支護(hù)非常必要。

目前，國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中對(duì)重疊盾構(gòu)隧道加固方案主要采用注漿加固和臨時(shí)支護(hù)相結(jié)合的施工方案。在臨時(shí)支護(hù)方案中，隧道內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐[3-6]、同步支撐裝置臺(tái)車(chē)[7-8]、液壓輪式支撐臺(tái)車(chē)[9-13]是目前采用的主要措施。施工過(guò)程中，在先行隧道管片實(shí)現(xiàn)不間斷支護(hù)并保證先行隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是整個(gè)隧道施工成敗的關(guān)鍵。從既有重疊盾構(gòu)隧道工程案例和已有文獻(xiàn)[3-13]來(lái)看，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備普遍存在位移不方便、結(jié)構(gòu)笨重、相鄰工序干擾、效率低下的弊端，施工單位通常僅滿足于實(shí)現(xiàn)支護(hù)功能，對(duì)于臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的便捷性、經(jīng)濟(jì)性等關(guān)注較少且缺乏專業(yè)化、系統(tǒng)化的研究，因此，研發(fā)一種支護(hù)可靠性高、連續(xù)、穩(wěn)定、高效的支護(hù)設(shè)備很有必要。

本文以已完工的深圳市軌道交通7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間重疊盾構(gòu)隧道施工為例，介紹了穿行式全自動(dòng)液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和無(wú)卸載支護(hù)原理，并結(jié)合有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，為今后重疊盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工支護(hù)裝備的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

深圳市軌道交通7號(hào)線7305標(biāo)華新站—黃木崗站區(qū)間盾構(gòu)工程位于福田區(qū)[1]，該區(qū)間包含重疊段為曲線段，左線曲線半徑為500.0 m，右線曲線半徑為450.0 m，先施工左線隧道，后施工右線隧道。由于后行隧道施工時(shí)盾構(gòu)等施工荷載對(duì)先行隧道縱向管片環(huán)間張開(kāi)量影響較大，存在既有先行隧道變形、不穩(wěn)固和沉降的風(fēng)險(xiǎn)，施工時(shí)必須對(duì)已施工隧道的縱向、橫向進(jìn)行整體加強(qiáng)支護(hù)。施工右線隧道時(shí)，在左線隧道內(nèi)采用穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)以加強(qiáng)管片的整體穩(wěn)定性，并對(duì)隧道間的土層進(jìn)行注漿加固。

2 重疊盾構(gòu)隧道支護(hù)方案比選

根據(jù)盾構(gòu)隧道臨時(shí)支護(hù)施工需要和功能性定位，目前在盾構(gòu)重疊隧道施工中常用的可滿足持續(xù)支撐功能、可靠度較高的支撐方案主要有鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案、同步支撐裝置臺(tái)車(chē)方案和液壓輪式臺(tái)車(chē)支撐方案3種。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案

鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案主要有以下2種結(jié)構(gòu)形式，其支撐結(jié)構(gòu)原理類似，只是型材選擇不同。

2.1.1 扣件式滿堂紅鋼管支架加固方案

在文獻(xiàn)[3]中提出鋼管支架加固方案，該方案采用建筑施工常用的滿堂紅鋼管支架對(duì)下洞進(jìn)行支撐加固，待盾構(gòu)通過(guò)后再拆除。

2.1.2 十字支撐方案

在文獻(xiàn)[4-6]和[9-11]中提出十字支撐方案，該方案主要由鋼環(huán)、十字支撐及4根縱向工字鋼組成。鋼環(huán)和十字鋼支撐位于管片環(huán)縫處，縱向鋼支撐分別在隧道的12、3、6、9點(diǎn)位沿隧道縱向布置，鋼環(huán)、十字支撐和縱向工字鋼之間均采用螺栓連接，形成整體支撐體系。為了保證支撐轉(zhuǎn)移過(guò)程中在盾構(gòu)長(zhǎng)度范圍內(nèi)至少有4榀支撐，每次架設(shè)6榀，當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)最后2榀支撐后，及時(shí)拆除支撐并移至前端，進(jìn)行重新架設(shè)。

