高速铁路隧道仰拱全工序履带式栈桥设计与应用

薛江松， 李金鹏

(1. 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450003； 2. 石家庄铁道大学， 河北 石家庄 050043)

0 引言

高速铁路隧道仰拱衬砌采取全幅施工，仰拱弧型面一次成型，纵向不留施工缝，仰拱与仰拱回填分层浇筑。仰拱衬砌配套工艺工装是影响隧道仰拱施工质量、进度、成本的关键因素，研制新型仰拱栈桥，集成仰拱衬砌机械化施工装备，对于保证仰拱衬砌质量、提高仰拱施工效率、降低仰拱施工成本具有重要意义。

针对高速铁路隧道仰拱施工装备，国内外学者已有较多研究。文献[1]中设计的新型组合弧形钢模板解决了仰拱与边墙一次浇筑成型的问题； 文献[2]中设计的简易栈桥解决了仰拱施工区域车辆正常通行的问题； 文献[3]中设计的加长型仰拱栈桥减少了仰拱模板的立模时间； 文献[4-6]中设计的自行式仰拱栈桥和下挂式仰拱模板，解决了整车移动以及模板定位、脱模机械化作业； 文献[7-8]以铁路隧道仰拱机械化施工资源配置情况为例，定量分析了隧道施工安全、进度、质量和经济等指标，认为隧道仰拱机械化配套施工具有良好的经济性。上述研究解决了隧道施工车辆正常通过仰拱施工区域的问题，但当前、后行走路面高差大以及路况环境差时，栈桥移动难问题尚未得到很好解决，且仰拱施工辅助工装机械化程度低，仰拱模板和中心水沟模板移动及定位依靠人工实现，导致模板定位精度低、仰拱衬砌纵向直线度误差大，严重影响仰拱施工质量。

本文根据高速铁路隧道仰拱施工要求，研制出新型仰拱施工装备，将栈桥底部分成3个有效作业区域，每个作业区域设计了独立、操作性强的施工装备，采用四杆机构和液压系统，将仰拱模板悬挂在栈桥两侧，设计纵向梁，提高模板直线度，并采用液压履带行走机构，解决了仰拱模板定位精度差和栈桥行走机构难以适应隧道仰拱施工恶劣工况的问题。

1 研究背景

1.1 工程概况

郑万(郑州—万州)高铁是联系西南地区和中原地区的主要客运快速通道，线路自郑州经平顶山、南阳、邓州、襄阳至重庆万州，全长约785 km。向家湾隧道位于湖北兴山至巴东北区间，中心起始里程为DK584+091.62，全长4 663.24 m，最大埋深为1 025 m。隧道设计为14‰和30‰的单面上坡，属Ⅰ级高风险低瓦斯隧道(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩占比分别为35%、56%、9%)，采用钻爆法大型机械化配套施工。隧道地质主要以灰岩、碳质页岩为主，岩层中—强风化，节理裂隙相对发育，地质情况复杂，施工安全风险高。

1.2 仰拱全工序履带式栈桥设计要求

针对向家湾隧道进口施工组织特点，在保证设备基本功能的前提下，需要对栈桥性能进一步优化，主要内容如下。

1)栈桥行走驱动部分。考虑到前端行走路面为平整度极差的仰拱初期支护面，后端行走路面为仰拱回填面，需满足前、后端行走路面标高不同的要求，而且整车要移动快速、性能稳定、操作简便，无其他设备辅助，一人即可完成整车的移动。

2)根据隧道仰拱施工组织安排，仰拱基底清理、钢筋绑扎、仰拱衬砌、仰拱回填等仰拱全工序作业时间与前端掌子面开挖全工序进度同步(Ⅳ级围岩施工进度为8 m/d)。

3)根据隧道仰拱施工要求，仰拱衬砌采取全幅施工，两侧弧型面与底部拱形一次成型。为提高施工效率，仰拱模板的定位和移动必须具备操作方便、定位快速准确的特点，同时为保证施工质量，仰拱模板采用的连接方式需能避免主桥上车辆通行引起振动。

2 仰拱全工序履带式栈桥系统设计

2.1 栈桥的结构组成

根据向家湾隧道施工组织要求，结合隧道断面图，栈桥主结构采用贝雷梁的设计技术[4]，保证施工车辆正常通行，桥面车辆通过区域宽度设计为3.6 m，桥面设计额定载荷为50 t。栈桥总长51.6 m，其结构组成见图1。

