隧道混凝土衬砌施工中衬砌台车受力分析_曹小林

2002年9月第3期(总75)
铁　道　工　程　学　报
JO U RN A L O F RA ILW AY EN GIN EERIN G SO CI ET Y
September　2002
N o.3(Ser.75)
文章编号:1006—2106(2002)03-0051-03
隧道混凝土衬砌施工中衬砌台车受力分析
曹小林
(中铁三局集团有限公司,　太原　030001)
提　要:文章运用力学分析方法对铁路隧道模筑衬砌施工用简易衬砌台车采用不同的模板形式时的受力特
点进行了对比分析,阐述了对模板及支撑结构进行受力分析的必要性。

关键词:隧道;模板混凝土衬砌;台车;结构;受力分析
中图分类号:U453　文献标识码:A
在进行建筑物或构筑物有模板混凝土浇注施工过程中,时常会出现因为模板及支撑结构不到位而发生跑模、胀模现象,或者因模板及支撑结构过于笨重使加工、支立、拆除费工费料。

这些现象多数是未对模板及支撑结构进行受力分析造成的。

因此根据建筑物或构筑物混凝土的施工要求和施工特点,通过对模板及支撑结构进行受力分析和计算,合理设计模板及支撑结构,是克服上述不良现象的最佳方法。

对铁路单线隧道混凝土衬砌施工使用的一种简易整体衬砌台车的受力分析就充分说明了这一点。

1　衬砌台车结构简述
对保证模筑混凝土施工中台车下部有足够的通行净空,不影响隧道其他工序的正常进行,且衬砌台车走行方便,衬砌台车由走行轮和主承力框架、模板支架和模板两大部分组成。

主承力框架由上下纵梁与多个门式框架栓接或焊接而成,门式框架间纵向间距取1.2m,台车全长9.6m;模板支架与门式框架相对应并采用可调式杆件联结,模板支架分直墙和曲墙两种,以便施工中直、曲墙地段可以互换;模板拟定大块整体式钢模板和组合拼装式钢模两种方案,通过施工中受力分析和综合因素比较后确定。

所谓大块整体式钢模板就是将一定厚度(需根据挠度计算确定)的大块钢板分拱部和两侧边墙三部分直接焊接在模板支架上,使钢板与模板支架连为一体;所谓组合拼装式钢模板,就是采用定型组合钢模板,并将模板简支于模板支架上,模板间采用钢插销和专用卡连接,在混凝土灌注施工中,采取边立模边灌注方式。

为防止施工中衬砌台车移动,混凝土施工过程中用千斤顶和支撑木将衬砌台车整体垫起使走行轮悬空,同时将台车下纵梁通过预埋件铰接于提前施工好的两侧混凝土矮墙上。

台车立面示意图如图1所示。

2　衬砌台车受力分析
衬砌台车组装完成后,未灌注混凝土时主要承受自身重力,当被拖拉移动时同时承受水平牵引力,此时其支反力通过走行轮作用于主承力框架下纵梁;灌注混凝土过程中衬砌台车除自重外,主要承受直接作用在模板上的混凝土重力、灌注冲击力和振捣产生的力,作业人员及机具重力,此时约束反力直接作用在台车下纵梁上,整个台车形成底部约束的框架受力结构,约束反力及衬砌台车各构件受力情况均可通过简化受力计算模式进行分析计算。

当采用不同的模板形式和振捣方式时,衬砌台车各部位受力特点和受力计算模式不同。

为采用较佳的模板结构和振捣方式,分别对采用大块整体式钢模板附着式振捣(外部振捣)方式和采用组合拼装式钢模板插入式振捣(内部振捣)方式进行受力分析比较。

2.1　未灌注混凝土时比较
采用大块整体式钢模板附着式振捣方式时,由于模板及外部附着式振捣器(数量较多)已与支架连为一体,使衬砌台车自重较大,相应的作用于可调式联结杆件的力和作用于走行轮的支反力也较大,台车换位移
收稿日期　2002-06-15　曹小林　高级工程师　男　1955年出生
动时也相对困难;当采用组合拼装式钢模板插入式振捣(内部振捣)方式时,因为模板随灌注支立,未灌注混凝土时衬砌台车自重相对较轻,相应的作用于可调式联结杆件的力和作用于走行轮的支反力也较小,台车换位移动时较为方便。

