预制装配式混凝土衬砌台车设计与应用

姚亮

中铁十七局集团第三工程有限公司，石家庄050081

随着我国建筑工程预制装配式施工技术的推广应用，铁路、公路及市政工程施工中逐步引入了混凝土预制装配式结构施工理念。预制装配式桥梁、城市地下综合管廊、临时便道施工技术体系日趋完善［1］。铁路工程建设中，隧道施工是整个项目的重难点工程，由于地质条件、施工环境、工艺水平的影响，施工质量参差不齐［2］。已开通运营的铁路隧道中出现的各类病害引起各界高度关注。隧道病害整治工作耗时长、成本高、风险大，对混凝土预制装配式隧道施工技术的探索势在必行。混凝土预制装配式隧道施工技术包括工装设计、施工工艺总结、安装精度控制等，并对隧道施工防水提出了更高要求［3］。

京沈铁路星火枢纽工程铁科试车线隧道工程为单线明洞隧道，总长205 m。其中隧道检测系统标定区段（现浇单线明洞）120 m，预制装配式混凝土隧道结构试验段80 m，装配式隧道洞口波纹板结构试验段5 m。此工程用于开展装配式隧道工装设计、结构设计、施工工艺以及材料性能试验，开展不同隧道衬砌工况的地质雷达标定试验。

本文主要对现浇明洞段、预制装配式衬砌试验段二次衬砌台车进行设计，并通过隧道施工中台车现场应用，总结工装设计及使用经验，为后续展开装配式衬砌施工提供设备保障。

1 现浇明洞台车设计

1.1 现浇明洞台车构造

明洞段台车设计须考虑施工人员操作空间，在拱腰及转角部位应合理设置开窗数量及开窗位置；须按照设计方案进行混凝土振捣作业；台车内框架设计须具备施工车辆及人员通过条件；设计方案与现场施工方案须保证协调性及同步性；在具备操作空间基础上台车框架杆件设计可采用高截面及组合截面型钢，其传力结构清晰简便［4］。

隧道现浇明洞段台车与常规台车的不同之处主要在于台车外框架及外模板设计。对于现浇明洞，台车外框架为主要的受力附着物，须满足相应的刚度及构件整体稳定性要求。台车外框架主杆件为I40工字钢。主杆件加固桁架为I30工字钢及［10、［20槽钢。主杆件形成门字形，各杆件组合整体构成外框架及外模板结构。外框架底部采用滑轮组由电动油缸通过顶进、收缩进行整体移动，外模板采用10 mm厚钢板加工。由于现浇明洞段二次衬砌厚度逐渐变化，由300～500 mm逐渐加厚，因此外框架及外模系统必须根据二次衬砌厚度进行调节，以满足浇筑需求。

外框架设计主要通过底部顶升油缸、平移油缸及旋转外模满足不同厚度衬砌施工要求［5］。300 mm厚衬砌外框架立面布置见图1。

图1 300 mm厚衬砌外框架立面布置（单位：mm）

内框架设计包括角部螺栓件、内框架主构件和调解门架的设计。内模板顶部设计为开口，采用丝杠连接，配合外模顶升，丝杠相应缩短或加长，以完成内外模板浇筑厚度调整。内框架主构件为I50工字钢，内框架上部顶升门架采用I25工字钢制作，根据隧道顶部线形加工相应的竖向支撑，以保证内框架整体刚度及强度要求。300 mm厚衬砌内框架立面布置见图2。

图2 300 mm厚衬砌内框架立面布置（单位：mm）

1.2 现浇明洞台车结构计算

现浇明洞台车构件设计完成后，采用结构计算软件进行整体模型计算。台车模型见图3。

图3 台车模型

外框架、外模板、内框架、内模板均采用梁单元模拟；支撑、丝杠、液压构件支撑均采用弹性连接（刚性）模拟［6］；二次衬砌浇筑荷载采用梯形荷载模拟。计算台车各梁单元、板单元的强度及刚度；考虑整体结构4阶模态，施加屈曲分析，计算台车整体稳定性，荷载特征值不小于4［7］。

