余備軍，劉永剛，張志和

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

近年來，在完善交通體系建設(shè)、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、強(qiáng)化國防現(xiàn)代化建設(shè)等國家重大戰(zhàn)略指導(dǎo)下，超大型交通隧道、地下儲備洞庫、地下國防建設(shè)等工程越來越多。襯砌施工是隧道、洞庫等建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對工程成品質(zhì)量起到了決定性作用。目前，大型地下工程二次襯砌施工裝備以襯砌臺車為主，非標(biāo)準(zhǔn)斷面多以滿堂架為主，部分工程采用了兩者組合的結(jié)構(gòu)形式。在施工跨度方面，地下結(jié)構(gòu)斷面尺寸越來越大，襯砌臺車跨度已達(dá)32.7 m，滿堂架可達(dá)40 m。在施工效果方面，襯砌臺車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、費(fèi)用高，但移動方便，所需人工少；滿堂架以人工操作為主，移動困難、效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

目前，關(guān)于大跨度隧道(洞庫)襯砌施工技術(shù)的研究已取得了一些進(jìn)展。劉永勝等[1]對巨跨超扁平洞庫的穩(wěn)定機(jī)制、關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)及其評價(jià)體系、定量化設(shè)計(jì)方法、施工工藝工法以及監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究。林春剛等[2]融合全液壓鋼模襯砌臺車與模塊化高性能貝雷架的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，研制了巨跨地下洞庫被覆施工一體化裝備。卞少帥等[3]對國內(nèi)外大跨度地下工程的設(shè)計(jì)和施工方法進(jìn)行了研究，總結(jié)了現(xiàn)有工程建設(shè)方法、經(jīng)驗(yàn)和存在的問題，探討了大跨度地下工程未來的發(fā)展趨勢。陳建勛等[4]對現(xiàn)有國內(nèi)外超大跨公路隧道工程建設(shè)情況進(jìn)行了介紹，對隧道圍巖變形規(guī)律與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法等進(jìn)行了研究。朱苦竹等[5]研究了淺埋軟弱圍巖大跨度隧道的開挖工法。洪開榮[6]對大跨度地下水封能源洞庫修建技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)了修建地下水封洞庫工程的關(guān)鍵技術(shù)。彭振華等[7]以某海島地下水封油庫為依托，對海島環(huán)境下建造地下水封洞庫的圍巖穩(wěn)定性和水封可靠性進(jìn)行了研究。徐干成等[8]對大跨度扁平地下洞室開挖方案進(jìn)行了研究，提出將進(jìn)深方向的大跨度洞室變成小跨度洞室的縱向跳格、橫向分布的開挖方案。王浩等[9]對超大斷面隧道襯砌臺車各系統(tǒng)的應(yīng)力和位移進(jìn)行了研究。袁偉澤等[10]為研究預(yù)應(yīng)力錨索對大跨地下工程開挖穩(wěn)定的影響，采用數(shù)值模擬的方法對錨索預(yù)應(yīng)力值和間距2個(gè)因素進(jìn)行了分析研究。劉思遠(yuǎn)等[11]結(jié)合工程實(shí)例，建議澆筑二次襯砌混凝土?xí)r應(yīng)注意對稱澆筑，保持臺車受力對稱。劉軍[12]對整體移動式腳手架在超大斷面隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。張進(jìn)軍[13]經(jīng)過研究分析，提出了采用組合鋼模板全液壓脫立模、電動減速機(jī)自動行走的襯砌臺車。于寶軍[14]對山區(qū)軟巖大跨大斷面四線鐵路車站隧道二次襯砌施工技術(shù)進(jìn)行了研究。李梁等[15]研究了結(jié)合鋼管、型鋼支架、輪子、木模板等設(shè)計(jì)的移動式被覆模架，其易于操作且成本低。

綜上所述，超大跨度隧道(洞庫)的研究主要集中在施工工法、開挖方案比選、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析等方面。而關(guān)于50 m級以上的級超大跨度洞庫二次襯砌施工技術(shù)及裝備的研究少有涉及。目前，跨度50 m以下隧道(洞庫)的二次襯砌施工以腳手架體系為主。其中，跨度40 m以下隧道(洞庫)的襯砌設(shè)備普遍采用臺架、腳手架聯(lián)合支撐鋼模板或襯砌模板臺車；跨度40～50 m隧道(洞庫)被覆施工設(shè)備采用碗扣式腳手架支撐體系和整體自行式貝雷架支撐臺架。目前，已有研究尚不能解決巨跨扁平地下洞庫襯砌施工中面臨的被覆結(jié)構(gòu)工程體積大、面積大、自重大、鋼筋密集等技術(shù)難題。因此，本文對巨跨地下洞庫頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車裝備進(jìn)行系統(tǒng)分析，在施工難點(diǎn)、施工要求、施工技術(shù)及裝備方案等方面進(jìn)行系統(tǒng)探討。