图1 栈桥整体结构图(单位： mm)

2.2 栈桥的主桥设计

传统高速铁路隧道仰拱施工工艺流程如下： 测量放线(分段、高程控制、中线控制)—清底—栈桥就位—施作初期支护(或找平)—钢筋绑扎—立模(安装纵向止水带)—浇灌仰拱混凝土—填充堵头立模、中心水沟安装、横向排水管安装—填充混凝土强度达到2.5 MPa后脱模—养护—混凝土达到设计强度—移动仰拱栈桥进行下一循环施工[3]。各工序需要在同一区域按照工艺流程逐步实施。为提高施工效率，该栈桥主桥有效工作长度设计为36 m，分3个作业区域，其中： 第1个作业区域为基础底面清理、钢筋绑扎工作区； 第2个作业区域为仰拱衬砌、仰拱回填工作区；第3作业区域为仰拱养护工作区。考虑主桥前、后端搭接长度不小于1 m，预留行走机构安装空间，主桥设计总长为42.8 m，采用工字钢拼接成贝雷梁结构，主桥梁身高度为2.3 m。

2.3 栈桥前、后坡桥的设计

前坡桥是桥面行车道与仰拱开挖面之间的过渡部件，后坡桥是桥面行车道与仰拱回填面之间的过渡部件。前、后坡桥与行车道之间采用铰接方式连接，通过2根液压油缸驱动，实现坡桥的起升和降落，为保证车辆正常通行，考虑车辆重载爬坡能力，结合钢结构尺寸，前坡桥设计坡度为19%，后坡桥设计坡度为16%[6]。

为保证前坡桥提升系统性能的稳定，结构和驱动部分的设计是重点。设计考虑将坡桥升降油缸设置在坡桥底部，油缸铰接机构耳板中心孔采用50 mm长孔[7]，油缸通过一联换向阀控制，主油路高压油液经过一个液压锁，然后通过三通分流，分别流入2根升降油缸，解决了前坡桥起升后，底部可操作空间小，不容易清理坡桥下部虚碴的问题，实现了坡桥和坡桥油缸长期处于浮动状态，可防止虚碴面回填不密实、液压系统流量差异导致坡桥油缸损坏的问题。经过改进后的坡桥结构见图2，在油缸定位长度不改变的情况下，坡桥前端可实现200 mm的上下浮动(见图2中状态1和状态3比较)； 改变油缸定位长度，坡桥下端可提供3 900 mm高的作业空间(见图2状态2)。

图2 栈桥前坡桥结构图(单位：mm)

2.4 栈桥驱动系统的设计

栈桥驱动系统是栈桥的核心部件，其功能的稳定性、安全性、可操作性是评价栈桥设备性能的关键技术指标。国内近几年研制出了不同形式的栈桥驱动方式，主要有4种，每种驱动方式的优缺点见表1。

表1 国内几种栈桥驱动方式优缺点对比

根据表1的对比分析，为提高仰拱施工效率，栈桥驱动采用液压履带，履带与主桥间通过铰接销连接，采用旋转芯盘，实现履带360°旋转，可有效调整栈桥行走过程中产生的左右偏差。履带的主要参数如下： 液压系统流量设计为32 L/min，行走速度为5 m/min，驱动马达转矩为60 000 N·m，额定载荷为50 t[9]。

2.5 栈桥仰拱衬砌系统的设计

为实现仰拱全幅一次成型和仰拱模板快速、准确定位，栈桥仰拱衬砌系统设计思路是将仰拱模板与主桥加工成整体[7]，通过主桥两侧设置连杆机构，采用可调节支撑丝杆连接主架与仰拱模板，实现图3所示的平行四边形仰拱模板支撑系统。在该平行四边形对角线上设计模板提升油缸，通过改变油缸长度和调整仰拱模板支撑系统平行四边形对角线长度，实现仰拱模板相对位置的改变，最终依靠油缸液压锁稳定模板支撑体系，实现仰拱模板的定位和脱模[10]。改进后的仰拱模板支撑系统具体结构见图3，图中左侧为模板定位状态，支撑丝杆长度分别为1 259 mm和1 884 mm，模板提升油缸长度为1 200 mm； 右侧为模板脱模状态，支撑丝杆长度分别为1 071 mm和1 882 mm，模板提升油缸长度为800 mm。通过改变支撑丝杆1和提升油缸的长度，实现仰拱模板的精准定位和脱模，脱模空间离已衬砌仰拱面最小距离为211 mm。

