摘 要 文章以重庆轻轨较新线临江门车站隧道为例,介绍了特大断面隧道整体式液压模板台车的研制与全断面衬砌施工技术,可供同类工程参考。
关键词 车站隧道 液压模板台车 全断面衬砌
1 前 言
特大断面隧道在我国隧道建设史上并不多见,近年来随着基础设施建设的不断深入,许多三线隧道、地下停车场、地下油库、地铁车站等逐渐开始兴建,地下空间的开发利用因其占地少、安全环保而越来越显示出它的优越性。临江门车站是重庆轻轨较新线的一个中间站,位于重庆市渝中区解放碑商业步行街下,开挖高度20. 885 m,开挖宽度23. 04 m,开挖断面积421 m2,衬砌后净空断面积335 m2,是我国隧道建设史上不多见的典型的城市浅埋特大断面隧道。隧道施工采用整体式液压模板台车和全断面衬砌施工技术。
2 衬砌断面分析
2. 1 衬砌设计断面
临江门车站隧道全长198 m,一端位于曲线上,一端位于直线上,车站隧道按不同跨度、高度设计有a、b、b1、c四种断面,a型断面为曲线加宽设备区加高段(dk0+768~+807),长39m,净宽20.093m,净高16.528m,仰拱高2. 1 m,净空断面积334. 67 m2,开挖面积420. 96 m2; b型断面为曲线加宽段(dk0+807~+840. 4),长33. 4 m,净宽20. 093 m,净高16. 035 m,仰拱高2. 1 m,净空断面积322. 66 m2,开挖断面积407. 49 m2; b1型断面为缓和曲线加宽段(dk0+840.4~+857.2),长16.8m,净宽19.473m,净高16.035m,仰拱高2.1m,净空断面积315.62 m2,开挖断面积397. 45 m2; c型断面为普通段(dk0+857. 2~+966),长108. 8 m,净宽18. 853 m,净高16. 035 m,仰拱高1. 9 m,净空断面积305. 17 m2,开挖断面积387. 97 m2。隧道衬砌断面型式见图1、图2。
2. 2 全断面衬砌台车通用方案设计
通过方案论证和比选,决定采用全断面整体式衬砌方法,但因临江门车站隧道仅长198 m,却存在四种断面,从成本上考虑,如要采取全断面整体式衬砌方法,需要解决衬砌模板台车的通用性问题,否则成本过高而不可取。比较临江门车站隧道的四种衬砌净空断面,可以得出以下数据:
(1)按照a→b→b1→c的顺序,衬砌断面逐渐减小,宽度、高度也均逐渐变小。
(2)边墙的曲墙圆半径相同,除a断面外,其余断面拱顶曲线的圆半径相同。
(3) a、b、b1、c四种断面拱肩部位的曲线半径不同,分别为5m、4m、3m、2m,但曲线均较短,取4m为通用半径,拱高的偏差最大为2 cm。
(4)按c→b1→b→a的实际施工顺序,台车宽度可采取措施逐渐加宽。根据以上比较,提出以下方案进行台车的初步设计:
①施工顺序为c→b1→b→a,衬砌台车可按c型断面设计,满足通行要求的同时设计通用门架、拱顶三角架,通过调节边墙及拱顶的支撑长度(增加支撑垫块),解决台车的通用性问题。
图1 a(b)型衬砌断面示意
图2 b1(c)型衬砌断面示意
②台车采取全液压自行式,但不采用整体模板,而采用组合拱架加定型组合模板的形式,一是可以大大增加台车拱板的刚度,二是在衬砌变断面时又可以局部换装少数模板就能满足各断面要求,从而可以加快施工进度、节约投资。
③鉴于隧道断面宽、高的特点,台车行走机构需左、右两边各设一台行走电机,共四对负重轮,行走机构为两组涡轮涡杆减速器,通过链传动驱动四对走行轮,电机驱动,电气操纵。初步设计得出的结论是:只需要采取措施进行各断面的换装,c→b1→b断面的改装工程量不大,a断面需更换拱顶的拱架、模板,主体台车门架通用,边墙模板可通用,拱顶模板除a断面外可通用,
