扁平特大断面隧道模板台车设计及施工

雍金柱

(中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054)

模板台车是模筑混凝土施工过程中使用的以钢结构件为主体的非标准专用设备，具有施工效率高、表面成形质量好等诸多优点[1]。为解决传统的定型钢模和满堂支架施工机械化程度低、施工周期长和质量差等问题，模板台车已成为隧道工程二次衬砌施工的主要方法[2][3]。隧道断面形式有圆形、马蹄形、矩形等，断面可分为特大(≥100 m2)～极小(≤3 m2)等5种。因隧道断面设计不同，其截面设计、钢板厚度、支撑强度等也不同[4][5]。随着车流量的增加，越来越多的隧道也相应地增加车道数，即由双向四车道变为六车道或八车道等扁平形特大跨度隧道[6-7]。扁平特大跨度隧道的二衬厚度相对更大，其施工水平直接影响着隧道的质量、成本及进度。因此，扁平特大断面隧道模板台车的合理设计和施工已成为当下隧道工程的热门议题。国内较多学者主要针对中等断面(≤50 m2)隧道的模板台车展开研究，如李宏[8]以银西铁路贾塬隧道工程为背景，借助ANSYS有限元软件仿真模拟2种型材的台车门架工况，对相同边界条件分别进行检算并做出比较分析；王鑫等[9]以西安地铁二号线某区间隧道工程为背景，结合自制简易钢模台车在特殊断面的二次衬砌施工情况，对类似工程进行对比分析；颜曦等[10]采用有限元方法，计算穿行式液压钢模台车的强度和刚度，分析研究台车系统的主体构成、工作原理以及主要施工过程，并成功应用于南水北调一期黄河盾构穿越工程。对特大断面隧道模板台车的研究成果相对较少，张刚宏等[11]结合沪昆客专长昆湖南段喇叭口隧道洞门工程(开挖跨度20.7 m)，探讨隧道衬砌模板台车的设计、制作、安装等关键技术，成功解决了喇叭口隧道洞门衬砌问题；闫明超[12]依托壁板坡特长隧道工程(开挖跨度17 m)，针对其超大断面变截面的特点，在二衬施工中采用变截面模板台车，实现了4种断面形式的过渡；唐果良[13]以重庆轻轨较新线临江门车站隧道为例(开挖跨度23.04 m)，介绍该隧道整体式液压模板台车的研制与全断面衬砌施工技术。

以平潭综合试验区牛寨山隧道工程为依托，经方案比选，采用自行液压隧道模板台车进行二衬结构施工。基于隧道扁平特大断面的特点，给出模板台车的概略尺寸，计算模板台车的顶模、侧模及门架受力情况；然后判断模板台车结构的刚度、强度及稳定性是否满足要求，确定模板台车的技术参数。最后，对模板台车二衬施工流程展开分析，总结相关施工经验。

1 工程概况

1.1 工程简介

平潭金井湾大道牛寨山隧道位于平潭综合试验区西侧，隧道设计为双向四车道，北线总长874 m，南线总长835 m，隧道设计扁平率为0.691，最大开挖跨度为21.13 m，开挖断面达260 m2，属扁平特大断面隧道。隧道衬砌分为初期支护和二次衬砌，其中二衬结构采用55 cm厚C30钢筋混凝土。牛寨山隧道结构示意见图1。

图1 牛寨山隧道结构示意(单位:cm)

1.2 牛寨山隧道模板设计方案比选

(1)支架模板法

主要采用胶合板或竹胶板配合满堂支架施工，耗费木材较多，且板面拼缝多，结构整体性差，混凝土面平整度控制难度大，外观质量较差；另一方面，该方法施工工序繁多，装配、拆卸工效低，转场复杂，施工周期长。

(2)液压隧道模板台车

该台车钢模与车架各自为独立系统，通过可调油缸连接钢模板进行立模与拆模作业，操作简便，结构简洁，提高了混凝土面板的平整度，大幅提升了模板的重复利用率，且施工质量和工效高。

通过方案比选，决定采用自行液压隧道模板台车进行二次衬砌结构施工。

2 自行液压隧道模板台车总体结构

牛寨山隧道模板台车结构如图2所示，施工现场实景见图3。模板台车由行走装置、门架、模板、工作梯、电液控系统等组成。

2.1 行走装置

行走机构由4组行走小车组成，为两组主动轮组和两组被动轮组，各轮组由两套轮轴与箱体装配成小车箱体。主动轮组由电机作为动力驱动，实现台车的位移。行走小车具有较高的箱体强度和制作精度，且便于检修保养。

