姚亮

中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，石家莊050081

隨著我國建筑工程預(yù)制裝配式施工技術(shù)的推廣應(yīng)用，鐵路、公路及市政工程施工中逐步引入了混凝土預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)施工理念。預(yù)制裝配式橋梁、城市地下綜合管廊、臨時便道施工技術(shù)體系日趨完善［1］。鐵路工程建設(shè)中，隧道施工是整個項目的重難點工程，由于地質(zhì)條件、施工環(huán)境、工藝水平的影響，施工質(zhì)量參差不齊［2］。已開通運營的鐵路隧道中出現(xiàn)的各類病害引起各界高度關(guān)注。隧道病害整治工作耗時長、成本高、風(fēng)險大，對混凝土預(yù)制裝配式隧道施工技術(shù)的探索勢在必行?；炷令A(yù)制裝配式隧道施工技術(shù)包括工裝設(shè)計、施工工藝總結(jié)、安裝精度控制等，并對隧道施工防水提出了更高要求［3］。

京沈鐵路星火樞紐工程鐵科試車線隧道工程為單線明洞隧道，總長205 m。其中隧道檢測系統(tǒng)標(biāo)定區(qū)段（現(xiàn)澆單線明洞）120 m，預(yù)制裝配式混凝土隧道結(jié)構(gòu)試驗段80 m，裝配式隧道洞口波紋板結(jié)構(gòu)試驗段5 m。此工程用于開展裝配式隧道工裝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝以及材料性能試驗，開展不同隧道襯砌工況的地質(zhì)雷達(dá)標(biāo)定試驗。

本文主要對現(xiàn)澆明洞段、預(yù)制裝配式襯砌試驗段二次襯砌臺車進(jìn)行設(shè)計，并通過隧道施工中臺車現(xiàn)場應(yīng)用，總結(jié)工裝設(shè)計及使用經(jīng)驗，為后續(xù)展開裝配式襯砌施工提供設(shè)備保障。

1 現(xiàn)澆明洞臺車設(shè)計

1.1 現(xiàn)澆明洞臺車構(gòu)造

明洞段臺車設(shè)計須考慮施工人員操作空間，在拱腰及轉(zhuǎn)角部位應(yīng)合理設(shè)置開窗數(shù)量及開窗位置；須按照設(shè)計方案進(jìn)行混凝土振搗作業(yè)；臺車內(nèi)框架設(shè)計須具備施工車輛及人員通過條件；設(shè)計方案與現(xiàn)場施工方案須保證協(xié)調(diào)性及同步性；在具備操作空間基礎(chǔ)上臺車框架桿件設(shè)計可采用高截面及組合截面型鋼，其傳力結(jié)構(gòu)清晰簡便［4］。

隧道現(xiàn)澆明洞段臺車與常規(guī)臺車的不同之處主要在于臺車外框架及外模板設(shè)計。對于現(xiàn)澆明洞，臺車外框架為主要的受力附著物，須滿足相應(yīng)的剛度及構(gòu)件整體穩(wěn)定性要求。臺車外框架主桿件為I40工字鋼。主桿件加固桁架為I30工字鋼及［10、［20槽鋼。主桿件形成門字形，各桿件組合整體構(gòu)成外框架及外模板結(jié)構(gòu)。外框架底部采用滑輪組由電動油缸通過頂進(jìn)、收縮進(jìn)行整體移動，外模板采用10 mm厚鋼板加工。由于現(xiàn)澆明洞段二次襯砌厚度逐漸變化，由300～500 mm逐漸加厚，因此外框架及外模系統(tǒng)必須根據(jù)二次襯砌厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足澆筑需求。

外框架設(shè)計主要通過底部頂升油缸、平移油缸及旋轉(zhuǎn)外模滿足不同厚度襯砌施工要求［5］。300 mm厚襯砌外框架立面布置見圖1。

圖1 300 mm厚襯砌外框架立面布置（單位：mm）

內(nèi)框架設(shè)計包括角部螺栓件、內(nèi)框架主構(gòu)件和調(diào)解門架的設(shè)計。內(nèi)模板頂部設(shè)計為開口，采用絲杠連接，配合外模頂升，絲杠相應(yīng)縮短或加長，以完成內(nèi)外模板澆筑厚度調(diào)整。內(nèi)框架主構(gòu)件為I50工字鋼，內(nèi)框架上部頂升門架采用I25工字鋼制作，根據(jù)隧道頂部線形加工相應(yīng)的豎向支撐，以保證內(nèi)框架整體剛度及強度要求。300 mm厚襯砌內(nèi)框架立面布置見圖2。

