隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快,交通能源仍是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大薄弱環(huán)節(jié)之一,鐵路(城市地鐵)、公路等基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目,是目前我國基本建設(shè)的重點(diǎn)。石太高速,莘松、濟(jì)青高速公路,滬寧及浙江杭甬、山西等多條公路隧道工程;秦嶺鐵路、西南線丹鳳段及在建的青藏鐵路,隧道工程數(shù)不勝數(shù)。建設(shè)單位對(duì)隧道施工質(zhì)量的要求越來越高,長(zhǎng)大隧道、甚至幾百米的隧道也要求用整體鋼模襯砌臺(tái)車襯砌。
目前,隧道襯砌施工由過去的手工操作走向綜合機(jī)械化,提高隧道襯砌質(zhì)量和工作效率是施工的最大需要。臺(tái)車是鐵路、公路隧道混凝土襯砌一次成型設(shè)備,根據(jù)用戶提供的隧道斷面設(shè)計(jì)制造,能保證邊開挖、邊襯砌,其門架凈空高度和寬度能保證有軌和無軌運(yùn)輸車輛通行;整機(jī)行走采用電機(jī)—機(jī)械驅(qū)動(dòng);模板采用全液壓操縱,利用液壓缸支(收)模機(jī)械鎖定;在臺(tái)車架上部和模板之間留有空間供安裝隧道通風(fēng)管道用;對(duì)于有瓦斯的隧道襯砌,產(chǎn)品電氣系統(tǒng)按照瓦斯隧道防爆規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝,確保使用安全。
太原路橋機(jī)械廠研制制作的鐵路、公路襯砌臺(tái)車在許多隧道工程中得到了推廣運(yùn)用。
1 襯砌臺(tái)車
1.1 研制過程
贛龍鐵路隧道全長(zhǎng)兩千多米,且有溶洞、泥巖、地下水等,地質(zhì)條件差且復(fù)雜,太原路橋機(jī)械廠在進(jìn)行廣泛的市場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上成立了“隧道襯砌臺(tái)車研制小組”,邀請(qǐng)有關(guān)工程單位的專家指導(dǎo)。在完成初步鐵路隧道襯砌臺(tái)車的圖紙和技術(shù)文件設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上,根據(jù)施工單位提供的隧道斷面圖和施工要求及隧道襯砌臺(tái)車的發(fā)展動(dòng)向、進(jìn)行優(yōu)選比較、得到用戶的認(rèn)可后,組織設(shè)計(jì)和產(chǎn)品試制。為確保產(chǎn)品加工質(zhì)量,重要結(jié)構(gòu)嚴(yán)控工裝模具。經(jīng)過應(yīng)用,表明產(chǎn)品性能良好、結(jié)構(gòu)合理、襯砌質(zhì)量好。后經(jīng)反復(fù)改進(jìn)和完善,產(chǎn)品已經(jīng)定型。
1.2 鋼模襯砌臺(tái)車的關(guān)鍵技術(shù)
1.2.1 臺(tái)車結(jié)構(gòu)型式
可采用液壓式和機(jī)械式。經(jīng)分析比較液壓式對(duì)臺(tái)車架剛性要求低,結(jié)構(gòu)型式靈活,重量輕,加工要求和施工中鋪設(shè)軌道的標(biāo)高要求低,使用方便,但對(duì)液壓缸自鎖性要求高,襯砌中液壓缸不允許回縮。機(jī)械式則相反,由于一個(gè)電動(dòng)機(jī)要驅(qū)動(dòng)數(shù)個(gè)絲杠傳動(dòng),對(duì)各傳動(dòng)軸同軸度要求高,且臺(tái)車架必須有較大的剛度,結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確,因結(jié)構(gòu)較重、加工要求高,而且因絲杠是同步動(dòng)作(不象液壓傳動(dòng),各液壓缸可同步,也可單獨(dú)動(dòng)作)因此當(dāng)軌道標(biāo)高誤差(各點(diǎn)不在同標(biāo)高)較大時(shí),將直接影響模板位置,從而影響襯砌質(zhì)量。經(jīng)分析比較選用液壓傳動(dòng)方案,對(duì)液壓缸采取液壓鎖和平衡閥等措施,使液壓缸自鎖;同時(shí)配套采用絲杠機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械鎖定,并加強(qiáng)模板的支承,保證了模板在襯砌時(shí)不回縮,不變形。實(shí)踐證明襯砌臺(tái)車采用液壓式較合理,是發(fā)展方向。