1 技術(shù)背景

1.1 工程概況

某在建工程為巨大跨度、極小矢跨比的地下洞庫，被覆結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土一次澆筑成型。被覆結(jié)構(gòu)跨度為目前已有工程最大跨度的2～3倍，混凝土厚度為常規(guī)隧道的4～5倍，被覆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度為1.8～3.0 m，單循環(huán)混凝土澆筑量近2 000 m3，澆筑面積大于500 m2，自重?cái)?shù)千t。被覆結(jié)構(gòu)采用分段澆筑一次成型，每次澆筑平均長度為10.3 m，單次澆筑完成后，被覆模板體系需向前移動10.3 m，然后進(jìn)行下一組被覆結(jié)構(gòu)澆筑。

1.2 施工難點(diǎn)及要求

1.2.1 施工難點(diǎn)

1)地下洞庫被覆結(jié)構(gòu)跨度、高度、厚度均遠(yuǎn)超現(xiàn)有地下工程案例，單次混凝土澆筑的襯砌模板及其支架體系承受載荷高達(dá)千t，橫向?qū)挾却笥?0 m，縱向長度(10.3 m)相對橫向?qū)挾容^小，縱向剛度較弱，在上述載荷作用下，極易發(fā)生扭曲變形及失穩(wěn)。因此，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

2)拱頂中部范圍內(nèi)近水平的位置，由于襯砌鋼筋設(shè)置較為密集(主筋最小凈距僅約120 mm)，混凝土澆筑期間送料、振搗難度極大，極不利于混凝土填充。

1.2.2 施工要求

1)襯砌臺車應(yīng)根據(jù)澆筑速度、混凝土工作性能、左右分層澆筑高度差等參數(shù)綜合設(shè)計(jì)，并具有經(jīng)審查批準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算書，其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2)襯砌臺車的骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具備足夠的強(qiáng)度與剛度。設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求：主要結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)荷載分項(xiàng)系數(shù)不小于1.5，采用容許應(yīng)力法計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)不小于2.0。設(shè)計(jì)剛度要求：1.5倍額定荷載條件下，全斷面總體變形量不大于10 mm。

3)襯砌臺車門架內(nèi)凈空要保證洞內(nèi)車輛和人員的安全通行，滿足洞內(nèi)鑿巖臺車、裝渣機(jī)等施工設(shè)備及風(fēng)水管路的通行和穿越。

4)端頭模板及卡具應(yīng)操作方便、安裝牢固，不漏漿、不損傷防水板，端頭模板應(yīng)具有足夠抵抗變形、保壓和抗壓的能力，保壓壓力值不小于0.15 MPa。

5)襯砌臺車應(yīng)具備便捷的混凝土分配機(jī)構(gòu)，以降低人工換管的勞動強(qiáng)度，減少作業(yè)時(shí)間。

6)襯砌臺車應(yīng)考慮混凝土澆筑、振搗、檢查等作業(yè)的需要，在適當(dāng)位置設(shè)置澆筑口和作業(yè)窗(檢查窗)；振搗工作窗布置應(yīng)確保振搗范圍滿足施工要求，端頭工作窗距離端頭不得大于75 cm。

2 頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

巨跨地下洞庫襯砌施工裝備融合全液壓襯砌臺車與盤扣式支架體系施工技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，采用盤扣式支架體系+鋼模板技術(shù)方案，輔以液壓、電氣控制系統(tǒng)，形成集自主行走、混凝土澆筑、振搗等功能于一體的頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車。

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車主體結(jié)構(gòu)包括臺車模板系統(tǒng)、盤扣式門架系統(tǒng)、臺車底盤系統(tǒng)，是被覆結(jié)構(gòu)的承力體系。門架立柱頂端安裝螺旋千斤頂，通過縱向通梁頂升或下降臺車模板體系；臺車底盤為型鋼焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，其后端間隔設(shè)置水平頂推油缸，驅(qū)動臺車步進(jìn)行走；模板上設(shè)置作業(yè)窗口，便于混凝土澆筑和振搗；支架體系上部設(shè)置混凝土布料系統(tǒng)和作業(yè)平臺。

2.2 臺車主要結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)

2.2.1 臺車主要結(jié)構(gòu)

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車采用盤扣式支架搭建，可整體式移動，便于快速組裝，且能夠循環(huán)使用。臺車主要由模板系統(tǒng)、門架系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、混凝土澆筑系統(tǒng)和振搗系統(tǒng)共5部分構(gòu)成。頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車結(jié)構(gòu)見圖1。