图1　台车立面示意图
2.2　灌注混凝土过程中比较
2.2.1　模板受力分析。

衬砌混凝土施工中,台车模板主要直接承受由新灌注混凝土重力、灌注冲击力和振捣混凝土产生的力,这些力对直边墙部分的模板产生侧压力,对曲边墙部分的模板和拱部模板则同时产生
垂直压力和侧压力,对正拱顶模板只产生垂直压力。

随着新灌注混凝土数量和高度的不断增加,模板所承受的这种压力从开始为零逐步加大到某一最大值(P max )。

这一最大值(P max )的大小与混凝土容重( )混凝土的塌落度、灌注速度(V )、入模温度(T )、入模方式、水泥初凝时间、采用的振捣方式密切相关,而且不同位置的模板最大值也不一样。

由于影响因素较多,目前铁路、公路及建筑施工行业的取值各不相同。

但可综合表达为下述方式:
P max =k
式中:k ——综合影响系数。

根据隧道拱部衬砌厚度与边墙高度比较,新灌混凝土对衬砌台车模板产生的最大压力出现在边墙的某一高度范围内。

为比较采用不同的振捣方式时对这一压力值大小产生的影响,假定其他因素条件完全相同,采用铁路工程技术手册《桥涵》推荐的计算公式,取插入式振捣器的作用半径为0.75m 、附着式振捣器的作用半径为 1.0m ;同时根据边墙衬砌厚度和泵送混凝
土的速度,取4h 内混凝土的灌注高度大于两倍附着式振捣器的作用半径;计算后得知,采用附着式振捣器时模板承受的最大侧压力,是采用插入式振捣器时模板承受的最大侧压力的 2.7倍。

由此可见,采用插入式振捣方式明显优于采用附着式振捣方式。

在简化模板受力计算模式方面,采用大块整体式钢模板时,模板受力计算模式为沿台车长度方向的多跨连续板超静定结构,通过受力检算确定采用钢板厚度的计算较为复杂;采用组合拼装式钢模板时,模板受力计算模式为沿台车长度方向的单跨简支板静定结构,模板受力检算较为简便且准确度相对较高。

2.2.2　模板支架受力分析。

从衬砌台车立面示意图可以看出,模板支架在起拆、立模调节作用的同时,将来自于模板的力通过可调式联结杆件传给台车主承力框架。

模板支架的受力计算模式,在直墙时为沿墙高方向的多跨连续梁超静定结构,曲墙时为沿墙高方向的多跨连续桁架超静定结构,拱部为单跨两端悬臂桁架拱结构。

当采用组合拼装式钢模插入式振捣方式时,其受力计算相对简便,而且由振捣混凝土产生的震动能在模板简支处化解;当采用大块整体式模板附着式振捣方式时,由于模板支架与模板已连为一体,其受力计算相对复杂,而且多台附着式振捣器同时振动产生的震动力直接作用在模板支架上,同时又通过可调式结杆件传给台车主承力框架,不但增大了模板支架的内力和计算难度,而且极易损坏可调式联结杆件,又给主承力框架增加了震动力。

2.2.3　主承力框架受力分析。

主承力框架作为衬砌台车的末端受力结构,通过门式框架将模板支架传来的力传到被约束的下纵梁,形成如图2所示的刚架受力计算模式。

由此可以看出,衬砌台车的整体稳定性一方面取决于门式框架的刚度,另一方面取决于被约束的下纵梁是否产生位移。

由于受现场施工条件和多种因素的限制,对台车下纵梁的约束只能通过支垫和提前设置受拉预埋件来实现。

因此,约束反力的增加将使对台车下纵梁约束的困难程度增加。

从模板和模板支架的受力分析可知,采用大块整体式钢模板附着式振捣方式时,会明显增大台车主承力框架的支点约束反力,给支点约束增加较大难度,同时对门式框架的结构刚度要求也相应加大。

