小直徑大曲率隧道二次襯砌拱墻臺車的設計

彭文韜 蘇長毅 劉燦光 劉康宇

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430073

武漢大東湖核心區污水傳輸系統工程（以下簡稱“本工程”）涉及9個區間共17.5 km盾構隧道洞通后的二次襯砌施工，隧道成形直徑最小僅3 m、最小轉彎半徑250 m，施工工期緊張。

傳統全圓針梁式臺車[1]與穿行式臺車在小斷面工況下難以投入多作業面進行跳倉施工，一般采用連續澆筑方式，施工工效低，且無法適應大曲率隧道施工。

為解決上述問題，研究了一種在二次襯砌底部仰拱先行施工條件下，可適應小直徑大曲率隧道工況、多作業面跳倉施工的二次襯砌拱墻臺車。

1 工程概況

本工程是全國首條正式開建的深層污水輸送隧道，主隧全長17.5 km，包含9個豎井和9個區間，區間埋深30.0～56.0 m，單區間最長達3.6 km。采用厚25 cm的C50盾構管片初次襯砌＋厚20 cm的C40二次襯砌的疊合式襯砌。區間隧道成形直徑3.0、3.2、3.4 m，最小轉彎半徑250.0 m，全線曲線段占比達43%。隧道二次襯砌每14.4 m設1道變形縫，環向不設施工縫。

二次襯砌施工在盾構隧道貫通后進行，其中：下部120°仰拱先行施工，為拱墻臺車及電瓶運輸車提供底部通行條件；上部240°拱墻采用拱墻臺車跳倉法跟進仰拱施工。

2 臺車整體設計與驗算

2.1 臺車整體設計

本工程拱墻臺車設計長度為14.4 m，根據成形洞徑不同分為3.0、3.2、3.4 m等3種類型。臺車由3節4.8 m分節小臺車鉸接連接而成。分節小臺車間集成各自的液壓控制系統，彼此相互獨立。拱墻臺車整體三維設計如圖1所示，其縱斷面如圖2所示。

圖1 拱墻臺車整體三維示意

圖2 拱墻臺車整體側視

拱墻臺車由模板系統、門架系統、支撐系統、液壓系統、小臺車鉸接耳座等組成。分節小臺車結構設計組成如圖3所示。

圖3 拱墻臺車整體截面

2.1.1 模板系統

模板系統包括頂模、側模、搭接模板機構和端模；頂模兩端采用鉸接形式分別與對稱分布在兩側的側模連接，每節小臺車模板縱向由2組寬1.5 m＋1組寬1.8 m鋼模組成，鋼模面板厚度8 mm，環楞弧形鋼板厚度14 mm，每組頂模設4道，最大間距600 mm；每組側模設3道，最大間距900 mm。縱楞為90 mm×56 mm×8 mm角鋼，環向間距300 mm，各組鋼模間設螺栓連接。

搭接模板機構設置在小臺車兩端，前后相鄰小臺車連接采用搭接形式，前側小臺車設置外側搭接模板、后側小臺車設置內側搭接模板；拱墻臺車第1節與最后1節端部設置外側搭接模板或端模。

隧道投入多套襯砌臺車跳倉施工，奇數倉安裝端模封堵端頭，偶數倉安裝外側搭接模板用于搭接兩側奇數倉已成形二次襯砌結構。

2.1.2 門架、支撐及液壓系統

門架系統主要由模板平移托架及連接的門架HW150型鋼橫梁、HW150型鋼縱梁、雙拼14b#槽鋼立柱、12#槽鋼連系梁等組成。每節小臺車共設4榀門架，最大中心間距1.4 m。每節小臺車支撐系統自上而下包括4組上側模支撐絲桿、4組下側模支撐絲桿、4組門架橫撐絲桿和4組底部支撐絲桿。

每節小臺車液壓系統包括由臺車操作閥、液壓泵站組成的液壓控制系統，以及2組模板平移油缸、2組臺車頂升油缸、2組側模收支油缸等。分節小臺車間液壓控制系統各自集成，實現小臺車間獨立控制、依次對中、依次支模。

