大跨度伸缩式仰拱栈桥设计及应用

张光明

（中铁十一局集团汉江重工有限公司 湖北襄阳 441006）

1 引言

随着基础建设热潮到来，工程规模将越来越大，技术难度也越来越高。以隧道施工为例，面对如何提升作业工效、提高安全系数、改善作业环境、降低作业强度、保证工程质量、有效节约资源的需求和难题，传统、粗放的“人海战术”已然无法应对，而隧道机械化施工已成为新形势下隧道施工的主流。目前隧道机械化施工［1-5］生产主作业线在不同围岩级别下最大施工进度不一致，同等条件下仰拱作业线施工能力普遍低于掌子面和二衬作业线施工能力，仰拱施工已成为制约隧道施工的关键环节。

另外，在超前地质预报、开挖方法选择、施工安全步距［6-7］和开挖进尺的控制四个关键问题中，安全步距尤为重要。安全步距值过小，安全冗余度高，施工工作空间小，工序相互干扰大，施工成本升高；安全步距值过大，隧道安全无法保证，易造成坍塌事故。因此，开展能够平衡安全和进度管理要求的工装、工法研究具有更重大的现实意义。

近年来，中央为促进西藏经济社会发展，促进民族团结、维护国家统一、巩固边疆稳定需要，正在规划建设川藏铁路。川藏铁路隧道工程占比大，特长隧道众多，隧道埋深超大，道路及辅助坑道条件差，高寒高海拔地区人工、机械施工工效低下，建设难度前所未有。高原缺氧、高地温等导致作业环境恶劣，对施工机械化、信息化水平提出了迫切需求，而长大隧道带来施工工序多、工序间相互干扰多、时间长等问题，对传统12 m、24 m仰拱栈桥［8-12］施工工艺提出了新的挑战。

在机械化配套原则、施工组织方法、重大工装配套、验工计价模式等方面进行了理论创新、思维创新、技术创新，开发设计了大跨度伸缩式仰拱栈桥，通过施工应用形成了掌子面、仰拱及二次衬砌三大主作业线并行施工和仰拱栈桥下方的开挖支护、仰拱衬砌、仰拱填充三区平行流水作业的快速协同施工工法。

2 大跨度仰拱栈桥组成及功能特点

2.1 组成

大跨度伸缩式仰拱栈桥是在隧道施工中避免隧道开挖、支护、出渣等工序干扰、提高施工工效的机械设备。该栈桥主要由主桥总成、伸缩式前导梁总成、仰拱模板总成以及电液系统等组成，前导梁可沿主桥纵向伸缩增大桥上通行距离和桥下施工区间。大跨度伸缩式仰拱栈桥结构示意如图1所示，其技术参数见表1。

（1）主桥

仰拱栈桥的主桥总成由主桥后引桥、后走行机构、后支腿、主梁、纵移小车、中支腿、前支腿、主桥纵移机构、主桥前引桥等组成，如图2所示。

（2）伸缩式前导梁

伸缩式前导梁结构由后轮机构、次桥主梁、辅助支腿和前引桥等组成，如图3所示。

图3 伸缩式前导梁

（3）仰拱模板总成

仰拱模板总成由中心水沟模板、仰拱填充端模、仰拱弧模和弧形振捣梁等组成，如图4所示。

图4 模板总成

（4）电液系统

电气控制系统设置有辅助支腿电气柜、前支腿电气柜、中支腿电气柜、主控制柜四个电气柜，各柜之间通过以太网通信组网连成整体，在主控制柜（后支腿）上进行仰拱栈桥集中控制，可采用遥控操作。

液压系统设置有辅助支腿液压系统、前支腿液压系统、中支腿液压系统、后支腿液压系统，采用独立单元设计，系统模块化可减少沿程损失和功率损耗，机构简单，性能稳定，维修方便。

2.2 施工区间及操作流程

大跨度伸缩式仰拱栈桥可形成仰拱开挖支护、仰拱衬砌、仰拱填充施工三个作业区间（各作业区间长度12 m），作业区间各工序流水作业、并行作业，有效加快仰拱施工进度，缩短二衬台车跟进时间，提高隧道施工进度。该栈桥不仅满足隧道开挖、支护、出渣等工序所需设备的通过条件，还实现了桥上通行施工车辆、桥下进行仰拱施工作业，避免开挖面施工车辆与仰拱施工工序间干扰。作业区间示意如图5所示。