2.2 同步支撐裝置臺(tái)車(chē)方案

在文獻(xiàn)[7-8]中提出一種同步支撐裝置臺(tái)車(chē)方案，在上行隧道盾構(gòu)所處位置對(duì)應(yīng)的下行隧道后20環(huán)、前10環(huán)管片(總長(zhǎng)45.0 m)設(shè)置臨時(shí)移動(dòng)保護(hù)支架。該裝置主要由主架、支撐板、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、下部支撐板吊裝系統(tǒng)等部分組成。移動(dòng)順序?yàn)椋?先將最后5榀頂模和底模拆開(kāi)，再把最后5榀頂?；厥詹⑼耙苿?dòng)至支撐臺(tái)架中部，然后回收最后5榀底模并往前移動(dòng)至已前移的頂模下部，最后將支撐臺(tái)架一并前移到最前方進(jìn)行組裝，如此循環(huán)完成支撐臺(tái)車(chē)的前移工作。同步支撐裝置臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

2.3 液壓輪式臺(tái)車(chē)支撐方案

在文獻(xiàn)[9-13]中提出采用液壓輪式臺(tái)車(chē)支撐方案，該方案主要由4節(jié)臺(tái)車(chē)組成，單節(jié)長(zhǎng)度為4.5 m，節(jié)間凈距為1.5 m，整套臺(tái)車(chē)有效總長(zhǎng)22.5 m(不含前端引導(dǎo)段6.3 m)，總質(zhì)量為98.5 t[10，12]。臺(tái)車(chē)可在鋼軌上行進(jìn)，每節(jié)臺(tái)車(chē)沿縱向間隔約0.8 m設(shè)置1道支撐，每道支撐由9、11、12、1、3點(diǎn)鐘5個(gè)方位共計(jì)5個(gè)輪式支撐組成，臺(tái)車(chē)之間采用連接缸相連形成一個(gè)整體。在臺(tái)車(chē)液壓系統(tǒng)的推動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)不卸載向前移動(dòng)。液壓輪式臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

2.4 現(xiàn)有方案優(yōu)劣性對(duì)比

1)鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案： 該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且功能明確、取材方便，通過(guò)型鋼支架或滿堂紅鋼管支架對(duì)先行隧道進(jìn)行加固，支撐管片承受外部壓力，控制管片變形；缺點(diǎn)是不能與盾構(gòu)同時(shí)前進(jìn)且拆卸麻煩。對(duì)于長(zhǎng)距離重疊盾構(gòu)隧道支護(hù)而言，由于隧道內(nèi)空間狹小且不便于施工機(jī)械輔助轉(zhuǎn)運(yùn)，繁瑣的安裝、拆除和倒運(yùn)工作非常困難，作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大且效率低下。

2)同步支撐裝置臺(tái)車(chē)方案： 該方案的優(yōu)點(diǎn)是相比鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案增加了液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)，自動(dòng)化程度有了一定的提高，在一定程度上可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，但也有諸多不足之處。其拆裝工作量大，而且貫穿整個(gè)支撐施工過(guò)程中下部無(wú)法通車(chē)，造成工序干擾，支護(hù)效率仍然較低，且不能杜絕鋼制模板磕碰、損壞混凝土管片風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)總長(zhǎng)45.0 m鋼制模板支撐結(jié)構(gòu)較為笨重，設(shè)備造價(jià)相對(duì)較高。

3)液壓輪式臺(tái)車(chē)支撐方案： 該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)合理，可滿足對(duì)支撐體系的要求，自動(dòng)化程度有了進(jìn)一步提高，施工中向前移動(dòng)也比較方便，并且實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不間斷支撐。其不足是臺(tái)車(chē)質(zhì)量較重，造價(jià)仍然相對(duì)較高，且由于該方案的結(jié)構(gòu)限制，在臺(tái)車(chē)頂推支護(hù)工作期間下部無(wú)法通行施工車(chē)輛造成物料運(yùn)輸中斷，形成相鄰工序之間的干擾，施工效率仍較低。

2.5 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)方案

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)條件下3種常用支撐方案的不足，結(jié)合本盾構(gòu)隧道區(qū)間施工組織，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種在無(wú)卸載支護(hù)條件下具備下部不間斷穿行施工車(chē)輛功能的全自動(dòng)新型液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)方案，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該方案由3節(jié)臺(tái)車(chē)組成，采用全自動(dòng)液壓軌道行走。主要參數(shù)如下： 單節(jié)臺(tái)車(chē)前后側(cè)門(mén)架中心間距為3.0 m，整套臺(tái)車(chē)公稱長(zhǎng)度為12.0 m(最大有效支護(hù)長(zhǎng)度為14.0 m)，單節(jié)臺(tái)車(chē)質(zhì)量為 12.0 t，整車(chē)質(zhì)量為36.0 t，中心軌距為2.2 m。3節(jié)臺(tái)車(chē)之間采用動(dòng)力液壓油缸連接，可實(shí)現(xiàn)不卸載連續(xù)支護(hù)。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

