液压衬砌台车的设计和应用

摘 要：本文主要介绍了液压衬砌台车的设计原理、结构和优点、主要组成部件，对液压衬砌台车的侧模板进行了受力分析，在工程施工中的应用，并简要介绍了安装技术。

关键词：液压衬砌台车；组成部件；受力分析；安装

随着我国现代化建设步伐的加快，铁路、城市地铁、公路等基础建设项目，是目前我国基本建设的重点，高速公路建设中的大截面隧道工程日益增多，建设单位对隧道施工的质量要求高，工期短，为获得高质量混凝土的衬砌，快速完成隧道施工中混凝土的衬砌工作，人工衬砌和小型模板衬砌已逐渐被液压衬砌模板台车所取代。由于隧道的断面千差万别，衬砌台车的尺寸也不尽相同，故而它是隧道二次衬砌施工中的一种大型非标准机械设备，是保证隧道施工质量的核心关键技术。

1 液压衬砌台车的设计原理

液压衬砌台车主要用于中长隧道施工中，对施工进度、混凝土表面质量要求较高。液压衬砌台车设计为整体钢模板、液压油缸脱立模，施工中靠丝杆千斤顶支撑，电动减速机自动行走，长度9～12m，曲线段的衬砌台车长度一般控制在10m内，在满足通过净空要求的情况下，应考虑门架内侧斜支撑下部安装位置，尽可能靠近立柱下部，使之受力最好。门架横梁应足够高，常规铁路隧道不小于400mm，公路隧道不小于5500mm。模板端面与门架间的调整最小距离不小于250mm，否则将造成前后衬砌段搭接困难。使用液压衬砌台车时应注意两侧走行轨的铺设高差不大于1%，否则将造成丝杆千斤和顶升油缸变形。在有坡道的隧道内衬砌时，为了调整衬砌标高，会造成台车前后端的高差、模板端面与门架端面不平行，将使模板与门架之间形成很大的水平分力，造成模板与门架之间的支撑丝杆千斤错位，导致千斤、油缸损坏。因此在设计时，应充分考虑前后高差造成水平分力的约束结构或调整系统。在定位立模时必须安装卡轨器，旋紧基础丝杆千斤、门架顶地千斤和模板顶地千斤，如有必要还可采用其它措施加固下模拱脚位置，使门架受力尽可能小，防止跑模和门架变形。

2 液压衬砌台车的结构与优点

液压衬砌台车在构造上分为钢骨架和衬砌外模板两大部分，主要由模板与支架总成、门架总成、支撑系统、行走系统、工作平台、电器系统及液压系统等组成。电机驱动自动行走，液压系统进行调节，与以往的简易衬砌台车相比具有明显的优点[1]：

（1） 钢模板在工厂加工，尺寸误差小，制作精确度高。

（2） 台车整体好、刚度大、稳定性好，台车模板使用周期长。

（3） 自动行走，就位方便，操作简单、灵活。

（4） 模板的就位、调整和支撑均采用液压设备进行，当拱板调整好后，局部用螺旋千斤顶加固支撑，作业方便，减轻劳动强度，而且浇筑中模板支撑牢固减少变形。

（5） 模板搭接平顺，不跑模、不漏浆、无蜂窝麻面。

3 液壓衬砌台车的加工方案

3.1 液压衬砌台车主要组成部件

液压衬砌台车（如图1所示）主要由模板总成、托架总成、平移机构、门架总成、行走机构、液压系统、支撑千斤顶等组成。

（1）模板总成

1.千斤顶 2.侧向油缸 3.模板总成 4.门架总成 5.平移机构

6.液压缸 7.托架机构 8.行走系统 9.枕木 10.钢轨

图1 液压衬砌台车结构

模板是直接衬砌混凝土的工作部件，是由螺栓联为一体的数块顶模和侧模组成，顶模与侧模采用铰接，侧模可相对顶模绕销轴转动，支模时，顶部液压缸将顶模伸到位，再操纵侧向液压缸，将侧模伸到位，调整顶部、侧部支承丝杠、完成支模；收模时，按上述相反顺序实施，不需拆模板。采用衬砌台车提高了衬砌质量和施工效率，降低了劳动强度，另外在顶模上安装有数台附着式振动器，供混凝土振捣用，每块模板上有工作窗口，用于灌注混凝土。

（2）托架总成

托架主要承受浇铸时上部混凝土及模板的自重，它上承模板，下部通过液压油缸和支承千斤传力于门架。托架由两根纵梁、两根边横梁、多根中横梁及立柱组成。纵梁、横梁、立柱由钢板焊接成Ⅰ字形或Ⅱ字形截面。

（3）平移机构

一台液压台车，平移机构前后各一套，它一般支承在门架边横梁上。平移机构上的液压油缸（GE160/90─300）与托架纵梁相连，通过油缸的收缩来调整模板的竖向定位及脱模，其最大行程为300mm；而水平方向上的油缸（GE90/50─200）用来调整模板的衬砌中心与隧道中心是否对中，左右可调行程为100mm。

（4）门架总成

门架是整个台车的主要承重构件，它由横梁、立柱及纵梁通过螺栓联接而成，各横梁及立柱间通过联接梁及斜拉杆联接。液压台车的主要结构由钢板焊接，整个门架保证有足够的强度，刚度和稳定性。门架主要部件由钢板焊接成I或Ⅱ字形截面，斜支承采用工字钢或槽钢，各联接梁采用槽钢、工字钢或角钢。衬砌施工时，混凝土载荷通过模板传递到门架上，并分别通过行走轮和支承丝杠传至轨道地面。