图5 作业区间示意

大跨度仰拱栈桥前移操作流程（见图6）如下：

图6 大跨度仰拱栈桥前移操作流程

（1）后引桥升起→后走行机构油缸顶升后支腿离开仰拱填充面→主桥前支腿收起→栈桥准备前行；

（2）通过油缸伸缩推动栈桥前行6 m；

（3）放下前支腿→收起中支腿→油缸推动中支腿前行6 m→放下中支腿→收起前支腿→栈桥装备前行下6 m；

（4）油缸推动栈桥前行6 m→放下前支腿→收起中支腿→油缸推动中支腿前行6 m→放下中支腿→收起后走行油缸后支腿承载→放下后引桥→栈桥移动到位→继续下个循环仰拱开挖施工。

2.3 功能特点

（1）栈桥结构合理

栈桥主要由主桥总成和可伸缩式前导梁总成等组成，总体结构设计合理，具有承载能力大、结构稳定、安全可靠，为施工车辆及作业人员提供了安全保障。主桥下方空间用于仰拱施工，前导梁在仰拱施工时可前移，有效跟进仰拱出渣，且便于通行。栈桥支腿配置横移油缸，前、后横移油缸同时动作实现栈桥整体横移，单独动作可实现栈桥纠偏，满足大断面双线隧道及曲线隧道的施工要求。

（2）作业距离长、工序衔接紧

大跨度伸缩式仰拱栈桥有效施工长度36 m，施工距离长，可形成仰拱开挖与支护、仰拱衬砌、仰拱填充施工三个作业区间，作业区间各工序流水作业、并行作业，有效加快仰拱施工进度。

（3）液压驱动、运行平稳可靠

整机由液压系统提供动力，栈桥主桥、前导梁的前移、后退均采用液压油缸驱动。整机采用液压驱动，具有机构简单、控制灵活、性能稳定可靠、维修方便等优点。

（4）电控操作简单，安全有效

电气系统采用PLC控制器＋触摸屏的控制方式，除基本控制功能外，还配备了液压系统监控、故障报警提示等功能。电气系统操作方式为主控制柜集中操控＋遥控，操作人员可以通过主控制柜上的旋钮对整机各个机构进行操控，同时还可以通过遥控器操作使用。

（5）前导梁伸缩、摆动功能

通过前导梁伸缩能保持仰拱持续开挖，可实现仰拱开挖初支、仰拱衬砌、仰拱填充三区平行流水作业，提高仰拱施工速度；通过前导梁上、下摆动功能，能够适应三台阶、全断面等不同工法的仰拱施工。

（6）防水板钢筋台车骑跨栈桥作业功能

为缩短二衬施工安全步距，在仰拱填充混凝土强度达不到承载要求时，防水板钢筋台车可骑跨到栈桥上，保证防水板铺设及钢筋绑扎持续作业，进而实现工序间有效衔接，以达到缩短二衬施工安全步距的目的。

（7）实时监控功能

设备能实时监控栈桥运行中的各项参数，能实时查看各项数据参数，出现异常时及时预警。

3 应用分析

大跨度伸缩式仰拱栈桥施工应用在郑万高铁重庆段，该试验段为Ⅲah型复合衬砌断面，分别采用Ⅰ级、Ⅱ级机械化配套施工进行数据统计分析，具体数据见表2、表3。

表2 隧道综合工效分析对比（Ⅰ级机械化配套）

表3 隧道综合工效分析对比（Ⅱ级机械化配套）

通过表2数据对比分析发现，采用Ⅰ级机械化配套施工中，传统24 m栈桥制约综合月进度的为仰拱作业线，而采用大跨度伸缩式仰拱栈桥后，制约综合月进度的则为二衬作业线，不再影响仰拱施工，此时隧道综合施工工效比应用24 m仰拱栈桥隧道提高了50%。

通过表3数据对比分析发现，采用Ⅱ级机械化配套施工中，传统24 m栈桥制约综合月进度的仍为仰拱作业线，而采用大跨度伸缩式仰拱栈桥后，制约综合月进度的则为掌子面作业线，同样不再影响仰拱施工，此时隧道综合施工工效比应用24 m仰拱栈桥隧道提高了41.67%。

综合上述分析，隧道在采用Ⅰ级、Ⅱ级机械化配套施工时，应用大跨度伸缩式仰拱栈桥后，综合工效大大提高，有效缩短了施工工期，同时实现了管理费、风水电费等可变成本的降低。

4 结论

大跨度伸缩式仰拱栈桥的成功应用，形成了掌子面、仰拱及二次衬砌三大主作业线并行施工，以及仰拱栈桥下方开挖支护、仰拱衬砌、仰拱填充三区平行流水作业的仰拱快速协同施工工法，解决了困扰隧道仰拱快速施工的重要瓶颈。

本新装备、新工艺的应用实施非常有助于提升隧道施工工效，保障隧道施工安全步距，降低可变成本，提高经济效益与社会效益等，具有很好的实用价值与应用前景。