图2 隧道模板台车结构示意

图3 隧道模板台车实景

2.2 门架

门架由行走梁、立柱、上横梁、立柱平撑、立柱斜撑、二横梁八字撑、附门架等组成，行走梁、立柱、二横梁由Q235(10～12 mm)钢板焊接制作，其中两端均为双腹板，具有较好的抗变形强度。两端上横梁的上平面为两组平移系统，平移小车与顶伸油缸连接，油缸连接上纵梁，形成左右与上下的运动。除支撑杆件外，门架总成其它主件均采用Q235钢板自动埋弧焊接成型，具有较好的抗变形强度。

2.3 模板

台车模板由一块拱顶模板、两块侧模板组成。模板宽度为1.8 m(与门架等宽)，相邻模板通过法兰装置连接(形成纵向台车长度)，顶模板与侧模板以耳板销轴连接。模板整体抗变形强度好，衬砌后的混凝土表面线缝小。模板顶部设置注浆口，直径为125 mm。

2.4 工作梯

工作梯主要包括爬梯和工作平台，主要由型钢与矩形钢制作而成，有较好的强度和可靠性，便于工作人员上下作业和安全操作。

2.5 电、液控系统

电、液控系统由液压操纵柜与油箱组合成一体。下部为油箱，上部为电控电器与液压原件，箱面为电源总开关、台车驱动按扭、调压阀、油压表、组合阀操纵杆。

3 隧道模板台车设计

初定自行液压隧道模板台车一个工作循环的模板长度L和模板厚度δ分别为9 m和700 mm，根据《建筑施工模板安全技术规范》[14]，计算模板结构的强度和刚度，并对门架结构进行受力分析，验证台车的力学性能是否满足要求。

3.1 模板受力计算

(1)混凝土对侧模的压力

混凝土对侧模产生的压力由新浇筑混凝土对模板侧面的压力、泵送混凝土时产生的载荷和振捣混凝土时产生的载荷组成。

①新浇筑混凝土对模板侧面的压力

当采用内部振捣时，新浇筑的混凝土作业于模板的最大侧压力标准值可按照式(1)、式(2)计算，并取两式中的较小值。

(1)

式中F——新浇筑混凝土对模板最大侧压力的标准值；

rc——混凝土的重力密度，对普通混凝土取26 kN/m3；

t0——新浇混凝土的初凝时间，采用t0=200/(T+15)=5.7计算，混凝土入模时的温度T取20 ℃；

β1——外加剂影响修正系数，掺外加剂时取1.2；

β2——混凝土坍落度影响修正系数，混凝土塌落度为50～90 mm时取1.0；

v——混凝土的浇筑速度，取4.7 m/h。

F=rcH

(2)

式中：H为混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度，取10.3 m。

由式(1)和式(2)，求得F分别为84.82 kN/m2和247.2 kN/m2，取两者中的较小值，新浇筑的混凝土作业于模板的最大侧压力标准值F=84.82 kN/m2。混凝土侧压力分布情况如图4所示，图4中,h=F/rc,h为有效压头高度。

图4 混凝土侧压力计算分布图形

新浇筑混凝土对模板侧面的载荷系数取1.2，该载荷设计值F设=1.2F=1.2×84.82=101.78 kN/m2。

②泵送混凝土时产生的载荷

泵送混凝土产生的冲击荷载标准值为4.0 kN/m2，竖向荷载分项系数取1.4，该载荷设计值为4×1.4=5.6 kN/m2。

③振捣混凝土时产生的载荷

根据《建筑施工模板安全技术规范》[14]，对大体积结构、柱(边>300 mm)、墙(厚>100 mm)的侧面模板进行承载力计算时，其侧压力只考虑①和②两种载荷组合，因此，振捣混凝土时产生的载荷在此处不计取。

④侧模承载力

F侧=新浇筑混凝土对模板侧面的压力+泵送混凝土时产生的载荷=101.78+5.6=107.38 kN/m2。

(2)侧模受力验算

①面板

侧模面板为14 mm厚的钢板，由间距745 mm的槽钢支撑，面板纵向长度为210 mm，可简化为跨度745 mm的矩形平板进行分析，周界固定(见图5)。

图5 侧模面板受力情况

(3)