1—液壓泵站； 2—電控系統(tǒng)； 3—行走輪系； 4—?jiǎng)恿τ透祝?5—支護(hù)系統(tǒng)； 6—縱梁； 7—門(mén)架系統(tǒng)。

圖3穿行式全自動(dòng)液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)支護(hù)方案結(jié)構(gòu)(單位： mm)

Fig. 3 Structure of automatic hydraulic support trolley (unit： mm)

與液壓輪式臺(tái)車(chē)支撐方案相比，穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)不再設(shè)置水平橫梁且擴(kuò)大了中心軌距，保證了施工車(chē)輛(電瓶車(chē))通車(chē)需求。本臺(tái)車(chē)內(nèi)部通車(chē)空間B×H=2.0 m×2.4 m。

穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)方案繼承了3種既有支護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足：

1)下部采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在滿足隧道不間斷支護(hù)的同時(shí)保證內(nèi)部空間24 h不間斷通車(chē)，下部可通過(guò)施工車(chē)輛運(yùn)輸管片、機(jī)具等施工材料，避免工序間作業(yè)干擾。

2)一次調(diào)試完成后、在施工監(jiān)測(cè)無(wú)異常情況下無(wú)需中途調(diào)整，避免了原有支護(hù)方案設(shè)備的反復(fù)拆卸、倒運(yùn)、組裝等工序，有效降低了作業(yè)工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)支護(hù)結(jié)構(gòu)由現(xiàn)有技術(shù)條件下總長(zhǎng)度45.0 m[7-8]和22.5 m[9-13]縮減為12.0 m，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)便；臺(tái)車(chē)總質(zhì)量由98.5 t[10，12]縮減為36.0 t，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，也降低了施工成本。

3 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)原理及參數(shù)

3.1 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)工作原理

3.1.1 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)無(wú)卸載支護(hù)原理

為了確保盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免管片變形、破壞等問(wèn)題，施工過(guò)程中必須保持支護(hù)臺(tái)車(chē)在無(wú)卸載支護(hù)條件下分步行進(jìn)，即在外界施工荷載工況條件下始終保持支護(hù)狀態(tài)。本臺(tái)車(chē)通過(guò)電氣控制和電磁換向閥操作9組支護(hù)輪組(每5個(gè)為一組，共計(jì)45個(gè)支護(hù)輪組)，其中每組5個(gè)支護(hù)輪組既可以一鍵升降又可以單獨(dú)控制，同時(shí)在液壓系統(tǒng)中還設(shè)置了液壓鎖等液壓元件。

3.1.2 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)無(wú)卸載行進(jìn)條件分析

選取液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)的支護(hù)區(qū)間作為研究對(duì)象，由于3組臺(tái)車(chē)與管片及軌道的接觸點(diǎn)數(shù)和面積相等、隧道行進(jìn)方向坡度相同、鋼輪外包裹聚氨酯橡膠與管片混凝土摩擦因數(shù)相等、支護(hù)油缸推力相等，且盾構(gòu)隧道在整個(gè)臺(tái)車(chē)支護(hù)的長(zhǎng)度內(nèi)外界地質(zhì)條件基本無(wú)變化，因此，可以近似認(rèn)為3組臺(tái)車(chē)所承受的工作阻力相等。

設(shè)單節(jié)支護(hù)臺(tái)車(chē)在某段重疊隧道與該段隧道管片及鋼軌間的施工荷載正壓力合力為FN，由以上分析可知：

FN1=FN2=FN3=FN。

(1)

式中FN1、FN2、FN3分別為3節(jié)臺(tái)車(chē)所受正壓力。

右線北方重工盾構(gòu)質(zhì)量在長(zhǎng)度方向分布依次為刀盤(pán)53.0 t(1.8 m)、前盾111.6 t(2.3 m)、中盾76.9 t(2.9 m)、尾盾48.3 t(4.0 m)，則均布荷載為刀盤(pán)qdp=294.4 kN/m、前盾qqd=485.2 kN/m、中盾qzd=265.2 kN/m、尾盾qwd=120.8 kN/m，可知施工荷載主要集中在刀盤(pán)、前盾、中盾，這3個(gè)支護(hù)區(qū)間為重點(diǎn)保護(hù)部位。根據(jù)盾構(gòu)行進(jìn)長(zhǎng)度、支護(hù)臺(tái)車(chē)的布置情況及頂推施工過(guò)程，單節(jié)臺(tái)車(chē)所受的正壓力最不利情況為前盾全壓在一節(jié)臺(tái)車(chē)上，中盾壓接剩余1.7 m。支護(hù)最不利工況示意圖如圖4所示。