圖2 300 mm厚襯砌內(nèi)框架立面布置（單位：mm）

1.2 現(xiàn)澆明洞臺車結(jié)構(gòu)計算

現(xiàn)澆明洞臺車構(gòu)件設(shè)計完成后，采用結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行整體模型計算。臺車模型見圖3。

圖3 臺車模型

外框架、外模板、內(nèi)框架、內(nèi)模板均采用梁單元模擬；支撐、絲杠、液壓構(gòu)件支撐均采用彈性連接（剛性）模擬［6］；二次襯砌澆筑荷載采用梯形荷載模擬。計算臺車各梁單元、板單元的強度及剛度；考慮整體結(jié)構(gòu)4階模態(tài)，施加屈曲分析，計算臺車整體穩(wěn)定性，荷載特征值不小于4［7］。

根據(jù)軟件對整體模型分析計算，在最不利狀態(tài)下（二次襯砌澆筑完成后，頂部振搗過程中），可知內(nèi)模板、內(nèi)框架單元最大組合應(yīng)力最大值分別為16、50 MPa，均小于Q253鋼材容許應(yīng)力145 MPa。第一模態(tài)荷載特征值12，大于4?？梢?，強度、剛度及整體穩(wěn)定性均滿足要求。通過現(xiàn)場拼裝應(yīng)用，各構(gòu)件變形較小，臺車整體設(shè)計符合現(xiàn)場明洞澆筑需求［8］。

1.3 現(xiàn)澆明洞臺車施工步驟與應(yīng)用

1）現(xiàn)澆明洞臺車采用龍門吊進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，鋼筋綁扎到位檢驗合格后走行內(nèi)模板臺車。

2）臺車由兩根地面安裝的導(dǎo)軌推入，運至襯砌施工地段，調(diào)平導(dǎo)軌標(biāo)高，將鋼軌橫向加固，保證臺車工作狀態(tài)穩(wěn)定性，并通過臺車的液壓桿件將臺車輪廓調(diào)整到襯砌輪廓線位置，測量臺車中心線與隧道中心線是否存在偏差。

3）在確保定位無偏差后，對臺車進(jìn)行固定。

4）臺車就位后安裝端模，端頭模板采用鋼模板，施工時必須保證兩端對夾中埋式鋼邊橡膠止水帶安裝位置準(zhǔn)確。

5）泵送混凝土，逐窗分層對稱澆筑。

6）插入式振搗棒配合臺車所掛附著式振搗器振搗，直至襯砌混凝土澆筑完成。

現(xiàn)場拼裝完成后通過對120 m長的現(xiàn)澆明洞施工表明，臺車整體姿態(tài)較好，各液壓構(gòu)件運行穩(wěn)定。但施工中須做好臺車進(jìn)入下一循環(huán)后的姿態(tài)調(diào)整，及時對臺車位置進(jìn)行糾偏，保證二次襯砌澆筑厚度。由于此隧道為明洞現(xiàn)澆，拱頂混凝土振搗條件較好，臺車拱頂模板設(shè)計為開口式。若常規(guī)隧道內(nèi)拱頂混凝土振搗不具備開口條件，則須對臺車拱頂部位進(jìn)行專項設(shè)計，增設(shè)附著式振搗器，保證拱頂段混凝土質(zhì)量。

2 預(yù)制裝配式襯砌臺車設(shè)計

進(jìn)行預(yù)制裝配式臺車設(shè)計時，由于沒有類似工程經(jīng)驗可供借鑒，因此方案設(shè)計完成后在現(xiàn)場完成試拼裝。各部件及傳動系統(tǒng)必須經(jīng)過現(xiàn)場試驗，不得采用理論計算代替現(xiàn)場試驗驗證。原位試驗完成后，根據(jù)各反饋數(shù)據(jù)，對臺車設(shè)計方案進(jìn)行修正，因此臺車設(shè)計方案是一個動態(tài)優(yōu)化的過程。在輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)上，保證其結(jié)構(gòu)安全性。

