劉順成

(中鐵十五局集團(tuán)第四工程有限公司 河南鄭州 450000)

1 仰拱棧橋簡(jiǎn)介

仰拱棧橋是架設(shè)在仰拱施工作業(yè)段上的橋梁，是解決隧道掘進(jìn)物料的運(yùn)輸及仰拱安全作業(yè)的工裝設(shè)備，使隧道的掘進(jìn)不受仰拱施工的阻礙，以實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)與仰拱施工可同步進(jìn)行[1]。目前隧道仰拱施工棧橋有簡(jiǎn)易棧橋和自行式棧橋兩種[2]。

(1)簡(jiǎn)易棧橋

簡(jiǎn)易棧橋是施工班組直接采用工字鋼或H型鋼組合焊接加工的板梁結(jié)構(gòu)。一副棧橋由兩片板梁組成，前端搭在隧道掘進(jìn)開(kāi)挖臺(tái)階上，后端搭在仰拱填充面上，板梁間橫向無(wú)連接，整體穩(wěn)定性差，容易側(cè)翻傾覆。簡(jiǎn)易棧橋沒(méi)有行走動(dòng)力，需要在裝載機(jī)與挖掘機(jī)配合下拖拽進(jìn)行移動(dòng)和定位，機(jī)動(dòng)能力差。并且施工仰拱作業(yè)時(shí)需要另外拼裝仰拱施工模板，施工效率低，施工質(zhì)量和安全難以保證，嚴(yán)重制約了隧道的快速施工。

(2)自行式仰拱棧橋

自行式仰拱棧橋是在簡(jiǎn)易棧橋基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新后的機(jī)械裝備，結(jié)構(gòu)整體性好，自帶行走裝置，不需要裝載機(jī)等外部動(dòng)力，裝備有液壓和電氣控制系統(tǒng)，安全性好、實(shí)用性強(qiáng)、機(jī)械化程度高，從而實(shí)現(xiàn)隧道施工快速安全推進(jìn)[3]。

2 自行式仰拱棧橋現(xiàn)狀

隨著我國(guó)隧道施工技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)仰拱施工的機(jī)械化要求越來(lái)越高[4]。目前施工中已出現(xiàn)多種自行式仰拱棧橋，按結(jié)構(gòu)形式分為懸挑式、橋跨式；按行走方式分為軌道式、步履式、履帶式、膠輪式。

2.1 按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)

自行式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)主要由前引橋、主橋、后引橋3部分組成，按照跨越基坑的結(jié)構(gòu)不同分為懸挑式和橋跨式。

(1)懸挑式

懸挑式棧橋由前引橋跨越基坑，主橋及后引橋均在已施工的仰拱填充面上[5]，棧橋的移動(dòng)均在填充面上，不受掌子面臺(tái)階及開(kāi)挖基坑的工況影響，動(dòng)力和控制系統(tǒng)都集中在主橋上，可隨時(shí)跨越或退出隧道仰拱基坑，機(jī)動(dòng)靈活。但棧橋移動(dòng)時(shí)前引橋依靠主橋和后引橋的配重處于懸挑狀態(tài)，前引橋跨越基坑的長(zhǎng)度受主橋和后引橋的配重控制，使懸挑式結(jié)構(gòu)棧橋的跨越長(zhǎng)度有限，同時(shí)棧橋的總體長(zhǎng)度較長(zhǎng)。懸挑式棧橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸挑式棧橋結(jié)構(gòu)示意

(2)橋跨式

橋跨式仰拱棧橋由主橋跨越基坑，前后引橋一端與主橋相連，另一端搭接在掌子面臺(tái)階和仰拱填充面上，棧橋跨越長(zhǎng)度主要由主橋的結(jié)構(gòu)性能決定，因此可以實(shí)現(xiàn)較大的跨越長(zhǎng)度[6]。但由于這種結(jié)構(gòu)形式的前支腿位于基坑底部，受到基坑環(huán)境的影響，使整個(gè)棧橋的移動(dòng)不夠靈活，同時(shí)進(jìn)出基坑時(shí)需要輔助坡道或拆除部分結(jié)構(gòu)，施工中途工藝變化或出現(xiàn)故障整個(gè)棧橋不能快速進(jìn)出，存在影響整個(gè)隧道施工進(jìn)度的弊端。橋跨式棧橋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 橋跨式棧橋結(jié)構(gòu)示意