臺車操作流程為：臺車依次推行就位→依次操作模板平移油缸，模板水平對中到位→依次操作臺車頂升油缸，模板高程位置到位→依次操作側模收支油缸，側模支出到位→依次安裝側模支撐絲桿、底部支撐絲桿、橫撐絲桿到位→連接泵管，澆筑混凝土。

2.2 臺車受力驗算

根據模板臺車設計情況，結合施工過程的實際情況，以長3.4 m的臺車為例進行結構分析，主要取以下荷載：

1）結構自重。單節臺車理論質量約9 t，考慮1.35荷載分項系數，自重荷載設計值共計12.2 t。

2）混凝土側壓力。本工程二次襯砌采用的自密實混凝土初凝時間達10 h，坍落度大于180 mm，故按流體壓力計算混凝土澆筑側壓，最大壓強出現在側模底部，約66.7 MPa，考慮1.35荷載分項系數，側壓荷載設計值最大為90 MPa。

分別采用Midas Gen軟件對臺車門架結構、Solidworks軟件對臺車模板系統進行有限元分析驗算，計算結果為：門架變形主要整體向內變形，最大水平位移出現在門架底部，最大水平位移2.48 mm＜3.15 mm的允許位移；最大應力175 MPa，位于立柱與橫向撐桿交點處；變形及應力均滿足要求。

模板變形主要整體向內變形，最大位移出現在模板中下部位置，最大位移0.46 mm＜1.50 mm的允許位移；最大應力95.5 MPa，位于模板與絲桿連接處；變形及應力均滿足要求。

3 臺車針對性設計

3.1 小直徑隧道工況針對性設計

本工程隧道二次襯砌單作業面投入8套臺車（圖4）進行跳倉法施工，沿用原盾構階段電瓶運輸車（高1.8 m，寬1.2 m，長6.6 m）進行軌枕軌道等物料運輸及臺車推行，需在最小成形洞徑3.0 m工況下實現電瓶車在臺車門架內部通行，且保障臺車內部操作空間。故需對臺車門架做針對性優化設計，在保證臺車使用便利的前提下，盡量增大門架內凈空。

圖4 臺車脫模狀態設計

第一，優化門架型鋼尺寸，增設可拆卸式的輔助絲桿增強門架剛度。由臺車整體設計可知，門架橫梁及立柱等構件型鋼尺寸均較小，每節小臺車門架設置4組橫撐絲桿，臺車支模狀態打開，脫模狀態可卸下。

第二，保障側模絲桿安裝調節空間，避免臺車支模困難。門架立柱采用雙槽鋼加鋼板組焊形式，兩槽鋼腹板設計留一定空隙開雙耳洞，連接上側側模支撐絲桿；下側側模支撐絲桿連接耳板置于底縱梁底部。這樣無需在門架立柱外側設置雙耳板，有效增大了絲桿調節量。

在臺車頂升油缸完全收回狀態，頂部最大脫模量達140 mm，門架有效內凈空高1.9 m，寬1.4 m，電瓶車與門架凈距80 mm，滿足通行要求。使用階段可不完全收回頂升油缸進一步增大凈空。因此除臺車澆筑及未達拆模強度階段，門架橫撐絲桿須處于安裝到位狀態，導致電瓶車無法通行外，其余階段電瓶車均可在臺車內部通行。

臺車脫模后電瓶車開入臺車內部，在前側第1榀門架處安設臨時型鋼橫梁，即可推行臺車至下一倉就位。

3.2 大曲率隧道工況針對性設計

在最小轉彎半徑250 m的工況下，由模擬可知，臺車在常用的12、9、6 m長度規格下二次襯砌侵限分別為±72、±40、±18 mm，均大于規范允許限值±15 mm。故本工程考慮采用單套臺車長14.4 m設計，并分成3節4.8 m小臺車，在最小轉彎半徑下內襯壁厚侵限為±11 mm，滿足規范允許偏差要求。小臺車間采用鉸接式設計，由搭接模板機構及鉸接耳座兩部分組成。

搭接模板機構由前側小臺車設置的寬10 cm外側搭接模板和后側小臺車設置的寬8 cm內側搭接模板組成，二者與臺車模板形式同樣分為3塊，與臺車端部法蘭盤螺栓連接。內外側搭接模板均采用弧形鋼板焊接成直角形式，內側搭接模板還需設承壓加勁板。

