自行式移动仰拱栈桥

天平山隧道

自行式移动仰拱栈桥的研究与设计

李自力要建国张琳

摘要：本文对天平山隧道原有MIB-L18A型自行式移动仰拱栈桥的结构与实际应用进行了分析研究，根据其存在的弊端重新研究设计了MIB-L11Y型栈桥的结构、走行方式及操作控制系统，并根据MIB-L11Y型栈桥在施工中的应用，对该栈桥的研究设计进行了总结，并对设计中存在的不足进行了分析和讨论。

关键词：天平山隧道自行式仰拱栈桥

1.引言

隧道施工受空间限制，各道工序相互影响，其中仰拱施工与掌子面开挖、出碴间的相互干扰，使得隧道施工效率和安全受到很大影响，特别是当隧道施工工期紧张的情况下，干扰问题更加突出。

在贵广铁路天平山隧道施工中，技术人员结合原有MIB-L18A型自行式移动仰拱栈桥存在的缺陷，研究设计了MIB-L11Y型自行式移动仰拱栈桥。该栈桥在天平山隧道出口工区得到了成功应用，实现了减少工序间施工干扰、加快施工进度、降低成本、确保施工安全等目标。

2.MIB-L18A型自行式移动仰拱栈桥

2.1 MIB-L18A型栈桥结构

天平山隧道最早配备了1台MIB-L18A型栈桥，其结构如图1所示，主要由栈桥主体、走行系统、液压系统及电气控制系统等部分组成。

走行系统栈桥主体电气控制系统液压系统

图 1 MIB-L18A型栈桥结构图

栈桥主体由主梁、横梁及坡桥等部分组成。栈桥外宽7m，内宽3.8m，全长25m，主梁高1.6m。各构件为型钢焊接而成，将不同的标准构件通过螺栓连接组装成栈桥主体。

走行系统由驱动电机、齿轮齿条传动系统、走形轮及走形轨道等部分组成，共有四组走行装置，分别置于栈桥端部两侧，主要为实现栈桥自动走行。走行装置可以旋转90°，以实现栈桥纵向和横向走行。

液压系统由电动机、变量泵、液压油箱、液压油缸、冷却器、控制阀等部分组成，用于提升前后坡桥及顶升栈桥。

电气控制系统由继电器及开关等部分组成，用于控制栈桥的走行。

2.2 MIB-L18A型栈桥工作原理

栈桥移动使用电机驱动，通过齿轮齿条传动，带动走行轮在走行轨道上移动，其工作步骤如下：启动装于栈桥端部的四个顶升油缸，使栈桥离地，然后由工人配合，将栈桥走形轨向前拖动，轨道拖至尽头后，收缩顶升油缸，启动走行电机，栈桥在轨道上向前移动，移动至轨道尽头后，重复以上步骤，直至栈桥就位（栈桥横向移动与此类同）。栈桥就位后，顶升油缸将栈桥顶起，使走行轮不受力，用销子固定，最后将前后坡桥放下。

2.3 MIB-L18A型栈桥使用情况

在MIB-L18A型自行式移动仰拱栈桥使用过程中，发现栈桥宽度过宽，由此导致开挖仰拱时存在开挖死角，无形中延长了仰拱开挖时间，降低了工效；该栈桥走行系统较笨重，栈桥移动时需1人操作，至少8人配合，且配合工人劳动强度高，在掌子面端，地面凹凸不平，拖动钢轨费时费力；该栈桥无法跨越已开挖仰拱就位，使用该栈桥需先开挖仰拱，然后回填，将栈桥移动至回填仰拱上，然后再次开挖仰拱，施工程序比较繁琐。同时，当仰拱开挖不到位时，需重新补炮，补炮极易对栈桥液压系统造成损坏，导致栈桥瘫痪，延误工期。使用该栈桥可实现大跨度开挖，仰拱开挖最大长度可达18 m，但受安全步距制约，仰拱每循环开挖长度最大为8m，栈桥这一优点得不到体现。

3.MIB-L11Y型自行式移动仰拱栈桥

3.1 MIB-L11Y型栈桥结构设计

MIB-L18A型栈桥的走行结构形式无法跨越已开挖仰拱前进后退，导致仰拱施工程序繁琐，针对这一缺点，将栈桥设计为悬臂结构（如图2）。在栈桥后端增加配重，将走行系统设计在栈桥中后端，使栈桥前端悬空，使用这样的结构形式，栈桥就能够实现跨越已开挖仰拱前进后退的功能。MIB-L11Y型栈桥将配重放在后坡桥内，有效减少了配重的质量。

