超大断面隧道变截面衬砌台车设计及应用

任文斌

(中铁十二局集团第四工程有限公司 陕西西安 710000)

1 引言

在城市地下互通立交超大断面隧道施工中，面对衬砌断面突变的情况，如何成功完成台车体系转换，确保隧道施工安全质量及安全步距，是变截面隧道施工的难点之一[1]。隧道存在多种加宽断面时，既要满足施工需求、保证衬砌质量，又要节省成本、减少人力、提高施工效率，对衬砌台车提出了更高的要求。衬砌台车的设计直接影响着隧道的质量、成本及进度。

2 工程概况

海沧疏港通道工程蔡尖尾山隧道设计主线为分离式双向6车道，设计总长4.245 km，左线起止里程ZK2＋155～ZK6＋400，右线起止里程YK2＋160～YK6＋405，隧道从进口四车道分4次突变加宽到最大断面后，分岔出“3＋2”个车道，最大开挖净跨度30.5 m，开挖断面面积达421.7 m2，是目前亚洲开挖跨度及断面最大的城市地下互通立交隧道。隧道衬砌结构厚度为50～75 cm，采用C35～C40钢筋砼，隧道衬砌结构断面加宽示意见图1。

图1 隧道衬砌结构断面加宽示意(单位:cm)

3 衬砌台车设计

3.1 总体思路

蔡尖尾山隧道主线以三车道为主，S3→S4→FC2→FC3→FC4→FC5断面依次加宽D1＝375 cm、D2＝50 cm、D3＝275 cm、D4＝350 cm、D5＝310 cm，拱顶高度依次增加97.8 cm、0 cm、53.8 cm、128.4 cm、112.6 cm，加宽断面中线偏距为最大加宽宽度的1/2，依次为:187.5 cm、25 cm、127.5 cm、175 cm、155 cm。变化侧拱墙圆心O2、O3半径保持不变，圆心将随扩挖最大宽度对应外扩，拱顶及仰拱圆心O1、O′1半径随两个变化断面成线性比例增加。以S3-S4断面变化值(见表1)为例，即每次加宽后断面的R01，R01′在加宽值范围内同加宽值成线型比例，R02，R03值不变(见图2)。

表1 S3-S4断面加宽参数 cm

图2 拱顶及仰拱半径随加宽值的变化

同时通过比较分析发现所有加宽段衬砌断面设计尺寸，各断面的边墙结构尺寸与半径完全一致，只有拱部断面半径尺寸存在变化[2]。台车主桁架按照标准三车道设计，加宽段台车通过三车道台车主门架增加副门架实现，分别加宽375 cm、50 cm、275 cm、350 cm、310 cm，完成加宽段后再转换为三车道断面台车。

3.2 三车道衬砌台车基本结构组成

衬砌台车外轮廓比隧道衬砌理论内轮廓面外扩5 cm，衬砌台车设计结构和组成有模板体系组成、顶模型钢立柱支架、平移系统、门架系统、行走系统、支撑丝杠、液压千斤顶、液压升降系统、电气控制系统等部分[3]。超大断面隧道断面设计尺寸的高度、跨度越大，对衬砌台车设计结构受力要求越高，台车钢板厚度、支撑强度、各系统组成都随之不同[4－5]。

(1)模板组成:模板由12 mm面板、面板连接法兰、槽钢加强背带、加筋钢板等组成，两端法兰厚度为14 mm，两法兰间增加了 20作为支撑，采用 10及A3δ10的加强立板沿模板宽度方向布置。

(2)顶模型钢立柱支架:顶模型钢立柱支架由工字钢纵梁、横梁及小立柱组成，纵梁高度为600 mm，由钢板焊接成的H型钢梁，横梁用 25工字钢，小立柱用I18工字钢。顶模型钢立柱支架是顶模结构的承重体系，随着台车断面的增加，支架系统随之加宽、加高。

(3)平移系统:台车的液压平移系统由前后共4个液压油缸组成，它设置在门架上横梁顶部，与顶模支架横梁相连。平移系统通过液压油缸水平方向顶升、收缩，用来调整衬砌台车水平位移。

(4)门架系统:台车门架是一个空间的整体框架结构[6]，门架系统包含主门架和副门架，主门架为标准三车道门架，副门架在断面加宽时用于台车断面加宽，门架由大横梁、立柱及底纵梁组装而成，主要连接方式为螺栓连接，各大横梁、立柱及底纵梁之间通过纵横连接梁及斜撑和剪刀撑等连接。

