海底隧道新型頂模模板臺車結構設計及應用研究

王恒珂 劉 斌

1 中交武漢港灣工程設計研究院有限公司 武漢 430040

2 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室 武漢 430040

3 交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心 武漢 430040

0 引言

近年來，隨著城市化進程的加快，為了使城與城之間聯系更加緊密，促使道路隧道工程向更深、更長、更立體化方向發展[1]。過江、跨海等大型隧道的工程不斷出現，其施工條件極其復雜，且工期較緊，對工程施工技術有更高要求。由工程實踐經驗可知，模板臺車的施工方法不僅提高了混凝土的表觀質量，還取得了較好的工期效益和經濟效益。然而，傳統模板臺車結構復雜，自重較大，爬坡能力較差，且焊接工作量繁重，拼裝拆卸速度較慢[1]。因此，本文結合大連灣海底隧道項目暗埋段施工工程，開展了隧道行車道頂模模板臺車結構設計與應用研究。在結構和構造上進行創新，模塊化設計，減少施工現場的焊接拼裝工作，減輕臺車自重，方便轉場，并增強臺車的工作性能和適用條件，提高施工功效，降低施工成本，取得了較好的社會經濟效益，并為以后的臺車結構設計提供參考。

1 工程概況

文中所述工程為海底隧道北側陸域段，位于梭魚灣北岸即大連港外輪航修廠內原碼頭附近，陸域段全長385 m（K0+355 ～K0+785 ），由北向南分別為敞開段、暗埋段，其中敞開段50 m，暗埋段380 m（含南端58 m、2 段止推段）。臺車方案針對暗埋段進行設計，此段位于 K0+487.731 ～K0+785 之間，全長297.629 m，分成 10 個施工段，9 段為30 m，最后一段為 27.629 m，且澆筑方向有3.5%～4%的坡度。為方便暗埋段施工，每澆筑段澆筑長度為 30 m，整個暗埋段分 10 段澆筑。隧道斷面圖如圖1 所示，隧道總體寬度41.3 m，總體高度11.4 m，雙行車道左右凈寬12.65 m，凈高8.6 m；中間廊道凈寬4.4 m，凈高8.55 m；兩側廊道凈寬2.9 m，凈高8.5 m；墻身厚度為0.6 ～1.5m。具體施工時分為底板下部結構、隔墻結構、頂板與外墻體結構三部分分層澆筑，形成直線性流水作業。3 個作業段限界分明，互不干擾，可提高材料的周轉率，節省材料的投入，保證施工空間的通行，為控制澆筑質量提供保障。如果工期要求緊，可安排兩個流水段同時施工。

圖1 隧道橫斷面圖

2 模板臺車結構設計

模板臺車由軌道、臺車骨架、行走裝置、施工作業平臺、開合模系統以及模板系統等組成。臺車外形尺寸為36.8 m×12.65 m×6.2 m（長×寬×高），為了方便施工，提高施工效率，本工程模板臺車采用工廠加工，現場拼裝的方式。具體結構形式如圖2 所示。

2.1 臺車骨架設計

臺車骨架三角撐的立柱采用250×250×6 的薄壁方鋼，斜撐和橫聯均采用180×180×6 的薄壁方鋼，橫聯通過銷軸將立柱和斜撐連在一起形成一個固定的三角結構，并通過上橫桿和連接絲桿連接兩個三角撐間形成一片穩定的三角架，片與片之間間隔1.8 m，共有21 片。臺車上下縱梁采用HW300×300 的型鋼，兩端的節長4.9 m，中間的節長5.4 m，節與節之間通過螺栓連接。臺車行走方向通過立柱間斜撐和上下縱梁將每一片三角撐連接起來組成一個完整的模板臺車骨架。三角形支撐結構簡單，且比較穩定，受力明確，通過立柱和斜撐把混凝土壓力以及結構自重傳遞到車輪上。

2.2 行走支撐裝置設計

由于臺車較長，為了方便行走，將臺車分成3 段，每段設置一套主動行走輪，由行走電機帶動車輪轉動推動臺車沿軌道行走。支撐裝置由頂升和橫移液壓缸支撐系統以及地腳支撐系統組成，頂升和橫移液壓缸用來對整個臺車進行調位，調位完成后由地腳支撐系統進行支撐和整體固定。

2.3 模板設計

考慮工程施工周期較長，模板周轉次數較多，為防止模板在使用和周轉過程發生較大變形和損壞進而影響施工質量，設計的模板自身剛度較大且為鋼模。模板整體由兩側角模和中間大面模板組成，角模以雙槽16 為圍檁，槽8 為背楞，8 mm 厚鋼板為面板拼裝而成且轉角位置為銷軸連接可通過轉動來進行轉角處拆模和立模。中間大面模板以雙槽32 為圍檁，槽8 為背楞，8 mm 厚鋼板為面板拼裝而成。所有模板都將在現場預組裝成模板單元，在應用時整塊吊運，并通過螺栓連接組裝成一個整體。這樣能保證施工效率與質量，減少材料因轉運造成的損耗，且這些材料也可用于其他施工段的施工。