2.2 按行走方式分類(lèi)

(1)軌道式

軌道式采用了隧道傳統(tǒng)二襯臺(tái)車(chē)的行走方式，需要人工在行進(jìn)方向上鋪設(shè)鋼軌來(lái)引導(dǎo)運(yùn)行，對(duì)仰拱開(kāi)挖處基底要求較高。由于開(kāi)挖長(zhǎng)度限制，倒運(yùn)鋼軌頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度較高、機(jī)械化程度低。

(2)步履式

步履式為軌道式的改進(jìn)形式，對(duì)軌道進(jìn)行了革新，不需要人工鋪設(shè)鋼軌，通過(guò)支腿與軌道間的交換支撐及軌道與棧橋的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)仰拱棧橋前行。機(jī)械化有所提高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但是行走進(jìn)度緩慢、操作復(fù)雜。

(3)履帶式

履帶式是在棧橋前端安裝履帶底盤(pán)、棧橋后端安裝被動(dòng)拖輪，履帶拖動(dòng)棧橋連續(xù)前行[7]，是目前自行式仰拱棧橋采用最多的行走方式。由于履帶底盤(pán)位于仰拱開(kāi)挖基坑內(nèi)，棧橋只能隨著施工向前推進(jìn)無(wú)法后退。履帶底盤(pán)長(zhǎng)度一般為2～3 m，需要額外增加棧橋的長(zhǎng)度來(lái)滿(mǎn)足基坑的作業(yè)空間，并且造價(jià)較高。

(4)膠輪式

膠輪式仰拱棧橋是新出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)心橡膠輪胎的方式在已施工好的仰拱填充面上行進(jìn)和后退，無(wú)需輔助設(shè)施可自行連續(xù)行走，且不受基坑限制。但是存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、制作要求高等問(wèn)題。

綜上所述，目前仰拱施工中采用的自行式仰拱棧橋均不同程度存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不靈活、裝備技術(shù)不成熟且造價(jià)高等缺點(diǎn)，不利于推廣使用。

3 新型自行式仰拱棧橋設(shè)計(jì)

通過(guò)研究分析，懸挑式和橋跨式兩種結(jié)構(gòu)形式的棧橋在針對(duì)不同工況和施工工藝時(shí)各有優(yōu)勢(shì)，如何將兩種結(jié)構(gòu)形式分別與各種行走方式最優(yōu)組合，優(yōu)化完善控制系統(tǒng)，增加附屬功能，是新型自行式仰拱棧橋的研發(fā)內(nèi)容。經(jīng)過(guò)大量研究與設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出輪胎行走懸挑式和步履行走橋跨式兩種自行式仰拱棧橋。

兩種新型自行式仰拱棧橋都由主體結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)組成[8]。新型棧橋能夠承載不超過(guò)60 t的各類(lèi)施工車(chē)輛，且能自動(dòng)走行、起升降落和橫移，用于隧道仰拱開(kāi)挖、仰拱及填充施工[9]。

3.1 輪胎行走懸挑式仰拱棧橋

3.1.1 主體結(jié)構(gòu)

(1)棧橋結(jié)構(gòu)主要由前引橋、主橋、后引橋3部分組成，整個(gè)橋面為圓弧流線型，全部由鋼板焊接而成，各部分之間連接采用鉸接懸挑式結(jié)構(gòu)，通過(guò)液壓油缸控制前后引橋的懸挑與下落。輪胎行走懸挑式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輪胎行走懸挑式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)示意

(2)主橋上設(shè)計(jì)有行走、橫移機(jī)構(gòu)。主橋始終位于已硬化的仰拱填充面上，使棧橋整體受力與支撐不受基坑惡劣環(huán)境的干擾，便于棧橋的前進(jìn)、后退與橫移調(diào)整。