(a)臺車橫斷面圖

2.2.2 臺車技術(shù)參數(shù)

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車總長度為10.5 m，循環(huán)澆筑長度為10.3 m，盤扣支架質(zhì)量約為170 t，其他型鋼、鋼材質(zhì)量約為140 t，總質(zhì)量約為310 t。臺車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 臺車主要技術(shù)參數(shù)

2.3 臺車模板系統(tǒng)

2.3.1 主要結(jié)構(gòu)組成

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車模板系統(tǒng)主要由模板面板、次龍骨、主龍骨、頂部縱梁和頂升螺旋千斤頂5部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 臺車模板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模板面板采用10 mm厚鋼板，面板與次龍骨焊接，以防止面板移位、滑動。面板預(yù)留澆筑窗口，窗口尺寸為50 cm×50 cm。模板系統(tǒng)分層預(yù)留多個(gè)工作窗，單排沿洞庫軸線方向布置5個(gè)窗口，梅花形布置，每排進(jìn)料口垂直高差為2 m，用于混凝土澆筑、振搗、觀察等；拱頂位置預(yù)留混凝土澆筑孔。應(yīng)保證拼裝好的臺車模板平整度小于3 mm，相鄰2塊面板錯(cuò)臺量小于1 mm。模板系統(tǒng)工作窗布置見圖3。

圖3 模板系統(tǒng)工作窗布置圖

由于洞庫被覆設(shè)計(jì)厚度較大、混凝土載荷較大，采用整體式鋼模板作為臺車面板結(jié)構(gòu)，模板面板縱向通過次龍骨連接，環(huán)向通過主龍骨連接，面板連接處縫隙滿焊后打磨平整。為提高模板的整體力學(xué)性能，便于脫模、立模等，采用盤扣式支架支撐整個(gè)模板系統(tǒng)。兩側(cè)直墻模板與中部弧形模板采用鉸接連接，通過液壓油缸實(shí)現(xiàn)展開與收縮，并應(yīng)用螺旋絲杠鎖緊。直墻模板與弧形模板鉸接示意見圖4。

圖4 直墻模板與弧形模板鉸接示意圖

2.3.2 模板升降系統(tǒng)

模板升降系統(tǒng)主要功能為臺車頂升定位和下降脫模，由螺旋千斤頂和頂托機(jī)構(gòu)支撐驅(qū)動模板升降。螺旋千斤頂布置在臺車方鋼管立柱頂端，左右對稱布置14列，單列在前、中、后部位布置3個(gè)，共計(jì)42個(gè)，其用于支撐模板系統(tǒng)主龍骨，為模板升降過程中的主要承載機(jī)構(gòu)；頂托機(jī)構(gòu)布置在盤扣式支架頂部，支撐模板系統(tǒng)主龍骨，為模板升降系統(tǒng)微調(diào)機(jī)構(gòu)。螺旋千斤頂和頂托機(jī)構(gòu)均采用螺旋驅(qū)動，結(jié)合模板定位測量可實(shí)現(xiàn)模板精準(zhǔn)定位。

2.4 臺車門架系統(tǒng)

2.4.1 主要結(jié)構(gòu)組成

臺車門架系統(tǒng)主要由門架立柱、盤扣式支架體系和行車通道3部分組成。其中，盤扣式支架體系主要由立桿、橫桿、斜桿、扣接頭和連接盤5個(gè)部分連接組成。

2.4.2 門架立柱

臺車門架立柱為豎向主要骨架，布置于底盤橫向通梁與縱向方鋼管交接處，立柱采用200 mm×200 mm方鋼管，左右各7×3根，共計(jì)42根，對稱布置，中部設(shè)置過車門洞。臺車門架立柱橫斷面如圖5所示。

圖5 臺車門架立柱橫斷面示意圖

2.4.3 行車通道

為了避免被覆結(jié)構(gòu)施工對洞內(nèi)掌子面、仰拱開挖、支護(hù)的交通影響，在臺車中部預(yù)留行車通道，尺寸為4.8 m×4.9 m(寬×高)。行車通道上部設(shè)置橫梁，橫梁采用200 mm×200 mm方鋼管，與行車通道外的盤扣架頂托進(jìn)行焊接。方鋼管上部安裝縱向18#工字鋼，用以支撐橫梁上部盤扣式支架體系。

2.4.4 盤扣式支架體系

盤扣支架立桿置于底盤槽鋼上，兩端區(qū)域立桿間距為0.9 m×1.2 m×2.0 m(橫向間距×縱向間距×橫桿步距)；中部區(qū)域立桿間距為1.2 m×1.2 m×2.0 m(橫向間距×縱向間距×橫桿步距)。盤扣式支架體系示意見圖6。

