李 荊， 蔣昭漢

(1. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點實驗室， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511458； 3. 中交一公局第二工程有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

0 引言

鐵路隧道二次襯砌通常采用整體模筑方式施工，礙于現(xiàn)有技術(shù)限制，此類隧道經(jīng)常出現(xiàn)襯砌背后空洞、裂紋、滲漏水、襯砌厚度不足等病害，尤其是拱部位置，上述病害現(xiàn)象更為嚴(yán)重[1]。為此，提出開展二次襯砌“邊墻現(xiàn)澆+拱部預(yù)制”新工法及配套裝備研究，以較好地解決上述問題[2]。采用新工法施工時，涉及多種管片升降設(shè)備。筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的升降技術(shù)已在工程車輛鏟斗舉升機構(gòu)[3]、門座起重機[4]等工程機械上得到了廣泛應(yīng)用；在隧道及地下工程領(lǐng)域，其應(yīng)用主要有以下4類： 1)用于盾構(gòu)法施工隧道全環(huán)管片的拼裝，這類頂升機構(gòu)[5-7]通常具備旋轉(zhuǎn)、抓取及頂升功能； 2)用于大型設(shè)備的過隧運輸，如應(yīng)用于武廣客運專線大寨壩隧道的DF900D導(dǎo)梁式定點起吊架橋機[8]及應(yīng)用于福廈客專過隧道及出隧道口的1 000 t過隧運架設(shè)備[9]，這類設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 3)用于在建隧道某些工序，如隧道構(gòu)件安裝、隧道無紡布和防水板鋪設(shè)、預(yù)埋槽道安裝及鑿巖平臺升降等[10-12]，這類頂升機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)形式有所區(qū)別，但是升降原理基本一致； 4)用于營運隧道襯砌檢修[13]與日常維護(hù)，可實現(xiàn)單線隧道全斷面檢修及雙線隧道半斷面檢修。

然而，在鉆爆法施工的鐵路山嶺隧道二次襯砌拱部預(yù)制拼裝技術(shù)領(lǐng)域，目前尚缺乏配套的頂升設(shè)備。本文依托重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道工程，從頂升機構(gòu)方案設(shè)計與安裝位置優(yōu)化、升降油缸選型與穩(wěn)定性校核和邊墻襯砌臺車門架系統(tǒng)強度校核等方面開展頂升機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用研究，確?，F(xiàn)場能夠順利完成拱部預(yù)制管片的拼裝作業(yè)。

1 工程概況

依托重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道工程，改變原有的鐵路隧道二次襯砌整體式模筑施工方式，采用邊墻現(xiàn)澆+拱部預(yù)制拼裝的新工法。具體方案為： 試驗段二次襯砌拱部采用預(yù)制管片，其余部位采用襯砌模板臺車現(xiàn)澆，將預(yù)制管片與現(xiàn)澆邊墻通過不同形式的接頭進(jìn)行連接，并采取一系列的預(yù)緊、防排水、注漿加固等手段將二者固連成一個整體。胡家溝隧道最大埋深27 m，全長228 m，采用新工法施工的試驗段隧道長度最初定為150 m，后期隨著現(xiàn)場施工的推進(jìn)變更為132 m，其中，L型榫接頭管片長度為72 m，大球形接頭管片長度為60 m；除試驗段外，剩余96 m隧道的二次襯砌施工則采用傳統(tǒng)的襯砌模板臺車全環(huán)現(xiàn)澆方式。拱部管片全部在預(yù)制廠完成預(yù)制，管片預(yù)制與現(xiàn)場二次襯砌邊墻施工同步進(jìn)行。

管片頂升機構(gòu)與管片安裝小車3D作業(yè)示意圖見圖1。如圖所示，待二次襯砌邊墻完工后，首先將管片安裝臺車與邊墻襯砌臺車上方軌道對接，待預(yù)制管片通過專用設(shè)備運輸至施工現(xiàn)場后，使用門式吊機將管片提運至邊墻襯砌臺車的管片頂升機構(gòu)上，放置過程中需不斷調(diào)整管片左右側(cè)所處里程位置，使管片端部左右側(cè)在同一里程上。隨后，用管片安裝小車將管片運送至拼裝位置，完成預(yù)制管片的安裝。待預(yù)制管片安裝完成，采用混凝土+注砂漿方式回填，第1組安裝5片后回填注漿施工，此后每6片為1個注漿單元進(jìn)行回填注漿，填充拼裝間隙，使得管片連接成整體。

