王恒珂 劉 斌

1 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430040

2 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430040

3 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心 武漢 430040

0 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，為了使城與城之間聯(lián)系更加緊密，促使道路隧道工程向更深、更長、更立體化方向發(fā)展[1]。過江、跨海等大型隧道的工程不斷出現(xiàn)，其施工條件極其復(fù)雜，且工期較緊，對(duì)工程施工技術(shù)有更高要求。由工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，模板臺(tái)車的施工方法不僅提高了混凝土的表觀質(zhì)量，還取得了較好的工期效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，傳統(tǒng)模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自重較大，爬坡能力較差，且焊接工作量繁重，拼裝拆卸速度較慢[1]。因此，本文結(jié)合大連灣海底隧道項(xiàng)目暗埋段施工工程，開展了隧道行車道頂模模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上進(jìn)行創(chuàng)新，模塊化設(shè)計(jì)，減少施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接拼裝工作，減輕臺(tái)車自重，方便轉(zhuǎn)場(chǎng)，并增強(qiáng)臺(tái)車的工作性能和適用條件，提高施工功效，降低施工成本，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并為以后的臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

文中所述工程為海底隧道北側(cè)陸域段，位于梭魚灣北岸即大連港外輪航修廠內(nèi)原碼頭附近，陸域段全長385 m（K0+355 ～K0+785 ），由北向南分別為敞開段、暗埋段，其中敞開段50 m，暗埋段380 m（含南端58 m、2 段止推段）。臺(tái)車方案針對(duì)暗埋段進(jìn)行設(shè)計(jì)，此段位于 K0+487.731 ～K0+785 之間，全長297.629 m，分成 10 個(gè)施工段，9 段為30 m，最后一段為 27.629 m，且澆筑方向有3.5%～4%的坡度。為方便暗埋段施工，每澆筑段澆筑長度為 30 m，整個(gè)暗埋段分 10 段澆筑。隧道斷面圖如圖1 所示，隧道總體寬度41.3 m，總體高度11.4 m，雙行車道左右凈寬12.65 m，凈高8.6 m；中間廊道凈寬4.4 m，凈高8.55 m；兩側(cè)廊道凈寬2.9 m，凈高8.5 m；墻身厚度為0.6 ～1.5m。具體施工時(shí)分為底板下部結(jié)構(gòu)、隔墻結(jié)構(gòu)、頂板與外墻體結(jié)構(gòu)三部分分層澆筑，形成直線性流水作業(yè)。3 個(gè)作業(yè)段限界分明，互不干擾，可提高材料的周轉(zhuǎn)率，節(jié)省材料的投入，保證施工空間的通行，為控制澆筑質(zhì)量提供保障。如果工期要求緊，可安排兩個(gè)流水段同時(shí)施工。

圖1 隧道橫斷面圖

2 模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模板臺(tái)車由軌道、臺(tái)車骨架、行走裝置、施工作業(yè)平臺(tái)、開合模系統(tǒng)以及模板系統(tǒng)等組成。臺(tái)車外形尺寸為36.8 m×12.65 m×6.2 m（長×寬×高），為了方便施工，提高施工效率，本工程模板臺(tái)車采用工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式。具體結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

2.1 臺(tái)車骨架設(shè)計(jì)

臺(tái)車骨架三角撐的立柱采用250×250×6 的薄壁方鋼，斜撐和橫聯(lián)均采用180×180×6 的薄壁方鋼，橫聯(lián)通過銷軸將立柱和斜撐連在一起形成一個(gè)固定的三角結(jié)構(gòu)，并通過上橫桿和連接絲桿連接兩個(gè)三角撐間形成一片穩(wěn)定的三角架，片與片之間間隔1.8 m，共有21 片。臺(tái)車上下縱梁采用HW300×300 的型鋼，兩端的節(jié)長4.9 m，中間的節(jié)長5.4 m，節(jié)與節(jié)之間通過螺栓連接。臺(tái)車行走方向通過立柱間斜撐和上下縱梁將每一片三角撐連接起來組成一個(gè)完整的模板臺(tái)車骨架。三角形支撐結(jié)構(gòu)簡單，且比較穩(wěn)定，受力明確，通過立柱和斜撐把混凝土壓力以及結(jié)構(gòu)自重傳遞到車輪上。

