孟凡田

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430066）

1 背景

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，在鐵路客運(yùn)專線架橋施工中存在越來越多橋隧相連施工的工況，通過隧道運(yùn)架梁施工是鐵路客運(yùn)專線橋梁施工中的一大難題。主要是由于大噸位運(yùn)架設(shè)備的寬度和高度超過了隧道凈空尺寸，受隧道斷面限界的限制，目前架橋機(jī)非拆解即使配備了900 t最低位運(yùn)梁車馱運(yùn)[1]，都難以滿足隧道內(nèi)馱運(yùn)的需求。以往運(yùn)架設(shè)備馱運(yùn)通過隧道前需要經(jīng)過大范圍拆解來降低整體高度，縮短寬度，通過隧道后再通過應(yīng)用外部起重設(shè)備進(jìn)行安裝，整個拆裝過程對隧道進(jìn)出口的拆裝場地提出了較高的要求，設(shè)備馱運(yùn)通過隧道費(fèi)時費(fèi)力且安全風(fēng)險較大。例如出隧道口首跨橋附近是深谷或大川，架橋機(jī)無法進(jìn)行安裝恢復(fù)，因此出隧道口無法架梁。通常遇到這種情況時需要改變橋隧施工的設(shè)計方案，例如出隧道口位置增加開挖長度或采用現(xiàn)澆施工等方法，這樣會增加施工投資成本和延長施工工期。因此，如何解決這一施工難題，成為國內(nèi)外一個熱門的課題。

1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備不僅可以用于1 000 t 20 m～40 m跨度預(yù)制箱梁架設(shè)，同時適用于900 t 20 m～32 m跨度預(yù)制箱梁的架設(shè)，能實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，并且不借助外部起重設(shè)備自折疊低位馱運(yùn)通過隧道、進(jìn)出隧道口架梁、不拆解馱運(yùn)橋間轉(zhuǎn)移等特殊工況進(jìn)行研究和應(yīng)用。該套運(yùn)架設(shè)備采用運(yùn)梁車運(yùn)梁，運(yùn)梁車配合架橋機(jī)架梁的作業(yè)方式。通常由運(yùn)梁車在預(yù)制梁場或提梁站裝梁后運(yùn)至架橋機(jī)尾部，由運(yùn)梁車配合架橋機(jī)完成箱梁的架設(shè)工作。針對高鐵線路隧道特點(diǎn)和隧道口架梁施工要求，首先由運(yùn)梁車安裝自升降馱架將架橋機(jī)低位馱運(yùn)通過隧道，在出隧道口通過運(yùn)梁車安裝的自升降馱架，將架橋機(jī)由馱運(yùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成架橋機(jī)過孔支撐狀態(tài)，然后運(yùn)梁車帶自升降馱架返回預(yù)制梁場并取梁，同時架橋機(jī)進(jìn)行過孔作業(yè)，運(yùn)梁車運(yùn)梁通過隧道到達(dá)架橋機(jī)尾部，由運(yùn)梁車配合架橋機(jī)完成架梁作業(yè)。

2016年，中國鐵路總公司開始對高速鐵路大跨度簡支梁建造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究[2]。2017年，鄭濟(jì)客專試驗(yàn)段首次采用40 m大跨度預(yù)制箱梁運(yùn)架梁施工，該試驗(yàn)段為國內(nèi)外首次應(yīng)用大跨度運(yùn)架梁施工。2020年12月，該1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備在新建福州至廈門客運(yùn)專線9標(biāo)段工程首次采用設(shè)備自折疊低位馱運(yùn)通過西行山一號隧道和西行山二號隧道，并完成出隧道口運(yùn)架梁施工，驗(yàn)證了1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備隧道口架梁工況的經(jīng)濟(jì)型和可行性。

2 運(yùn)架設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

1 000 t過隧運(yùn)梁車主要由車體、走行輪組及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、馱梁臺車、自頂升馱架、電氣系統(tǒng)、氣制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及動力系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該設(shè)備在路基、相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)隧道內(nèi)或已架橋面上行駛到架橋機(jī)尾部，通過一次喂梁、二次喂梁，配合架橋機(jī)完成箱梁的架設(shè)工作。

1 000 t過隧架橋機(jī)主要由前輔助支腿、前支腿、機(jī)臂、中支腿、起重小車、后支腿、后輔助支腿、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