根据软件对整体模型分析计算，在最不利状态下（二次衬砌浇筑完成后，顶部振捣过程中），可知内模板、内框架单元最大组合应力最大值分别为16、50 MPa，均小于Q253钢材容许应力145 MPa。第一模态荷载特征值12，大于4。可见，强度、刚度及整体稳定性均满足要求。通过现场拼装应用，各构件变形较小，台车整体设计符合现场明洞浇筑需求［8］。

1.3 现浇明洞台车施工步骤与应用

1）现浇明洞台车采用龙门吊进行现场拼装，钢筋绑扎到位检验合格后走行内模板台车。

2）台车由两根地面安装的导轨推入，运至衬砌施工地段，调平导轨标高，将钢轨横向加固，保证台车工作状态稳定性，并通过台车的液压杆件将台车轮廓调整到衬砌轮廓线位置，测量台车中心线与隧道中心线是否存在偏差。

3）在确保定位无偏差后，对台车进行固定。

4）台车就位后安装端模，端头模板采用钢模板，施工时必须保证两端对夹中埋式钢边橡胶止水带安装位置准确。

5）泵送混凝土，逐窗分层对称浇筑。

6）插入式振捣棒配合台车所挂附着式振捣器振捣，直至衬砌混凝土浇筑完成。

现场拼装完成后通过对120 m长的现浇明洞施工表明，台车整体姿态较好，各液压构件运行稳定。但施工中须做好台车进入下一循环后的姿态调整，及时对台车位置进行纠偏，保证二次衬砌浇筑厚度。由于此隧道为明洞现浇，拱顶混凝土振捣条件较好，台车拱顶模板设计为开口式。若常规隧道内拱顶混凝土振捣不具备开口条件，则须对台车拱顶部位进行专项设计，增设附着式振捣器，保证拱顶段混凝土质量。

2 预制装配式衬砌台车设计

进行预制装配式台车设计时，由于没有类似工程经验可供借鉴，因此方案设计完成后在现场完成试拼装。各部件及传动系统必须经过现场试验，不得采用理论计算代替现场试验验证。原位试验完成后，根据各反馈数据，对台车设计方案进行修正，因此台车设计方案是一个动态优化的过程。在轻量化设计的基础上，保证其结构安全性。

装配式衬砌隧道段长80 m，装配式衬砌主要结构分为拱墙结构、轨下结构、仰拱结构。如图4所示，拱墙结构由A块、B块、K块组成；轨下结构由门形块及F形块组成；仰拱结构由边仰拱块、中仰拱块组成。

图4 预制装配式隧道结构分块

预制装配式台车设计主要解决各块拼装顺序，保证拼装精度，具备各结构块临时固定及微调功能。由于各块安装就位以后须进行结构块顶紧，此工序与常规台车设计不同，因此预制装配式台车设计要保证安装过程中有顶紧结构块的临时锚固装置。

2.1 装配式衬砌台车方案比选

预制装配式衬砌施工工艺试验包括对工装设计、预制结构分块、有限空间预制拼装、安装精度等多方面的试验探索。其中工装设计包括台车、运输设备、安装卡具等的设计。

要在施工条件限制的情况下完成全过程的预制拼装施工，根据隧道设计分块，预制拼装衬砌台车设计有两套方案。

1）方案一。采用吊车配合，模拟隧道内作业环境，完成轨下结构、仰拱结构拼装，利用拼装台车完成拱墙结构安装、定位、顶紧、连接等工序，如图5所示。

图5 方案一台车设计图（单位：mm）

2）方案二。轨下结构、仰拱结构及拱墙结构全部采用台车完成，充分考虑隧道拼装作业环境下，利用隧道内空间完成隧道拼装的全过程工序。

方案一台车设计条件较宽松，结合常规台车设计，增加顶紧台架设计，利用外部吊车完成轨下结构及仰拱节段安装，拼装台车按照工序进行预制拼装施工。单循环完成后利用真圆矫正台架定位辅助，在拼装台架上进行下一循环作业。利用临时锚固作用力，采用顶紧台架对新安装的管片进行顶紧及微调作业，最终安装至设计位置。