式中：f为面板中心挠度；

查《机械设计手册》[15]，c3取0.028 4；

745 mm宽面板所受压力q=107.38×0.745=80 kN·m；

b为面板纵向长度(210 mm)；

E为弹性模量(206 GPa)；

h为面板厚度(14 mm)。

根据公式(3)，求得侧模面板最大中心挠度f=0.11 mm≤2 mm，故侧模面板刚度满足要求。

σ=c6q(b/h)2

(4)

式中：σ为面板长边中心应力；

查《机械设计手册》，c6取0.028 4；

q为宽面板所受压力(745 mm)；

b和h分别为面板纵向长度和厚度。

根据式(4)，求得长边中心应力σ=9 MPa≤[σ]=140 MPa(允许拉压应力)，故侧模面板强度也满足要求。

②弧板

侧模弧板同样为b=14 mm钢板，h=400 mm，模板连接梁最大间距1 500 mm。弧板受力模型可设为受均布力的简支梁(见图6)，跨距B=1 500 mm，弧板截面如图7所示。

图6 侧模弧板受力情况

图7 侧模弧板截面(单位：mm)

强度验算：

由F侧=107.38 kN/m2，可求弧板所受均布力q1=FQ=p×B/2=107.38×1.5/2=80.5 kN/m，最大弯矩Mmax=q1l2/8=80.5×1.52/8=22.6 kN·m，弧板抗弯模量w=bh2/6=0.014×0.42/6=0.37×10-3m3。

弧板受到的最大弯曲应力σmax=Mmax/W=22.6×103/(0.37×10-3)=61 MPa<[σ]=181 MPa(容许弯曲应力)；最大剪应力τmax=1.5FQ/A=1.5×80.5×103/(0.014×0.4)=21.56 MPa<[τ]=140 MPa(容许剪应力)。

故侧模弧板的强度满足要求。

刚度验算：

弧板惯性矩Ix=9.5×10-4m4

(5)

式中f——护板最大挠度；

q——弧板所受均布力(80.5 kN/m)；

l——弧板跨距(1.5 m)；

E——弹性模量(206 GPa)；

Ix——弧板惯性矩。

根据公式(5)计算最大挠度fmax=1.96 mm<2 mm，故侧模弧板刚度满足要求。

(3)混凝土对顶模的压力

混凝土对顶模产生的压力由混凝土重力和浇筑混凝土的侧压力组成，顶模受力情况如图8所示。

图8 顶模受力情况

①混凝土重力

台车顶模板长9.0 m，圆弧长15.2 m，混凝土厚为0.7 m，其密度为2.6 t/m3。

可得混凝土的重力W=2.6×9×π(10.352-9.652)/4=257.2 t，折算成单位面载荷P=257.2/(9×15.2)=1.88 t/m2=18.8 kN/m2。可得，P设=1.2P=1.2×18.8=22.6 kN/m2。

②浇筑混凝土的侧压力

泵送混凝土对侧模产生的载荷为5.6 kN/m2。

③混凝土对顶模的压力

P顶=混凝土重力+浇筑混凝土的侧压力=22.6+5.6=28.2 kN/m2。

(4)顶模受力验算

①面板

顶模面板计算模型同侧模面板，重力密度取78.5 kN/m3，面板自重为78.5×0.014=1.099 kN/m2，面板受到的压力q=28.2+1.099=29.3 kN/m2。

根据式(3)和式(4)求得中心挠度f=2.13×10-3mm≤2 mm，长边中心应力σ=2.46 MPa≤[σ]=140 MPa，故顶模面板刚度和强度均满足要求。

②弧板

顶模弧板为δ14 mm钢板，h=400 mm，模板连接梁最大间距为1 250 mm。弧板受力模型同样可设为受均布力的简支梁(见图9)，计算方法与侧模弧板相似。

图9 顶模弧板受力情况

强度验算：

由q=29.3 kN/m2，可求弧板所受均布力q1=29.3×1.25/2=18.3 kN/m，最大弯矩Mmax=18.3×1.252/8=3.57 kN·m，弧板抗弯模量w=0.37×10-3m3。