从上述受力分析比较可以看出,对隧道衬砌混凝土施工使用的整体衬砌台车而言,采用组合拼装式钢模板插入式振捣方式时,其受力结构明显优于采用大块整体式钢模板附着式振捣方式。

2.3　衬砌台车稳定性分析
衬砌台车属于中心对称受力结构,在混凝土施工
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过程中当一侧受力明显大于另一侧时,将对台车主承力框架的支点约束产生较大影响,甚至使主承力框架上部产生摆动位移,以致于对两侧边墙衬砌厚度产生影响。

因此施工两侧混凝土灌筑速度和高度应尽量保持一致,以确保整个施工过程中衬砌台车的稳定性。

图2　框架受力计算模式
3　实际使用情况对比
通过对隧道衬砌混凝土施工中使用两种不同模板
结构和振捣方式的台车实际情况的调查得知,采用大块整体式钢模板附着式振捣方式的衬砌台车进行隧道混凝土衬砌施工时,经常出现支反力过大,破坏支点约束,使台车出现较大位移,结构变位难以控制,造成跑模现象。

而改用同样走行方式及主承力结构,组合拼装式钢模插入式振捣方式的衬砌台车后,上述不良现象再未出现,而且减轻了施工中的劳动强度,增加了台车的拆装、使用、运输方便程度,明显降低了台车加工费用,扩大了台车的适用范围和周转期。

这些情况正好与对台车的受力分析相吻合。

对铁路单线隧道混凝土衬砌施工用整体衬砌台车进行的受力分析充分说明了对混凝土结构施工中模板及支撑结构进行受力分析是非常必要的和有益的。

参考文献
[1]　T BJ 204-96.施工规范[S ].铁道部第二工程局.铁道部建
设司标准科情所.
[2]　铁道部第三工程局.铁路工程施工技术手册:桥涵(上册)
[M ].1987-07第一版,1994-05第2次印刷.北京:中国铁道出版社.
LOADING ANALYSIS OF LIN ING JUMBO DURIN G C ONSTRUCTION OF CO N -CRETE TUNNEL LINING
CAO Xiao -lin
China Railw ay Third Engineering Bureau Group Co .,Ltd Abstract :　Applying mechanics analy sis m ethod,the comparison a nd ana lyses are put forw ard o n th e loading cha racteristics during co nstructio n of co ncrete tunnel lining by using simple lining jum bo with different adopted fo rm w orks .The necessity to put forw ard the loading analy ses o n fo rmw orks a nd suppo rt structures are ex-pounded also in this paper .
Key words :　tunnel;fo rmw o rk;co ncrete lining;jumbo;structure;loading a nalysis (上接第50页)
LA N DSLIDE MO N ITORING AND ITS PREVENTIVE TREATMEN TS FOR ELE -VATED SLOPE AT TUNNEL PORTAL OF CERTAIN EXPRESSWAY
YE Xiao -bing ,LUO Xiang ,GAO Hai -dong
China Railw ay Eigh teenth Engineering Bureau Group Co.,Ltd
Abstract
:　The landslide a t Jiudunpo tunnel portal of Chuxio ng -Dali ex pressw ay in Yunnan Provice was a kind o f landslide w hich was fo rmed because of the stability failure o f rock mass during construction destroying the slope sectio n of a stablized a ncient landslide.The landslide monito ring m easures w ere adopted timely ,the ef-fectiv e fo reca st analy tical calculations w ere put forw ard ,and the go od results of la ndslide prev entiv e treatments w ere o btained.They are v aluable as reference fo r the similar engineering w orks.Key words :　tunnel po rtal;landslide mo nitoring;landslide preventive treatments
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