拱肩采用通用的4 m半径,高度误差小于2 cm(衬砌净空)。适当将衬砌断面放大之后,拱肩采用4 m的通用半径是可行的,不影响净空。整个车站衬砌台车的投入是一台整体台车加a型断面的拱顶拱架、模板,估算造价为120万元,而采取先墙后拱衬砌方案的衬砌拱架、模板的造价并不节省,但全断面衬砌台车的衬砌进度、安全性及衬砌质量是其他方案无法比拟的。
3 全断面衬砌台车技术设计
3. 1 总体设计原则
根据以上分析得出,全断面衬砌台车的四种断面门架可以通用,模板采用组合拱架加定型模板的形式,由此进行全断面衬砌台车的初步设计。各衬砌断面的设计参数比较如表1所示。通过数据比较,结合台车的设计要求,得出以下初步设计要点:
表1 各衬砌断面设计参数对照
现代隧道技术①除a型断面拱顶模板需单独制作外,其余各断面的拱架、模板可以最小弧长为基准,通过增加模板及增长拱架的办法实施通用;
②拱架在拱肩部位不同断面进行换装,以满足各断面要求;
③a型断面的拱顶拱架模板必须单独制作;
④门架通用,每侧预留3. 8 m×4. 0 m车行通道;
⑤在台车每侧的拱肩与拱顶的分界点设铰接点,台车换装时拆除铰接点以下的拱肩拱架,换装新拱架。根据上述分析,该台车的总体设计要求为:
①主体门架、结构四种断面通用;
②要满足施工要求,即左、右两侧各留3. 8m×4. 0 m车行通道;
③采用自行液压式台车,但模板不采用整体模板,而采用组合拱架加定型模板形式;
④要具有可操作性,台车就位、混凝土浇筑要方便操作;
⑤台车的强度、刚度应满足全断面衬砌的要求。
3. 2 主要技术参数
根据以上分析,结合以前衬砌台车的设计经验,提出以下台车设计参数:
(1)采用自行液压组合门架式台车,其行走机构为两组涡轮涡杆减速器通过链传动驱动四对行走轮;立、拆模通过液压油缸操作,操纵机构为电气操纵;采用方形通用门架,根据断面形状制作拱架,外挂定型模板,以利于不同断面的换装。
(2)按结构的稳定性分析,台车长度以9~12 m为好,但因车站衬砌总长仅为198 m且有四种不同的断面,每增长1 m台车造价增加20万,从成本考虑,本工程实际台车长度选定为6 m。
(3)因台车跨度、高度尺寸大,在衬砌时如何确保台车的稳定性是关键,结合开挖方法及实际情况,需保留7、8步核心岩柱。衬砌时在顶横梁下增加2列(共8个)支撑千斤顶,一头支撑在核心岩柱上,一头支撑在台车门架横梁上;另一个措施是在门架立柱上增加横向支撑,一边支撑在门架立柱上,一边支撑在核心岩柱上。采取以上两项措施后,台车衬砌时的稳定性就大大提高了。根据以上分析,设计出了a型断面的衬砌台车,台车长6m,行走机构的额定功率为11 kw,液压系统的最大压力为16mpa,竖向油缸(用来支撑拱顶三角架,支撑作用在门架横梁上)最大行程为300 mm,水平支撑油缸最大行程为200 mm,最大脱模高度为150 mm。
3. 3 总体结构
台车总体结构见图3、图4,主要构件见表2(图中序号与表中序号相对应)。
3. 4 主要结构受力分析与结构计算
根据衬砌台车的结构设计参数及施工过程的工艺要求,对临江门车站的全断面衬砌台车进行结构强度及主要构件刚度验算。假定混凝土为流体,台车在每模混凝土浇注即将结束时受力最大,验算结果如下:台车整体的强度能满足要求,有核心岩柱作为支撑点,台车的稳定性相对较好,但台车个别构件的弯距较大、变形较大,最大的变形构件是门架立柱和横梁,理论变形值分别为2. 71 mm和1. 80 mm,施工中应增加辅助支撑和采取其他措施,以进一步减小变形(计算过程略)。
3. 5 控制系统与工作原理