裝配式襯砌隧道段長80 m，裝配式襯砌主要結(jié)構(gòu)分為拱墻結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)、仰拱結(jié)構(gòu)。如圖4所示，拱墻結(jié)構(gòu)由A塊、B塊、K塊組成；軌下結(jié)構(gòu)由門形塊及F形塊組成；仰拱結(jié)構(gòu)由邊仰拱塊、中仰拱塊組成。

圖4 預(yù)制裝配式隧道結(jié)構(gòu)分塊

預(yù)制裝配式臺車設(shè)計主要解決各塊拼裝順序，保證拼裝精度，具備各結(jié)構(gòu)塊臨時固定及微調(diào)功能。由于各塊安裝就位以后須進(jìn)行結(jié)構(gòu)塊頂緊，此工序與常規(guī)臺車設(shè)計不同，因此預(yù)制裝配式臺車設(shè)計要保證安裝過程中有頂緊結(jié)構(gòu)塊的臨時錨固裝置。

2.1 裝配式襯砌臺車方案比選

預(yù)制裝配式襯砌施工工藝試驗包括對工裝設(shè)計、預(yù)制結(jié)構(gòu)分塊、有限空間預(yù)制拼裝、安裝精度等多方面的試驗探索。其中工裝設(shè)計包括臺車、運輸設(shè)備、安裝卡具等的設(shè)計。

要在施工條件限制的情況下完成全過程的預(yù)制拼裝施工，根據(jù)隧道設(shè)計分塊，預(yù)制拼裝襯砌臺車設(shè)計有兩套方案。

1）方案一。采用吊車配合，模擬隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境，完成軌下結(jié)構(gòu)、仰拱結(jié)構(gòu)拼裝，利用拼裝臺車完成拱墻結(jié)構(gòu)安裝、定位、頂緊、連接等工序，如圖5所示。

圖5 方案一臺車設(shè)計圖（單位：mm）

2）方案二。軌下結(jié)構(gòu)、仰拱結(jié)構(gòu)及拱墻結(jié)構(gòu)全部采用臺車完成，充分考慮隧道拼裝作業(yè)環(huán)境下，利用隧道內(nèi)空間完成隧道拼裝的全過程工序。

方案一臺車設(shè)計條件較寬松，結(jié)合常規(guī)臺車設(shè)計，增加頂緊臺架設(shè)計，利用外部吊車完成軌下結(jié)構(gòu)及仰拱節(jié)段安裝，拼裝臺車按照工序進(jìn)行預(yù)制拼裝施工。單循環(huán)完成后利用真圓矯正臺架定位輔助，在拼裝臺架上進(jìn)行下一循環(huán)作業(yè)。利用臨時錨固作用力，采用頂緊臺架對新安裝的管片進(jìn)行頂緊及微調(diào)作業(yè)，最終安裝至設(shè)計位置。

方案二要求只能利用隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境，首先完成仰拱結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)拼裝，在軌下結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)臺車軌道，然后進(jìn)行拱墻結(jié)構(gòu)安裝。臺車設(shè)計思路必須滿足軌下和拱墻結(jié)構(gòu)拼裝要求，因此臺車除方案一要具備的功能外，還要增加軌下結(jié)構(gòu)拼裝臺架，軌下結(jié)構(gòu)拼裝與拱墻結(jié)構(gòu)拼裝形成流水施工。臺車長度較方案一有所加長。利用頂緊臺架與軌下結(jié)構(gòu)安裝臺架合并的設(shè)計思路，加長頂緊臺架。利用桁架首先對軌下結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝，縱向安裝5節(jié)段以后，進(jìn)行節(jié)段張拉，張拉完成后進(jìn)行拱墻結(jié)構(gòu)拼裝及定位。拱墻結(jié)構(gòu)安裝臺架設(shè)計與方案一相同。

考慮現(xiàn)場安裝條件，由于預(yù)制拼裝襯砌首次應(yīng)用，其中卯榫塊設(shè)計已經(jīng)完成，安裝精度要求極高，若采用方案二則現(xiàn)場無法滿足首次拼裝試驗精度要求。因此最終采用方案一。仰拱結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)由吊車模擬洞內(nèi)環(huán)境，采用隨車吊進(jìn)行定位安裝，5個循環(huán)完成后進(jìn)行整體張拉、壓漿，待達(dá)到設(shè)計強度后進(jìn)行拱墻結(jié)構(gòu)拼裝。