圖6 盤扣式支架體系示意圖

盤扣式支架頂部自由高度若大于40 cm，則在40 cm處加設(shè)1層水平橫桿，保證支架體系立桿的穩(wěn)定性。為保證頂托機(jī)構(gòu)與臺車模板接觸面受力均勻，在臺車模板主龍骨與頂托機(jī)構(gòu)接觸面間加設(shè)斜三角楔子。主龍骨支撐于縱向通梁上，采用18#工字鋼沿洞庫輪廓進(jìn)行加工，縱向間距為1.2 m；次龍骨支撐于主龍骨上，采用10#槽鋼，采用焊接方式與主龍骨連接，次龍骨環(huán)向間距0.2 m。斜三角楔子與主龍骨、次龍骨、面板結(jié)構(gòu)示意見圖7。

圖7 斜三角楔子與主龍骨、次龍骨、面板結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 臺車底盤系統(tǒng)

2.5.1 主要結(jié)構(gòu)組成

臺車底盤系統(tǒng)主要由縱向、橫向方鋼管，18#縱向槽鋼以及液壓泵站裝置組成。

底盤系統(tǒng)主架采用200 mm×200 mm方鋼管，方鋼管縱向間距約為5.3 m，共布置3排；方鋼管橫向間距約為5 m，共布置14列。縱向與橫向方鋼管之間布置18#槽鋼，槽口朝上，橫向依次排列，兩端區(qū)域槽鋼橫向間距為0.9 m，中部區(qū)域槽鋼橫向間距為1.2 m?？v向方鋼管、橫向方鋼管及槽鋼布置在同一平面，連接處采用焊接形式。臺車底盤布置示意見圖8。

圖8 臺車底盤布置示意圖(局部)

2.5.2 頂推滑行機(jī)構(gòu)

臺車底盤系統(tǒng)后端間隔設(shè)置14條水平頂推油缸，行程1 000 mm，每個(gè)水平頂推油缸后端抵在橫向延伸的油缸支撐上。將油缸支撐放置于地面，其后方采用螺紋鋼作為反力支撐。螺紋鋼插入洞庫底板混凝土中，深度為20～25 cm，螺紋鋼與底板預(yù)留孔間隙不大于5 mm。每個(gè)水平頂推油缸配備螺紋鋼數(shù)量至少為2根，總數(shù)量不少于28根，以確保油缸支撐受力平衡，支撐時(shí)不會發(fā)生擺動。臺車行走過程中，需配備至少10根行程為1 000 mm的油缸支撐，用于增加水平頂推油缸的有效頂推距離，以完成臺車10.5 m步進(jìn)行走。行走系統(tǒng)示意見圖9。

圖9 行走系統(tǒng)示意圖

2.6 混凝土澆筑系統(tǒng)

地下洞庫被覆混凝土澆筑應(yīng)按照左右對稱、由下向上、分層澆筑的工藝要求連續(xù)澆筑，一次成型。為提高混凝土澆筑質(zhì)量、避免出現(xiàn)冷縫，采用封閉式管路澆筑混凝土。管路預(yù)先布置在澆筑窗口內(nèi)，通過逐次變換與混凝土泵車連接的管路，滿足混凝土澆筑工藝要求。由于混凝土澆筑量巨大，為提高工效，兩側(cè)可分別設(shè)置1套獨(dú)立的澆筑管路同時(shí)澆筑混凝土，并嚴(yán)格控制澆筑速度和兩側(cè)混凝土的高度差?；炷翝仓苈凡贾萌鐖D10所示。

圖10 混凝土澆筑管路布置圖

混凝土澆筑系統(tǒng)采用自動旋轉(zhuǎn)對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)混凝土管路快速變換，其結(jié)構(gòu)主要包括主管路、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和分支管路。主管路前端接通泵車，后端接通旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；分支管路以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圓心為中心，環(huán)形布置，其前端對接伸縮機(jī)構(gòu)，后端放置于各個(gè)工作窗內(nèi)或接通拱部灌注管。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與伸縮機(jī)構(gòu)配套使用，是管路快速變換的核心部件。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在液壓馬達(dá)驅(qū)動下，可回轉(zhuǎn)運(yùn)動；伸縮機(jī)構(gòu)采用液壓油缸驅(qū)動，可伸縮滑動，接口處使用管箍人工鎖緊。澆筑混凝土?xí)r，可根據(jù)工藝要求，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使伸縮機(jī)構(gòu)逐個(gè)與分支管路對接，隨后在泵送壓力下將混凝土注入模板艙內(nèi)。自動旋轉(zhuǎn)對接原理見圖11。