(a) 邊墻襯砌臺車頂升機構(gòu)頂升管片

(b) 管片安裝小車承接管片

2 方案設(shè)計及優(yōu)化

2.1 功能需求及設(shè)計要點分析

管片頂升機構(gòu)最基本的功能是實現(xiàn)管片的升降及將管片轉(zhuǎn)運至管片安裝小車。為了更好地實現(xiàn)這一功能，管片在升降過程中需要保持平穩(wěn)，因此要求管片頂升機構(gòu)自身強度、剛度能夠承載550 mm厚鋼筋混凝土預(yù)制管片的重量，并留有一定的安全余量。液壓油缸行程大、總長度長，在伸出過程中相當(dāng)于材料力學(xué)中的細(xì)長桿，因此需要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗算，確保整個頂升機構(gòu)作業(yè)過程中不會因為油缸的失穩(wěn)而發(fā)生管片傾覆，造成安全事故。此外，頂升機構(gòu)在邊墻襯砌臺車上的安裝位置不同，對臺車結(jié)構(gòu)的整體受力情況存在一定影響，優(yōu)化頂升機構(gòu)的安裝位置同樣十分必要。

2.2 方案設(shè)計

如圖2所示，邊墻襯砌臺車分為2個功能作業(yè)區(qū)，左側(cè)是二次襯砌邊墻現(xiàn)澆作業(yè)區(qū)，右側(cè)安裝有頂升機構(gòu)，用于拱部預(yù)制管片的提升及轉(zhuǎn)運。

2.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

臺車頂升機構(gòu)如圖3所示，由主支架、A型管套筒和橡膠墊塊組成。該頂升機構(gòu)能夠便捷地實現(xiàn)管片快速穩(wěn)定提升，且提升成本低、經(jīng)濟(jì)性好。

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖

(a) 左視圖 (b) 主視圖

其具體工作流程為： 1)初始狀態(tài)時，管片放置在頂升機構(gòu)主架支撐面阻尼橡膠墊上，同時將限位A型管插入機構(gòu)兩端的套筒內(nèi)。2)管片放置好后，安裝在上部主梁內(nèi)的油缸活塞桿緩緩升出，并逐步推動管片到達(dá)指定的高度。與此同時，管片安裝小車駛?cè)氲巾斏龣C構(gòu)的正下方，在安裝小車停穩(wěn)對中后，取出兩端插入的限位A型管。3)安裝小車的頂升機構(gòu)上升并逐步將整個管片內(nèi)弧面支撐住，然后繼續(xù)上升一段距離，直至到達(dá)距離拱頂?shù)闹付ㄎ恢谩?)在管片被安裝小車托舉后，頂升機構(gòu)主架在液壓油缸的作用下回降到初始位置，之后開始下一循環(huán)作業(yè)。

2.2.2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.2.1 主支架設(shè)計

頂升機構(gòu)主支架如圖4所示，主要由長豎板、短豎板、面板、油缸耳板、豎梁和固定套筒通過焊接方式固定連接而成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。主支架安裝在臺車2根上部主梁上，作為預(yù)制管片頂升作業(yè)的直接承載部件，通過油缸將管片頂升至指定位置，同時將外部載荷通過油缸及油缸支座傳遞至臺車和地面。

(a) 左視圖 (b) 主視圖

2.2.2.2 限位A型管設(shè)計

限位A型管如圖5所示，其與頂升機構(gòu)主支架上的固定套筒聯(lián)合使用，可有效限制安放于主支架上的預(yù)制管片側(cè)向位移，防止管片在頂升過程中發(fā)生側(cè)傾、掉落事故。限位A型管使用非常方便，作業(yè)前只需將限位A型管插入到主支架上的固定套筒內(nèi)，管片轉(zhuǎn)運時將限位A型管從固定套筒內(nèi)拔出即可。

