张成
中铁二十五局集团第二工程有限公司 南京 210000
摘要：随着铁路标准化施工的迅速推广，如何通过提高施工装备水平以保证安全、质量、进度来达到铁路标准化施工要求，是每个施工单位重点研究课题。通过对既有施工机械设备、周转料进行改良和优化创新是一个不错的途径。通过对传统仰拱模板进行优化创新，与厂家联合研制出新型铁路隧道仰拱液压模板台车，增强了隧道施工的机械化程度，减少了劳动数量和降低了劳动强度，有力地保障了隧道施工安全、质量和进度。
关键词：铁路隧道 仰拱液压模板台车 优化创新 设计思路
Optimization innovation and application of inverted arch formwork trolley for passenger dedicated tunnel
Zhang Cheng
（China Railway twenty-five Bureau Group Second Engineering Co., Ltd.；Nanjing210000；china）
Abstract：With the rapid popularization of railway standardization construction, how to meet the requirements of railway standardization by improving the level of construction equipment to ensure the safety, quality and progress is the key research subject of every construction unit. It is a good way to improve and optimize the existing construction machinery and equipment and turnover materials. Through the optimization of the traditional inverted arch formwork, the new type railway tunnel inverted arch hydraulic template car was developed jointly with the manufacturer, which enhanced the mechanization of the tunnel construction, reduced the number of labor and reduced the labor intensity, and effectively ensured the safety, quality and progress of the tunnel construction.
Key word: railway tunnel; Inverted arch hydraulic formwork trolley;Optimization innovation; Design ideas
1 技术背景
云桂铁路云南段二标全长54.455Km，隧道13座，总长46.304 Km，占标段总长的83.67%，特别是红石岩隧道全长14.580 Km。为满足铁路标准化施工和保证工期，我项目陆续上场诸多大型机械设备。但在施工过程中，发现传统隧道仰拱施工机械化程度低，劳动强度大，施工质量差，进度慢。我项目为提高施工安全、质量和进度，对传统的隧道仰拱模板进行优化创新，以适应标准化施工质量和进度要求，最终通过与加工厂家合作，联合研制出新型隧道仰拱液压模板台车。
1.1 传统铁路隧道仰拱模板施工存在的问题：
1.1.1 模板笨重，需要吊车或小型龙门吊配合才能移动；
1.1.2 矮边墙不能浇筑或浇筑后不方便振捣；
1.1.3 容易出现跑模、脱模困难、蜂窝麻面；
1.1.4 经常是仰拱和填充一次性浇筑；
1.1.5 效率低下，每次都要重新拆装；
1.1.6 模板固定不易，每次都要先焊钢筋支点，整体浇筑困难。
2 对传统隧道仰拱模板的优化创新
2.1 优化创新的总体要求：
2.1.1 符合标准化工艺工法；
2.1.2 结构简单、操作方便，便于现场施工人员使用；
2.1.3 维护保养方便，经济、实惠；
2.1.4 能一次性整体浇筑成型。
2.2 改良方案
在原背模上植加强筋，安装U型卡，用直径100mm的整体钢管穿过U型卡进行加固，达到加大模板受力度和均衡受力，防止跑模和爆模。
该改良方法简单、方便，除U型卡和配套螺栓外，其它材料、加工用的机械设备现场都有。改良后的仰拱模板在红石岩2#横洞进行工艺性试验，开始分两次浇筑完成，混凝土弧面效果等改善较为明显，然后进行一次性整体浇筑。几个循环后，发现一次性浇筑效果仍然较差，主要是一次性施工距离长，影响模板均衡受力，导致蜂窝麻面再次产生；同时矮边墙浇筑仍不方便、拆装困难、效率低下的问题仍未解决，致使仰拱离施工掌子面的距离超出标准化要求而被动停工，产生安全隐患。