(5)行走系统:行走系统由主动行走系统和被动行走系统组成[7]，采用手动或遥控开关控制电机带动行走轮行走，通过链条传动、减速机进行减速，设置行走轮箱对行走系统予以保护。台车电机总功率为15 kW，运行速度为6 m/min，额定爬坡能力3%，为保证台车衬砌状态平稳，行走电机采用三相异步电动机。

(6)支撑丝杠:包括侧模调模丝杠、对地支撑丝杠、防错位连接丝杠。

(7)千斤顶:台架升降千斤顶、门架顶升千斤顶。

(8)液压升降系统:台车液压系统主要由泵站、液压油缸、压力管道构成，是整个衬砌台车定位、固定及结构变化调整的动力源[8]，采用三位四通手动换向阀人工手动进行换向，来实现油缸的伸缩动作，左右侧模调模油缸各采用一个换向阀控制两侧水平油缸的动作，四个竖向升降油缸各采用一个换向阀控制油缸顶升。四个水平油缸用两个换向阀操作其同步动作。

(9)电气控制系统:电气控制系统主要控制行走系统电机的起动、制动及正、反向运转，也是液压系统的动力，行走电机可以正反转运行及超载保护。

3.3 台车技术规格

模板面板分为顶模、边模和吊模共同拼接成衬砌设计断面尺寸。顶模及边模、吊模采用铰接，铰接点的位置为断面尺寸圆与圆或直线的切点，也是面板弧度的变化点，可以保证台车可通过变形与衬砌断面尺寸相符，同时保证了台车脱模时面板收缩空间[9]，模板面板之间采用法兰盘进行栓接。

(1)衬砌台车长度L＝10.5 m、面板厚12 mm(Q235B)，模板沿纵向分为7节，每节宽度分别为1.5 m[10]。

(2)行走电机功率7.5 kW×2；液压电机功率5.5 kW ×1。

(3)水平左右调整量150 mm(单边)。

(4)液压系统流量Q＝20 L/min。

(5)系统工作压力P＝16 MPa。

(6)液压油缸型号及工作行程:竖向升降油缸φ200/180×300 mm数量4个；边模调节油缸φ100/50×300 mm数量4个；水平平移油缸φ100/50×300 mm数量4个。

(7)台车丝杆、千斤顶型号:千斤顶无缝钢管直经89×6 mm。

(8)性能说明:电动行走，液压立模、收模。

(9)质量标准:模板间隙≤1 mm；模板错台≤1 mm；轮廓半径±2 mm；模板平面度±2 mm；表面粗糙度≤0.5 mm。

3.4 衬砌台车加宽设计

(1)小于50 cm台车加宽设计

在标准四车道S4断面台车加宽50 cm至FC2断面时，通过调节液压支撑杆件长度及增长侧面门架丝杠加长座来调节台车高度及宽度，同时为减小台车与隧道断面弧度偏差，设计在三车道台车拱顶左右侧各增加一块20.1 cm加宽面板调节模板半径；使弧度偏差控制在20 mm以内。

(2)大于50 cm台车加宽设计

当衬砌断面由S3→S4加宽375 cm，由FC2→FC3→FC4→FC5 分别加宽 275、310、350 cm 时，台车断面加宽尺寸变化较大，对于超大断面扁平隧道，采用液压顶升调节的方法实现台车断面多次加宽，台车自身结构及二衬施工安全质量问题均无法保障，为确保衬砌施工安全质量，决定采用更换顶模，增加相应支撑调节块及系统杆件的方法，同时由于副门架每次加宽宽度较大，相对主门架承重增加，通过在副门架增加行走系统来减轻主门架承重，增强整个台车的稳定性。具体操作是更换与加宽断面相同半径的顶模，增加上下副门架、顶纵梁、小立柱、千斤顶、丝杆、液压系统、行走系统，安装通用边模，实现S3→S4及FC2→FC5断面台车加宽。

超大断面隧道衬砌台车的设计及加工，不但需要满足二次衬砌断面频繁多次变化要求，而且要考虑刚度和稳定性满足结构受力要求，同时现场实操要简单方便，成本合理，是保证大跨径隧道二次衬砌施工质量及安全的关键[11]。台车检算主要对台车自身门架、斜撑、面板、支架各单元及整体受力变形、稳定性进行计算，同时对台车行走过程及砼浇筑时的变形、稳定性进行计算，台车设计时已通过迈达斯软件进行了标准断面及最大加宽断面相关受力结构计算，计算参数均采用台车加宽后结构所受荷载最不利情况设定，对台车整体及主要受力构件和易损的部位进行了验算分析，经检算台车整体受力及各部件受力均满足要求，详细计算过程具体不再介绍。