圖5 限位A型管

2.3 油缸選型設(shè)計及穩(wěn)定性校核

2.3.1 油缸選型設(shè)計

油缸活塞桿在伸出過程中受到的壓力主要為管片重量和頂升機構(gòu)自重，由于管片類型、重量不一，本文選取550 mm厚L型榫接頭管片為計算對象。

(1)

d=D×φ；

(2)

(3)

式(1)—(3)中：D為活塞直徑；d為活塞桿直徑；F為油缸計算外載荷；n為安全因數(shù)，取2；p1為工作壓力；p2為回油壓力；φ為桿徑比，取0.5；G1為管片重量；G2為頂升機構(gòu)重量；ηm為液壓油缸機械效率，取0.9。

已知550 mm厚管片的縱向幅寬為2 000 mm，內(nèi)弦長為8 600 mm，G1=246 kN，G2=6.912 kN。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)—(3)，求得活塞直徑D，并根據(jù)液壓缸有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對活塞直徑進(jìn)行圓整，取D=160 mm，繼而求得活塞桿直徑d=80 mm。根據(jù)施工工藝及臺車設(shè)計總裝圖可知，管片頂升高度為1 300 mm，因此取油缸行程s=1 500 mm。

2.3.2 油缸活塞桿有限元屈曲分析

采用有限元模擬方法對油缸活塞桿進(jìn)行一階屈曲分析。將油缸簡化為由缸筒、活塞桿、活塞及端蓋組成，除端蓋為方形外，其余各部分均為圓柱形，并忽略掉其余細(xì)微結(jié)構(gòu)。油缸各組成部分材質(zhì)均為45號鋼，在端蓋上下表面施加固定約束，網(wǎng)格為軟件自動劃分，在活塞桿頂部施加載荷F=144.35 kN。經(jīng)過運算，有限元模擬分析得到的載荷因子為2.401 7，從而得到相應(yīng)的臨界載荷為346.69 kN。

因此，當(dāng)頂升機構(gòu)負(fù)載不超過550 mm厚的管片重量時，在油缸平穩(wěn)頂升過程中活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。

2.3.3 活塞桿穩(wěn)定性校核

已知油缸行程s=1 500 mm，安裝距離為217 mm，因此油缸計算長度l=1 717 mm。由于油缸計算長度與活塞桿直徑比l/d=1 717/80=21.46>10，因此需要對活塞桿進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗算。

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)—(6)中：λp為活塞桿的比例極限柔度；E為活塞桿材料的彈性模量；σp為活塞桿材料比例極限；λ為活塞桿柔度；μ為長度系數(shù)；i為截面慣性半徑；d為活塞桿直徑；Fcr為活塞桿臨界應(yīng)力；I為橫截面的形心主慣性矩。

已知σp=280 MPa，E=210 GPa，活塞桿直徑d=80 mm；最大外部載荷Fmax=144.35 kN；油缸可簡化成一端固定、另一端自由的細(xì)長桿，長度系數(shù)μ=2；截面慣性半徑i=20 mm。

經(jīng)過計算，可得λ=171.7>λp=86，符合歐拉公式應(yīng)用條件，將上述數(shù)據(jù)代入式(7)得到臨界應(yīng)力大小為352.847 kN。

取活塞桿穩(wěn)定性安全因數(shù)nk=2～4，活塞桿工作安全因數(shù)為

(8)

因此活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。

2.4 頂升機構(gòu)安裝位置優(yōu)化設(shè)計

2.4.1 安裝方案1

頂升機構(gòu)安裝方案1如圖6所示。臺車總長為15 m，頂升機構(gòu)為1對，分別安裝在邊墻襯砌臺車2根上部主梁的外側(cè)端面，其中心平面與鄰近門架外側(cè)端面的距離為1.8 m。具體安裝過程如下： 在臺車2根主梁外端面分別焊接1對限位方形套筒和油缸支座，將頂升機構(gòu)主架豎梁插入對應(yīng)的套筒內(nèi)部，同時將頂升油缸缸筒固定在油缸支座上。

采用本方案的優(yōu)點是加工及安裝工藝較簡單； 缺點是安裝在此位置導(dǎo)致力的作用線與上部主梁中心面產(chǎn)生一定的距離，作業(yè)過程中會形成一個附加彎矩，增加主梁受力，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和應(yīng)力分布。

