中铁五局集团第五工程有限责任公司 湖南郴州 423000
摘要：玉磨铁路通达隧道进口段从DK110+590～DK111+700仅1110m就有W90～W0十种加宽值衬砌断面，本文详细介绍了基于此隧道研制的适应多个加宽值断面衬砌施工的A字型衬砌台车的断面加宽关键技术，此技术的应用高效解决了变化频繁的有多个加宽值断面的隧道衬砌施工难题，对类似隧道衬砌台车设计与施工有较大的参考价值。
关键词：加宽值；隧道；A字型；衬砌台车
1 引言
从国家发改委发布十三五《中长期铁路网规划》以来，我国铁路工程建设正在快速发展，尤其在西部大开发和“一带一路”的国家战略带动下，西部多山地区的铁路建设进行得如火如荼，这些地区的铁路工程中长隧道占有较大的比例，隧道施工对整条铁路的建设起着关键节点作用，由于线路走向原因，长隧道往往为曲线隧道，需要设计一些加宽的衬砌断面保证隧道的建筑限界，因此，在我国西部及其他地区类似铁路建设中如何保证有多个加宽值断面隧道能够快速、高效、安全地完成衬砌施工具有重大的工程意义和社会意义。
目前，在类似隧道的衬砌施工中使用的台车变换衬砌断面的方式主要有两类，一类是更换拱模，每种加宽值断面配一套拱模；另一类是在拱模间加调节模来拟合衬砌断面，以较小的拟合偏差实现拱模在各加宽值断面的通用。第一类优点是断面符合度高（理论上完全吻合），缺点是制造成本高，台车变换衬砌断面时间长，需要大量的人工和吊装作业，具有较大的安全风险；第二类最为常用，断面拟合方法一般有三种，但都是以分离拱模加入调节模（加宽块）来实现断面的加宽变换，但拱模的分离必然导致台车整个模板系统有结构失稳趋势，而现有的文章中却极少提及这一变换操作的具体过程，本文旨在通过介绍在通达隧道多加宽值A字型台车研制过程中开发的一套台车断面加宽装置和利用这一装置变换台车衬砌断面的过程，为广大同行进行类似设计和施工提供参考。
2 依托工程概况
玉磨铁路通达隧道进口段DK110+590～DK111+700的加宽值从W90变到W0，数据如表1，断面如图1所示，在1110m衬砌长度范围内需要变换衬砌断面9次，平均约123m变换1次。通达隧道全长11298米，设计有两个斜井，1#斜井距进口处约5km，按照施组进口段这一千多米的衬砌只用一个衬砌台车，因此需要设计一台能完成这十种加宽值衬砌施工任务的衬砌台车。
表1
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3 多加宽值隧道A字型衬砌台车研制
项目方施工要求，台车按12m/环设计，模板面板采用10mm钢板，行走采用电动轨行式，模板立模、脱模、对中由液压系统控制；为防止侵限，衬砌断面径向放大5cm，骨架下部净空高度不小于4.5m。
由前述可知，本台车需要完成变化频繁的多个加宽值断面衬砌施工任务，由此确定本台车的设计总思路为：采用一套基准模板加不同调节模的方式拟合各加宽值衬砌断面，减少在隧道内对台车模板的拆装工作，同时保证调节模的拆换过程快速且安全，拆换过程尽量在台车内部完成，尽量减少对隧道其他工序的干扰。
3.1 台车模板
按照设计总思路，根据衬砌断面设计图，边模处的半径和拱模处的圆心角保持不变，所以台车边模可以通用，拱模则需考虑半径变化带来的影响，为实现拱模在各加宽值断面的通用性，需进行断面拟合，拟合方法为以最小的W0断面制作基准拱模（通达隧道中部衬砌断面以W0居多），当有加宽值时，水平分开拱模，中间加入调节模（平模，不带弧度），然后整体升高台车模板对齐断面最高点，调节模的宽度由拱模面板表面下沿点与断面重合来确定。如图2所示，当加宽值最大即W等于90cm时，调节模宽度达最大值582mm，此时断面偏差也达最大值76mm，这个偏差可通过调节开挖尺寸来保证衬砌厚度达到要求。
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台车模板整体高度升高通常有三种方法，分别是用竖向油缸调节，用加增高座的方式调节，用竖向油缸调节加增高座的组合方式进行调节。从模板拟合方法可知调节高度等于断面变换前后拱部半径差的绝对值。从表1可知本台车各衬砌断面的最大拱部半径差值为52cm，可以选择采用竖向油缸调节的方式处理台车模板整体升高问题。