1.2.2 臺(tái)車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化
臺(tái)車采用液壓傳動(dòng),使臺(tái)車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,重量減輕,同時(shí)也提高了結(jié)構(gòu)的靈活性和多樣性,經(jīng)各種臺(tái)車架結(jié)構(gòu)方案的分析比較、強(qiáng)度計(jì)算、優(yōu)化選擇9 m四門架12 m主門架結(jié)構(gòu)方案,其結(jié)構(gòu)重量比機(jī)械式減輕40%以上,制作成本降低25%以上。
1.2.3 鋼模
鋼模是臺(tái)車的工作裝置,其外表質(zhì)量和外形尺寸精度直接決定混凝土襯砌質(zhì)量,同時(shí),又是加工難度最大的部件,制定了合理的加工、焊接工藝,設(shè)計(jì)并加工專用拼裝焊接胎模,以保證整體外形尺寸的準(zhǔn)確度,盡量減少焊接變形,保證外表面光滑,無凹凸等缺陷。為控制相鄰模板的錯(cuò)臺(tái),采用過盈配合的穩(wěn)定銷將相鄰模板的連接板固定為一體,有效控制了由于螺栓孔的間隙造成的相鄰模板的錯(cuò)臺(tái)問題。成功地解決了上述難題后,保證了砼襯砌質(zhì)量。
1.2.4支承位置的確定
襯砌混凝土的全部質(zhì)量經(jīng)臺(tái)車鋼模傳給支承機(jī)構(gòu),再傳給門架。襯砌混凝土呈固液狀態(tài),對(duì)頂部、側(cè)向產(chǎn)生較大的垂直壓力和側(cè)向壓力,同時(shí)產(chǎn)生較大的浮力,當(dāng)上浮力超過垂直壓力和臺(tái)車的自重時(shí),臺(tái)車將呈上浮狀態(tài),將不能正常工作。為解決此項(xiàng)技術(shù)難題,經(jīng)仔細(xì)計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理選擇各支承位置。即在門架內(nèi)側(cè)的下縱梁與地面進(jìn)行支承,避免側(cè)壓力使門架立柱內(nèi)收,且在門架外側(cè)與側(cè)?v梁處有數(shù)道水平支承(如圖1序號(hào)5,兩端門架立柱處為側(cè)部液壓缸,中部為側(cè)向絲杠Ⅰ,序號(hào)6、7為側(cè)向支承絲杠Ⅱ、Ⅲ),在門架上橫梁與上縱梁處采用數(shù)道垂直支承(兩端門架橫處布置有頂部液壓缸,中為垂直支承絲杠),在臺(tái)車縱向成均布狀。液壓缸采用液壓鎖鎖定,同時(shí)采用支承絲杠進(jìn)行機(jī)械鎖定,保證了襯砌施工中液壓缸不回縮,模板不變形。
2 鋼模襯砌臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)
整機(jī)外形尺寸根據(jù)施工斷面圖設(shè)計(jì)制造
一次襯砌長(zhǎng)度(m)9、12
行駛速度(km/h)12
液壓系統(tǒng)壓力(MPa)16
垂直升降量(mm)300
側(cè)向伸縮量(mm)300
行走方式自行式(拖式)
3 主要結(jié)構(gòu)及工作原理
臺(tái)車由行走機(jī)構(gòu)、臺(tái)車架、鋼模板、模板垂直升降和側(cè)向伸縮機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)6部分組成。如圖1所示。
1.側(cè)模板 2.頂模板 3.上縱梁 4.垂直升降機(jī)構(gòu)(頂部液壓缸和垂直支承絲杠) 5.側(cè)部液壓缸、側(cè)向支承絲杠Ⅰ 6.側(cè)向支承絲杠Ⅱ 7.側(cè)向支承絲杠Ⅲ 8.門架立柱 9.門架橫梁 10.行走機(jī)構(gòu) 11.下部支承絲杠
圖1 鋼模襯砌臺(tái)車的結(jié)構(gòu)
3.1 行走機(jī)構(gòu)
行走機(jī)構(gòu)由主動(dòng)、被動(dòng)兩部分組成,共4套裝置,分別安裝于臺(tái)車架兩端的門架立柱下端,整機(jī)行走由2套主動(dòng)行走機(jī)構(gòu)完成,即行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器,通過鏈條傳動(dòng),使主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)整機(jī)行走,被動(dòng)輪隨動(dòng)。行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶有液壓推桿制動(dòng)器,以保證整機(jī)在坡道上仍能安全駐車。
3.2 臺(tái)車架