3 隧道仰拱液压模板台车整体设计思路
3.1 改良的失败使我们必须寻求新的解决方法，得益于隧道二衬液压模板台车的启发，构思改良成仰拱液压模板台车：
3.1.1仰拱背模拼装后可以由行走机构整体移动，省去拆装工作量；
3.1.2仰拱背模就位由简易液压站控制。这是二衬施工人员相当熟悉的工作技能，只需要简单培训就能熟练操作好这种仰拱液压模板台车。
3.1.3开始思索加工成整体式，附着在栈桥上，再对栈桥行走进行改良。考虑到这样加工出来的产品比较臃肿，栈桥上过往的机械设备所产生的震动会影响仰拱施工，如果要消除这种影响需要进行减震等改良，得不偿失。于是决定做成两个单体式的仰拱液压模板台车，施工时同时展开，同时浇筑，一次性完成仰拱混凝土浇筑。
3.2这种隧道仰拱液压模板台车不是短时间内单独能完成的改良项目。在多方咨询和探讨后，选中一家模板加工厂家进行合作研发，后来该研发产品为合作方申请了“实用新型专利”（授权公告号：CN 203130107 U），所以主要是对当时的整体设计思路进行探讨：
3.2.1对仰拱背模进行设计。由于上曲面曲率半径R=2250mm，下曲面曲率半径R=15404mm，则背模由两种模板组成。为了便于液压操作，两种模板间采用铰接而不用生硬的螺栓连接，铰接后整体背模弧长3180 mm。根据原有钢模板前期施工中的表现，其强度和韧性都满足要求，为了更好地利用原有钢模板，单块背模长度Ｌ＝1500 mm的按曲率半径分别做7块、单块背模长度Ｌ＝500 mm的做1块，共计16块。面板加强筋间距控制在25mm内。根据第一次改良经验，背模后加通梁进行加固，可以更好地解决模板均衡受力问题。拟选用方矩形管做通梁，可以增加和模板的接触面；由于模板较薄，除模板间连接外，其它连接都必须设置在这三条通梁上，方矩形管更合适。通梁的位置主要考虑两个方面，一是混凝土浇筑时模板承受压力的分布情况；二是四条升降油缸工作时能在液压杆下升足够短的行程内完全打开背模。经核算，在大弧度半径模板设两根通梁，一根靠近两组模板铰接处，另一根在本组模板中心线靠外部分；第三根通梁设在小弧度模板中心线靠外部分。
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3.2.2对升降仰拱背模的液压缸和安装进行设计。整个仰拱背模的升降都是靠液压杆，液压杆件要承受整个仰拱背模的重量，所以对液压元件的要求比较高，好在液压技术已相当成熟，能达到条件的液压产品非常多。拟采用四条液压缸，每种曲率半径两条，垂直安装，该安装设计能有效地控制背模在垂直方向运动，特别是模板完全张开后，在保证背模现有状态不变形的基础上，不需要特殊调整就能迅速找准垂直位置点。根据对背模通梁的设计中，液压杆铰接点落在模板靠外通梁上。由于模板总长Ｌ＝11000mm，铰接点按理可设在横向三分之一处，但设在该处会造成单块模板左右不平衡，于是未安装Ｌ＝500 mm的模板端的铰接处设在第二块和第三块模板铰接处，顺次过来另一根液压杆铰接在第四块模板和第五块模板铰接处。这样四个提升液压缸的位置基本确定。
3.2.3对桁架梁系统进行设计。在桁架梁的选择上，更偏向于整体式梯形桁架梁，主要是我们的二衬台车、栈桥、防水板台车等运用的都是类似梯形桁架梁，在隧道施工中随处可见，改良、使用经验丰富。在桁架梁材料选择上，仍选用方矩形管，方便在上面连接其它构件。为了尽可能分散安装提升液压缸的横梁对桁架的压力，梯形桁架上横梁长度为同一组模板上两液压缸的距离，提升液压缸的横梁就焊接在上横梁最边上。这个位置是梯形桁架斜边、桁架内竖向、斜向支撑的交会处，受力会均匀地传导下去。液压缸顶就铰接在这条横梁上。在仰拱施工中，是先完成钢筋绑扎才进行仰拱混凝土浇筑，为此不能在钢筋绑扎前就把台车推过去，这样会影响钢筋绑扎。同时仰拱开挖就12延米左右，我们的背模是11000mm，要把支腿也放下去很难。为此考虑把后支腿放在已完成仰拱填充面上，前支腿放在待开挖面上，就不会影响工序施工和解决无法安放的问题。同时后支腿支放在填充面上，有利于安放定位和保持仰拱施工空间。这样前腿就要悬空渡过仰拱开挖面，这也好办，前腿不安装滚轮，安装吊环，后支腿间安装滚轮，由前面几十米开挖的挖掘机吊拽吊环拉过去。为了更好地支撑模板和桁架，前后两边各设两条腿，腿的长度以背模完全收拢提上后不影响填充施工为准，及背模提到最高点后，背模最低点到下横梁距离加安全距离系数就是支腿长度。在吊环的安装上，考虑安装在前支腿前面两支腿间，主要是支腿能支撑整个机械的重量，其本身强度高，避免设计在桁架上要考虑桁架抗拉强度。这样加强支腿间支撑连接，增强抗拉强度就势在必行。前支腿要安装吊环，不方便做成液压式，但其放置在开挖面上，与已施工填充面可能形成高差，则做成中空式，在所有前腿上对称打销孔，内设带有螺纹底座的打孔支撑铁，大小与前支腿中空孔一样，方便台车平衡放置的粗调和微调。后支腿就设计成普通支腿，因为它是安置在已施工完的填充面上，不对它进行调整是保证施工空间足够，平衡通过调整前腿高度实现。滚轮设计到后支腿两单侧支腿间，与相应侧支腿通过扁担连接；滚轮液压油缸即竖向液压油缸两个，分别安装在两下横梁内侧，上部加短横梁固定，短横梁与梯形斜边连接，下部加短横梁连接在两滚轮上，液压杆作用在下部短横梁上。
