隧道仰拱栈桥设计技术与安全管理初探

王力

【摘 要】隧道施工中简易仰拱栈桥目前被广泛应用，针对简易仰拱栈桥的设计及使用过程中的安全问题也逐渐凸显出来，这些安全问题通过加强设计与安全管理工作是可以避免的。本文依托龙厦铁路象山隧道施工中在简易仰拱栈桥广泛应用初期的设计和安全应用管理进行阐述，并展望了移动栈桥在仰拱栈桥中的应用。

【关键词】隧道；仰拱栈桥；安全管理

1工程概况

1.1隧道施工中仰拱栈桥的使用

新建龙岩至厦门铁路设计时速为200km/h，客货共线。其中ZD-1标象山隧道是全线重点控制性工程，设计为双洞单线，左、右线分别长为15898m、15917m。隧道仰拱超前衬砌采用一次全幅灌注方式，为解决仰拱施工与开挖运输作业面的干扰，采用仰拱栈桥来保证仰拱施工时运输道路的通畅。

1.2隧道简易仰拱栈桥安全风险分析

仰拱是隧道结构的基础，它要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效的传递到地下，而且还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。实际上它是能承受地层永久荷载和路面临时荷载（动荷载）的一种地基梁（板）。仰拱作为隧道主要结构之一，为防止运营期间出现路面沉降开裂，翻浆冒泥病害及结构失稳等，目前在隧道设计中均要求全幅施工，所以在钻爆法施工的隧道多采用栈桥配套方法进行仰拱施工。自仰拱全幅设计、施工要求后，简易仰拱栈桥便量的在隧道施工中应用，但由于加工无设计或设计检算不规范，简易仰拱栈桥的安全稳定性及仰拱施工期间安全管理不到位等问题，极易引发栈桥变形、断裂，或车辆侧翻、掉落栈桥等风险，引发生产安全事故等。

2象山隧道仰拱栈桥设计与验算

2.1行走车辆及验算荷载

隧道施工期间通过仰拱栈桥的主要施工机械有ZL50D装载机、CAT320C反铲挖掘机、后四轮自卸汽车、WOHO混凝土运输车等。其中需要进行仰拱混凝土浇筑，自重（含载重）最大的是WOHO混凝土运输车，其空车重13.1t，最大运载量为10m3，满载时最大重量为37.1t。

因此，以WOHO硅运输车满载时作为仰拱栈桥的验算荷载。其前桥重量为7.1t，后桥重量为30t；前中排轮距为4.0m，中后排轮距为1.4m。由此可得，前排轮单则承载3.55t，后桥由间距1.4m的中后排轮承载，单侧每排轮承载7.5t。

2.2棧桥长度、宽度及每片板梁工字钢数量的确定

仰拱视围岩情况单次捡底6～8m，若按最大8m计算，预留工作面1m，则栈桥的跨度确定为9m。仰拱栈桥全幅由两片板梁组成，单片板梁宽1.2m，两片板梁中心距离1.9m（砼运输车的轮距），则栈桥的外缘宽度3.lm，内缘宽度0.7m。每片梁板采用5根12m的工30b工字钢，两端与仰拱槽各搭接1.5m。工字钢之间横向每隔1.5m采用工I18a工字钢焊接，使板梁形成整体，并在桥面采用5mm厚钢板或φ22螺纹钢进行横向连接。假设此横向联结刚度足够大，计算时不考虑行车荷载的横向分布系数，板梁作为一个整体共同变形。

2.3最不利受力状态下结构验算

2.3.1计算简图

由于砼运输车单排轮接地长度为0.2m，对于桥的跨度9m而言，可视为集中荷载，工字钢自重与其上的荷载相比较小，计算时暂不考虑，故37.lt汽车的移力荷载通过仰拱单幅栈桥时的荷载可简化为3个集中荷载（P1=75KN，P2=75KN，P3=35.5KN）同时作用于一简支梁上，该简支梁一侧固定铰支，另一侧可动铰支，受力简图如图1所示。由于砼运输车在隧道内施工段的行车速度一般控制在5-10km/h，通过栈桥时限制在5km/h，故可以不考虑行车的动载效应。