臺(tái)車架由端門架、中間門架、上下縱梁、斜拉桿、支承桿等組成,各部分通過螺栓聯(lián)為一體,兩端門架支承于行走輪架上,中門架下端裝有支承螺桿,襯砌施工時(shí),混凝土載荷通過模板傳遞到4個(gè)門架上,并分別通過行走輪和支承絲杠傳至軌道——地面。在行走狀態(tài)下,螺桿應(yīng)縮回,門架上部前段裝有操作平臺(tái),放置液壓及電氣裝置。
3.3 模板
模板是直接襯砌混凝土的工作部件,是由螺栓聯(lián)為一體的數(shù)塊頂模和側(cè)模組成,頂模與側(cè)模采用鉸接,側(cè)?上鄬(duì)頂模繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng),支模時(shí),頂部液壓缸將頂模伸到位,再操縱側(cè)向液壓缸,將側(cè)模伸到位,調(diào)整頂部、側(cè)部支承絲杠、完成支模;收模時(shí),按上述相反順序?qū)嵤2恍璨鹉0,采用襯砌臺(tái)車提高了襯砌質(zhì)量和施工效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,另外在頂模上安裝有數(shù)臺(tái)附著式振動(dòng)器,供混凝土振搗用,每塊模板上有工作窗口,用于灌注混凝土。
3.4 液壓系統(tǒng)
由電動(dòng)機(jī)、液壓泵、手動(dòng)換向閥、垂直及側(cè)向液壓缸、液壓鎖、油箱及管路組成,其功用是快捷、方便地完成支收模、即頂模升降和支承側(cè)模。手動(dòng)換向閥分別控制模板垂直升降和兩側(cè)模的側(cè)向伸縮,當(dāng)液壓缸將模板支承到位后,再調(diào)整支承絲杠到位,灌注混凝土對(duì)模板產(chǎn)生的垂直和側(cè)向載荷主要由液壓缸和絲杠承載。
4 工程應(yīng)用及臺(tái)車襯砌效果分析與評(píng)價(jià)
4.1 工程應(yīng)用
臺(tái)車在贛龍隧道、玉元公路隧道、晉濟(jì)公路隧道、寶蘭單線鐵路隧道、內(nèi)昆鐵路隧道、西南線鐵路隧道、青藏鐵路隧道等工程得到廣泛應(yīng)用,臺(tái)車性能良好,結(jié)構(gòu)合理,襯砌質(zhì)量好。
4.2 襯砌效果分析
。ǎ保┊(dāng)隧道開挖偏離中心時(shí),可通過臺(tái)車的模板調(diào)整機(jī)構(gòu)達(dá)到調(diào)中、滿足了設(shè)計(jì)和施工要求。
。ǎ玻┡_(tái)車有足夠的剛度和強(qiáng)度,在液壓缸和支承絲杠的聯(lián)合作用下,能抵抗混凝土強(qiáng)大的垂直和側(cè)向壓力,臺(tái)車不發(fā)生變形,由于各支點(diǎn)設(shè)計(jì)布局合理,有效的利用了臺(tái)車自身的重量和混凝土重量的壓力,保證了臺(tái)車澆注混土?xí)r克服混凝土的上浮作用。
。ǎ常┕ぷ鞔翱诓季趾侠,兩側(cè)澆注混凝土和振搗作業(yè)方便,頂部設(shè)有注料口和附著式振動(dòng)器,注入混凝土方便,且不需要人工搗固,減輕了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
。ǎ矗┐笃撃=Y(jié)縫嚴(yán)實(shí),混凝土搗固設(shè)施齊備,混凝土密實(shí)無蜂窩、斑點(diǎn)、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象發(fā)生,表面光滑、平整、美觀。
4.3 創(chuàng)新性和先進(jìn)性
(1)臺(tái)車架優(yōu)化設(shè)計(jì),既保證足夠的強(qiáng)度和剛度,又結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量減輕,且外形美觀。
。ǎ玻┮簤合到y(tǒng)采用了液壓鎖、平衡閥等措施,對(duì)液壓缸進(jìn)行液壓鎖定,同時(shí)配套采用了絲杠機(jī)械鎖定,這樣的“雙鎖定”保證了模板在襯砌狀態(tài)不變形、不移位,強(qiáng)化了模板的支承剛性,減輕了模板結(jié)構(gòu)重量。
鐵路公路隧道鋼模襯砌臺(tái)車的研制成功,是對(duì)傳統(tǒng)隧道襯砌施工方法的重大突破,一次襯砌長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)12 m,混凝土注入采用機(jī)械化,襯砌效率是傳統(tǒng)施工方法的數(shù)十倍,可節(jié)省大量的人力物力,改善了工人的工作條件。臺(tái)車可廣泛適用于長(zhǎng)短隧道的襯砌施工,同時(shí)襯砌、開挖時(shí)車輛通行互不干擾,可同時(shí)作業(yè),其綜合性能達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,可廣泛推廣使用。