圖6 頂升機構(gòu)安裝方案1

2.4.2 安裝方案2

頂升機構(gòu)安裝方案2如圖7所示。在臺車一側(cè)門架橫梁的兩端，對稱安裝2根3 m長的梁，其大小與臺車上部主梁一致且兩者中心在一個平面上。將頂升機構(gòu)固定在梁的端面，其中兩端門架外端面距離為12 m，臺車總長為15 m，頂升機構(gòu)中心平面與鄰近門架外側(cè)端面的距離為1.8 m。

圖7 頂升機構(gòu)安裝方案2

2.4.3 安裝方案3

頂升機構(gòu)安裝方案3如圖8所示。頂升機構(gòu)分別安裝在臺車2根上部主梁內(nèi)，在臺車主梁端部中心位置開設(shè)多個方形孔，頂升機構(gòu)豎梁下穿主梁上的方形孔，主梁內(nèi)部正對著方形孔的位置安裝有油缸支座，升降油缸端蓋固定在支座上，活塞桿則與頂升機構(gòu)鉸接。頂升機構(gòu)中心平面與鄰近門架外側(cè)端面的距離為1.8 m。采用本方案的優(yōu)點是力的作用線位于上部主梁中心面上，結(jié)構(gòu)受力更加合理，不會產(chǎn)生附加彎矩； 缺點是加工及安裝工藝較復(fù)雜。

2.4.4 方案比選

對3種頂升機構(gòu)安裝方案進(jìn)行對比分析，如表1所示。由表可知，方案3臺車門架支腿與主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更均衡且應(yīng)力值最小。除彎矩外，方案1門架支腿所承受的外力與方案3在數(shù)值上相同，但在主梁上的應(yīng)力分布不均勻，與頂升機構(gòu)同一側(cè)的應(yīng)力大，另一側(cè)應(yīng)力小。采用方案2的安裝位置將導(dǎo)致靠近頂升機構(gòu)的門架支腿受力比方案1和方案3中所受的力增大約30.7%，而另一側(cè)門架受力也比方案1和方案3所受的力增大約25%；雖然該側(cè)門架的受力方向向上，可以抵消一部分臺車的自重，但從整體上看，不利于臺車結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。綜上所述，頂升機構(gòu)最終選擇方案3進(jìn)行安裝。

(a)

(b)

表1 頂升機構(gòu)安裝方案對比分析

2.5 邊墻襯砌臺車門架系統(tǒng)強度校核

當(dāng)管片頂升機構(gòu)采用方案3進(jìn)行安裝時，針對管片頂升過程涉及的工況，采用有限元方法對邊墻襯砌臺車門架系統(tǒng)靜載強度進(jìn)行校核。根據(jù)現(xiàn)場施工工藝，在管片頂升初始階段，邊墻襯砌臺車門架支撐系統(tǒng)所受靜載主要為頂升機構(gòu)自重、管片重量，以及模板系統(tǒng)、附屬澆筑管路、液壓、電氣等裝置重量。已知單側(cè)門架所受頂升機構(gòu)自重和管片重量的作用力之和為144 350 N，所受模板系統(tǒng)、附屬澆筑管路、液壓、電氣等裝置重量的作用力約為400 000 N。

利用軟件對邊墻襯砌臺車門架系統(tǒng)進(jìn)行實體建模，本次計算主要校核門架系統(tǒng)的整體強度是否滿足要求，因此計算過程中為了節(jié)約計算資源，方便網(wǎng)格劃分，去掉了圓角、倒角及孔等結(jié)構(gòu)。門架系統(tǒng)所有構(gòu)件均采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強度為235 MPa，所有構(gòu)件采用剛性連接，視為一個整體，對4個門架立柱底部施加固定約束。在載荷施加方面，將左右2根15 m長門架上部主梁上表面分割為12 m和3 m 2部分進(jìn)行同步加載，前者施加400 000 N，后者施加144 350 N； 網(wǎng)格為系統(tǒng)自動劃分而成。經(jīng)過計算，結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力約為176 MPa，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，門架系統(tǒng)鋼材的設(shè)計用抗彎強度為215 MPa，因此門架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