4 加宽衬砌台车的组装与应用

4.1 三车道标准台车安装

钢轨安装→行走安装→底梁安装→门架立柱和横梁安装→拉杆安装→调整门架→顶模架体安装及调整→顶模安装→边模安装→边模通梁安装→油缸及丝杠安装→安装液压系统并调试，拆除时逆向操作即可。

4.2 三车道断面加宽至四车道断面

三车道二衬施工结束后按序拆掉半径尺寸为585 cm的通用边模，将其靠在已施作完毕的隧道边墙上，拆下顶部模板及连接杆件后安装四车道断面台车，增加350 cm上横梁副门架及连接杆件，安装台车上部加长架体。更换拱顶半径775 cm面板为995 cm，安装通用的边模及各种支撑杆件、调试液压及行走系统后即可实现四车道断面的衬砌施工。正洞三车道台车重量117 t，正洞三车道断面变换成四车道断面台车时约增加62 t结构件，拆装时间预计为10 d左右完成。加宽前后如图3、图4所示。

图3 主线三车道标准台车断面图(单位:cm)

图4 三车道加宽至四车道标准台车断面图(单位:cm)

4.3 四车道断面加宽至FC2断面

四车道台车变为FC2断面台车的步骤如下:四车道二衬施工结束后按序拆掉半径尺寸为585 cm的通用边模，将其靠在已施作完毕的隧道边墙上，原来四车道顶部模板做成3块，中间块模板不变，通过升降油缸把模板向上顶25.4 mm，再通过平移油缸把两侧的顶模向两侧移动，中间加201.3 mm的加宽块，台梁加长，顶模架体小立柱加高，顶部台梁加长，增长加宽侧侧面门架丝杠加长座来调节台车高度及宽度，其他不变。四车道断面变换成FC2断面时约增加6.28 t结构件，拆装所需时间约3 d，加宽后如图5所示。

图5 四车道加宽至FC2台车断面图(单位:cm)

4.4 FC2断面加宽至FC3断面

FC2车道二衬施工结束后拆掉半径尺寸为585 cm的通用边模，将其靠在已施作完毕的隧道边墙上，拆下顶部模板及连接杆件，增加700 cm副门架上横梁及连接杆件，安装台车上部加长架体，更换半径1 055 cm拱顶面板为半径1 255 cm面板、安装通用的边模及各种支撑杆件、调试液压及行走系统后即可实现FC3断面的衬砌施工。FC2断面变换成FC3断面时约增加66 t结构件，拆装所需时间约10 d。加宽后如图6所示。

4.5 FC3断面加宽至FC4断面

FC3车道二衬施工结束后拆掉半径尺寸为585 cm的通用边模，将其靠在已施作完毕的隧道边墙上，拆下顶部模板及连接杆件，增加350 cm上横梁副门架及连接杆件，安装台车上部增长架体，更换拱部半径1 255 cm面板为半径1 405 cm，安装通用的边模及各种支撑杆件、调试液压及行走系统后即可实现FC4断面的衬砌施工。FC3断面变换成FC4断面时约增加113 t结构件，拆装所需时间约10 d。加宽后如图7所示。

图7 FC3断面加宽至FC4断面台车断面图(单位:cm)

4.6 FC4断面加宽至FC5断面

FC4车道二衬施工结束后拆掉半径尺寸为585 cm的通用边模，将其靠在已施作完毕的隧道边墙上，拆下顶部模板及连接杆件，增加660 cm副门架及连接杆件，安装台车上部架体，更换拱部半径1 405 cm面板为半径1 555 cm，安装通用的边模及各种支撑杆件、调试液压及行走系统后即可实现FC5断面的衬砌施工。加宽后如图8所示。FC4断面变换成FC5断面时约增加92 t结构件，拆装所需时间约12 d。最大断面FC5总重量456.28 t。

图8 FC4断面加宽至FC5断面台车断面图(单位:cm)

5 结束语

在车流量日益增加的趋势下，堵车现象频繁，双向四车道远远不能满足车流量顺利通行需求，只有通过增大隧道宽度，通过设计双向六车道或八车道等扁平形特大跨度隧道增加车道数量以满足发展需求[12－14]。而扁平超大断面隧道的衬砌施工难度及安全风险就会随之增加，其施工水平直接影响着隧道的质量、成本及进度。蔡尖尾山2＃隧道变截面台车设计，实现了215 m2至421.73 m2超大断面隧道多次变截面衬砌成功浇筑，施工过程中台车安拆及体系转换加快，同时确保了现场施工安全质量及进度要求，对同类台车设计具有参考价值。