圖11 自動旋轉(zhuǎn)對接原理示意圖

巨跨地下洞庫二次襯砌混凝土澆筑時(shí)，拱頂中部約30 m寬度范圍的襯砌鋼筋設(shè)置較為密集(主筋最小凈距僅約120 mm)，導(dǎo)致混凝土澆筑期間送料、振搗難度極大，極不利于混凝土填充。為解決巨跨地下洞庫拱頂近水平段混凝土澆筑困難、易出現(xiàn)裂縫的難題，拱部采用矩陣布置多條灌注管，按照逐層澆筑的方法填充拱部混凝土。在拱頂近水平段內(nèi)，灌注管橫向間隔5±0.5 m，縱向間隔3±0.5 m，采用鋼管豎直焊接固定在襯砌主鋼筋上，灌注管下部按照分層澆筑要求與分支管路連接，連接方式見圖10。灌注管距拱頂20±2 cm，左右邊緣灌注管與中線灌注管高差為30～70 cm。

拱部灌注后，灌注管埋設(shè)在混凝土內(nèi)，不再取出，可減少對襯砌混凝土的破壞，同時(shí)可提高襯砌混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。拱頂灌注管布置見圖12。

(a)平面布置圖

2.7 混凝土振搗系統(tǒng)

被覆鋼筋較為密集，為提高混凝土的密實(shí)度，邊墻混凝土采用插入式振搗器搗固。插入式振搗器振搗應(yīng)遵循快插慢拔的原則，以減少帶入空氣而形成氣泡，影響混凝土密實(shí)度。由于拱部混凝土設(shè)計(jì)厚度較大，現(xiàn)有的附著式振搗器有效振搗深度難以滿足振搗施工需求，因而拱部混凝土采用免振搗的自密實(shí)混凝土，取消了拱部的配套振搗設(shè)備。

2.8 頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車受力分析

2.8.1 計(jì)算荷載

在洞庫襯砌澆筑過程中將涉及到以下荷載。

1)鋼筋混凝土自重a，取26 kN/m3。

2)支撐結(jié)構(gòu)荷載模板(定型鋼模板)自重b1，取0.8 kN/m2；模板及次龍骨自重b2，取1.1 kN/m2；模板及主龍骨自重b3，取1.3 kN/m2。

3)施工人員、機(jī)具荷載c，取2.5 kN/m2。

4)混凝土傾倒及振搗荷載d，取2 kN/m2。

5)支架自重e，取0.6 kN/m2。

計(jì)算模板支架及腳手架構(gòu)件承載力(抗彎、抗剪、穩(wěn)定性)時(shí)的荷載設(shè)計(jì)值，應(yīng)取其標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載的分項(xiàng)系數(shù)。其中，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.2，可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

2.8.2 材料物理特性

臺車模板系統(tǒng)所用材料物理特性如表2所示。

表2 臺車模板系統(tǒng)所用材料物理特性

2.8.3 模板計(jì)算

鋼模板按10 mm厚考慮，取1 m寬、2 m厚的混凝土作為計(jì)算單元，計(jì)算單元長度l=1 m，則混凝土最大自重荷載

a=26 kN/m3×2 m=52 kN/m2。

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值

q1=(a+b1)×l=52.8 kN/m。

設(shè)計(jì)值

q2=[1.2×(a+b1)+1.4×(c+d)]×l=69.7 kN/m。

模板按3跨連續(xù)梁計(jì)算，支撐跨徑L=250 mm。

1)強(qiáng)度驗(yàn)算：

Mmax=0.1×q2×L2=0.44 kN·m；

σ=Mmax/W=26.4 MPa

滿足要求。

2)撓度驗(yàn)算：計(jì)算跨徑即次龍骨凈距Lc按200 mm計(jì)算，則最大撓度值為

滿足要求。

2.8.4 次龍骨計(jì)算

按最不利情形考慮，對次龍骨進(jìn)行計(jì)算?；炷梁穸热?.0 m，最大支撐跨徑按1.2 m計(jì)算，次龍骨間距按0.2 m計(jì)算。則混凝土最大自重荷載