3.2.4对平移系统的设计。由于四个提升液压缸和背模是铰接连接，所以小范围内水平移动提升液压缸不会影响背模和仰拱面的平行度。为了简单起见，水平液压杆就是推动升降液压缸来达到水平移动就位。由于推力不需要太大，所以设置四个水平液压缸有些浪费，设置一个又不平衡，则选择针对大弧面方向提升油缸设置两水平液压缸，液压杆铰接在提升油缸上，另一端需要建一个控制平台，经考虑在两下横梁间加一水平横梁，横梁外侧带孔，四个提升油缸缸体都需穿孔而过，但孔径大于缸体尺寸，保证平移空间，又可间接保护缸体。水平油缸另一端即铰接在水平横梁上，与铰接的提升油缸保持自然连接状态。
3.2.5对简易液压站工作任务的设计。该液压仰拱模板台车共计三组、8个液压缸。第一组为背模升降油缸4个，负责背模的承重、打开和垂直定位；第二组为背模平移油缸2个，负责背模的水平定位；第三组为竖向油缸2个，负责台车移动前支起滚轮。而且组内的液压油缸都必须同时工作才能达到预期效果。
3.2.6对背模的支撑和加强设计。在背模通梁与下横梁间加支撑有利于背模的迅速完全打开和背模就位后的加强作用。背模就位后为防止混凝土施工时产生的压力对液压元器件造成损伤，将进行完全泄压处理。这时候对于整个模板的支撑就产生缺失。这时考虑用二衬台车常用的丝杆支撑，丝杆一端铰接在下横梁上，一端铰接在模板通梁上，模板通梁有三组，则设计三组丝杠。即可以起到油缸泄压时固定、承重整个背模的作用；在浇筑混凝土过程中，丝杆还可以把台车的自重传递到通梁增强模板抗浮能力。
3.3经和加工厂家一起对设计思路进行清理、研究、核算后加工出第一套仰拱液压模板台车，其参数为：
3.3.1 模板总长：Ｌ＝11000mm；
3.3.2 台车行走速度： 6.5m／min；
3.3.3 脱模量： 900-1500mm；
3.3.4 水平调整量： 100mm（单边）；
3.3.5 系统工作压力：P=12MPa；
3.3.6 油缸最大行程：
提升油缸：左900右1500mm；
竖向油缸：200mm；
水平油缸：300mm。
4 施工现场应用
4.1 该套仰拱液压模板台车在我红石岩隧道2#横洞进行工艺性试验。台车使用流程如下：
4.1.1 经测量，在待开挖面开辟台车前腿放置空间，进行平整、加固；在已施工填充面上为滚轮画出前进线路和滚轮停靠位置；
4.1.2 用挖掘机拖拽台车前腿吊环，沿划线前进至滚轮停靠地位置。在此动作前滚轮已支起，背模处于脱模状态；滚轮到位停止后，挖掘机放下前腿，脱离吊环，离开仰拱施工现场；
4.1.3 打开电源起动液压，系统压力达到12MPa后，操作手动换向阀手柄收起竖向油缸，落好后腿，对前腿进行粗调和微调保证横梁水平；
4.1.4 操作手动换向阀手柄，使提升油缸下升调整模板，使其接近预定高度；预上背模两侧通梁上的丝杆，再使提升油缸下升使模板完全打开；
4.1.5 操作手动换向阀手柄，使水平油缸平移；调整背模达到仰供标高位置，完成操作后，旋紧两侧丝杆，再上中间丝杆使其保证模板直线度；
4.1.6 背模完全调整到位后，关闭电机，操作换向阀手柄，使所有油缸卸压，确保油缸在衬砌状态下不受任何力；开始仰拱混凝土浇筑；
4.1.7 待仰拱混凝土强度达到5MPa后，打开电源起动液压，系统压力达到12MPa后，操作换向阀手柄，对油缸进行加压。然后拆除所有丝杆，提升背模进行脱模，完成一循环仰拱施工。
在标准化施工流程下，经过几轮循环试作，施工的仰拱和矮边墙安全质量可控、內实外美，缩短了工序时间。该台车在我项目施工的所有隧道进行推广，有力保障了安全质量和工期要求，为企业创造了效益和挣得了荣誉。
5 结束语
通过云桂铁路云南段二标对现有铁路隧道仰拱施工用仰拱模板的改良和合作研制，生产出自己的隧道仰拱液压模板台车，该台车完全符合铁路施工标准化和我标段仰拱浇筑要求，节约了大量施工成本和缩短了工序时间。该技术已在双线铁路隧道施工中得到广泛使用，并日益成熟。
参考文献
[1]《高速铁路隧道工程施工质量验收行标准》 (TB10753-2010).
[2]《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设﹝2010﹞241号）.
作者简介
张成（1981-），男，工程师，主要从事铁路工程设备物资管理。
论文作者:张成
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/29
标签：模板论文; 台车论文; 液压论文; 隧道论文; 横梁论文; 液压缸论文; 桁架论文; 《防护工程》2018年第10期论文;