搭接模板機構為企口形式連接，內側搭接模板外表面貼緊外側搭接模板內表面，二者非完全咬合而是留有寬3 cm間隙以適應彎道。

鉸接耳座設置在相鄰兩節小臺車端部門架橫梁處，包括連接雙耳板、連接單耳板和固定銷軸，銷軸軸線位于搭接模板中線位置（圖5）；耳座雙耳板間預留間隙較大，連接單耳板在安裝固定銷軸后，相鄰小臺車沿隧道縱向以鉸接形式固定，但豎向仍有一定活動空間，避免模板升降速度不均時造成搭接模板機構擠壓變形。

圖5 小臺車鉸接耳座

隧道直線段施工時，搭接模板間隙可用橡膠條填塞，避免混凝土澆筑后形成凸槽；隧道進入曲線段施工時，分節臺車間以固定銷軸為旋轉中心，模板內弧側間隙適應曲線變化而咬合或部分咬合、外弧側間隙拉開但仍能保證內外兩塊搭接模板保持搭接，混凝土澆筑完成后需對凸槽進行打磨。

搭接模板間隙寬度根據隧道轉彎半徑要求模擬確定。當內弧側3 cm間隙寬度完全咬合時，對應隧道擬合轉彎半徑為243 m＜250 m，外弧側間隙被拉開至6 cm＜8 cm，滿足施工要求。

此外，需模擬電瓶車在彎道上與臺車門架是否有碰撞風險。經模擬可知，電瓶車在轉彎半徑250 m的彎道進入臺車內部時，與門架最小有效凈距為9.3 cm，電瓶車可順利通過。

3.3 混凝土澆筑針對性設計

由于拱墻澆筑高度較小，故每節小臺車只在頂部設1個澆筑口，側模上設2個對稱分布的觀察窗與澆筑口形成品字形布置，并設置附著式振搗器。為確保拱頂密實，每節小臺車頂部增設2個帶模注漿口，可安裝RPC注漿管進行帶模注漿作業。

此外，本工程初次襯砌為管片柔性結構，故二次襯砌變形縫設置較密集，臺車與變形縫長度匹配為每14.4 m一道，不再設環向施工縫。故臺車需在奇數倉設置端模，在二次襯砌厚度僅20 cm條件下，端模設計困難，易造成端部跑模漏漿現象。

為此，變形縫優化采用背貼止水帶＋后裝式Ω形止水帶式設計，端模設計為分塊扇形鋼板形式，一端與臺車端部法蘭盤螺栓連接，一端直接抵緊背貼止水帶封堵端模，保障混凝土澆筑及帶模注漿壓力下端模穩定。臺車法蘭盤開環向長圓孔，端模鋼板開徑向長圓孔，實際操作可根據止水帶設置情況靈活調節端模安裝位置。

4 結語

本文依托武漢大東湖深隧工程二次襯砌施工，對小直徑大曲率隧道二次襯砌施工拱墻臺車進行了設計研究，形成的結論如下：

1）在隧道最小成形直徑僅3 m工況下，通過門架優化設計，保障了臺車內部操作空間與電瓶車通行內凈空，解決了物料設備運輸難題。

2）在隧道最小轉彎半徑250 m工況下，通過將單套14.4 m臺車設計為3節彼此獨立的分節小臺車、節間采用由搭接模板機構及鉸接耳座組成的鉸接式設計，保障了臺車對曲線段二次襯砌施工的高適應性。

3）臺車設計功能齊備，施工質量控制設計超前，使用便捷。

在本工程實際應用中，長區間采用雙作業面，每作業面投入8套拱墻臺車跳倉法跟進仰拱施工，單次襯砌施工長度達115.2 m。用時不到3個月就完成了最長3.6 km的3#—1#區間二次襯砌施工，全線17.5 km二次襯砌施工用時不到5個月，單作業面最高月襯砌690 m。臺車對小直徑大曲率隧道適應性好，施工質量良好。但因同時投入多套設備，成本較高，在工期緊張的項目中可參考應用。