弧板受到的最大弯曲应力σmax=3.57×103/(0.37×10-3)=9.6 MPa<[σ]-181 MPa(容许弯曲应力)；最大剪应力τmax=1.5×18.3×103/(0.014×0.4)=4.9 MPa<[τ]=140 MPa(容许剪应力)。

故顶模弧板强度满足要求。

刚度验算：

弧板惯性矩Ix=1.0×10-3m4，根据公式(5)计算求得最大挠度fmax=0.0028 mm<2 mm，故顶模弧板刚度满足要求。

3.2 门架受力计算

台车门架是一个空间的整体框架结构，水平及垂直方向的载荷主要靠门架承受。门架结构示意见图10。门架整体框架结构的受力分析有两种情况：其一是门架水平载荷的受力载荷分析，水平载荷主要为侧模通过支撑丝杠传递的支反力；其二是垂直载荷作用下的门架受力，主要为传递下来的顶模及混凝土自重，如图11所示为门架对模板的支反力。中间门架相对两边门架受力更大(中间立柱截面小于两端立柱，且中间立柱受力是两端的约2倍)，故计算中间门架即可。

图10 门架结构示意

图11 门架对模板的支反力

(1)计算参数

①主梁许用挠度值取L/400，次梁许用挠度值取L/250；

②顶模重30 t、顶模框架及附件重10.5 t、门架上液压部分重2.2 t、门架上丝杠及千斤顶重1.2 t；顶模混凝土重2.6×15.158×9=355 t；

③未浇筑顶模时门架丝杆垂直方向集中载荷F=(30+10.5+2.2+1.2)×10/(5×5)=17.5 kN；

④浇筑顶模时门架丝杆垂直方向集中载荷F=(355+30+10.5+2.2+1.2)×10/(5×5)=159 kN；

⑤门架丝杆水平方向集中载荷F1=176 kN、F2=247 kN、F3=244 kN、F4=244 kN、F5=180(230) kN、F6=103(105) kN，见图12。

图12 门架受力(单位:kN)

(2)浇筑侧模时门架结构受力分析

浇筑侧模时门架弯矩和浇筑侧模时门架位移的计算结果如图13和图14所示。

图13 浇筑侧模时门架弯矩

图14 浇筑侧模时门架位移

①门架上横梁验算

上横梁为箱形梁，其截面特性为I=2.37×109mm4；W=5.925×106mm3。

经力学求解器得=28 mm<13 450/400=33.6 mm；Mmax=8.97×105N·m，σmax=Mmax/W=8.97×105/5.925×10-3=151 MPa<[σ]=181 MPa。故浇筑侧模时门架上横梁的强度和刚度均满足要求。

②门架二横梁验算

二横梁为单30b工钢，其截面特性为I=0.85×10-4m4；W=5.67×10-4m3。

经力学求解器得fmax=22 mm<7 213/250=29 mm；Mmax=39×103N·m，σmax=Mmax/W=39×103/5.67×10-4=68.7 MPa<[σ]=18 MPa。故浇筑侧模时门架二横梁的强度和刚度均满足要求。

③门架立柱验算

立柱为箱形梁，其截面特性为I=0.913×109mm4；W=3×106mm3。

经力学求解器得fmax=57 mm，为计算方便，门架力学模型左下端取为固定角支座，而实际应与右端支座(支杆)相同，故右下端立柱设计计算位移为其实际位移的两倍，则fmax=57/2=28.5 mm<50 mm(50 mm为模板设计外径加大余量)；Mmax=29.8×104N·m，σmax=Mmax/W=29.8×104/3×10-3=99.3 MPa<[σ]=181 MPa。故浇筑侧模时门架立柱的强度和刚度均满足要求。

(3)浇筑顶模时门架结构受力分析

浇筑顶模时门架弯矩和浇筑侧模时门架位移的计算结果如图15和图16所示。

图15 浇筑顶模时门架弯矩

图16 浇筑顶模时门架位移

①门架上横梁验算

上横梁为箱形梁，经力学求解器得fmax=13 mm<33.6 mm；Mmax=5.93×105N·m，σmax=Mmax/W=5.93×105/5.925×10-3=100 MPa<[σ]=181 MPa。故浇筑顶模时门架上横梁的强度和刚度均满足要求。