經(jīng)過現(xiàn)場施工驗證，方案一經(jīng)濟可靠，滿足施工精度要求，能較好地完成預(yù)制裝配式襯砌施工任務(wù)。

2.2 裝配式襯砌臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

預(yù)制拼裝臺車設(shè)計主要包括拼裝臺架設(shè)計、真圓矯正臺架設(shè)計、頂緊臺架設(shè)計。須對各臺架構(gòu)件強度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，使其滿足使用要求。

預(yù)制裝配式臺車構(gòu)件均采用制式結(jié)構(gòu)H形鋼、工字鋼或槽鋼。常規(guī)臺車設(shè)計承受整個拱頂荷載及拱腰模板側(cè)壓力荷載，而預(yù)制裝配式臺車設(shè)計采用輕量化原則。預(yù)制裝配式臺車重點要保證安裝塊位置調(diào)整及整個拱頂部位盡快封閉成環(huán)，側(cè)墻A塊重量均由地面承受。因此裝配式臺車在滿足其各項調(diào)整、頂緊功能的前提下，須具備一定的機動性且具備結(jié)構(gòu)輕、可循環(huán)頂進(jìn)的性能。

計算裝配式臺車各臺架結(jié)構(gòu)受力。根據(jù)頂緊臺架受力計算結(jié)果，頂緊臺架在安裝B塊、K塊進(jìn)行頂緊工序時為最不利荷載工況；根據(jù)液壓千斤頂提供反推力計算，各液壓千斤頂提供10 kN推力；根據(jù)液壓千斤頂位置施加集中荷載，計算得出各構(gòu)件組合應(yīng)力最大值為80 MPa，見圖6。

圖6 頂緊臺架組合應(yīng)力（單位：MPa）

拼裝臺架最不利荷載工況為雙側(cè)B塊荷載安裝就位、K塊安裝時，臺架承受雙側(cè)塊壓力及安裝K塊壓力，見圖7。根據(jù)對拼裝臺架進(jìn)行建模計算，構(gòu)件組合應(yīng)力最大值為28 MPa。

圖7 拼裝臺架組合應(yīng)力（單位：MPa）

真圓矯正臺架主要以安裝完成的節(jié)段為基準(zhǔn)，為拼裝臺架提供隧道線形控制，受力較小，但其臨時錨固為頂緊臺架提供頂緊錨固力，作用在真圓矯正臺架上。根據(jù)頂緊力千斤頂設(shè)置，對真圓矯臺架進(jìn)行整體加載計算，其構(gòu)件最大組合應(yīng)力為35 MPa。

通過對預(yù)制裝配式襯砌臺車頂緊臺架、拼裝臺架、真圓矯正臺架進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計算，其構(gòu)件強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)場完成80 m預(yù)制拼裝襯砌任務(wù)，臺車結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，操作簡便。各結(jié)構(gòu)塊安裝精度較高，接口及止水帶安裝完成后，經(jīng)現(xiàn)場檢測無滲漏水，順利完成了各項標(biāo)定試驗。

2.3 裝配式襯砌臺車安裝及施工應(yīng)用

裝配式襯砌施工時，首先對仰拱結(jié)構(gòu)及軌下結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝。軌下結(jié)構(gòu)由管片預(yù)制廠家集中生產(chǎn)預(yù)制，運送至現(xiàn)場，采用跨隧龍門吊進(jìn)行拼裝［9］。軌下結(jié)構(gòu)劃分為1塊門形塊和2塊F形塊。運輸過程中，對構(gòu)件的邊角部混凝土采取橡膠墊塊墊襯加以保護(hù)。吊裝前復(fù)核軌下結(jié)構(gòu)構(gòu)件型號、尺寸，確保構(gòu)件沒有剝落缺損，并檢查復(fù)核基礎(chǔ)標(biāo)高、基礎(chǔ)中線。及時調(diào)整各塊定位，保證底部結(jié)構(gòu)安裝精度。在基礎(chǔ)面放樣中線和邊線，采用跨隧龍門吊先吊裝門形塊安裝定位。門形塊安裝定位好后吊裝F形塊，人工調(diào)整F形塊對齊門形塊螺栓孔后，插入直螺栓定位緊固，環(huán)向通過直螺栓與門形塊結(jié)構(gòu)連接緊固。軌下結(jié)構(gòu)環(huán)縫之間采用彎螺栓縱向連接。