2.2 行走支撐裝置設(shè)計(jì)

由于臺(tái)車較長，為了方便行走，將臺(tái)車分成3 段，每段設(shè)置一套主動(dòng)行走輪，由行走電機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)臺(tái)車沿軌道行走。支撐裝置由頂升和橫移液壓缸支撐系統(tǒng)以及地腳支撐系統(tǒng)組成，頂升和橫移液壓缸用來對(duì)整個(gè)臺(tái)車進(jìn)行調(diào)位，調(diào)位完成后由地腳支撐系統(tǒng)進(jìn)行支撐和整體固定。

2.3 模板設(shè)計(jì)

考慮工程施工周期較長，模板周轉(zhuǎn)次數(shù)較多，為防止模板在使用和周轉(zhuǎn)過程發(fā)生較大變形和損壞進(jìn)而影響施工質(zhì)量，設(shè)計(jì)的模板自身剛度較大且為鋼模。模板整體由兩側(cè)角模和中間大面模板組成，角模以雙槽16 為圍檁，槽8 為背楞，8 mm 厚鋼板為面板拼裝而成且轉(zhuǎn)角位置為銷軸連接可通過轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行轉(zhuǎn)角處拆模和立模。中間大面模板以雙槽32 為圍檁，槽8 為背楞，8 mm 厚鋼板為面板拼裝而成。所有模板都將在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)組裝成模板單元，在應(yīng)用時(shí)整塊吊運(yùn)，并通過螺栓連接組裝成一個(gè)整體。這樣能保證施工效率與質(zhì)量，減少材料因轉(zhuǎn)運(yùn)造成的損耗，且這些材料也可用于其他施工段的施工。

3 臺(tái)車結(jié)構(gòu)分析

整個(gè)臺(tái)車設(shè)計(jì)荷載包括臺(tái)車結(jié)構(gòu)自重、模板自重載荷170 kg/m2、混凝土澆筑側(cè)壓力載荷50 kN/m2、頂板混凝土壓力載荷2.4 t/m3、混凝土傾倒和振搗荷載、施工人員及設(shè)備載荷1.5 kN/m2。暗埋段施工條件下，風(fēng)載荷和溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較小，故計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)和溫度載荷的影響。臺(tái)車在使用過程中主要考慮三種工況[2]。

圖2 海底隧道行車道頂模模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)圖

頂板混凝土澆筑工況（工況一）：此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)由地腳支撐系統(tǒng)支撐。此時(shí)載荷有模板及結(jié)構(gòu)自重載荷、頂板混凝土壓力載荷、混凝土側(cè)壓力載荷、混凝土傾倒和振搗荷載、施工人員及設(shè)備載荷等，以此來計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力與變形。

液壓缸頂升工況（工況二）：整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)開始通過液壓缸由輪軌支撐切換成地腳支撐。此時(shí)載荷為模板及結(jié)構(gòu)的自重載荷、設(shè)備載荷等，以此來計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力與變形。

行走工況（工況三）：整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)為輪軌支撐。行走時(shí)的載荷為模板及結(jié)構(gòu)的自重載荷、設(shè)備載荷等，以此來計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力與變形。

在Ansys 軟件中建立模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用極限狀態(tài)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1 所示。由分析可知，工況一為最危險(xiǎn)工況，分析結(jié)果如圖3 所示。由分析結(jié)果可知，臺(tái)車整體受力比較均勻且最大應(yīng)力為51 MPa ≤215 MPa，整體變形為1.87 mm，能滿足設(shè)計(jì)使用要求。

表1 臺(tái)車各工況計(jì)算結(jié)果表

圖3 工況一條件下臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和位移云圖

4 臺(tái)車施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 臺(tái)車組裝

為減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作，臺(tái)車小的、能夠在工廠組裝且方便運(yùn)輸?shù)牟考仍诠S進(jìn)行組裝，組裝完成后再運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體拼裝。拼裝采用塔式起重機(jī)配合汽車起重機(jī)進(jìn)行，其拼裝流程為：測(cè)量放線→導(dǎo)軌鋪設(shè)→行走及支撐裝置就位→下部連接盤及下縱梁安裝→三角撐安裝→頂部連接盤及上縱梁橫梁、斜撐梁安裝→操作平臺(tái)安裝→模板安裝→調(diào)試及試行走。

