24 m履带自行式仰拱栈桥与半幅仰拱模板联合设计的研究与应用

时安琪，王柏松，武家欣，王浩

（中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南新乡453000）

0 引 言

随着隧道施工机械化、标准化、文明化水平的提高，自行式仰拱栈桥已成为隧道施工中必不可少的施工设备之一。目前自行式仰拱栈桥的研究较多，如韩星俊、田晓峰等[1-2]研究了轨行式仰拱栈桥与仰拱模板一体机的施工工艺，但是仰拱施工质量受到过车时栈桥振动的影响，且需要人工铺设钢轨，施工时间长；罗进、李斌等[3-4]分析了24 m履带自行式栈桥配合全幅模板的应用，栈桥无需铺设钢轨，但是施工工序复杂，无法实现开挖与衬砌同步；为此薛江松等[5]研发了36 m履带仰拱栈桥的应用，但是增加了栈桥整体长度、质量和成本；另外谭杨辉、刘翔等[6-7]探讨了步履式仰拱栈桥的施工应用，但是行走横移等动作需换步操作，栈桥操作复杂。

为了解决上述的不足，本文提出了24 m履带自行式栈桥配合半幅仰拱模板联合施工方法，进一步提升仰拱栈桥的使用性能，提高施工效率。

1 履带仰拱栈桥与半幅模板组合设计

24 m履带自行式仰拱栈桥与半幅仰拱模板组合设计结构如图1所示。栈桥兼具前进、后退及高度、横向调整的功能。栈桥下有效净空24 m，可满足两模12 m仰拱的施工区间。栈桥设计额定过车承载60 t，行车宽度3.5 m，两走道宽度均为1.2 m，间距0.9 m。模板采用半幅模板，整体为对称结构，根据隧道断面设计，可一次定位在同一区段进行仰拱浇筑和仰拱填充施工，模板自带脱模与高度调整功能。栈桥上设计有跑车，可拖带仰拱模板与中心水沟模板整体移动。模板与栈桥施工时各成独立的系统，仰拱施工质量不受过车时栈桥振动的影响。

图1中桥下区段Ⅰ为仰拱浇筑和仰拱填充浇筑区域，浇筑完成后区段Ⅰ进入养护时间，区段Ⅱ进行钢筋绑扎，随后模板可单独移动到区段Ⅱ进行仰拱施工，同时区段Ⅰ的强度满足栈桥行走，可以同步进行栈桥前端开挖。

模板可停留在栈桥后端，结合桥下施工区间，模板可在三模仰拱施工区间内移动定位施工，从而亦满足不同仰拱长度的施工需求，方便现场施工的工序组织。

2 仰拱栈桥结构设计

仰拱栈桥主要由主桥、前后坡桥、前后支撑、履带、后行走、环链跑车等主要结构组成，控制系统采用机电液一体化控制，自动化程度高，各主要结构模块化设计，通过螺栓或销轴联接，现场拆装方便。

2.1 主桥设计

主桥采用双箱型梁结构，之间用型钢横梁栓接，横梁上方栓接走道，整体结构满足挖机在桥上360°转向，辅助进行仰拱清底作业。

设计计算施加约束边界条件为：主桥跨度为28 m，略大于实际跨度，采用1.2倍动载系数，实际加载总重为60×1.2=72 t，车辆前后轮轴距为4 m，假设后重轮承担2/3 荷载，为48 t，前轮承担1/3 荷载，为24 t，重轮位于跨中，走道均分荷载，考虑桥身自重影响。

采用ANSYS Workbench进行静力学分析，结果如图3所示，主桥挠度控制在54 mm以内，54/28000≈1/518＜1/500，满足《公路钢结构桥梁设计规范》对简支桥梁挠度控制为跨度的1/500倍的相关规定。忽略由于网格划分造成的应力集中影响，整体强度控制在160 MPa，满足选材Q235B的强度设计要求。

2.2 前后坡桥

设计后坡桥与主桥销轴铰接，由油缸提升翻转，坡桥落地坡度约为11°，可满足现场工程车辆的爬坡需求。

设计前坡桥长度8 m，与主桥销轴铰接，由油缸举升翻转，坡桥落下时，坡度约11°，可使车辆下仰拱方便开挖出渣，坡桥举升最大角度为40°，可满足现场挖机方便清理坡桥下渣土。现场使用情况如图4所示。

2.3 前后支撑及履带

如图5(a)所示，设计后支撑刚性支撑在箱梁和横梁下方，两后支撑对称，不影响中心水沟模板在桥下通行。如图5(b)所示，前支撑在箱梁下方栓接，支腿下有丝杆调整高度，适应左右凹凸不平高差；丝杆下方设计铰支座，适应仰拱弧度；支撑内部设置导向套筒，套筒下方安装35 t履带，套筒内装油缸，用于实现栈桥前端自动升降；履带集成转向油缸，可自动转向90°，用于栈桥前端横移。

2.4 后行走及环链跑车

后行走采用铁普轮，后行走整体可旋转90°，栈桥后端横移时采用电动机减速机驱动，行走速度为5～10 m/min；行走机构上方安装伸缩导向套筒，套筒上方安装油缸，实现栈桥后端的自动升降。

环链跑车为带动模板行走的主要机构，对称设置在主桥箱梁两侧，由驱动机构、跑车、从动机构及矿用环链组成，可前进后退，可点动微调，行走速度为5～10 m/min。实物照片如图6所示。

3 仰拱模板及中心水沟模板

3.1 半幅仰拱模板

模板系统如图7所示，半幅模板结构包含上部的矮边墙模板及下部销轴铰接的翻转模板，两侧模板关于隧道中心线对称。翻转模支撑时仰拱浇筑，翻转模板翻转后仰拱填充，翻转动力可以是油缸或环链葫芦。矮边墙模板上方间隔设置有止水带夹具，保证止水带直顺。

模板前端由前端梁把两幅模板连接成整体，前端梁前端设计有脱模套筒组件，内设油缸，用于自动调整模板高度定位及脱模。模板后端安装后行走机构，后行走机构上设置液压千斤，用于后端高度调整及脱模。脱模后前端梁通过吊钩挂在跑车上，由跑车拖动模板移动。

3.2 中心水沟模板

中心水沟模板由边模板、底模板及支撑丝杠等组成，边模板和底模板通过销轴铰接，浇筑时由交叉错落布置的丝杠支撑，为便于脱模，模板整体呈倒“八”字形定位，如图8所示。后端设计液压千斤升降后行走机构，前端与半幅模板前端梁活动或固定连接，脱模后随仰拱模板整体移动。

4 结论

本文以黄黄铁路3标段铁家冲一号隧道和刘元隧道项目为依托设计研究，并结合现场工业试验，优化了栈桥及模板结构，有效发挥了桥下24 m作业空间，提高了施工效率，达成了预期的设计目标，验证了该设备良好的使用性能。

1）模块化设计，拆装方便。栈桥可自动进行横向、纵向、高度方向调整，主驱动履带行走，操作简易。主桥结构合理，挖机可在桥上旋转360°，辅以仰拱清底工作。

2）前坡桥长度及翻转角度合理，开挖出渣及坡桥下清渣更方便。

3）半幅模板与栈桥互为独立系统，行走和施工互不干涉，避免桥上过车时栈桥的振动影响施工质量。

4）模板自脱模，栈桥上环链跑车可拖带模板整体移动定位，节约时间，操作方便。

5）仰拱模板与中心水沟模板整体设计，一次定位即可完成仰拱浇筑和填充作业。模板可跨三模仰拱区间，可方便地组织施工工序，并留有养护区段，保证了开挖衬砌同步。