②门架二横梁验算

二横梁为单30b工钢，其经力学求解器得fmax=13 mm<29 mm；Mmax=37×103N·m，σmax=Mmax/W=37×103/5.67×10-4=64 MPa<[σ]=181 MPa。故浇筑顶模时门架二横梁的强度和刚度均满足要求。

③门架立柱验算

立柱为箱形梁，经力学求解器得fmax=37 mm，同样，为计算方便，门架力学模型左下端取为固定角支座，而实际应与右端支座(支杆)相同，故fmax=37/2=18.5 mm<50 mm；Mmax=27.3×104N·m，σmax=Mmax/W=27.3×104/3×10-3=91 MPa<[σ]=181 MPa。故浇筑顶模时门架立柱的强度和刚度均满足要求。

3.3 主要技术参数

通过验算分析，台车的主要技术参数如表1所示。

表1 台车的主要技术参数

注：R1和R2位置参见图2(a)。

4 自行液压模板台车施工流程及关键技术

4.1 台车就位

铺设台车行走轨道后，必须校对钢轨是否平直，钢轨中心距与衬砌中心距是否对齐吻合，两侧钢轨纵向水平误差应控制在10 mm以内，并检查钢轨牢固性；枕木间距不应超过600 mm。移动台车时，应确保模板收拢，门架底部支轨丝杠收起，动力线足够长；并检查所移动方向区域内是否有其它阻挡物、工作台面有无掉落物等。

4.2 台车立模

(1)合闸通电，液压系统怠速运转，调整台车至立模位置，将支撑行走梁底部支轨丝杠撑于钢轨上并旋紧。

(2)操纵液压控制阀，调整各部模板的位置。先确定拱顶模板位置与隧道断面是否相符，精测各切线、腰线中心宽、台车中心与隧道中心位置。

(3)操作换向阀手柄，首先平移水平油缸，调整模板台车中心距与衬砌中心线对齐；再上升竖向油缸，调整台车达到预定高度后，旋紧竖向各千斤顶；最后撑出侧向油缸，确定腰线中心宽后，支撑侧模丝杠。

(4)关闭电机，来回摇动换向阀手柄，使侧向油缸卸压；油缸卸压后再启动电机，保持油缸压力。

(5)应检查各支撑点的稳定性和整体相关尺寸，检查无误后方可进行浇筑。

4.3 浇筑混凝土

(1)浇筑前，台车外表面需涂抹脱模剂，以减少脱模时的表面黏力。

(2)浇筑时混凝土最大下落高度不能超过3 m；台车前后混凝土高度误差不能超过0.6 m，左右两端混凝土高度差不能超过0.6 m。

(3)采用附着式振动时，应尽量采用短时间、多次数、左右对称的振动方法，防止台车的微移位或弹性变型。可加入防塌陷预警装置。

4.4台车脱模

(1)当浇筑混凝土达到拆模强度时，先拆除侧面支撑丝杠一端的销子，然后再松开拱部平台支撑千斤顶。

(2)拆除端头挡渣墙支护杆件和紧固件。

(3)操作液压控制阀，先收回侧模板油缸，再降落拱部升降油缸。

(4)清除模板表面的异物并检查模板表面的质量，特别是分模线、接模线、铰接线、窗口、注浆口等位置。

5 结论与建议

(1)台车顶模主要承受混凝土自重和浇筑混凝土的侧压力，侧模主要承受新浇筑混凝土压力和泵送混凝土时产生的载荷。计算结果表明，顶、侧模面板最大挠度及中心应力，以及弧板最大弯曲应力和剪应力均小于容许值，台车模板的强度、刚度满足要求。

(2)门架上横梁、二横梁和立柱的最大挠度和弯曲应力均小于容许值，台车门架的强度和刚度均满足要求。因此，自行液压隧道模板台车可承受平均厚度为0.7 m、循环模板长度为9 m的混凝土施工载荷及振捣载荷。

(3)自行液压隧道模板台车应一次性组装成型；台车就位时，两侧钢轨纵向水平误差控制在10 mm以内；移动台车时要注意模板是否收拢，门架底部支轨丝杠是否收起；台车立模时，先确定拱顶模板位置与隧道断面是否相符，再精测台车中心与隧道中心位置；浇筑混凝土时，还可加入防塌陷预警装置。施工实践表明，该模板台车设计合理，结构稳定，施工质量良好，对二衬模筑混凝土施工具有较好的借鉴意义。