隧道钢模台车的设计

前 言108国道广元段屈家坡隧道长600m，由于施工及其它各种原因，使断面衬砌混凝土未达原设计厚度而出现病害，整治工程于2000年12月开始。整治工程具有如下特点：（1）工期要求紧，要求次年5月完工，仅6个月；（2）施工期间要求保持单向通行；（3）尽量减少对原路面的破坏，以节省投资；（4）由于新浇混凝土衬砌的厚度仅250mm，混凝土施工质量难以得到保证；（5）要求施工过程简便、可行；（6）工程为施工总承包，应尽量减少模板费用。根据工程特点，决定采用边墙顶拱一次浇筑的钢模台车、泵送浇筑衬砌混凝土，并用附着式振捣器振捣密实。 2钢模台车方案按钢模板与台车组合方式，钢模台车通常分为平移式台车和穿行式台车。前者为一套钢模板与一台移动式台车构成整体，共同承担衬砌混凝土浇筑荷载，逐段浇筑混凝土；后者为在一个工作面由一部台车配合数套活动钢模板进行混凝土浇筑，钢模板单独承担衬砌混凝土浇筑荷载，台车只承担钢模的架设、运输和拆除，此方案能更好地加快混凝土浇筑施工进度。结合本工程具体情况，改变常规穿行式钢模台车的运行方式，仅考虑台车穿行而模板不穿行。对此本文称为半穿行式钢模台车。设计时主要考虑以下几点：（1）采用有轨运行的方式更有利于台车快速移动与精确定位，能更好地保证混凝土浇筑层厚度，故考虑采用铺设轨道的方式。（2）按一部台车配合两套模板、每套模板长12m（由两块长60m的模板组成）、拆模期限平均按35天计，600m长隧洞的混凝土浇筑共需6003512175天，可以满足施工工期要求。（3）经作图分析，拟设活动铰两个，既能保证模板伸缩灵活，又能节省费用。（4）台车伸缩机构及控制尺寸的确定。垂直伸缩机械：台车在洞内运行条件较差。由于台车运行轨面不可能铺设得完全平直，加上台车机构及机械制造误差的积累、机械运行的不完全同步等，导致垂直千斤顶相互间出现高差，需进行调整，故考虑用4个千斤顶。其优点是既能满足纵、横向调整要求，同时千斤顶又负荷平衡，能更好地满足净空要求，对其行程的要求也随即降低。利用作图法绘出台车在各种工作状态下的简图，经分析得出为300mm，可满足模板提升及与模板间净空不小于150mm的要求。水平伸缩机械：经作图分析，得出杆长为1 8502 350mm，最小行程不小于400mm，考虑100mm富裕值，行程定为500mm。采用手动双头螺杆。台车加载应对称，保证侧模两侧撑杆同步动作。台车内净空尺寸按满足单辆汽车通行控制。（5）为求方案简便易行，行走机械采用手动方式。（6）台车运行方式：a将台车调整定位；b脱模剂刷涂；c升起托架将模板上顶150mm，测量校正后就位；d利用水平撑杆支起侧模，用槽钢木楔垫起顶紧；e混凝土浇筑，模板两侧混凝土高差应控制在500mm以内；f拆模时与此程序相反。台车最终方案见图1、2。 3钢模板结构设计31设计原则钢模板按双铰等截面圆拱设计，最大正弯矩区采取加强措施；面板四边支承或三边支承；拱梁间次梁按简支梁考虑。由于钢模台车属临时工程，荷载设计值可乘以085的折减系数，但其截面塑性发展系数取为10。32荷载及组合钢模板承受新浇250mm厚混凝土及相应的施工荷载，其中包括混凝土及钢模各部位结构自重、混凝土侧向压力、混凝土振捣荷载及混凝土入仓冲击荷载等。各荷载分项系数，除新浇混凝土自重及模板自重取12外，其余施工荷载分项系数取14。33钢模面板及次梁格设计初拟梁格尺寸为10m10m，需7mm厚钢面板。后调整为梁格05 m05m的双向板布置方案，计算得出所需面板厚度为顶拱25mm，侧拱35mm。虽然一般台车模板要求钢板厚度不小于6mm，但结合本工程实际，使用时间仅6个月，且不再考虑重复使用，故面板厚度按计算取值。综合考虑次梁的增加及面板厚度减少所耗钢材数量，得出该方案较最初拟定的方案每块模板可节约钢材480kg。台车实际使用中也未出现任何问题。34主拱梁设计钢拱梁荷载示意见图3，可分为两种最不利工况：（1）浇筑侧墙混凝土时，即q1作用时；（2）浇筑顶拱时，即q1和q2共同作用时。341内力计算按下列公式分别计算侧向荷载q1及顶部荷载q2作用下的拱梁内力：（2）顶部荷载q2作用情况：用上述公式在EXCEL中编制表格进行计算，并将拱梁各断面位置处的内力组合或叠加，可得出两组最不利内力：342结构设计3421主拱梁设计按钢结构设计规范，经计算选用I32即可。3422活动铰设计活动铰设计的合理与否直接关系到钢模板使用的灵活性与安全度，故将铰设在内力相对较小处，以降低接头设计难度及提高可靠性。在接头处，383820，两组内力如下：经计算，采用两个?30螺栓及1个30活动销钉连接可满足要求，详见图4。3423钢模柱脚设计45由于隧洞岩石为较软的泥岩，不宜采用锚杆锚固柱脚，且为施工简便，模板安装时用槽钢加木楔顶紧。台车运行实践表明，该法简单有效。 4台车结构设计41托架设计托架是台车与钢模间的联系构件，承受并传递安装与拆除钢模板的荷载。托架设计过程略。42台车机械设计（1）脱模设计。浇筑混凝土前模板表面涂脱模剂，要求模板与混凝土之间粘结力小于300kgm2。经计算，侧拱脱模时水平支撑机械承受的瞬时拉力为114kN。侧拱脱模后，顶拱脱模可利用模板自重，垂直机械不承担拉力；但考虑实际使用时可能存在脱模剂刷涂不均等问题，故仍考虑承受拉力。（2）水平撑杆受力值。水平撑杆承受轴向压力的设计值为600kN，受拉承载力设计值为850kN。（3）垂直升降机械。垂直升降机械主要承受钢模板及托架自重，轴向受拉承载力设计值大于60kN，受压承载力大于950kN。根据上述计算结果，垂直机械可采用成品千斤顶，水平机械结构设计过程略。（4）行走机械。采用直径为500mm行走轮，共四个。43台车车架设计台车车架受力特点是瞬时受力较大（脱模时），启动及制动时，车架受扭，故设计时考虑了加强台车整体刚度，同时保证台车下部的通行空间。经计算，台车主梁采用I25a，柱采用I28a，并采取局部加强措施。其余过程略。加工制造要求（略） 5结 语本工程钢模台车的设计充分结合了工程实际，制定的半穿行式台车方案简便易行，加工制造及使用方便，节约了工程投资，达到了安全、经济、适用的目的。经设计回访，台车加工投入使用后，顶拱靠自重就能脱模，混凝土浇筑面光滑，质量较好，未出现其它问题，使用效果较为满意。另外，为加快施工进度，施工单位在实际使用中又新制了两套模板，即一部台车配4套钢模，使工程工期大大提前并顺利完工。