(3)前引橋是跨仰拱施工的主要結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性必須滿(mǎn)足施工要求，凈跨15 m，采用近似圓弧拱形結(jié)構(gòu)，自重較輕，抵抗豎向變形能力強(qiáng)。前引橋下部設(shè)有可移動(dòng)的牽引小車(chē)，用以牽引附屬結(jié)構(gòu)施工作業(yè)。

(4)后引橋?yàn)橹鳂虻钠碌澜Y(jié)構(gòu)，與主橋坡度弧形連接平穩(wěn)過(guò)渡，同時(shí)內(nèi)部采用實(shí)心填充結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)棧橋起配重作用。

3.1.2 行走系統(tǒng)

輪胎行走懸挑式仰拱棧橋采用四輪行走結(jié)構(gòu)，四輪位于主橋兩側(cè)下方，前輪為主動(dòng)輪，有驅(qū)動(dòng)、升降功能；后輪為從動(dòng)輪，有轉(zhuǎn)向、升降功能。輪胎采用鋼圈包裹聚氨酯的實(shí)心輪胎，尺寸結(jié)構(gòu)小而承載力強(qiáng)。動(dòng)力采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，造價(jià)低、故障率低且易替換維修，通過(guò)電器元件實(shí)現(xiàn)遙控控制。采用這種行走系統(tǒng)使得整個(gè)主橋結(jié)構(gòu)更加緊湊，棧橋高度更低、行走穩(wěn)定、移動(dòng)靈活。

3.2 步履行走橋跨式仰拱棧橋

3.2.1 主體結(jié)構(gòu)

棧橋結(jié)構(gòu)主要由主橋、前引橋、后引橋、前支腿、中支腿、后支腿6部分組成。步履行走橋跨式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 步履行走橋跨式仰拱棧橋結(jié)構(gòu)示意

(1)主橋采用箱梁結(jié)構(gòu)作為縱向主梁，橫梁采用D型施工便梁結(jié)構(gòu)形式連接，這種結(jié)構(gòu)形式具有穩(wěn)定性好、承載力強(qiáng)的特點(diǎn)。跨度可實(shí)現(xiàn)單次施工仰拱達(dá)12 m和24 m兩種長(zhǎng)度。

(2)前后引橋采用拉升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升動(dòng)力采用液壓油缸。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有升降角度范圍大、運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)沖擊、安全性高的特點(diǎn)。

(3)前支腿采用龍門(mén)型結(jié)構(gòu)，中間橫梁內(nèi)置平移油缸，實(shí)現(xiàn)棧橋主體前部的平移功能；中支腿采用H型結(jié)構(gòu)，設(shè)有上下導(dǎo)軌輪，通過(guò)中支腿驅(qū)動(dòng)輪箱的牽引在主橋?qū)к壣锨昂笠苿?dòng)；后支腿采用升降支腿與驅(qū)動(dòng)輪箱一體結(jié)構(gòu)，在支腿落下后，驅(qū)動(dòng)輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)棧橋行走。

3.2.2 行走系統(tǒng)

棧橋的行走采用步履自行的方式，依靠驅(qū)動(dòng)輪箱與中支腿的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)行走。驅(qū)動(dòng)輪箱通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)聚氨酯輪胎旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)棧橋前后運(yùn)動(dòng)。主橋后端安裝有中支腿驅(qū)動(dòng)輪箱，前端安裝有被動(dòng)張緊輪箱，之間用鏈條與中支腿環(huán)形連接，中支腿在驅(qū)動(dòng)輪箱帶動(dòng)鏈條牽引下沿主橋上的導(dǎo)軌前后運(yùn)動(dòng)。

3.3 液壓系統(tǒng)