（5）行走机构

行走机构由主动、从动两部分组成，共4套装置，分别安装于台车架两端的门架立柱下端，整机行走由2套主动行走机构完成，即行走电动机带动减速器，通过链条传动，使主动轮驱动整机行走，从动轮随动。行走传动机构带有液压推杆制动器，以保证整机在坡道上仍能安全驻车。

（6）液压系统

由电动机、液压泵、手动换向阀、垂直及侧向液压缸、液压锁、油箱及管路组成，其功用是快捷、方便地完成支收模、即顶模升降和支承侧模。手动换向阀分别控制模板垂直升降和两侧模的侧向伸缩，当液压缸将模板支承到位后，再调整支承丝杠到位，灌注混凝土对模板产生的垂直和侧向载荷主要由液压缸和丝杠承载。

3.2 液压衬砌台车模板受力分析

台车在衬砌过程中，两侧边模主要受砼的侧向挤压力，顶部模板主要受砼的压力，门架部份既受侧向力又受正压力。这里，我们主要对侧模板进行受力分析。

（1）侧压力的确定

侧压力只与浇筑混凝土的高度有关，与其厚度无关。根据 “现浇砼结构模板的设计”可知侧压力公式[2]为：

F——新浇筑砼对模板的最大侧压力， KN/m2；

rc——混凝土的重力密度，KN/m3；

t0——新浇筑混凝土的出时间（h）可按实测确定，当缺乏试验资料时，可采用t0=200/（T+15）计算，其中T为混凝土的温度℃；

V——混凝土的浇筑速度，m/h；

β1——外加劑影响修正参数，不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2；

β2——混凝土坍落度影响修正参数，当坍落度小于30mm时取0.85， 50～90mm时取1.0， 110～150mm时取1.15。

（2）侧模板的受力简析

模板的作用是保持隧道衬砌混凝土浇筑的外形及承担混凝土浇筑载荷。模板一般分为顶模板、侧模板、翻转模，主要由面板、边裙、加强角钢、挡头板、连接铰耳构成。以下主要对侧模板的面板和加强角钢进行受力分析。

侧模面板厚度一般取10mm，加强角钢选用∠75×75×8，按间距230mm布置，将侧压力视为均布载荷，故：

式中，q——面板的计算载荷；

F——侧压力。

弯矩计算公式为：

式中，l——面板的宽度；

模板刚才Q235，10mm厚钢板和∠75×75×8角钢的截面抵抗矩[3]分别W1和W2为：

W1=1.6×10-5 m3

W2=2×1.08×10-5 m3

设计应力：

若σ

4 液压衬砌台车的应用

液压衬砌台车在赣龙隧道、中南通道武家岭隧道、准池铁路、沪昆铁路、张唐铁路等工程施工中得到广泛应用，台车性能良好，结构合理，衬砌质量好。

（1）当隧道开挖偏离中心时，可通过台车的模板调整机构达到调中、满足了设计和施工要求。

（2）台车有足够的刚度和强度，在液压缸和支承丝杠的联合作用下，能抵抗混凝土强大的垂直和侧向压力，台车不发生变形，由于各支点设计布局合理，有效的利用了台车自身的重量和混凝土重量的压力，保证了台车浇注混土时克服混凝土的上浮作用。

（3）工作窗口布局合理，两侧浇注混凝土和振捣作业方便，顶部设有注料口和附着式振动器，注入混凝土方便，且不需要人工捣固，减轻了施工人员的劳动强度。

（4）大片钢模结缝严实，混凝土捣固设施齐备，混凝土密实无蜂窝、斑点、错台现象发生，表面光滑、平整、美观。

5 液压衬砌台车的安装

因隧道施工方法不同，台车安装方法分为洞外安装后自行进洞和洞内吊装两种。若采用洞内安装，应事先将安装地带开挖轮廓适当放大，一般放大50～80cm。并根据隧道断面大小及台车长度，在拱部沿轴线设注浆锚杆3—6支，间隔约为1/4模板长度，并将锚杆端部弯成弯勾，以利固定手拉葫芦。因洞内空间有限，运输台车部件应合理安排先后顺序。先将主架组装好并接好行走电机，以便安装模板。顶模板拼装好后用手拉葫芦吊起，移动台车主架到顶模板下，安装顶模。侧模板侧立在隧道边墙上，待顶模安装好后依次用手拉葫芦吊起安装在拱模板上，并用销子连接。若采用洞外吊装，吊装前应选择便于进洞的安装地段，安装完后台车轴线与隧道轴线夹角应不大于5度。对于铺设轨道，枕木和钢轨必须合乎要求，铺设后轨距误差控制在±10mm以内；轨道与枕木必须用道钉固定，防止台车行走时发生危险；枕木间距不得大于70cm，以免钢轨被压断。

6 结束语

目前，液压衬砌台车对于提高隧道施工效率和衬砌质量发挥着至关重要的作用。采用液压衬砌台车，提高了机械化施工能力，降低了劳动强度，减少了作业时间，有效防止不安全因素的发生，并且提高了混凝土的衬砌质量，混凝土密实无蜂窝麻面、表面光滑平整[1]，接缝错台小，保证了混凝土施工的整体外观和内在质量，具有良好的经济效益和社会效益，在隧道施工中应广泛推广应用。

参考文献

[1] 郑昌驻.液压衬砌台车在隧道曲线段的应用[J].中国科技信息，2007.3：56-58.

[2] 《建筑施工手册》[M].北京：建筑工业出版社，1997.

[3] 吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京：化学工业出版社，1999.1.

作者简介

韩雪梅（1973- ），女，工程师，2003年毕业于华北水利水电学院水利水电工程建筑专业。