a=26 kN/m3×2 m=52 kN/m2。

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值

q1=(a+b2)×0.2 m=10.62 kN/m。

設(shè)計(jì)值

q2=[1.2×(a+b2)+1.4×(c+d)]×0.2 m=14 kN/m。

按3跨連續(xù)梁計(jì)算，支撐跨徑L=1 200 mm。

1)強(qiáng)度驗(yàn)算：

Mmax=0.1×q2×L2=2.0 kN·m；

σ=Mmax/W=50.4 MPa

滿足要求。

2)剪力驗(yàn)算：

Vmax=0.6×q2×L=10.1 kN；

τ=Vmax/A=7.9 MPa

滿足要求。

3)撓度驗(yàn)算：次龍骨凈跨度Lc為1 106 mm,最大容許撓度值=1 106 mm/250=4.4 mm，則最大撓度值

滿足要求。

2.8.5 主龍骨計(jì)算

為保證安全，跨徑0.9 m內(nèi)混凝土厚度均按2 m計(jì)算，主龍骨間距為1.2 m，則混凝土最大自重荷載

a=26 kN/m3×2 m=52 kN/m2。

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值

q1=(a+b3)×1.2 m=64 kN/m。

設(shè)計(jì)值

q2=[1.2×(a+b3)+1.4×(c+d)]×1.2 m=84.3 kN/m。

按3跨連續(xù)梁計(jì)算，支撐跨徑L=900 mm。

1)強(qiáng)度驗(yàn)算：

Mmax=0.1×q2×L2=6.8 kN·m；

σ=Mmax/W=37 MPa

滿足要求。

2)剪力驗(yàn)算：

Vmax=0.6×q2×L=45.5 kN。

工字鋼剪力主要分布在腹板上，可假設(shè)剪力由整個(gè)腹板承受，則

τ=Vmax/A=14.8 MPa

滿足要求。

3)撓度驗(yàn)算：

wmax=0.677q2L4/(100EI)=0.11 mm

滿足要求。

3 襯砌臺車施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝流程

頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車用于巨跨洞庫被覆混凝土襯砌施工，其施工工藝流程控制要點(diǎn)主要包括臺車定位、被覆混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)和臺車行走。施工工藝流程如圖13所示。

圖13 施工工藝流程圖

3.2 臺車定位技術(shù)

1)臺車定位前，對所有盤扣支架進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容為盤扣支架的垂直度、水平桿扣接頭與連接盤的插銷松動掉落等情況。

2)臺車行走定位依靠液壓油缸頂推滑行機(jī)構(gòu)。

3)臺車行走到位后，操作立柱頂端的螺旋千斤頂，共同將模板系統(tǒng)頂升至設(shè)計(jì)高度，再微調(diào)豎向盤扣支架頂端的頂托機(jī)構(gòu)，支撐模板體系的主龍骨，達(dá)到定位狀態(tài)。

3.3 被覆混凝土澆筑技術(shù)

1)混凝土澆筑順序。巨跨地下洞庫被覆混凝土澆筑采取先邊墻、后拱部的順序進(jìn)行組織施工，循環(huán)澆筑長度為10.3 m，按“對稱、平衡、同步”的原則進(jìn)行混凝土澆筑，確保支架均勻受力。為保證振搗密實(shí)、氣泡有效排除，采用分層方式進(jìn)行混凝土澆筑。

2)混凝土澆筑工藝?；炷翝仓捎?臺泵車左右對稱澆筑，每臺泵車配備3臺混凝土運(yùn)輸罐車，以保證混凝土泵送的連續(xù)性。澆筑時(shí)，安排專人檢查左右兩側(cè)窗口混凝土澆筑高度，高度應(yīng)基本保持一致，并控制高差在30 cm內(nèi)。

3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)

巨跨地下洞庫每循環(huán)澆筑混凝土具有體積大、矢跨比小、等強(qiáng)時(shí)間長、帶模養(yǎng)護(hù)久等特點(diǎn)。因此，以“跟蹤追養(yǎng)、蓄熱保溫、調(diào)節(jié)溫差、控制裂紋”為原則對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。安裝鋼筋時(shí)預(yù)埋冷卻降溫管路，根據(jù)溫度監(jiān)測系統(tǒng)測得養(yǎng)護(hù)溫度，并實(shí)時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)用水溫度，降低水泥水化熱對大體積混凝土澆筑帶來的干縮等影響，提高混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

混凝土拆模后，采用隧道拱頂自動噴淋養(yǎng)護(hù)裝置(見圖14)對混凝土進(jìn)行噴淋保濕養(yǎng)護(hù)，并按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，混凝土芯部與表面、表面與環(huán)境溫差不大于20 ℃，養(yǎng)護(hù)用水與混凝土表面溫差不大于15 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

1—臺車模板；2—隧道拱頂；3—噴淋養(yǎng)護(hù)管；4—吊環(huán)；5—角鋼限位卡；6—電磁閥感應(yīng)器；7—加強(qiáng)環(huán)；8—水管接頭；9—襯砌臺車；10—液壓站；11—液壓油缸。

3.5 臺車脫模技術(shù)

被覆混凝土施工時(shí)，留取同條件養(yǎng)護(hù)試件，結(jié)合養(yǎng)護(hù)時(shí)間要求，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上時(shí)方可脫模。