台车的升、脱模通过集中油泵供油,由调节支撑千斤顶来完成,在台车拱架拱肩与拱顶相接处左右各设一铰接点,脱模时,左右边墙支撑千斤顶收缩,边模与混凝土脱离,然后拱顶支撑三角架的千斤顶下降,顶模与混凝土分离,脱模完成。设计拱顶最大脱模高度20 cm,边墙脱模高度15 cm。
4 大体积现浇混凝土二次衬砌施工质量控制措施
选择一种合理的施工方案(方法),可以从总体上保证大体积现浇混凝土的施工质量及工程进度,优化、细化具体的施工工艺、操作方法,则可从细节入手,保证大体积现浇混凝土的施工质量和加强混凝土的施工效率。混凝土质量可分为内在与外在质量,如何保证混凝土的内在与外在质量,则要从优化施工工艺入手,作到有针对性和预见性。
4. 1 混凝土泵送速度
混凝土浇筑过程中,为确保混凝土浇筑的连续性,以及模板的安全和稳定,必须严格控制混凝土泵送速度。混凝土泵送速度应根据混凝土运输时间、模板变形、混凝土初凝时间等因素确定:①混凝土罐车运输混凝土一个来回,白天需40~50 min,夜晚需特大断面隧道液压模板台车的研制与施工技术
图3 a型断面衬砌台车正视(单位:mm)
图4 a型断面衬砌台车侧视(单位:mm)
30~45 min,上下班高峰时段需60~70 min。每一罐车混凝土方量为7 m3,取时间最大值,则混凝土泵送最低速度为7m3/70min×60min=6m3/h。②根据临江门车站大断面混凝土衬砌试验段模板变形观测资料显示,模内混凝土连续升高不超过1. 1 m时,模板变形能保证满足规范要求,且处于安全状态。按此方量计算,混凝土泵送速度为6 m×0. 8 m×1. 1 m/h=5. 28 m3/h。③当混凝土坍落度小于14 cm时,混凝土泵性能变差;受天气和气温影响,混凝土坍落度每小时会减小2~4 cm,且其和易性变差。因此,混凝土从拌料场出来到浇灌完毕,必须在2 h内完成,以此计算的混凝土泵送速度为7 m3/120 min×60 min=3. 5 m3/h。因此,混凝土泵送速度每侧不能大于5. 28 m3/h,同时不得小于3. 5 m3/h。
4. 2 混凝土浇筑过程中模板变形观测
表2 台车主要构件
混凝土浇筑过程中模板的变形控制:测量人员
加强混凝土浇筑过程中模板的变形量测,控制模板台车的变形。根据《gb 50299—1999 地下铁道工程施工及验收规范》中7. 11. 2条之要求:混凝土衬砌完成后,拱顶允许下沉量为10 mm,侧墙收敛允许值为10 mm。在设计时,模板台车最大理论变形为3 mm。因此,混凝土浇筑过程中,模板变形量均以3 mm进行控制。测量人员应在模板台车就位固定好之后,在模板台车及核心土上设置模板变形观测点。除了台车模板底脚和拱顶必须布设观测点外,还应按台车模板环向1~2 m、宽度每1. 5 m设一个点。观测时间间隔以每层混凝土浇筑时间确定,但不能小于30 min。当发现模板变形接近3 mm时,应加强模板的支撑并停止混凝土泵送与浇筑(30 min),再开始重新泵送混凝土。
4. 3 混凝土浇筑及震捣
(1)每一层混凝土浇筑高度不大于50 cm,应控制在30~50 cm范围内。
(2)左右侧混凝土浇筑高度差不能大于50 cm。
(3)浇筑混凝土时,拱顶以下部位从留仓口插管浇筑及震捣。
(4)浇筑顺序一般从最远一端开始,逆向进行,以逐渐缩短混凝土的运距,避免捣实后的混凝土受扰动,浇筑时应先低处后高处,逐层进行,尽可能使混凝土顶面保持水平。
(5)边墙部位要求每30 cm必须有震动棒插入震捣,震动棒快插慢拔。快插是为了防止表面混凝土先震实而下面混凝土发生分层、离析现象;慢拔是为了使混凝土能填满震动棒抽出时造成的空洞。震动棒插入混凝土后应上下抽动,抽动幅度为5~10 cm,以保证混凝土震捣密实。
(6)上层混凝土浇捣时震动棒插入下层的深度应在5~10 cm,使上下层混凝土接合成一整体,震