3 運(yùn)架設(shè)備過隧架橋工況的研究

時速350 km的鐵路客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面半徑R為6 650 mm，時速250 km的鐵路客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面半徑R為6 410 mm[3]。以現(xiàn)有高速鐵路設(shè)計規(guī)范的隧道尺寸限界和箱梁的結(jié)構(gòu)重量等參數(shù)為依據(jù)，考慮到設(shè)備的通用性，該運(yùn)架設(shè)備需要同時滿足2種隧道斷面的進(jìn)、出隧道口架梁。

圖1 1 000 t過隧運(yùn)梁車結(jié)構(gòu)圖

圖2 1 000 t過隧架橋機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2種隧道斷面相關(guān)尺寸如圖3所示。通過比較可以得知R6410 mm隧道斷面尺寸更小，以下根據(jù)R6410 mm隧道尺寸核實(shí)該過隧運(yùn)架設(shè)備道內(nèi)低位馱運(yùn)及過隧運(yùn)梁車在隧道內(nèi)運(yùn)梁的狀態(tài)[2]，如圖4所示。

圖3 時速350 km/250 km的高速鐵路雙線隧道斷面

圖4 隧道內(nèi)低位馱運(yùn)及過隧運(yùn)梁車在隧道內(nèi)運(yùn)梁的狀態(tài)

3.1 過隧架橋機(jī)馱運(yùn)轉(zhuǎn)場出隧道口架梁工況技術(shù)研究

傳統(tǒng)架橋機(jī)受限于支腿凈空尺寸，架橋機(jī)中、后支腿無法在隧道內(nèi)展開，通常需要出隧道預(yù)留一孔橋的空間才能站位施工，即出隧道口到橋頭32 m以上的距離才能滿足架梁作業(yè)要求。

此1 000 t過隧架橋機(jī)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)隧道-20 m 距離架梁及出隧道+5 m 距離架梁。運(yùn)梁車低位馱運(yùn)架橋機(jī)到達(dá)隧道口，架橋機(jī)通過自身支腿折疊轉(zhuǎn)換支撐，不需要任何輔助吊裝設(shè)備。該設(shè)備低位馱運(yùn)出隧道+5 m工況時架梁作業(yè)步驟如下（以出隧道口架設(shè)24 m預(yù)支箱梁為例），如圖5和圖6所示。1）運(yùn)梁車高位馱運(yùn)架橋機(jī)到隧道進(jìn)口處。2）翻折并降低架橋機(jī)中支腿，前支腿和前輔助支腿收縮到過隧狀態(tài)，馱架整體降低了1.5 m，機(jī)臂底面離地4 m，準(zhǔn)備過隧道，通過隧道按R6410 mm校核（如通過R6650 mm隧道，機(jī)臂底面離地面4.3 m）。3）運(yùn)梁車馱運(yùn)架橋機(jī)通過隧道。4）運(yùn)梁車低位馱運(yùn)架橋機(jī)出隧道口5 m，前支腿支距離墩臺0.6 m處駐車。5）馱架升高300 mm，翻折前支腿支撐到位并和橋臺錨固，后起重小車運(yùn)行到架橋機(jī)前端。6）后輔助支腿翻折支撐在隧道內(nèi)路面上，安裝前支腿斜撐，降低運(yùn)梁車馱架，前支腿和后輔腿支撐架橋機(jī)，運(yùn)梁車緩慢退出回梁場取梁。7）后支腿翻折支撐在軌道上，兩起重小車運(yùn)行到架橋機(jī)尾端，拆除前支腿斜撐，后輔助支腿離地，整機(jī)準(zhǔn)備縱移。8）整機(jī)縱移36 m，中支腿出隧道后，通過中支腿外擺和整機(jī)縱移交替，直至中支腿完全展開。前輔助支腿支撐在墩臺上。通過前輔助支腿、前支腿和后支腿循環(huán)頂升[4]，將整機(jī)升高900 mm。9）中支腿翻折到正常位置，通過起重小車安裝中支腿下橫梁。10）中支腿支撐到位后，再支撐前輔助支腿。11）前支腿縱移24.7 m，支撐到位并與機(jī)臂插銷連接。12）起重小車運(yùn)行到取梁位置；翻轉(zhuǎn)后輔助支腿和后支腿，架橋機(jī)出隧道口過孔完成達(dá)到待架梁狀態(tài)。13）運(yùn)梁車從梁場提升站運(yùn)梁通過隧道到達(dá)架橋機(jī)尾部。14）運(yùn)梁車喂梁進(jìn)入架橋機(jī)，兩馱梁臺車同步移梁到位。15）架橋機(jī)前起重小車取梁。16）架橋機(jī)前起重小車和運(yùn)梁車后馱梁臺車同步拖梁到位。17）架橋機(jī)后起重小車取梁，同時運(yùn)梁車退出架橋機(jī)返回梁場。18）前后起重小車吊梁同步走行到位。19）前后起重小車落梁到位。