方案二要求只能利用隧道内作业环境，首先完成仰拱结构、轨下结构拼装，在轨下结构上铺设台车轨道，然后进行拱墙结构安装。台车设计思路必须满足轨下和拱墙结构拼装要求，因此台车除方案一要具备的功能外，还要增加轨下结构拼装台架，轨下结构拼装与拱墙结构拼装形成流水施工。台车长度较方案一有所加长。利用顶紧台架与轨下结构安装台架合并的设计思路，加长顶紧台架。利用桁架首先对轨下结构进行安装，纵向安装5节段以后，进行节段张拉，张拉完成后进行拱墙结构拼装及定位。拱墙结构安装台架设计与方案一相同。

考虑现场安装条件，由于预制拼装衬砌首次应用，其中卯榫块设计已经完成，安装精度要求极高，若采用方案二则现场无法满足首次拼装试验精度要求。因此最终采用方案一。仰拱结构、轨下结构由吊车模拟洞内环境，采用随车吊进行定位安装，5个循环完成后进行整体张拉、压浆，待达到设计强度后进行拱墙结构拼装。

经过现场施工验证，方案一经济可靠，满足施工精度要求，能较好地完成预制装配式衬砌施工任务。

2.2 装配式衬砌台车结构设计计算

预制拼装台车设计主要包括拼装台架设计、真圆矫正台架设计、顶紧台架设计。须对各台架构件强度、刚度及稳定性进行检算，使其满足使用要求。

预制装配式台车构件均采用制式结构H形钢、工字钢或槽钢。常规台车设计承受整个拱顶荷载及拱腰模板侧压力荷载，而预制装配式台车设计采用轻量化原则。预制装配式台车重点要保证安装块位置调整及整个拱顶部位尽快封闭成环，侧墙A块重量均由地面承受。因此装配式台车在满足其各项调整、顶紧功能的前提下，须具备一定的机动性且具备结构轻、可循环顶进的性能。

计算装配式台车各台架结构受力。根据顶紧台架受力计算结果，顶紧台架在安装B块、K块进行顶紧工序时为最不利荷载工况；根据液压千斤顶提供反推力计算，各液压千斤顶提供10 kN推力；根据液压千斤顶位置施加集中荷载，计算得出各构件组合应力最大值为80 MPa，见图6。

图6 顶紧台架组合应力（单位：MPa）

拼装台架最不利荷载工况为双侧B块荷载安装就位、K块安装时，台架承受双侧块压力及安装K块压力，见图7。根据对拼装台架进行建模计算，构件组合应力最大值为28 MPa。

图7 拼装台架组合应力（单位：MPa）

真圆矫正台架主要以安装完成的节段为基准，为拼装台架提供隧道线形控制，受力较小，但其临时锚固为顶紧台架提供顶紧锚固力，作用在真圆矫正台架上。根据顶紧力千斤顶设置，对真圆矫台架进行整体加载计算，其构件最大组合应力为35 MPa。

通过对预制装配式衬砌台车顶紧台架、拼装台架、真圆矫正台架进行整体结构计算，其构件强度、刚度及稳定性均满足设计要求。现场完成80 m预制拼装衬砌任务，台车结构稳固，操作简便。各结构块安装精度较高，接口及止水带安装完成后，经现场检测无渗漏水，顺利完成了各项标定试验。

