自行式仰拱栈桥研究与设计

刘顺成

(中铁十五局集团第四工程有限公司 河南郑州 450000)

1 仰拱栈桥简介

仰拱栈桥是架设在仰拱施工作业段上的桥梁，是解决隧道掘进物料的运输及仰拱安全作业的工装设备，使隧道的掘进不受仰拱施工的阻碍，以实现隧道掘进与仰拱施工可同步进行[1]。目前隧道仰拱施工栈桥有简易栈桥和自行式栈桥两种[2]。

(1)简易栈桥

简易栈桥是施工班组直接采用工字钢或H型钢组合焊接加工的板梁结构。一副栈桥由两片板梁组成，前端搭在隧道掘进开挖台阶上，后端搭在仰拱填充面上，板梁间横向无连接，整体稳定性差，容易侧翻倾覆。简易栈桥没有行走动力，需要在装载机与挖掘机配合下拖拽进行移动和定位，机动能力差。并且施工仰拱作业时需要另外拼装仰拱施工模板，施工效率低，施工质量和安全难以保证，严重制约了隧道的快速施工。

(2)自行式仰拱栈桥

自行式仰拱栈桥是在简易栈桥基础上发展创新后的机械装备，结构整体性好，自带行走装置，不需要装载机等外部动力，装备有液压和电气控制系统，安全性好、实用性强、机械化程度高，从而实现隧道施工快速安全推进[3]。

2 自行式仰拱栈桥现状

随着我国隧道施工技术的进步，对仰拱施工的机械化要求越来越高[4]。目前施工中已出现多种自行式仰拱栈桥，按结构形式分为悬挑式、桥跨式；按行走方式分为轨道式、步履式、履带式、胶轮式。

2.1 按结构形式分类

自行式仰拱栈桥结构主要由前引桥、主桥、后引桥3部分组成，按照跨越基坑的结构不同分为悬挑式和桥跨式。

(1)悬挑式

悬挑式栈桥由前引桥跨越基坑，主桥及后引桥均在已施工的仰拱填充面上[5]，栈桥的移动均在填充面上，不受掌子面台阶及开挖基坑的工况影响，动力和控制系统都集中在主桥上，可随时跨越或退出隧道仰拱基坑，机动灵活。但栈桥移动时前引桥依靠主桥和后引桥的配重处于悬挑状态，前引桥跨越基坑的长度受主桥和后引桥的配重控制，使悬挑式结构栈桥的跨越长度有限，同时栈桥的总体长度较长。悬挑式栈桥结构如图1所示。

图1 悬挑式栈桥结构示意

(2)桥跨式

桥跨式仰拱栈桥由主桥跨越基坑，前后引桥一端与主桥相连，另一端搭接在掌子面台阶和仰拱填充面上，栈桥跨越长度主要由主桥的结构性能决定，因此可以实现较大的跨越长度[6]。但由于这种结构形式的前支腿位于基坑底部，受到基坑环境的影响，使整个栈桥的移动不够灵活，同时进出基坑时需要辅助坡道或拆除部分结构，施工中途工艺变化或出现故障整个栈桥不能快速进出，存在影响整个隧道施工进度的弊端。桥跨式栈桥结构如图2所示。

图2 桥跨式栈桥结构示意

2.2 按行走方式分类

(1)轨道式

轨道式采用了隧道传统二衬台车的行走方式，需要人工在行进方向上铺设钢轨来引导运行，对仰拱开挖处基底要求较高。由于开挖长度限制，倒运钢轨频繁，劳动强度较高、机械化程度低。

(2)步履式

步履式为轨道式的改进形式，对轨道进行了革新，不需要人工铺设钢轨，通过支腿与轨道间的交换支撑及轨道与栈桥的相对运动，反复操作来实现仰拱栈桥前行。机械化有所提高，降低了劳动强度，但是行走进度缓慢、操作复杂。