仰拱結(jié)構(gòu)及軌下結(jié)構(gòu)安裝完成5環(huán)后，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行張拉、壓漿，待達(dá)到設(shè)計強度后進(jìn)行拱墻結(jié)構(gòu)拼裝。該預(yù)制裝配式混凝土隧道拱墻厚30 cm，軌下結(jié)構(gòu)厚30 cm，仰拱厚40 cm，每環(huán)寬2 m。首先采用龍門吊對仰拱結(jié)構(gòu)及軌下F形塊、門形塊進(jìn)行安裝，5環(huán)完成后進(jìn)行張拉、壓漿，提供拱墻節(jié)段拼裝工作面，在第一個工作節(jié)段采用龍門吊機拼裝臺車，見圖8。

圖8 臺車拼裝與預(yù)制塊安裝

跨隧龍門吊配合拼裝臺車先將拱墻A塊拼裝定位并進(jìn)行臨時加固，將鄰接塊B塊下端放在A塊上，中間加橡膠墊。拼裝臺車整體抬升，定位油缸伸長，將B塊臨時支撐固定。將管片拼裝臺架抬升后將封頂K塊用龍門吊吊放在管片拼裝臺架上，通過吊起油缸的收縮和上下定位油缸的收縮將鄰接B塊拼裝在K塊上，安裝內(nèi)外側(cè)螺栓，將B塊、K塊連接為整體。管片拼裝機攜帶B塊、K塊的管片整體下降，將管片準(zhǔn)確拼裝在A塊上，對位A塊、B塊螺栓孔，安裝內(nèi)外側(cè)螺栓，將拱墻連接為整體。

完成一個循環(huán)預(yù)制拼裝任務(wù)，采用錨固拉桿固定后將整個臺車前移，就位至下一拼裝位置，真圓矯正機利用已拼裝好的節(jié)段作為線形矯正，拼裝臺架繼續(xù)對下一節(jié)段預(yù)制塊進(jìn)行安裝及定位連接。

根據(jù)現(xiàn)場實際，管片結(jié)構(gòu)安裝過程中及時對現(xiàn)場臺車錨固點及隧道中心線進(jìn)行觀測。首次拼裝作業(yè)開始前要對整個臺車加工構(gòu)件安裝是否到位進(jìn)行全方位檢查；過程中不斷進(jìn)行緊固，保證臺車中各部件同步性，尤其是各臺架之間銜接處應(yīng)派專人盯控。

根據(jù)現(xiàn)場對80 m預(yù)制裝配式襯砌施工，臺車各構(gòu)件變形量均保證在2 mm內(nèi)，臺車整體剛度設(shè)置合理，頂緊及推移過程銜接順暢，工人操作空間及平臺設(shè)置合理，配合龍門吊及洞內(nèi)吊車，一天可完成40 m預(yù)制裝配任務(wù)，且預(yù)制拼裝節(jié)段外觀質(zhì)量較好，止水帶未出現(xiàn)滲漏?，F(xiàn)場施工完成后如圖9所示。此次應(yīng)用極大地推動了預(yù)制裝配式隧道技術(shù)應(yīng)用，臺車設(shè)計方法經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用安全、有效。

圖9 預(yù)制拼裝隧道完成效果

預(yù)制裝配式及現(xiàn)澆明洞臺車均為國內(nèi)首次設(shè)計，在原有臺車設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，圓滿地完成了隧道施工任務(wù)。

3 結(jié)語

本文結(jié)合高速鐵路預(yù)制裝配式混凝土襯砌隧道施工，全面總結(jié)了現(xiàn)澆明洞襯砌臺車、預(yù)制裝配式襯砌臺車設(shè)計經(jīng)驗及應(yīng)用成果，通過對裝配式襯砌臺車結(jié)構(gòu)安全性及功能性設(shè)計，總結(jié)了一套裝配式隧道臺車設(shè)計的方法。首次應(yīng)用頂緊臺架、拼裝臺架及真圓矯正臺架進(jìn)行組合設(shè)計，各臺架協(xié)同工作，在輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)上滿足預(yù)制裝配施工要求。根據(jù)結(jié)構(gòu)檢算，拼裝臺車各結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足強度、剛度及穩(wěn)定性要求。預(yù)制裝配式臺車設(shè)計在功效及操作工作面的條件限制下，軌下結(jié)構(gòu)、仰拱結(jié)構(gòu)拼裝臺車應(yīng)該與拱墻結(jié)構(gòu)臺車設(shè)計分離，以滿足現(xiàn)場流水作業(yè)需求。