图3 仰拱模板定位、脱模状态图(单位： mm)

Fig. 3 State diagram of invert formwork locating and demoulding(unit： mm)

2.6 栈桥辅助工装的设计

为提高环、纵向仰拱止水带的安装质量，栈桥采用4 mm厚轻质钢板，按照仰拱弧度设计了双层弧形仰拱钢堵头板，实现环向止水带精确定位； 通过纵向梁附加夹具的结构形式，配合1 t紧线器，可提高纵向止水带的直线度，保证止水带的安装质量[11]。

为提高仰拱回填的施工速度，将仰拱回填堵头模板和中心水沟模板都设计成整体结构，采用液压油缸驱动，实现模板快速定位及脱模。在对中心水沟结构设计时，为保证水沟整体脱模，其截面加工成具有一定拔模角度的梯形截面，具体结构见图4。

1—止水带夹具； 2—模板支撑体； 3—仰拱回填堵头板； 4—中心水沟模板； 5—仰拱堵头板； 6—仰拱模板。

图4 Ⅳ级围岩仰拱衬砌正视图(单位： mm)

Fig. 4 Front view of invert lining in Grade Ⅳ surrounding rock(unit： mm)

2.7 栈桥主要部件强度校核

主桥是栈桥主要承力部件，考虑主桥两侧悬挂仰拱模板，主桥必须具备足够的强度和刚度。因此，必须对主梁的抗弯性能和挠度进行校核，整车三维模型见图5。

图5 栈桥三维模型图

2.7.1 主桥受力分析

分析主梁在不同工况条件下的受力状态，其承受的外力包括： 1)载荷1， 栈桥允许通过最大车辆质量为50 t； 2)载荷2， 主梁自重G=70 t。其中： 载荷1简化为集中载荷，集中载荷F1=500 kN； 载荷2简化为均布载荷，均布载荷集度q=G/L=18 kN /m，L为主梁受力模型两支点间距离，取为39 m。

当载荷1运行至主梁前、后支撑中间点时，主梁该处产生的弯矩最大。最大弯矩Mmax=F1×L/2+q×L2/8=13 172 kN·m， 其受力简图见图6。

图6 主梁受力图(单位： mm)

2.7.2 主桥强度校核

假设主梁截面为等截面梁，主梁剖面见图7。通过核算，该截面的抗弯系数W=105 248.1 cm3。

图7 主梁剖视图

主梁危险截面在最大弯矩作用下的应力σ=Mmax/W=125.15 MPa。主梁所用材料为Q235，其极限应力σs=235 MPa，取其安全系数ns=1.8，则其许用应力[σ]=σs/ns=131 MPa[12]。主梁危险截面应力小于主梁材料的许用应力，主梁的强度满足要求。

2.7.3 主桥刚度校核

主梁简化为简支梁，在均布荷载和集中载荷共同作用下，最大挠度在前、后端支撑点中心位置，扰度计算公式[13]为：

Ymax=5qL4/(384EI)+ 8FL3/(384EI)。

(1)

式中：Ymax为梁跨中的最大挠度，mm；q为均布线荷载标准值，取为18 kN/m；E为钢的弹性模量，对于工程用结构钢取为210 000 N/mm2；I为主梁的截面惯矩，取为1.1×1011mm4；L为主梁支撑点间距，取为39 m；F为集中荷载，取为500 kN。

将相关数据带入式(1)，得Ymax=50 mm。根据钢结构设计规范，梁的扰度必须小于L/400=97.5 mm，计算梁的挠度为50 mm，主梁的刚度满足要求。

2.8 栈桥的主要参数

根据对全工序履带式栈桥的系统设计和对重要部件强度、刚度的校核，最终确定栈桥的主要技术参数，见表2。

表2栈桥主要技术参数

Table 2 Main technical parameters of full process crawler-type invert trestle

项目 参数 整车外形尺寸(长×宽×高)/(mm×mm×mm)51 600×13 000×5 130工作长度/m36额定载荷/t50行车道宽/mm3 600前、后坡桥坡度19%、16%模板脱模方式液压式栈桥移动方式液压履带式整车自重/t96