图2 MIB-L11Y型栈桥结构图

MIB-L18A型栈桥结构过宽，导致仰拱开挖时存在开挖死角，针对这一问题，将MIB-L11Y型栈桥走行系统安装在栈桥底部，栈桥外宽由7m减小为4.1m，内宽由3.8m减小为3.45m。并将栈桥主梁高度降低由1.6m降为1m，以方便仰拱开挖和仰拱混凝土浇筑。

3.2 MIB-L11Y型栈桥走行系统设计

自行式移动仰拱栈桥要实现纵向移动和横向移动两个功能。MIB-L18A型栈桥使用轮轨式走行方式，由走行电机提供动力，其走行轨道需人工拖拉，栈桥移动时需配合人员较多且费时费力，为减少配合人员数量同时降低栈桥操作人员的劳动强度，MIB-L11Y型栈桥使用液压系统为栈桥走行提供动力，采用滑靴式走行方式。

滑靴分为滑靴座、母滑靴和公滑靴三部分，滑靴结构如图3所示。母滑靴固定在滑靴座上，并连接走行液压油缸，公滑靴固定在栈桥底部，通过液压油缸带动公、母滑靴相对运动，实现栈桥的走行。栈桥共设计有四个纵向移动滑靴和四个横向移动滑靴。

在栈桥移动时，栈桥全部重量由工作的四个纵向移动滑靴承担，这对滑靴材料的耐磨性及耐压性要求很高。在MIB-L11Y型自行式移动仰拱栈桥的设计制造过程中，因没有充分考虑这一细节，造成栈桥第一次试车过程中，出现滑靴咬合，无法移动等问题。后重新对滑靴材料进行选型，最终选用全新的稀土合金材料，该材料耐磨、耐压性高，可以有效延长栈桥

的使用寿命。

图3 滑靴结构图

3.3 MIB-L11Y型栈桥控制操作系统设计

控制操作系统是用于控制栈桥上各个油缸的动作，从而实现栈桥的走行、就位等功能。栈桥在移动过程中具有规律性，首先，顶升油缸工作，将栈桥整体升至既定位置，使滑靴离开地面，然后，走行油缸工作，将滑靴向行进方向推进，滑靴达到预定行程后，顶升油缸反方向动作，将栈桥滑靴放在仰拱面上，走行油缸动作，带动栈桥整体移动。重复以上步骤，将栈桥移至工作位置，栈桥前端支腿油缸动作，将支腿伸出，支撑在未开挖仰拱面上，并插好固定销，最后，将前后坡桥放下，栈桥移位完毕。

MIB-L11Y型栈桥控制操作系统通过编制PLC控制程序，使用位置传感器，可实现栈桥的自动走行。当栈桥动作至某一固定位置后，自动激发下一动作，实现栈桥一键化操作。控制台为触摸屏控制器，使用触摸屏控制轻便、直观、易操作，实现了可视化操作。使用PLC控制程序后，栈桥既可分步行走，也可自动行走，同时栈桥上的各个液压油缸也能够单独动作，方便栈桥检修。

3.4. MIB-L11Y型栈桥的实际运用

未使用MIB-L11Y型自行式移动仰拱栈桥以前，掌子面开挖和仰拱施工需顺序安排作业。使用自行式移动仰拱栈桥之后，栈桥上各种车辆设备正常通行，不影响掌子面施工，桥下可同时进行隧道的仰拱开挖、钢筋绑扎、仰拱浇筑等作业，实现了掌子面开挖与仰拱施工平行作业，仰拱作业不占用循环时间，大大节约了施工时间，提高了隧道施工整体效率，在安全质量可控的情况下，其工期成本优势得到更大的体现。MIB-L11Y型栈桥栈桥操作简单明了，行走灵活，移动就位方便，可实现跨越已开挖仰拱就位，简化了仰拱施工工序；使用该栈桥可以满足11m以下长度仰拱施作，为仰拱作业提供了足够的空间，可以有效地组织起流水施工；施工安全性高，采用型钢加工制作的仰拱栈桥，结构稳定，安全可靠。在隧道施工中使用自行式移动仰拱栈桥是隧道施工机械化的必然趋势。

4.总结

MIB-L11Y型栈桥虽然在天平山隧道施工中得到成功应用，但其还存在有待改进与完善的地方，在满足承受施工荷载和结构稳定的情况下，采用轻质高强材料代替型钢材料，以减小栈桥的自重，使栈桥移动更加灵活；在栈桥的中、后部各增加一组机械支撑，栈桥到位后，由机械支撑受力，减小滑靴受力以有效延长滑靴的使用寿命；将滑靴由三部分改为两部分，增加受力面积，减小栈桥在走行过程中对滑靴产生的压强，以降低滑靴材料对抗压能力的要求；顶升油缸的行程进一步加大，以适应隧道上坡地段仰拱施工，并降低对路面的要求；将后坡桥内的配重进一步加大，缩短栈桥整体长度，节约隧道有限施工空间。