动上层混凝土要在下层混凝土初凝前进行。
(7)每个震动棒插入点的震动时间不能过长或过短,一般以混凝土表面呈水平、混凝土拌合物不显著下沉、表面泛浆不出现气泡为准。
(8)严禁靠模板或钢筋震捣,震动棒离开钢筋或模板直径5~10 cm。
(9)浇筑混凝土时要时刻注意混凝土面高度,观察模板及拱架是否有变形及漏浆,发现问题立即停浇,及时整改。
(10)浇至拱顶位置时,从刹尖孔插管往内浇灌,密切观察浇灌情况,浇至饱满时立即封闭刹尖
孔,封闭采用圆台形木材,根据留孔大小自制,直径最小处小于留孔5~10 mm,最大处大于留孔直径10~20 mm,高度比模板厚度大30 mm左右。
(11)为确保拱顶位置混凝土浇筑密实,在挡头模顶部开一15 cm×30 cm观察窗口,刹尖时观察混凝土浇筑情况,以确保拱顶部位混凝土密实。
5 结论与评价
临江门车站隧道二次衬砌施工从2002年7月开始,至2003年3月结束,历时8个月。总体衬砌进度符合预期目标,衬砌净空符合要求,混凝土观感较好,全隧道在衬砌完成后未发生渗漏水现象。衬砌钢筋应力监测显示,车站二次衬砌钢筋受力较为均匀,衬砌钢筋应力在衬砌完成3天后即可基本稳定。采用断面测绘仪对二次衬砌后的车站隧道净空进行检测,检测结果显示,全断面一次衬砌的车站隧道成形极好。综合各种测量结果,对车站隧道的衬砌效果总结如下:
(1)衬砌混凝土表面平整度偏差平均在4 mm以内,大面平顺光滑,观感好。
(2)衬砌净空偏差最大为4 cm,最大变形值出现在拱肩与拱顶交界处,此处设有台车升拆模的铰接点。分析原因,一是因为拱肩部位各断面设计半径不一样,而衬砌台车设计时采用通用的4m半径,台车本身在此处的偏差为2 cm;二是衬砌台车在此处的刚度本身就较差,计算台车刚度时此处的设计变形值就将近3 mm,再加上施工时震动棒捣固时产生的压力,以及作业脚手架附加在台车上的重量,进一步导致了台车的变形。但在设计台车时已经考虑了这一因素,台车衬砌净空放大了5 cm,总体来说衬砌净空是较为理想的,达到了设计要求。考虑到本隧道衬砌净空断面积达335 m2,对如此大的断面整体性衬砌有这样的效果,应该说无论是台车设计或是衬砌混凝土的施工都是非常成功的。
(3)衬砌混凝土表面无蜂窝麻面、露筋现象。
(4)衬砌混凝土用量较合理,混凝土实际用量为设计值的102. 5%,说明隧道初期支护成形较好,总体上超、欠挖控制较好。
(5)在施工中发现了衬砌台车一些需要改善的地方,在后续衬砌时及时予以了改进:
①台车的行走轮开始时采用的是圆珠滚子轴承,但施工中发现衬砌时台车所受侧向压力大,行走轮轴承极度容易损坏,后续施工中更换成了圆锥滚子轴承,提高了行走轮的侧向承载能力,收到了良好的效果。
②衬砌台车的拱顶三角架与台车门架没有相对固定,仅是通过若干千斤顶搁置在门架横梁上,在台车行走时,经常导致左右线错头,从而使衬砌断面失真,更对台车的结构受力造成不利影响。后续施工中通过在拱部三角架与门架横梁间增加纵向约束杆件与丝杆千斤顶来限制台车左右线的错头,较好地解决了这一问题。
③衬砌台车在开始时仅在顶部开了2个刹尖孔,但在施工中发现拱部因半径大,很长一段弧的模板台车的研制与施工技术板仓口几乎呈水平状,不能从模板仓口浇灌混凝土,后来在拱部两侧各增加两个刹尖孔后才解决了这一问题。
④本工程因受隧道长度(198 m,共4种断面)限制,为降低工程成本,衬砌台车仅制作了6 m长,
且台车刚度未做严格要求,如隧道较长,成本上可以承受,台车需要重复使用很多次。衬砌台车在长度上以9~12 m为宜,且应更进一步加强台车杆件的刚度和整个台车的刚度。
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