3 臺車結構分析

整個臺車設計荷載包括臺車結構自重、模板自重載荷170 kg/m2、混凝土澆筑側壓力載荷50 kN/m2、頂板混凝土壓力載荷2.4 t/m3、混凝土傾倒和振搗荷載、施工人員及設備載荷1.5 kN/m2。暗埋段施工條件下，風載荷和溫度荷載對結構產生的影響較小，故計算時不考慮風和溫度載荷的影響。臺車在使用過程中主要考慮三種工況[2]。

圖2 海底隧道行車道頂模模板臺車結構圖

頂板混凝土澆筑工況（工況一）：此時整個結構由地腳支撐系統支撐。此時載荷有模板及結構自重載荷、頂板混凝土壓力載荷、混凝土側壓力載荷、混凝土傾倒和振搗荷載、施工人員及設備載荷等，以此來計算結構的受力與變形。

液壓缸頂升工況（工況二）：整個結構的支撐系統開始通過液壓缸由輪軌支撐切換成地腳支撐。此時載荷為模板及結構的自重載荷、設備載荷等，以此來計算結構的受力與變形。

行走工況（工況三）：整個結構的支撐系統為輪軌支撐。行走時的載荷為模板及結構的自重載荷、設備載荷等，以此來計算結構的受力與變形。

在Ansys 軟件中建立模板臺車結構的有限元模型，采用極限狀態法對結構進行分析，結果如表1 所示。由分析可知，工況一為最危險工況，分析結果如圖3 所示。由分析結果可知，臺車整體受力比較均勻且最大應力為51 MPa ≤215 MPa，整體變形為1.87 mm，能滿足設計使用要求。

表1 臺車各工況計算結果表

圖3 工況一條件下臺車整體結構應力云圖和位移云圖

4 臺車施工工藝及技術要點

4.1 臺車組裝

為減少現場拼裝工作，臺車小的、能夠在工廠組裝且方便運輸的部件先在工廠進行組裝，組裝完成后再運往現場進行整體拼裝。拼裝采用塔式起重機配合汽車起重機進行，其拼裝流程為：測量放線→導軌鋪設→行走及支撐裝置就位→下部連接盤及下縱梁安裝→三角撐安裝→頂部連接盤及上縱梁橫梁、斜撐梁安裝→操作平臺安裝→模板安裝→調試及試行走。

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程[3]為：施工前準備工作→臺車行走到特定位置→測量調位（通過橫移液壓缸可以對臺車進行橫向調位）→支撐體系轉換（通過頂升液壓缸由輪軌接觸轉換為地腳支撐提高臺車結構整體穩定性）→臺車面板處理、涂脫模劑→尺寸檢查→支承絲桿鎖定→混凝土澆筑→脫模行走（脫模時先通過調整角模絲桿脫開角模，然后臺車由地腳支撐先轉換為豎向液壓缸支撐，收起地腳支撐，液壓缸回油整個臺車依靠結構自重進行脫模，脫模完成后臺車再由液壓缸支撐轉換為輪軌支撐，然后行走到下一個工位）→混凝土養護。

4.3 臺車使用注意事項[4]

1）模板臺車在投入使用后，需定期檢查整車緊固件是否松動，并作相應緊固（建議兩周一次）。每兩個月對臺車結構進行全面檢查，需要維修更換的零部件及時進行維修更換。

2）保持臺車整體結構清潔，對散落的混凝土渣和油污及時清理，并根據使用周期對關鍵部位進行清理、潤滑。

3）不間斷施工時，若臺車不需要反復行走，請關閉油泵，以延長油泵及液壓部件的使用壽命。

4）液壓油應定期更換，更換周期一般為半年。

5）施工過程中如遇任何緊急情況，第一時間啟動安全制動裝置并關閉電源開關。

5 臺車應用效果分析

1) 臺車整體結構有足夠的強度、剛度和穩定性。

2) 臺車可以自由組合成不同的長度，增大了臺車的適用范圍。

3) 臺車為工人提供了較大的操作空間，且整體行走、支撐、調位機構都在臺車底部，方便操作，并保障了操作工人的安全性。

4) 鋼模板之間拼縫嚴密性好，混凝土表面平整光亮、無明顯錯縫。

5) 臺車結構設計創新，構件簡單，模塊化設計，拼裝拆卸周轉方便，大大提高了施工效率。

6 結論

1）臺車整體采用桿系結構，相比傳統的箱形框架結構來說，雖然組裝連接起來相對比較繁瑣，但整個臺車的結構質量減少了很多，而且采用模塊化設計，大部分連接工作在出廠前即已完成，減少了施工現場的拼裝工序和勞動強度。

2）在施工操作空間方面，雖然沒有傳統的箱形框架結構的空間大，但這種新型結構形式相比之前的桿系結構臺車留出的操作空間更大，更便于施工。對于操作空間要求不是特別大的工程，該臺車具有較大優勢。

3)該臺車行走系統、調位系統、支撐系統等集中可視化，且均布置于臺車結構底部，方便布線、操作、檢修等。

4）該臺車的模板結構設計剛度較大，施工時主要依靠模板主背楞抗彎，既能防止施工時模板出現較大變形和損壞，也能減少臺車結構本身的抗彎能力，使臺車桿系結構只承受拉壓載荷，不承受彎曲載荷，受力較好。由計算結果可知，整個臺車結構的應力較小說明這種方式也可以進一步做到結構的輕量化，臺車結構仍有進一步的優化空間。