台车边模处的衬砌长度随着加宽值的增大而加长，为适应这个变化，在边模下端再铰接一块小边模，边模加小边模的总长度以满足最大加宽值W90时的衬砌要求为准，小边模最短搭接长度取为5cm，定小边模弧长为1m，则边模弧长为4557mm。
台车模板纵向按1.5m分成8组，在一端设置15cm的搭接模，纵向全长12.15m。
3.2 台车骨架
在选择台车骨架时，考虑到台车在断面加宽时的结构稳定要求，经对比发现新型A字骨架结构对台车横梁的支点更靠近拱模端部，拱模分离后边模重量带来的倾翻力矩相对传统门架小，结构稳定性相对较高，因此本衬砌台车选用了A字型骨架作为模板的配套支撑骨架系统。A字型骨架的结构主要由A字门架、纵梁和立柱间剪刀撑杆组成，其结构示意图如图3所示。拱模立柱分别支撑在A字骨架的上纵梁和模板横梁上，模板横梁中部用螺栓连接在A字骨架的次上纵梁上，两端下部用螺旋丝杆铰接支撑在A 字骨架的中纵梁上。
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可以看出，原A字型骨架与拱模板通过拱模立柱，模板横梁连接成一整体，此结构不能直接以加调节模的方式进行台车断面变换。
通过对A字型骨架的进一步研究，开发出一套基于A字型骨架的加宽装置，可以实现台车以加入调节模的方式进行衬砌断面的变换。此加宽装置的结构组成为（如图4所示）：头部开槽的A字立柱、中间分断的模板横梁、拱模立柱、上纵梁、次上纵梁、中纵梁、支撑杆、螺旋丝杆、压轮、活动横梁、连接角钢、水平油缸、拱模、调节模和模板横梁调节节。
根据台车模板纵向分节情况，模板横梁有9榀，则A字门架定为5榀，每榀A字门架与模板横梁隔榀横向中位重合，在A字门架位的模板横梁穿过A字立柱头上的槽口，支撑于槽口底面和次上纵梁顶面上（槽口底面与次上纵梁顶面平齐）。不在A字门架位的模板横梁，通过在对应模板立柱上设置反向牛腿，在牛腿上设置活动横梁，活动横梁下设置螺旋丝杆，此螺旋丝杆再以上纵梁为支撑，这样进行受力转换后，没在A字门架处的模板立柱不通过模板横梁传力到A字门架，而是通过活动横梁传给螺旋丝杆再传到上纵梁上，同样保证了拱模得到有效支撑。
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原A字型台车每榀模板横梁的两端均设置为螺旋丝杆铰接支撑，现将在A字门架位的丝杆改为用丝杆与固定长度的支撑杆加上A字骨架组成一个三角形进行支撑，模板横梁落在支撑杆端头上，支撑杆端头两侧设有限位凸沿板限制模板横梁不脱离支撑杆的支撑，不在A字门架位的模板横梁仍采用丝杆铰接支撑。A字立柱的槽口处还设置有压轮，压轮压在对应的模板横梁上。
3.3 台车液压系统
本台车设置有4根竖向油缸，4根侧向油缸和4根水平油缸，电机功率5.5kw，系统额定压力16MPa，最高可调至20MPa。根据结构需要，将原A字型台车的水平油缸从轮架处移到模板横梁与A字形立柱之间，即将台车的中线水平调整由台车轮架以上的整体移动改为只移动模板。同一端的两根水平油缸分别铰接于左、右两侧的模板横梁与A字立柱之间，此两根油缸经三通接头接入同一操作阀，三通与油缸之间设置高压球阀。当正常衬砌作业时，高压球阀均处于打开状态，两根水平油缸同方向同步动作进行台车模板的对中操作，当变换台车衬砌断面时根据需要开、闭相应高压球阀即可单独控制每根水平油缸来进行台车左、右侧模板的分离、合拢操作。
各油缸行程以满足各断面衬砌要求确定，竖向油缸行程为75cm（52cm断面调节，20cm脱模，3cm地面负差），侧向油缸行程为75cm（45cm断面调节，20cm脱模，10cm中线偏差），水平油缸行程为40cm（最大调节模宽582mm取60cm，单侧30cm断面调节，10cm中线偏差）。
3.4 台车行走系统
本台车走行采用电动轨行式，钢轨可在43～60kg/m范围选用，驱动电机功率2×11kw，减速器采用WPA200-60蜗轮蜗杆减速器，采用两级链条传动，轮面直径350mm，行走速度约7m/min。
3.5 台车螺旋丝杆支撑系统
本台车在中纵梁与模板横梁之间，上纵梁与活动横梁之间，边模与台车门架之间、小边模与下纵梁之间，下纵梁与钢轨之间（竖向），下纵梁与地面之间（斜向）均设置有螺旋丝杆。各螺旋丝杆均采用矩形螺纹，螺距P=6mm，外径78mm，筒体均采用φ102×6的无缝钢管，铰销直径均为35mm。