(3)履带式

履带式是在栈桥前端安装履带底盘、栈桥后端安装被动拖轮，履带拖动栈桥连续前行[7]，是目前自行式仰拱栈桥采用最多的行走方式。由于履带底盘位于仰拱开挖基坑内，栈桥只能随着施工向前推进无法后退。履带底盘长度一般为2～3 m，需要额外增加栈桥的长度来满足基坑的作业空间，并且造价较高。

(4)胶轮式

胶轮式仰拱栈桥是新出现的结构形式，采用液压马达驱动实心橡胶轮胎的方式在已施工好的仰拱填充面上行进和后退，无需辅助设施可自行连续行走，且不受基坑限制。但是存在设备结构复杂、技术难度大、制作要求高等问题。

综上所述，目前仰拱施工中采用的自行式仰拱栈桥均不同程度存在结构复杂、操作不灵活、装备技术不成熟且造价高等缺点，不利于推广使用。

3 新型自行式仰拱栈桥设计

通过研究分析，悬挑式和桥跨式两种结构形式的栈桥在针对不同工况和施工工艺时各有优势，如何将两种结构形式分别与各种行走方式最优组合，优化完善控制系统，增加附属功能，是新型自行式仰拱栈桥的研发内容。经过大量研究与设计，最终设计出轮胎行走悬挑式和步履行走桥跨式两种自行式仰拱栈桥。

两种新型自行式仰拱栈桥都由主体结构、行走系统、液压系统、自动控制系统组成[8]。新型栈桥能够承载不超过60 t的各类施工车辆，且能自动走行、起升降落和横移，用于隧道仰拱开挖、仰拱及填充施工[9]。

3.1 轮胎行走悬挑式仰拱栈桥

3.1.1 主体结构

(1)栈桥结构主要由前引桥、主桥、后引桥3部分组成，整个桥面为圆弧流线型，全部由钢板焊接而成，各部分之间连接采用铰接悬挑式结构，通过液压油缸控制前后引桥的悬挑与下落。轮胎行走悬挑式仰拱栈桥结构如图3所示。

图3 轮胎行走悬挑式仰拱栈桥结构示意

(2)主桥上设计有行走、横移机构。主桥始终位于已硬化的仰拱填充面上，使栈桥整体受力与支撑不受基坑恶劣环境的干扰，便于栈桥的前进、后退与横移调整。

(3)前引桥是跨仰拱施工的主要结构，强度、刚度、稳定性必须满足施工要求，净跨15 m，采用近似圆弧拱形结构，自重较轻，抵抗竖向变形能力强。前引桥下部设有可移动的牵引小车，用以牵引附属结构施工作业。

(4)后引桥为主桥的坡道结构，与主桥坡度弧形连接平稳过渡，同时内部采用实心填充结构对整个栈桥起配重作用。

3.1.2 行走系统

轮胎行走悬挑式仰拱栈桥采用四轮行走结构，四轮位于主桥两侧下方，前轮为主动轮，有驱动、升降功能；后轮为从动轮，有转向、升降功能。轮胎采用钢圈包裹聚氨酯的实心轮胎，尺寸结构小而承载力强。动力采用电机减速机驱动，造价低、故障率低且易替换维修，通过电器元件实现遥控控制。采用这种行走系统使得整个主桥结构更加紧凑，栈桥高度更低、行走稳定、移动灵活。

3.2 步履行走桥跨式仰拱栈桥

3.2.1 主体结构

栈桥结构主要由主桥、前引桥、后引桥、前支腿、中支腿、后支腿6部分组成。步履行走桥跨式仰拱栈桥结构如图4所示。

图4 步履行走桥跨式仰拱栈桥结构示意

(1)主桥采用箱梁结构作为纵向主梁，横梁采用D型施工便梁结构形式连接，这种结构形式具有稳定性好、承载力强的特点。跨度可实现单次施工仰拱达12 m和24 m两种长度。

(2)前后引桥采用拉升结构设计，提升动力采用液压油缸。该结构设计具有升降角度范围大、运行平稳无冲击、安全性高的特点。

(3)前支腿采用龙门型结构，中间横梁内置平移油缸，实现栈桥主体前部的平移功能；中支腿采用H型结构，设有上下导轨轮，通过中支腿驱动轮箱的牵引在主桥导轨上前后移动；后支腿采用升降支腿与驱动轮箱一体结构，在支腿落下后，驱动轮箱转动带动栈桥行走。