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程[3]為：施工前準(zhǔn)備工作→臺(tái)車行走到特定位置→測(cè)量調(diào)位（通過橫移液壓缸可以對(duì)臺(tái)車進(jìn)行橫向調(diào)位）→支撐體系轉(zhuǎn)換（通過頂升液壓缸由輪軌接觸轉(zhuǎn)換為地腳支撐提高臺(tái)車結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性）→臺(tái)車面板處理、涂脫模劑→尺寸檢查→支承絲桿鎖定→混凝土澆筑→脫模行走（脫模時(shí)先通過調(diào)整角模絲桿脫開角模，然后臺(tái)車由地腳支撐先轉(zhuǎn)換為豎向液壓缸支撐，收起地腳支撐，液壓缸回油整個(gè)臺(tái)車依靠結(jié)構(gòu)自重進(jìn)行脫模，脫模完成后臺(tái)車再由液壓缸支撐轉(zhuǎn)換為輪軌支撐，然后行走到下一個(gè)工位）→混凝土養(yǎng)護(hù)。

4.3 臺(tái)車使用注意事項(xiàng)[4]

1）模板臺(tái)車在投入使用后，需定期檢查整車緊固件是否松動(dòng)，并作相應(yīng)緊固（建議兩周一次）。每兩個(gè)月對(duì)臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查，需要維修更換的零部件及時(shí)進(jìn)行維修更換。

2）保持臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)清潔，對(duì)散落的混凝土渣和油污及時(shí)清理，并根據(jù)使用周期對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行清理、潤滑。

3）不間斷施工時(shí)，若臺(tái)車不需要反復(fù)行走，請(qǐng)關(guān)閉油泵，以延長油泵及液壓部件的使用壽命。

4）液壓油應(yīng)定期更換，更換周期一般為半年。

5）施工過程中如遇任何緊急情況，第一時(shí)間啟動(dòng)安全制動(dòng)裝置并關(guān)閉電源開關(guān)。

5 臺(tái)車應(yīng)用效果分析

1) 臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

2) 臺(tái)車可以自由組合成不同的長度，增大了臺(tái)車的適用范圍。

3) 臺(tái)車為工人提供了較大的操作空間，且整體行走、支撐、調(diào)位機(jī)構(gòu)都在臺(tái)車底部，方便操作，并保障了操作工人的安全性。

4) 鋼模板之間拼縫嚴(yán)密性好，混凝土表面平整光亮、無明顯錯(cuò)縫。

5) 臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，構(gòu)件簡單，模塊化設(shè)計(jì)，拼裝拆卸周轉(zhuǎn)方便，大大提高了施工效率。

6 結(jié)論

1）臺(tái)車整體采用桿系結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的箱形框架結(jié)構(gòu)來說，雖然組裝連接起來相對(duì)比較繁瑣，但整個(gè)臺(tái)車的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了很多，而且采用模塊化設(shè)計(jì)，大部分連接工作在出廠前即已完成，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)的拼裝工序和勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）在施工操作空間方面，雖然沒有傳統(tǒng)的箱形框架結(jié)構(gòu)的空間大，但這種新型結(jié)構(gòu)形式相比之前的桿系結(jié)構(gòu)臺(tái)車留出的操作空間更大，更便于施工。對(duì)于操作空間要求不是特別大的工程，該臺(tái)車具有較大優(yōu)勢(shì)。

3)該臺(tái)車行走系統(tǒng)、調(diào)位系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)等集中可視化，且均布置于臺(tái)車結(jié)構(gòu)底部，方便布線、操作、檢修等。

4）該臺(tái)車的模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度較大，施工時(shí)主要依靠模板主背楞抗彎，既能防止施工時(shí)模板出現(xiàn)較大變形和損壞，也能減少臺(tái)車結(jié)構(gòu)本身的抗彎能力，使臺(tái)車桿系結(jié)構(gòu)只承受拉壓載荷，不承受彎曲載荷，受力較好。由計(jì)算結(jié)果可知，整個(gè)臺(tái)車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較小說明這種方式也可以進(jìn)一步做到結(jié)構(gòu)的輕量化，臺(tái)車結(jié)構(gòu)仍有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。