棧橋的升降、平移及前后引橋的起落全部采用液壓系統(tǒng)控制，油缸均配有液壓鎖或平衡閥，保證油缸在使用中運(yùn)行平穩(wěn)、同步伸縮、安全可靠。液壓站控制閥組全部采用電磁控制閥，通過(guò)電路控制電磁閥進(jìn)而控制油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制柜、無(wú)線遙控器等組成。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有無(wú)線遙控功能，同時(shí)配有有線控制手柄作為備用、維修的功能。自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)控制、設(shè)備監(jiān)控、故障報(bào)警及處理、遠(yuǎn)程控制等功能。通過(guò)PLC的邏輯控制可保證油缸在條件滿(mǎn)足邏輯要求的情況下進(jìn)行動(dòng)作，有效防止了誤操作帶來(lái)的損壞。設(shè)備上分布的各感應(yīng)器可對(duì)設(shè)備所處狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)。遠(yuǎn)程控制可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遙控操作，操作者可在安全距離及需要觀察定位狀態(tài)的位置進(jìn)行設(shè)備操作，使得操作便捷且安全。

3.5 附屬結(jié)構(gòu)

自行式仰拱棧橋可配套中央水溝、整體式仰拱及填充施工模板、移動(dòng)溜槽、仰拱填充攤鋪機(jī)等附屬結(jié)構(gòu)。連接采用仰拱棧橋下掛式結(jié)構(gòu)，在主橋下安裝動(dòng)力小車(chē)，提供牽引動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)附屬結(jié)構(gòu)的移動(dòng)和定位。設(shè)計(jì)獨(dú)立液壓控制系統(tǒng)，控制附屬結(jié)構(gòu)模板的升降、脫模等，增強(qiáng)仰拱施工的機(jī)械化，提高了仰拱施工效率。模板為整體設(shè)計(jì)加工，強(qiáng)度高，可實(shí)現(xiàn)仰拱及仰拱填充的全幅施作[11]，同時(shí)避免了人工額外的輔助加固，有利于模板快速準(zhǔn)確定位[10]，滿(mǎn)足隧道仰拱混凝土整幅澆筑一次成型和快速施工的需求，提高了施工質(zhì)量[12]。

3.6 新產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

新產(chǎn)品與其它自行式仰拱棧橋相比，其優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 方案比較

新產(chǎn)品還具有的其它優(yōu)點(diǎn):

(1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用模塊化，主要部件獨(dú)立成塊，不同配置可根據(jù)用戶(hù)要求定制。

(2)采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)電液的集中控制，通過(guò)程序?qū)Ω餍盘?hào)處理可實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行部件的手動(dòng)獨(dú)立動(dòng)作與集中自動(dòng)控制，還可實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的監(jiān)控與報(bào)警的處理。

(3)可配置觸摸屏無(wú)線控制，方便操作者在更好的位置上進(jìn)行設(shè)備的操作，使操作更加安全、方便。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有仰拱棧橋設(shè)備的研究分析，結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，為滿(mǎn)足多種工況要求，設(shè)計(jì)了輪胎行走懸挑式和步履行走橋跨式兩種全新形式的仰拱棧橋。

(1)輪胎行走懸挑式仰拱棧橋具有高度低、行走穩(wěn)定、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，適用于隧道圍巖差、安全步距短、施工空間緊張且設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)方便的隧道。

(2)步履行走橋跨式仰拱棧橋具有跨越基坑長(zhǎng)度大、主橋截面單一可方便增減長(zhǎng)度，同時(shí)可裝配多種附屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，適用于隧道圍巖好、安全步距長(zhǎng)的隧道。

(3)兩種棧橋都采用了無(wú)線電與液壓控制系統(tǒng)，提供了更加安全、可靠的操作方式，加快了施工速度、減少了勞動(dòng)強(qiáng)度、保證了設(shè)備操作的安全性。

上述兩種新型棧橋通過(guò)采用先進(jìn)材料和先進(jìn)技術(shù)有效地克服了目前仰拱棧橋裝備的缺陷，是對(duì)傳統(tǒng)棧橋設(shè)備的一次革新。相信隨著該產(chǎn)品的問(wèn)世，對(duì)隧道仰拱施工安全、質(zhì)量的提高有重大意義，有助于隧道施工機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化的積極推進(jìn)。