圖4 支護(hù)最不利工況示意圖(單位： mm)

3節(jié)臺(tái)車(chē)在最不利情況下所受的正壓力(單位： kN)分別為：

FN1=530.0+FN；

(2)

FN2=1 116.0+qzd×1.7+FN=1 566.8+FN；

(3)

FN3=483.0+(769.0-qzd×1.7)+FN=

801.2+FN。

(4)

摩擦力計(jì)算公式為：

f=μF。

(5)

設(shè)1#臺(tái)車(chē)、2#臺(tái)車(chē)之間的動(dòng)力油缸推力為FD。當(dāng)1#臺(tái)車(chē)以2#、3#臺(tái)車(chē)為反力向前推動(dòng)瞬間，結(jié)合式(1)—(5)，則無(wú)卸載行進(jìn)須滿足：

f1=μFN1=μ(530.0+FN)=FD<μ(FN2+FN3)=

μ(2 368.0+2FN)，

(6)

由式(6)可知，無(wú)需任何外在推力的作用即可滿足1#臺(tái)車(chē)不卸載行進(jìn)條件。

f2=μFN2=μ(1 566.8+FN)=FD<μ(FN1+FN3)=

μ(1 331.2+2FN)，

此時(shí)，只有當(dāng)FN>235.6 kN時(shí)，才能滿足2#臺(tái)車(chē)在沒(méi)有任何外在推力作用下的不卸載行進(jìn)條件。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，橡膠輪與混凝土面的摩擦因數(shù)μ≈0.15，可以推導(dǎo)出此時(shí)2#臺(tái)車(chē)的瞬間工作阻力

f2=μFN2=μ(1 566.8+FN)=0.15×(1 566.8+

235.6) kN=270.4 kN。

此時(shí)為提供較大的反力使2#臺(tái)車(chē)不卸載移動(dòng)，采取保護(hù)措施,在1#、3#反力臺(tái)車(chē)的行走輪和軌道間設(shè)置夾軌器或塞入木楔。

f3=μFN3=μ(801.2+FN)=FD<μ(FN1+FN2)=μ(2 096.8+2FN)。

可知，無(wú)需任何外在推力的作用即可滿足3#臺(tái)車(chē)不卸載行進(jìn)條件。

在實(shí)際無(wú)卸載支護(hù)頂推施工中，盾構(gòu)等外界條件作用在臺(tái)車(chē)上的施工荷載會(huì)隨盾構(gòu)與臺(tái)車(chē)的相對(duì)位置變化而發(fā)生變化。為保證臺(tái)車(chē)無(wú)卸載支護(hù)行進(jìn)及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，必須采取夾軌器和塞入木楔等雙重安全措施以保證安全。

3.2 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 單節(jié)臺(tái)車(chē)模塊化設(shè)計(jì)

為便于施工操作和具備支護(hù)區(qū)間范圍可擴(kuò)展功能，單節(jié)臺(tái)車(chē)采用模塊化設(shè)計(jì)，相鄰臺(tái)車(chē)節(jié)間通過(guò)頂推動(dòng)力油缸串聯(lián)。單節(jié)臺(tái)車(chē)自成支護(hù)體系，作業(yè)方式靈活，既可以相對(duì)獨(dú)立地支護(hù)也可整組移動(dòng)支護(hù)，同時(shí)可根據(jù)施工需要擴(kuò)展成更多支護(hù)節(jié)段。

3.2.2 采用滑套結(jié)構(gòu)減少支護(hù)輪組伸縮阻力

為減少工作阻力，支護(hù)輪組與縱梁間連接方式采用內(nèi)外移動(dòng)式滑套結(jié)構(gòu)，如圖5所示?？v梁上部采用口字型結(jié)構(gòu)，作為門(mén)架縱向穩(wěn)定性連接構(gòu)件，同時(shí)兼作支護(hù)輪組滑套結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和安裝底座；支護(hù)輪組底座作為滑套結(jié)構(gòu)內(nèi)芯，可在支護(hù)油缸的推動(dòng)下自由伸縮；單個(gè)支護(hù)輪組由2個(gè)鋼輪組成，為避免鋼輪行走損傷管片同時(shí)減少推進(jìn)阻力，在鋼輪外包裹聚氨酯橡膠。