試驗段拼裝式二次襯砌施工進(jìn)度如表2所示。由表可知，截至2021年7月，現(xiàn)場邊墻襯砌澆筑累計完成11組(其中L型6組，球形5組)，共計132 m。管片廠生產(chǎn)L型榫接頭管片36片(6組)和球形接頭管片30片(5組)，均已完成安裝； 全環(huán)現(xiàn)澆二次襯砌也已完工，現(xiàn)正在進(jìn)行洞門以及中心水溝的施工作業(yè)。

表2 試驗段拼裝式二次襯砌施工進(jìn)度表

3.2 邊墻二次襯砌澆筑

如圖9所示，現(xiàn)場正在使用邊墻襯砌臺車進(jìn)行二次襯砌邊墻的現(xiàn)澆作業(yè)。臺車有2套不同結(jié)構(gòu)形式的縱向封堵模板，分別用于L型榫接頭和球形接頭施工，作業(yè)時只需要更換臺車頂部左右兩側(cè)的縱向封堵模板，即可完成對應(yīng)管片接頭的施工。

圖9 邊墻襯砌臺車施作二次襯砌邊墻

3.3 管片拼裝

管片拼裝過程如圖10所示。如圖10(a)、(b)所示，拱部預(yù)制管片運輸?shù)竭厜σr砌臺車與吊機之間后，由吊機將管片提運至邊墻襯砌臺車頂升機構(gòu)上，接著管片頂升機構(gòu)將管片緩緩抬升；然后，圖10(c)中管片安裝小車沿著臺車上部軌道行駛至管片正下方，并將管片從頂升機構(gòu)轉(zhuǎn)移至自身的管片支撐裝置上；最后，管片安裝小車將管片安裝到已完成澆筑的二次襯砌邊墻上。圖10(d)示出現(xiàn)場工人對相鄰管片連接螺栓縱向預(yù)緊后，進(jìn)行環(huán)向止水條安裝。

(a) 管片及拼裝設(shè)備就位

(b) 吊機提運管片至頂升機構(gòu)

(c) 管片安裝小車安裝管片

(d) 管片環(huán)向止水條安裝

3.4 應(yīng)用效果

管片安裝完成并注漿回填后的現(xiàn)場效果如圖11所示，圖中線纜為埋設(shè)的監(jiān)測元件。由圖可以看出，管片拼裝后整體效果良好，驗證了新工法以及使用管片頂升機構(gòu)施工的可行性。

圖11 管片拼裝效果

4 結(jié)論與建議

1)有限元屈曲分析與理論計算求得的活塞桿臨界載荷分別為346.69 kN和352.847 kN，誤差約為1.74%，驗證了有限元屈曲分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；與活塞桿作業(yè)過程中承受的載荷相比，油缸在設(shè)計行程內(nèi)穩(wěn)定性符合要求，不會發(fā)生失穩(wěn)。

2)頂升機構(gòu)在門架主梁上安裝時，應(yīng)避免選擇懸臂結(jié)構(gòu)和偏心位置，防止局部應(yīng)力過大、產(chǎn)生附加彎矩，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇兩者中心重合的位置。

3)由于模型尺寸突變，門架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大處主要集中在主梁與橫梁、斜撐的連接處，后續(xù)設(shè)計時，可以適當(dāng)增大橫梁與斜撐的底板面積，以有效降低該處的應(yīng)力。同時，該處的計算模型經(jīng)過簡化，未包含加強筋部分，因此會出現(xiàn)應(yīng)力計算值大于實際應(yīng)力的現(xiàn)象。

4)受臺車、臺架等影響，現(xiàn)場管片位置測量受限，無法完成精準(zhǔn)定位。后續(xù)推廣應(yīng)用時，可以在管片安裝小車上增設(shè)高精度微調(diào)裝置，確保管片定位精確。

5)“邊墻現(xiàn)澆+拱部預(yù)制拼裝”工法是一次全新的嘗試，目前在效率方面仍低于傳統(tǒng)的整體模筑。相信隨著本工法的持續(xù)推進(jìn)與技術(shù)進(jìn)步，后期施工效率會有較大提升。