2.3 装配式衬砌台车安装及施工应用

装配式衬砌施工时，首先对仰拱结构及轨下结构进行拼装。轨下结构由管片预制厂家集中生产预制，运送至现场，采用跨隧龙门吊进行拼装［9］。轨下结构划分为1块门形块和2块F形块。运输过程中，对构件的边角部混凝土采取橡胶垫块垫衬加以保护。吊装前复核轨下结构构件型号、尺寸，确保构件没有剥落缺损，并检查复核基础标高、基础中线。及时调整各块定位，保证底部结构安装精度。在基础面放样中线和边线，采用跨隧龙门吊先吊装门形块安装定位。门形块安装定位好后吊装F形块，人工调整F形块对齐门形块螺栓孔后，插入直螺栓定位紧固，环向通过直螺栓与门形块结构连接紧固。轨下结构环缝之间采用弯螺栓纵向连接。

仰拱结构及轨下结构安装完成5环后，对结构进行张拉、压浆，待达到设计强度后进行拱墙结构拼装。该预制装配式混凝土隧道拱墙厚30 cm，轨下结构厚30 cm，仰拱厚40 cm，每环宽2 m。首先采用龙门吊对仰拱结构及轨下F形块、门形块进行安装，5环完成后进行张拉、压浆，提供拱墙节段拼装工作面，在第一个工作节段采用龙门吊机拼装台车，见图8。

图8 台车拼装与预制块安装

跨隧龙门吊配合拼装台车先将拱墙A块拼装定位并进行临时加固，将邻接块B块下端放在A块上，中间加橡胶垫。拼装台车整体抬升，定位油缸伸长，将B块临时支撑固定。将管片拼装台架抬升后将封顶K块用龙门吊吊放在管片拼装台架上，通过吊起油缸的收缩和上下定位油缸的收缩将邻接B块拼装在K块上，安装内外侧螺栓，将B块、K块连接为整体。管片拼装机携带B块、K块的管片整体下降，将管片准确拼装在A块上，对位A块、B块螺栓孔，安装内外侧螺栓，将拱墙连接为整体。

完成一个循环预制拼装任务，采用锚固拉杆固定后将整个台车前移，就位至下一拼装位置，真圆矫正机利用已拼装好的节段作为线形矫正，拼装台架继续对下一节段预制块进行安装及定位连接。

根据现场实际，管片结构安装过程中及时对现场台车锚固点及隧道中心线进行观测。首次拼装作业开始前要对整个台车加工构件安装是否到位进行全方位检查；过程中不断进行紧固，保证台车中各部件同步性，尤其是各台架之间衔接处应派专人盯控。

根据现场对80 m预制装配式衬砌施工，台车各构件变形量均保证在2 mm内，台车整体刚度设置合理，顶紧及推移过程衔接顺畅，工人操作空间及平台设置合理，配合龙门吊及洞内吊车，一天可完成40 m预制装配任务，且预制拼装节段外观质量较好，止水带未出现渗漏。现场施工完成后如图9所示。此次应用极大地推动了预制装配式隧道技术应用，台车设计方法经过现场应用安全、有效。

图9 预制拼装隧道完成效果

预制装配式及现浇明洞台车均为国内首次设计，在原有台车设计经验的基础上，圆满地完成了隧道施工任务。

3 结语

本文结合高速铁路预制装配式混凝土衬砌隧道施工，全面总结了现浇明洞衬砌台车、预制装配式衬砌台车设计经验及应用成果，通过对装配式衬砌台车结构安全性及功能性设计，总结了一套装配式隧道台车设计的方法。首次应用顶紧台架、拼装台架及真圆矫正台架进行组合设计，各台架协同工作，在轻量化设计的基础上满足预制装配施工要求。根据结构检算，拼装台车各结构构件满足强度、刚度及稳定性要求。预制装配式台车设计在功效及操作工作面的条件限制下，轨下结构、仰拱结构拼装台车应该与拱墙结构台车设计分离，以满足现场流水作业需求。