3 仰拱全工序履带式栈桥现场应用

3.1 仰拱施工工艺

向家湾隧道采用钻爆法加强型机械化全断面施工工法，本栈桥主要针对Ⅳ级围岩施工，仰拱清底后，栈桥移动就位，栈桥底部3个作业区域同步作业。

3.1.1 仰拱钢筋绑扎

根据仰拱施作长度(12 m)，提前把仰拱钢筋采用挤压套筒连接至设计仰拱长度，钢筋搭接长度符合设计要求； 通过仰拱弧形模板和初期支护的间隙，把仰拱钢筋放置在仰拱初期支护上，按照设计要求，分层绑扎钢筋[14]。

3.1.2 仰拱弧形模板定位，堵头板、止水带安装

通过操作液压油缸控制手柄，按照图3所示仰拱模板定位尺寸，结合测量放样，确定仰拱模板位置，使仰拱模板准确定位。模板前后采用定制工装，通过精轧螺纹钢专用螺母将模板固定，防止模板上下浮动(现场加固照片见图8)，然后将油缸、支撑丝杆销轴拆除，防止车辆通行产生的振动影响仰拱衬砌质量。利用双层弧形仰拱钢堵头板，实现环向止水带精确定位。利用纵向止水带夹具，调整夹具水平长度，配合1 t紧线器，实现纵向止水带平直安装。

图8 仰拱模板端部的固定方式

3.1.3 仰拱混凝土浇筑

混凝土罐车行至栈桥上，采用梭槽浇筑混凝土。底部仰拱采取分片分层浇筑，采用插入式振捣器，加强混凝土振捣摊铺。仰拱模板底部混凝土的浇筑顺序为先从中间模板上的泵送口压入混凝土再从仰拱两侧口压入混凝土，采用附着式平板振动器振捣。混凝土浇筑速度不宜太快，浇筑速度不超过30 m3/h。

3.1.4 立仰拱回填堵头模板和中心水沟模板

通过操作液压油缸控制手柄，将仰拱回填堵头模板与中心水沟同时定位，人工调整模板位置，保证模板与仰拱端部对齐，避免仰拱与仰拱回填端面有较大错台。

3.1.5 仰拱混凝土养护

为加快混凝土强度增长，保证栈桥移动前后端行走区域混凝土强度达到5 MPa以上，要求混凝土浇筑完成后立即开展养护工作，仰拱表面及时使用土工布或草垫覆盖，避免行车过程中的杂物掉落至回填混凝土内，根据隧道空气温度和湿度及时喷水养护。

3.1.6 仰拱施工工艺流程

仰拱施工每道工序需要的人员、材料、施工机械按照铁路隧道施工定额进行配置，3个作业区域具体工作内容及工序循环时间见图9。

3.2 栈桥施工现场使用情况

仰拱全工序履带式栈桥应用在郑万高铁湖北段9标向家湾隧道进口施工现场，整体性能达到前期设定的目标要求，满足仰拱施工要求。现场应用照片见图10。

3.3 仰拱施工质量

保证仰拱模板直线度误差和定位精度是控制仰拱衬砌质量的关键。相对于普通仰拱栈桥衬砌模板难以精确定位、容易跑模和施工质量难以保证，导致后续隧道拱墙衬砌台车搭接困难、纵向施工缝错台严重的问题，全工序仰拱栈桥配置的仰拱模板整体刚度好，模板组装完成后直线度误差小，且采用液压油缸辅助定位，定位精度高，避免了上述问题，并能使混凝土达到内实外美的效果，仰拱堵头板封堵牢固，止水带安装位置符合设计规范，能避免浇筑时止水带变形(形成波浪形)影响隧道防水效果的问题[15]。