1—縱梁； 2—支護(hù)輪組； 3—支護(hù)油缸； 4—支護(hù)圓柱銷； 5—縱梁連接銷。

圖5支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig. 5 Structure of support system

3.2.3 鉸接式設(shè)計(jì)消除管片錯(cuò)臺(tái)阻力

由于在盾構(gòu)隧道施工中一直存在管片錯(cuò)臺(tái)技術(shù)難題，傳統(tǒng)輪式臺(tái)車(chē)在錯(cuò)臺(tái)位置行進(jìn)過(guò)程中不可避免地造成工作阻力增大，此時(shí)若強(qiáng)行推進(jìn)將會(huì)引發(fā)管片破裂、隧道滲漏、支護(hù)輪組損壞等一系列風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。本臺(tái)車(chē)采用鉸接式設(shè)計(jì)，支護(hù)輪組和支護(hù)底座間采用圓柱銷連接，即使在管片錯(cuò)臺(tái)條件下也可自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)，保持支護(hù)輪組聚氨酯橡膠面始終緊密貼合在管片表面，結(jié)構(gòu)更加方便可靠。支護(hù)系統(tǒng)行進(jìn)工況模擬如圖6所示。

(a) 理想水平狀態(tài)

(c) 下坡?tīng)顟B(tài)

Fig. 6 Simulation drawings of support system under working conditions

3.2.4 支護(hù)系統(tǒng)壓力可調(diào)

支護(hù)系統(tǒng)利用液壓支護(hù)油缸提供支撐力以抵抗管片承受的外部施工荷載，施工過(guò)程中油缸的支護(hù)推力可根據(jù)施工需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。支護(hù)油缸規(guī)格為HSG140/90-300，單個(gè)支護(hù)輪組可提供最大支護(hù)推力為246.2 kN。

3.2.5 頂推動(dòng)力同步推進(jìn)措施

整組臺(tái)車(chē)行進(jìn)采用液壓油缸頂推，動(dòng)力平穩(wěn)、可靠性高。液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)共有8個(gè)頂推動(dòng)力油缸，每4個(gè)一組，由同步閥統(tǒng)一控制保持頂推行進(jìn)速度一致。油缸規(guī)格為HSG160/100-750，單個(gè)動(dòng)力油缸可提供最大推力為321.5 kN、最大拉力為195.9 kN。

3.3 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)電氣控制

所有油缸終端由高壓油管連接到液壓泵站的電磁閥組上，由電控箱按鈕控制電磁閥實(shí)現(xiàn)油缸動(dòng)作。電氣控制系統(tǒng)由空氣開(kāi)關(guān)、熱繼電器、交流接觸器、熔斷開(kāi)關(guān)、橋式整流器、熔斷器、啟停按鈕、急停按鈕、通電指示燈等電氣元件組成，總機(jī)功率為4 kW。

3.4 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)液壓控制

本臺(tái)車(chē)液壓控制系統(tǒng)由200 L液壓泵站(額定工作壓力16 MPa)、PV2R1葉片泵、3.75 kW油泵電機(jī)、CIT-04管式單向閥、DSG-02-3C2-D2電磁換向閥、AT-63-400K-A1 GCT-02分支壓力表及開(kāi)關(guān)、MRV-02-P疊加式溢流閥、液溫液位計(jì)等液壓元件組成。在動(dòng)力油缸上設(shè)計(jì)同步閥保證油缸動(dòng)作一致，設(shè)計(jì)溢流閥和液溫液位計(jì)作為安全保護(hù)措施。液壓控制原理如圖7所示。

圖7 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)液壓控制原理圖

3.5 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)行進(jìn)操作步驟

臺(tái)車(chē)相鄰門(mén)架中心間距為1.5 m，與管片寬度相同，液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)在盾構(gòu)掘進(jìn)半環(huán)或者整環(huán)的換車(chē)時(shí)間進(jìn)行行進(jìn)，每次行進(jìn)位移為0.75 m或1.5 m，即動(dòng)力油缸伸縮1個(gè)行程或2個(gè)行程。結(jié)合圖8所示，臺(tái)車(chē)行進(jìn)操作步驟如下:

1)利用A組動(dòng)力油缸向1#臺(tái)車(chē)提供向前推力，此時(shí)2#、3#臺(tái)車(chē)作為反力臺(tái)車(chē)靜止，1#臺(tái)車(chē)隨動(dòng)力油缸動(dòng)作向前行進(jìn)；

2)利用A組動(dòng)力油缸、B組動(dòng)力油缸共同施力，將2#臺(tái)車(chē)向前推動(dòng)；

3)利用B組動(dòng)力油缸收縮動(dòng)作將3#臺(tái)車(chē)往前拉動(dòng)，此時(shí)1#、2#臺(tái)車(chē)作為反力臺(tái)車(chē)靜止，3#臺(tái)車(chē)隨動(dòng)力油缸動(dòng)作向前行進(jìn)。

如此循環(huán)，1#、2#、3#臺(tái)車(chē)依次逐節(jié)行進(jìn)直至完成全部重疊段支護(hù)任務(wù)。

圖8 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)行進(jìn)示意圖

4 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

4.1 研究對(duì)象的選取

因本設(shè)計(jì)中3節(jié)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)相同，選取其中一節(jié)臺(tái)車(chē)作為研究對(duì)象即可校核臺(tái)車(chē)安全性能。臺(tái)車(chē)門(mén)架斷面為變截面焊接H型鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q235B。力學(xué)模型： 簡(jiǎn)化為一端簡(jiǎn)支、一端固定的簡(jiǎn)支梁模型，按最不利條件即單個(gè)支護(hù)底座承受最大荷載246.2 kN驗(yàn)算。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，Q235B材料許用應(yīng)力及撓度規(guī)定為： 強(qiáng)度[σ]≤215 MPa； 撓度[ω]≤l/400。

4.2 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)強(qiáng)度校核

本計(jì)算采用有限元分析軟件SolidWorks Simulation進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1)建立SolidWorks臺(tái)車(chē)三維模型，輸入約束條件、施工荷載。為便于計(jì)算和輸出結(jié)果，將次要結(jié)構(gòu)(如行走輪組、支護(hù)輪組等)略去，如圖9所示。

2)求解有限元模型。臺(tái)車(chē)應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示。

(a) 3D模型

(b) 施工荷載加載

Fig. 9 3D model of hydraulic support trolley and construction loading

(a) 應(yīng)力云圖(單位： N/m2)

(b) 應(yīng)變?cè)茍D

由以上計(jì)算可知，臺(tái)車(chē)應(yīng)力、變形量均滿足要求，結(jié)構(gòu)安全，可滿足施工要求。

5 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)應(yīng)用案例

穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)已經(jīng)成功應(yīng)用于深圳軌道交通7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間、11號(hào)線松崗站—碧頭站區(qū)間中國(guó)水電四局、水電十四局、中鐵二局3個(gè)標(biāo)段，如圖11所示。其中，華新站—黃木崗站區(qū)間左線隧道于2014年12月14日進(jìn)入疊線段，2014年12月31日完成隧道掘進(jìn)；右線隧道于2015年3月16日進(jìn)入疊線段，2015年4月9日完成隧道掘進(jìn)。通過(guò)以上工程實(shí)踐的成功應(yīng)用，為后續(xù)重疊盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工提供了便捷、高效的支護(hù)方案借鑒，同時(shí)也為類似項(xiàng)目的支護(hù)臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

(a) 整體組裝圖

(b) 無(wú)卸載支護(hù)的同時(shí)下部運(yùn)輸物料電瓶車(chē)通行

6 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)深圳市軌道交通7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間重疊盾構(gòu)隧道工程穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)，結(jié)論與建議如下：

1)穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)為重疊盾構(gòu)隧道工程提供了簡(jiǎn)便、高效的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備，達(dá)到了減少工序干擾、提高施工效率、降低施工成本的目的。

2)由于本臺(tái)車(chē)施工過(guò)程中必須確保盾構(gòu)始終處于臺(tái)車(chē)支護(hù)范圍，這就對(duì)隧道掘進(jìn)與液壓支護(hù)工序配合提出了更高的要求。

3)穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車(chē)在自動(dòng)化智能控制方面尚需進(jìn)一步提高，建議在今后類似工程的臨時(shí)支護(hù)裝備設(shè)計(jì)上加強(qiáng)與盾構(gòu)同步行進(jìn)自動(dòng)化智能控制方面的研究。