3.6 台车衬砌断面变换
当台车需要进行衬砌断面变换时，使台车处于脱模后的状态（此时直接支撑在模板横梁两端的丝杆已拆开，活动横梁下的丝杆也已松开），锁定行走轮，清理掉阻碍台车模板左、右移动的物体，检查模板横梁两端三角形支撑、A字立柱槽口压轮情况，确认支撑和压紧有效，然后操作水平油缸左、右移动模板确认液压系统有效，并使模板回到台车中位，之后拆除模板横梁调节节、调节模的连接螺栓（每块调节模保留两端各一颗拧松适度的螺栓）。此时两侧模板在三角形支撑与压轮的作用下基本保持原来状态，按需要开、闭水平油缸高压球阀，操作水平油缸适当分开两侧模板，逐块取出模板横梁调节节和调节模，装入待变换断面的调节模和模板横梁调节节，再操作水平油缸拉拢两侧模板，调整模板表面错台后拧紧各连接螺栓，打开水平油缸高压球阀，操作水平油缸多次来回移动模板，再次拧紧各调节模、模板调节节的连接螺栓后完成断面变换。台车衬砌断面变换过程如图5所示，变换流程如图6所示。
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4 台车拱模分离后模板稳定性分析
本台车在断面变换中需要拆开拱模及模板横梁间的连接，以加入或更换调节模块，而当拱模、模板横梁之间的连接拆开后，拱模连同边模及其他附件有绕模板横梁端头支撑杆支点倾翻的趋势，而压轮的作用则是防止它们发生倾翻。
台车主结构材料均为Q235B，材料弯曲强度设计值为215N/mm2，模板面板10mm，腹板12mm宽320mm，加劲肋10#槽钢，间距30cm布置，模板立柱20a#工字钢，模板横梁25a#工字钢。
当台车断面加宽值为最大时，支撑杆支点距拱模端部最远，拱模分离后的倾翻力矩最大，此位置为台车拱模分离后的最不稳定状态位置，按此位置建立模板分离后的有限元模型，经计算（自重均按1.2倍系数计算，边模重量按铰接位以竖向力的方式施加于拱模端部），本台车在最大加宽值断面分离拱模后，在加宽装置的作用下，拱模最高点的水平位移为1.5mm，竖向位移为0.2mm，模板横梁最大弯曲应力出现在支撑杆支点处其值为52.7N/mm2，215/52.7=4.1，满足稳定性要求。拱模分离后的稳定性有限元计算云图如图7所示。
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5 应用效果
此多加宽值隧道A字型衬砌台车在玉磨铁路通达隧道投入使用后，达到了以下几点效果。
（1）一车多用，降低施工成本。只投入一台台车就满足了多达十个加宽值断面的衬砌施工任务，比一般只适用于４个以内加宽值断面的变截面台车提高了适用范围，大大节省了台车制造成本。
（2）实现快速施工，同时降低施工安全风险。台车变换衬砌断面的整个过程都不需要拆开边模，不需要外部吊装设备进行辅助，仅靠台车自身的液压系统进行模板的分离、合拢作业，再由人工更换调节模块即可完成，变换速度快，安全风险低。
（3）施工干扰小，整体工期有保障。台车衬砌断面的变换仅在台车内部完成，没有占用外部的空间，变换过程对隧道其他的施工工序没有影响，有效保证了隧道的施工进度，对工期有明显的促进和保障作用。
6 结束语
本台车通过对A字骨架结构进行改造，开发了一套台车模板加宽装置，适用断面加宽值数量可多达10个，而且台车变换断面速度快，不需要外部设备辅助，有效解决了多个加宽值断面隧道的衬砌施工问题，具有适用范围广，衬砌施工效率高，质量有保证，安全风险低，缩短隧道施工工期等优点。本台车的研制与应用提供了一种多加宽值隧道衬砌施工的高效解决方案，可以给类似隧道衬砌台车的设计与衬砌施工提供参考。
参考文献
[1] 刘凡民，边顶拱式全液压变截面衬砌台车的设计与应用[J].工程建设与设计，（2018）02：127-128.
[2] 刘云珠，老尖山隧道可变截面衬砌台车设计[J].铁道建筑技术，（2016）12：81-84.
[3] 邓满林，变截面隧道衬砌台车设计与使用［J］．山西建筑，（2008)01：343-344．
[4] GB50017-2003，钢结构设计规范[S].
论文作者:王开荣
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6