在土建工程中，梁的挠度要求一般为跨长L的1/250～1/1000，若容许挠度取L/250，则[f]=3.6cm，f<[f]。仰拱栈桥的刚度条件基本能满足要求，能正常工作，但富余量不大，在加工过程中，必须采用在工字钢腰部增焊钢板的形式进行补强。

2.4 不同跨度和型材条件下栈桥验算结果

按上述方法对不同跨度和不同型材组合的栈桥进行验算，计算结果见下表1。

上述计算是基于栈桥单幅板梁中多根工字钢间有可靠的横向联结、多根工字钢作为一个整体共同受力进行的。单幅板梁中多根工字钢可靠的横向联结是防止工字钢侧翻或单根工字钢因受力、变形过大引起栈桥失稳的重要手段，施工中必须保证单幅板梁中多根工字钢有可靠的横向联结。

2.5栈桥选用

根据本工程仰拱施工需要，为保证施工安全，决定采用由5根130b工字钢组成的栈桥，具体尺寸详见附图。在栈桥使用过程中，必须保证跨度小于9m，两片栈桥标高一致，间距均等，行车速度不得大于5km/h，以保证施工安全。

3.简易仰拱栈桥安全管理

3.1隧道内空间狭窄、作业面受限，运输量大、车辆频繁通过栈桥，针对仰拱栈桥作为安全管理的危险源纳入安全生产管理，针对栈桥人员、车辆通行设置专项制度，

3.2仰拱栈桥设计必须经过严格的检算，考虑长期频繁移动，安全系数不得小于1.5。重点对施工结构不力荷载及强度、挠度等进行检算，确保其具有足够的强度和安全系数；仰拱栈桥设计时，其承载力不得小于最大通行荷载的1.5倍，以满足预留安全系数的要求；仰拱栈桥设计时，其最大挠度f/L不得大于1/250；栈桥加工焊缝应饱满、连续，焊缝高度不小于6mm、宽度不小于8mm。

3.3仰拱栈桥就位时，要保证安设平整和安设宽度满足不同轮距的车辆均能通过仰拱栈桥。栈桥必须设置防滑措施，仰拱栈桥上部的残余混凝土和碴块、泥水必须设专人及时清除，防止车辆震颤、打滑，引发车辆倾覆等事故。

3.4移动机械，或车辆通过栈桥时必须鸣笛、减速，限速5km/h缓慢通过，并且栈桥下方严禁人员施工，确保施工安全。

3.5施工机械必须定期保养，使其保持良好的工作状态，安全装置要齐全，所有机具设备的操作人员必须经过严格训练，持证上岗，并严格遵守操作规程，严禁违章作业。

3.6施工过程中，应加强栈桥挠度观测和控制，定期进行检查，发现挠度超过要求应及时检修；应加强栈桥各焊接部位的质量检查，发现有焊缝脱落、焊缝开裂，应及时补焊；应加强栈桥主梁工字钢、上下钢板的质量检查，发现有开裂、塑性变形、疲劳破坏，应及时修补加强。

4.结论

简易仰拱栈桥结构简单牢固，制作方便，造价低，自重小，操作工艺简单，同时根据不同的隧道开挖进度及养护时间需要，配备相应数量的仰拱栈桥来满足施工，使用灵活，具有一定的优势。但从隧道施工机械化配套及安全管理角度出发，可以从以下方面对仰拱栈桥进行改进：一是在满足承受施工荷载和稳定的情况下，采用轻质高强代替型钢钢材，以减小栈桥的自重，使可移动仰拱栈桥更加灵活；二是增加自动行走系统，使可移动仰拱栈桥就位更加方便快捷。通过在传统栈桥的基础上增加行走设施、安装液压系统以及电气系统等措施，方便移动；三是加大栈桥跨度、增加栈桥转向和升降等功能改造，使得隧道施工的空间相对得以拓展，整个施工作业面可以平面展开，在保证栈桥上各种车辆设备正常通行不影响掌子面施工的情况下，桥下同时进行隧道的仰拱初期支护、钢筋绑扎等施工，减小施工干扰，降低交叉作业的安全风险。

参考文献：

[1]杨忠，蒋宗全，朱秀军，朱浩波，周永.仰拱栈桥在铁路隧道施工中的运用[J].铁道建筑，2010年12期.

[2]王军涛.太行山隧道8#斜井工区仰拱栈桥施工技术[J].隧道建设，2007年z1期.