3.2 過隧架橋機(jī)馱運(yùn)轉(zhuǎn)場支腿支撐關(guān)鍵技術(shù)研究

圖5 過隧架橋機(jī)隧道口過孔工況圖

圖6 過隧架橋機(jī)出隧道口架梁作業(yè)工況圖

1 000 t過隧運(yùn)梁車采用槽型車體結(jié)構(gòu)降低運(yùn)梁高度實(shí)現(xiàn)運(yùn)梁通過隧道，但是整車寬度較寬，達(dá)到8 000 mm，與以往運(yùn)架設(shè)備馱運(yùn)轉(zhuǎn)場相比，架橋機(jī)馱運(yùn)前的支撐支點(diǎn)位置離箱梁腹板位置較遠(yuǎn)，此套運(yùn)架設(shè)備按照以往設(shè)備馱運(yùn)會造成箱梁局部載荷過大的情況導(dǎo)致梁片翼緣損壞，因此常規(guī)馱運(yùn)方案不適用于該套運(yùn)架設(shè)備。

針對上述情況，1 000 t過隧架橋機(jī)增設(shè)U型后輔助支腿。運(yùn)梁車馱運(yùn)架橋機(jī)之前，后輔助支腿和前支腿形成簡支的馱運(yùn)支撐形式，前支腿通過錨桿和斜撐形成剛性支腿，后輔助支腿通過橫向銷軸與機(jī)臂連接，形成柔腿，如圖7所示。采用一“剛”一“柔”的支撐方式，實(shí)現(xiàn)了架橋機(jī)馱運(yùn)之前的安全穩(wěn)定支撐。過隧架橋機(jī)馱運(yùn)轉(zhuǎn)場支腿支撐狀態(tài)，如圖8所示。

后輔助支腿采用U型結(jié)構(gòu)形式，扁平的下橫梁將后輔助支腿載荷轉(zhuǎn)移到箱梁腹板處，一方面保證了寬式運(yùn)梁車的通過性，另一方面保證了箱梁受力的安全性；其載荷傳遞原理如圖9所示。

3.3 低位馱運(yùn)架橋機(jī)過隧道中支腿自折翻關(guān)鍵技術(shù)研究

架橋機(jī)通過隧道時，受隧道斷面尺寸的限制，往往需要在進(jìn)、出隧道口位置借助其他起重設(shè)備對中支腿的整個部件進(jìn)行拆解，如圖10所示。設(shè)備部件拆裝過程需要提前在進(jìn)出隧道口預(yù)留拆裝場地，受場地限制拆裝過程風(fēng)險較大且效率較低。

為了較好地解決過隧拆裝的問題，該過隧架橋機(jī)中支腿采用了雙向自折翻式設(shè)計[5]。此架橋機(jī)到達(dá)進(jìn)隧道口時，中支腿下橫梁由起重小車吊裝拆除并提運(yùn)至架橋機(jī)前方相應(yīng)馱運(yùn)位置，通過設(shè)備自帶折翻油缸將中支腿立柱和連系梁整體翻折90°，再通過設(shè)備自帶電動葫蘆翻折立柱與聯(lián)系梁成75°，中支腿達(dá)到過隧狀態(tài)，如圖11所示。運(yùn)梁車低位馱運(yùn)架橋機(jī)通過隧道，中支腿折疊后在隧道內(nèi)的狀態(tài)如圖12所示。

圖7 準(zhǔn)備馱運(yùn)時過隧架橋機(jī)支撐狀態(tài)

圖8 過隧架橋機(jī)馱運(yùn)支撐狀態(tài)圖

圖9 U型后輔助支腿載荷傳遞原理圖

圖10 常規(guī)過隧架橋機(jī)支腿拆解作業(yè)

圖11 過隧架橋機(jī)中支腿折疊后的狀態(tài)

4 低位過隧運(yùn)架設(shè)備過隧架橋工況的應(yīng)用

1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備于2020年10月5日在新建福州至廈門鐵路9標(biāo)段投入使用，順利完成首榀箱梁的架設(shè)。新建福州至廈門客運(yùn)專線位于福建省沿海地區(qū)，是構(gòu)建京福廈高速鐵路客運(yùn)通道，也是東南沿海鐵路客運(yùn)通道的重要組成部分。