3.2.2 行走系统

栈桥的行走采用步履自行的方式，依靠驱动轮箱与中支腿的交替运动来实现行走。驱动轮箱通过减速机驱动聚氨酯轮胎旋转，带动栈桥前后运动。主桥后端安装有中支腿驱动轮箱，前端安装有被动张紧轮箱，之间用链条与中支腿环形连接，中支腿在驱动轮箱带动链条牵引下沿主桥上的导轨前后运动。

3.3 液压系统

栈桥的升降、平移及前后引桥的起落全部采用液压系统控制，油缸均配有液压锁或平衡阀，保证油缸在使用中运行平稳、同步伸缩、安全可靠。液压站控制阀组全部采用电磁控制阀，通过电路控制电磁阀进而控制油缸的伸缩实现液压系统的远程控制。

3.4 自动控制系统

控制系统由控制柜、无线遥控器等组成。控制系统设计有无线遥控功能，同时配有有线控制手柄作为备用、维修的功能。自动控制系统实现设备自动控制、设备监控、故障报警及处理、远程控制等功能。通过PLC的逻辑控制可保证油缸在条件满足逻辑要求的情况下进行动作，有效防止了误操作带来的损坏。设备上分布的各感应器可对设备所处状态进行监控，当出现故障时即可发出报警信号。远程控制可对设备进行遥控操作，操作者可在安全距离及需要观察定位状态的位置进行设备操作，使得操作便捷且安全。

3.5 附属结构

自行式仰拱栈桥可配套中央水沟、整体式仰拱及填充施工模板、移动溜槽、仰拱填充摊铺机等附属结构。连接采用仰拱栈桥下挂式结构，在主桥下安装动力小车，提供牵引动力，实现附属结构的移动和定位。设计独立液压控制系统，控制附属结构模板的升降、脱模等，增强仰拱施工的机械化，提高了仰拱施工效率。模板为整体设计加工，强度高，可实现仰拱及仰拱填充的全幅施作[11]，同时避免了人工额外的辅助加固，有利于模板快速准确定位[10]，满足隧道仰拱混凝土整幅浇筑一次成型和快速施工的需求，提高了施工质量[12]。

3.6 新产品的优势

新产品与其它自行式仰拱栈桥相比，其优点见表1。

表1 方案比较

新产品还具有的其它优点:

(1)产品设计采用模块化，主要部件独立成块，不同配置可根据用户要求定制。

(2)采用PLC来实现电液的集中控制，通过程序对各信号处理可实现各执行部件的手动独立动作与集中自动控制，还可实现各信号的监控与报警的处理。

(3)可配置触摸屏无线控制，方便操作者在更好的位置上进行设备的操作，使操作更加安全、方便。

4 结束语

本文通过对现有仰拱栈桥设备的研究分析，结合各自的优点，为满足多种工况要求，设计了轮胎行走悬挑式和步履行走桥跨式两种全新形式的仰拱栈桥。

(1)轮胎行走悬挑式仰拱栈桥具有高度低、行走稳定、机动灵活的特点，适用于隧道围岩差、安全步距短、施工空间紧张且设备转场方便的隧道。

(2)步履行走桥跨式仰拱栈桥具有跨越基坑长度大、主桥截面单一可方便增减长度，同时可装配多种附属结构的特点，适用于隧道围岩好、安全步距长的隧道。

(3)两种栈桥都采用了无线电与液压控制系统，提供了更加安全、可靠的操作方式，加快了施工速度、减少了劳动强度、保证了设备操作的安全性。

上述两种新型栈桥通过采用先进材料和先进技术有效地克服了目前仰拱栈桥装备的缺陷，是对传统栈桥设备的一次革新。相信随着该产品的问世，对隧道仰拱施工安全、质量的提高有重大意义，有助于隧道施工机械化、标准化的积极推进。