图9 仰拱施工工序及其时间统计图

(a) 栈桥后端(b) 栈桥全景(c) 仰拱模板(d) 仰拱端部堵头板

图10现场应用照片

Fig. 10 Site application photos of full process crawler-type invert trestle

3.4 仰拱施工经济效益分析

3.4.1 仰拱施工进度分析

根据向家湾隧道每延米成洞仰拱施工情况，套用相关定额计算工日及能源消耗。普通仰拱栈桥为单工序作业，与全工序仰拱栈桥施工进度对比见表3。

从表3统计数据可知： 不同机械配置下每延米仰拱施工循环时间分别为5.5 h和3 h，完成12 m仰拱全工序作业时间分别为66 h和36 h。对比2种施工组织模式，普通机械化仰拱栈桥施工时仰拱混凝土养护时间不足，严重影响仰拱质量； 采用仰拱全工序履带式栈桥，不仅保证了仰拱衬砌质量，而且节约30 h仰拱施工关键路线工序时间，效率提高了45.5%。

表3 12 m仰拱施工进度

3.4.2 仰拱施工成本分析

按照隧道总长4 663 m对设备采购价进行分摊，全工序仰拱栈桥设备采购价为98万； 普通仰拱栈桥设备采购价为30万。人工费执行《铁路基本建设工程设计概(预)算编制办法》综合工费标准，为25.82元/工日； 施工用钢材价格按照2017年市场平均采购单价4 000元/t核算，比较2种设备的仰拱施工直接成本。

3.4.2.1 普通仰拱栈桥施工直接成本

1)人工费。包括： ①开挖班2人，施工1个工班；②清底班4人，施工1个工班；③钢筋绑扎6人，施工2个工班；④立模浇筑班8人，施工2个工班。施工12 m仰拱共计34个工班，人工费共计10 534.5元，每延米人工费用为877.88元。

2)辅助材料费。每延米仰拱模板、中心水沟槽模板定位及止水带安装需要消耗的钢筋为30 kg，每延米辅助材料费为120元。

3.4.2.2 全工序仰拱栈桥施工直接成本

1)人工费。包括： ①开挖班2人，施工1个工班；②清底班4人，施工1个工班；③钢筋绑扎6人，施工2个工班；④立模浇筑班4人，施工2个工班。施工12 m仰拱共计27个工班，人工费共计8 365.68元，每延米费用为697.14元。

2)辅助材料费。每延米仰拱模板、中心水沟槽模板定位及止水带安装需要消耗的钢筋为5 kg，每延米辅助材料费为20元。

3.4.2.3 施工成本对比

不同机械配置下每延米仰拱施工直接成本对比见表4。可知： 采用全工序仰拱栈桥比普通仰拱栈桥每延米节省134.91元，向家湾隧道施工完成节省费用62.91万元。全工序仰拱栈桥采用标准化设计，各部件采用螺栓连接，设备可重复使用，其投资价值更高。

表4 每延米仰拱施工直接成本

4 结论与建议

本文以郑万高铁湖北段9标向家湾隧道为依托工程，研制了全工序履带式仰拱栈桥，并结合现场试验，验证了该设备具有良好的工作性能和经济效益，得到以下主要结论：

1)全工序履带式仰拱栈桥采用液压履带行走机构，实现了操控简便、行走灵活、安全可控；

2)全工序履带式仰拱栈桥有效作业长度为36 m，实现了基底清碴、钢筋绑扎、仰拱浇筑、仰拱回填、仰拱养护等工序在3个不同区域同步作业，极大地提高了施工效率，减少了仰拱施工时间；

3)全工序履带式仰拱栈中的仰拱模板与主桥之间采用四连杆机构设计，解决了仰拱衬砌矮边墙高度过大，仰拱模板定位、移动困难的问题，并研制出多种仰拱衬砌工艺工装，降低了施工人员的劳动强度，提高了衬砌施工质量；

4)全工序履带式仰拱栈桥改进了前、后坡桥连接结构，重新设计液压回路，增加控制阀块，降低了设备故障率，保证了整车性能的稳定，提高了仰拱施工效率；

5)全工序履带式仰拱栈桥不仅能减少施工人员的投入，而且能降低仰拱模板、中心水沟槽模板固定钢筋消耗量，节约施工成本。

全工序仰拱栈桥在郑万高铁9标向家湾隧道中取得了较好的应用效果，达到了预定的设计目标，下一步可在此研究基础上增设自动振捣系统、自动布料系统和自动养护系统等功能，进一步减少施工人员数量，降低劳动强度，避免人为因素对施工质量的影响，从而提高施工质量和效率。此外，在降低设备成本方面，对主桥结构标准化、轻便化、装配式设计是进一步研究的方向。