新建福廈線路為350 km/h的雙線客運(yùn)專線，線路全長277.42 km，全線設(shè)車站7座，新建橋梁93座，總長度為186.63 km，隧道33座，總長度為55.2 km，橋隧比85.72%。其中新建福州至廈門客運(yùn)專線先行工程西山隧道至行山大橋段，DK255+949.62-DK265+853.20，該段線路全長為9 890.53 m，包括6座橋梁，橋梁總長度為5 965 m；4座隧道，分別為西山隧道、西行山一號隧道、西行山二號隧道和行山隧道，隧道總長度為2 888 m；9段路基，總長度為1 017 m。線路地理環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，該標(biāo)段隧道地質(zhì)條件差，隧道洞口危巖落石不良地質(zhì)。穿越地貌斷層節(jié)理發(fā)育、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，水量豐富，且路基基底不良地質(zhì)地段較多。

2020年12月3日，該過隧運(yùn)架設(shè)備順利通過了福夏鐵路西行山一號和西行山二號隧道，并成功完成了出隧道口架梁作業(yè)，如圖13所示。這是1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備在國內(nèi)外首次自折疊低位馱運(yùn)通過隧道架梁。

在新建福州至廈門鐵路9標(biāo)段截至2021年1月30日完成標(biāo)段內(nèi)92榀箱梁架設(shè)（32 m梁79榀，24 m梁9榀），通過6段路基和2座隧道，實(shí)現(xiàn)了自折疊低位馱運(yùn)通過隧道并在出隧道口架梁。應(yīng)用情況證明，達(dá)到了設(shè)計工況的要求。

該套過隧運(yùn)架設(shè)備已申請多項(xiàng)國家發(fā)明專利，分別為：1）大跨度過隧箱梁架橋機(jī)（專利號201810094137.6）。2）過隧運(yùn)梁車（專利號201810094189.3）。3）適應(yīng)寬式運(yùn)梁車通行的架橋機(jī)轉(zhuǎn)場方法（專利號201810369716.7）。4）折疊伸縮式過隧架橋機(jī)中支腿及其應(yīng)用步驟（專利號201810531611.7） 。

5 結(jié)論

圖12 過隧架橋機(jī)中支腿折疊后在隧道內(nèi)的狀態(tài)

圖13 過隧運(yùn)架設(shè)備隧道口架梁作業(yè)圖

1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備過隧工況在福夏鐵路中得到了應(yīng)用，該運(yùn)架設(shè)備采用以下 3 種工況技術(shù)創(chuàng)新：1）采用雙向自折疊中支腿，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)梁車馱運(yùn)架橋機(jī)通過隧道，可以完成進(jìn)隧道口-20 m和出隧道口+5 m運(yùn)架梁施工。2）采用一“剛”一“柔”支撐方式，實(shí)現(xiàn)了大噸位架橋機(jī)的穩(wěn)定支撐。3）采用U型后輔助支腿結(jié)構(gòu)，在馱運(yùn)工況下滿足寬式運(yùn)梁車順利在內(nèi)凈空較小的架橋機(jī)下穿過。通過在新建福州至廈門鐵路9標(biāo)段應(yīng)用，采用上述工況技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)運(yùn)架設(shè)備難以解決的進(jìn)出隧道口運(yùn)架梁技術(shù)難題。該過隧運(yùn)架設(shè)備具有自折疊低位馱運(yùn)過隧工序安全便捷、施工效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到了使用單位的高度評價。該運(yùn)架設(shè)備將成為山區(qū)及沿海地區(qū)橋隧相連、多路基、高橋墩以及多梁型施工項(xiàng)目的首選設(shè)備。目前，國內(nèi)市場正在修建的鄭濟(jì)、福廈、湖杭、杭衢、南沿江、汕汕高鐵以及擬建設(shè)的京雄商、渝昆、沈白、渝西、西延高鐵等線路對1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備已有明確的市場需求。國外市場中，印尼雅萬高鐵、俄羅斯莫喀高鐵均采用40 m跨度1 000 t預(yù)制箱梁。通過市場分析，該運(yùn)架設(shè)備將會在今后的鐵路建設(shè)中廣泛應(yīng)用。隨著高鐵建設(shè)的發(fā)展及高鐵技術(shù)的創(chuàng)新，該1 000 t過隧運(yùn)架設(shè)備有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。