脫模時(shí)，自兩側(cè)向中間逐步調(diào)節(jié)托座離開主龍骨，預(yù)留方鋼管立柱支撐模板體系。根據(jù)被覆結(jié)構(gòu)及支架變形監(jiān)測等指標(biāo)，確定是否縮回千斤頂活塞桿，然后通過千斤頂使模板體系整體下降離開混凝土表面，完成臺車脫模。

脫模過程中，螺旋千斤頂及托座縮回調(diào)節(jié)需結(jié)合變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行，當(dāng)支撐體系出現(xiàn)明顯變形、持續(xù)變形、變形速率增大的情況時(shí)，應(yīng)立即停止脫模，并通過反向調(diào)節(jié)螺旋千斤頂及托座進(jìn)行架體加固，待變形監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進(jìn)行脫模操作。

3.6 臺車行走技術(shù)

臺車底盤的后方設(shè)置14個(gè)水平頂推油缸。臺車行走前，根據(jù)水平頂推油缸安裝位置，在洞庫底板混凝土與油缸對應(yīng)位置鉆孔，并植入2根φ22 mm螺紋鋼作為反力架支撐。臺車行走時(shí)，每個(gè)水平頂推油缸后端支撐反力架，前端支撐于臺車底盤結(jié)構(gòu)，依靠液壓系統(tǒng)的同步性，確保油缸均勻受力，推動整個(gè)臺車沿洞庫軸線向前滑動行走。行走1個(gè)油缸行程后，活塞桿縮回，在油缸后端與反力架間增加行程墊塊，依次重復(fù)，行走至所需襯砌位置后即完成臺車行走。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

將頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車應(yīng)用于某巨跨超扁平地下洞室被覆施工中，在120 d內(nèi)完成了被覆施工任務(wù)。

4.1 脫模時(shí)間

巨跨地下洞庫被覆脫模時(shí)間主要結(jié)合規(guī)范要求、同條件養(yǎng)護(hù)試塊和端頭混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律綜合確定。

1)因巨跨洞室混凝土澆筑體量大、持續(xù)時(shí)間長，施工時(shí)需按照不同部位分別進(jìn)行試塊留樣。同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度記錄見表3。

表3 同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度記錄表

2)被覆端頭可視為不承重側(cè)墻，根據(jù)規(guī)范要求,當(dāng)混凝土強(qiáng)度≥2.5 MPa時(shí)方可拆除模板(一般在被覆澆筑完成12 h左右)。被覆端頭模板拆除后，由試驗(yàn)人員測回彈強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

表4 被覆端頭混凝土回彈強(qiáng)度記錄表

綜上分析,確定模板支撐體系脫模時(shí)間為澆筑后7 d，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%，滿足規(guī)范要求。

4.2 被覆施工效果

4.2.1 表觀質(zhì)量評價(jià)

1)混凝土與模板充填飽滿，表面無松軟發(fā)泡層，表面密實(shí)、平整，無露石、漏筋、蜂窩等質(zhì)量缺陷；2)表面無體積大于50 cm3以上的氣泡，且體積大于6 cm3的氣泡不大于2%，滿足設(shè)計(jì)要求；3)表面無可見裂紋、明顯水紋及泌水現(xiàn)象；4)側(cè)面無空洞、麻面，混凝土表面凹進(jìn)小于5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 實(shí)體質(zhì)量評價(jià)

實(shí)體質(zhì)量檢測主要采用取芯法及地質(zhì)雷達(dá)法2種方法。取芯后切開斷面顯示：骨料分布均勻，無骨料堆積、漿骨分離、上下貫通氣孔、蜂窩等現(xiàn)象。拱墻襯砌取芯照片見圖15。

(a) (b)

地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場測線布置按照正拱頂1條、拱頂偏左右各1條、兩側(cè)拱腰各1條，單條測線長度為9 m。檢測參數(shù)：時(shí)窗范圍為100～150 ns，每次掃描采樣512個(gè)，掃描速率為120次/s?，F(xiàn)場檢測時(shí)，雷達(dá)天線緊貼于被覆表面，并沿測線勻速(1～3 km/h)連續(xù)滑動，連續(xù)進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果顯示：被覆拱頂、拱頂左、拱頂右、左拱腰、右拱腰位置5段測線(共計(jì)45 m測線)范圍內(nèi)未見明顯空洞異常。

被覆厚度通過地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場測試獲得，結(jié)果見表5。

表5 被覆厚度檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知，襯砌無空洞、裂縫、不密實(shí)、滲漏水、止水帶偏位、施工縫壓潰、開裂掉塊等質(zhì)量缺陷問題，被覆混凝土實(shí)體厚度、密實(shí)度、鋼筋數(shù)量、保護(hù)層厚度均符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 臺車施工效果

