隧道变截面衬砌台车优化设计方案研究

2019-02-16赵宇

设备管理与维修 2019年4期

赵宇

（中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏无锡 214028）

0 引言

在确定特长铁路隧道方案时，客货混运线路较多的采用双线分修型单线铁路隧道方案，但是在过渡到合修的标准双线断面时，就会出现必然的合分修大跨段，且均表现为高度大、跨度大的扁平断面形式。合分修大跨段的衬砌结构突出表现为界面变化频繁、浇筑砼体积极大、施工作业台架频烦加改，施工难度增大。如何能利用原正常双线段衬砌台车进行改造，将成为隧道工程技术人员面临的问题。

1 工程背景

由中铁十九局集团负责承建的柿子园隧道位于安县～高川区间，高川车站伸入隧道出口端；进口D2K76 km+696 m～D3K87 km+350 m段10654 m为单洞合修隧道，其余段为双洞分修隧道，隧道D3K87 km+（140～350）m为合分修过渡CD段，合修过渡到分修由4个依次扩大的断面构成，均为超大断面；D3K87 km+350 m为合分修节点，隧道洞身开挖面积344.9㎡、跨度达23 m。

2 隧道CD段衬砌台车变截面优化设计方案

2.1 衬砌台车变截面改装总体设计方案优化

（1）利用原有标准双线段二衬台车门架，将门架两侧增加副梁门架及行走系统，主横梁采取加高增设二横梁的方式，将门架整体加高、加宽；同时利用原有台车边墙模板，将拱部面板采取增加楔块实现面板弧度和长度的调整，使其达到断面尺寸符合设计要求[1]。

（2）通过利用原门架结构加宽门架、增加副梁门架设置方案。（此处仅对C段进行说明）：C段（b2=710 cm）托架立柱加高新制共45件、加强横梁（二横梁）新制共18件、托架横梁接长段新制共18件、平移连接梁接长段共4件、门架横梁增加限位挡板共4件，合计4650 kg。

（3）利用原模板增加楔块实现断面弧长尺寸调整设置方案：（此处仅对C段进行说明）：C段（b2=710 cm）拱部模板左右两侧加宽块新制共16件，双线段衬砌台车改制，顶模左右各增加228 mm加宽楔块，利用D段（b2=810 cm）的边摸取掉垫板；面板拱部改制后与设计图纸最大误差27 mm、边摸最大误差30 mm，满足施工要求。

2.2 衬砌台车变截面改装方案力学模型计算分析

2.2.1 设计计算指标采用值

（1）钢材物理性能指标。弹性模量E=2.06×105 N/mm2；质量密度 ρ=7850 kg/m3；

（2）钢材强度设计值。抗拉、抗压、抗弯f=215 N/mm2；抗剪fv=125 N/mm2；

（3）容许挠度。钢模板板面〔δ〕≤1 mm，L1/400；模板主肋〔δ〕≤1.5 mm，L2/500；背楞〔δ〕≤1.5 mm，L3/1000。

2.2.2 荷载计算

（1）水平荷载统计。新浇混凝土对模板的水平侧压力标准值[2]。按照模板荷载及荷载效应组合 B.0.2规定，F=Min（F1，F2），F1=0.22rct0β1β2V1/2，F2=rcH。

工艺参数计算：取25 kN/m3；初凝时间为6 h；V浇筑速度为 2 m/h；H混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度，取 10 m；β1取 1.2；β2取 1.15。F1=65 kN/m2，F2=25×10=250 kN/m2，则砼侧压力标准值 F=Min（F1，F2）=65 kN/m2。砼侧压力荷载分项系数为 1.2；在有效压头高度之外，模板强度验算时采用荷载设计值为1.2F=78 kN/m2，在有效压头高度之外，模板刚度验算时采用荷载标准值为1.0F。

（2）面板计算。计算所用软件为《ANSYS》11.0版本。F=65 000/1 000 000×1.2=0.078 N/mm2；取1 mm 为计算单元。模板结构形式：面板为10 mm 钢板，横肋为∠75×6等边角钢，间距250 mm。

强度校核，强度线荷载q=0.065×1.2=0.078 N/mm，面板计算模型图（略）。刚度校核，面板最大变形为0.066 589 mm；面板刚度满足要求。

（3）台车门架受力计算。立柱、上横梁、下横梁用料：H500 mm×300 mm×14 mm×10 mm；中间斜撑、小横梁、小立柱、桁架腹杆：工25a和工18组合；剪刀撑：∠75×6。结果显示：最大应力83.522 MPa，满足使用要求。

以上计算结果可以得出结论：主门架系统设计强度和刚度满足施工要求并且用料合理。

3 隧道衬砌台车大断面逐窗布料系统方案设计

3.1 现有成熟技术方案及布置结构

根据现有成熟技术方案，公司在柿子园隧道CD大断面隧道衬砌台车设计之初，也借鉴采用了“1主料口+分流溜槽+分流串桶”的设计方案，但是经过进一步技术分析和调研后发现，方案中的“分流串桶”结构不适用于大高度隧道大落差方案，且1个主料口集中布置针对大断面衬砌台车而言，拱部平台空间和高度均不适合，局限性较大。

3.2 布料系统结构方案优化设计调整

衬砌逐窗浇筑布料系统及工艺：衬砌浇筑工艺决定了混凝土实体质量，传统的“一口灌注”工艺破坏了混凝土工作性能进而无法保证质量要求。结合标准双线断面衬砌溜槽布置结构，依据改装后的衬砌变截面台车结构尺寸，优化设计了衬砌逐窗浇筑布料系统及工艺方法。通过料斗、主溜槽、分流串筒、分流槽和入窗溜槽结合的方式，使混凝土流向各工作窗口，实现二衬拱墙混凝土的逐窗进料，保证了混凝土工作性能，实现质量控制源头化[3]。