1)本裝備與傳統(tǒng)腳手架施工工藝相比，實(shí)現(xiàn)了“只搭設(shè)一次，只拆卸一次”的目標(biāo)，減少了腳手架搭設(shè)、拆卸工序，有效縮短了工期，提高了施工質(zhì)量，具有工序合理、可控性高、操作簡便的特點(diǎn)。根據(jù)臺車門架系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，澆筑混凝土后，臺車門架系統(tǒng)未產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)安全的彈性變形，使用效果良好。

2)本裝備與傳統(tǒng)液壓襯砌臺車施工工藝相比，盤扣式支架搭建較為便捷，技術(shù)較為成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，所需設(shè)備配置較為常見，可通過租賃方式降低設(shè)備投入成本；同時(shí)，單件質(zhì)量輕，運(yùn)輸、安裝及拆卸方便，有利于現(xiàn)場組織施工；在洞庫、洞室等狹小空間內(nèi)用小型起吊設(shè)備即可輕松起吊并進(jìn)行搭設(shè)及拆除，無需投入大型起吊設(shè)備。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用傳統(tǒng)方案研制的鋼模襯砌臺車質(zhì)量約1 200 t，購置費(fèi)用約1 330萬元/臺，施工完成后廢舊鋼材按1 990元/t處置，殘值為238.8萬元，每臺臺車需要投入的成本為1 091.2萬元(不含安裝的人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出項(xiàng)目預(yù)算。

采用本文提出的襯砌臺車方案，盤扣支架租賃費(fèi)8萬元/月，按租賃4個(gè)月計(jì)算，其他鋼材購置費(fèi)60萬元～70萬元，材料成本合計(jì)約100萬元/臺。其他鋼材可重復(fù)利用，材料成本只需計(jì)算租賃盤扣支架的費(fèi)用，不超過30萬元。頂推滑行式盤扣支架襯砌臺車只需鋼材310 t左右，投入材料少，并且大部分由盤扣支架組成，可循環(huán)使用，有效減少了資源投入，避免了資源浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。

5 結(jié)論與討論

巨跨地下洞庫被覆施工裝備技術(shù)是隧道及地下工程領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)技術(shù)難題，被覆混凝土施工裝備體型巨大，拼裝、移動、拆解、立模、脫模等均面臨巨大挑戰(zhàn)。本工程項(xiàng)目在保證施工安全的前提下，采用合適的施工裝備，合理配置施工資源，各工序協(xié)同推進(jìn)，保證了襯砌施工質(zhì)量，提高了施工效率，節(jié)約了項(xiàng)目成本。

1)頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車行走、定位、澆筑、脫模等工序操作簡單，加工制造、現(xiàn)場組裝速度快，使用全過程安全可靠，施工效率高，工人勞動強(qiáng)度得以降低，滿足巨跨地下洞庫被覆施工需求，技術(shù)可靠、性能高。

2)巨跨地下洞庫被覆混凝土施工，采用盤扣式支架與門架立柱共同組成臺車門架系統(tǒng)，作為被覆混凝土澆筑過程中的主要承載體系，臺車門架系統(tǒng)強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)，各結(jié)構(gòu)部件未產(chǎn)生較大彈性變形。

3)臺車底盤系統(tǒng)依靠14個(gè)油缸水平頂推行走，可以保證整體推移過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)固不變形，對于控制盤扣式支架體系變形起到重要作用。通過控制14個(gè)水平頂推油缸伸縮行程量，可以準(zhǔn)確控制臺車行走偏移量，確保臺車定位精度及行走可靠。

4)門架立柱頂端布置的螺旋千斤頂和盤扣式支架上設(shè)置的可調(diào)頂托共同作用，保證了受力體系的可靠性。通過控制螺旋千斤頂及可調(diào)頂托的頂升量，消除了模板的局部變形，縮小了模板與上一循環(huán)搭接的縫隙，控制了2組襯砌接縫處錯(cuò)臺，是被覆襯砌質(zhì)量提升的關(guān)鍵。

巨跨地下洞庫被覆混凝土襯砌施工具有重大技術(shù)挑戰(zhàn)性，被覆跨度50 m以上洞庫的襯砌施工工藝、施工裝備等方面技術(shù)應(yīng)用案例較少，因此，澆筑控制措施及施工工藝、拆模時(shí)間及養(yǎng)護(hù)方式需進(jìn)一步明確，建議后續(xù)做進(jìn)一步研究；同時(shí)，需要進(jìn)一步深化研究液壓、電氣等自動化施工裝備與控制技術(shù)、施工裝備的電液一體化及信息化技術(shù)，以提高襯砌裝備智能施工技術(shù)水平。