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隧道仰拱栈桥设计与计算

郭小华

(中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳518051)

摘要：为提高结构的耐久性，改善受力状态，仰拱超前、一次性全幅施工，已经成为隧道施工的基本要求。为此，自行设计制造成本低、易制造、移动快捷、轻便的片式移动仰拱栈桥在隧道施工现场愈来愈普及.本文通过对I20型钢制造6m长的片式仰拱栈桥进行数值结构模拟计算，对其在隧道无轨运输条件下最大动载作用下的强度及刚度进行校核，介绍了该类仰拱栈桥在装碴车辆通过时的动态响应及安全度，对同类隧道简易片式仰拱栈桥的结构强度计算有一定的借鉴意义。

关键词：仰拱栈桥：数值模拟计算：荷载：内力

1.概述

《铁路隧道施工规范》规定：“仰拱施作应优先选择各段一次成形，避免分部灌筑”,对于底板为软岩大变形或者有其他地质灾害地段，这一条则显得非常必要。应该说，全幅仰拱施工，将会成为铁路隧道施工的一个趋势，是根治隧道运营病害的关键[3]。

隧道内实行仰拱超前衬砌施工，并紧跟开挖掌子面，实现隧道底部的快速封闭，有利于稳定掌子面。而仰拱超前的关键在于解决仰拱施工与开挖运输作业面的干扰，这样，就必须引进仰拱栈桥来解决运输干扰问题。

仰拱栈桥顾名思义，是指在隧道施工中架设在仰拱上方的临时便桥(又称抗干扰平台),主要作用是保证仰拱施工时，其它工序作业仍可有序进行(主要是大型自卸汽车可自由通过全幅仰拱施工段)。目前国内隧道施工中使自制的仰拱栈桥已是一相成熟的经验，且大多是跨度小、载重轻、结构形式简单的片式仰拱栈桥。该栈桥结构合理、移动方便，把掘进、初期支护与衬砌施工流水线连成一体，实现掘进.初期支护与二次衬砌等多个施工工序的平行流水作业。解决了仰拱施工对开挖掘进、初期支护和二次衬砌等多个工序施工的干扰J。

据查阅，有关文献(包括参考文献[1]～[4])均是利用静力学知识对隧道中常用的片式仰拱栈桥进行简单的结构计算，重点介绍仰拱栈桥的加工，仰拱的施工工艺要要点。本文的创新点是：利用经典的ANSYS计算程序，将常用的仰拱栈桥进行数值化建模，同时分析隧道常规无轨运输条件下的最不利荷载，计算数字化仰拱栈桥在最不利动载条件下结构强度及刚度的大小，能否满足隧道常规无轨运输安全要求，并判定仰拱栈桥的安全度。

2.仰拱栈桥结构组成[4]

本文模拟计算对象采用较为常见的I20工字钢制作仰拱栈桥，其主要承载由2根工字钢并排双面焊接成1组单片梁，共4组组成一单片仰拱栈桥，栈桥表面用5mm厚钢板或

φ22螺纹钢进行横向连结。各组工字钢之间间距约10cm,每组工字钢(双根)宽约

0.1*2=0.2m,共4组工字钢(双根)组成宽约1.1m宽的单片仰拱栈桥，组成的仰拱栈桥长约8m。该仰拱栈桥结构组成如图1所示。

2

a

已浇

注仰

热

a、仰拱栈桥平面

浇注仰拱洞内虚磕

浇注仰拱

b、仰拱栈桥侧面c、仰拱栈桥横断面

图1仰拱栈桥结构示意图(单位：mm)

3.隧道常用片式仰拱栈桥承载分析

(1)隧道仰拱施工时上方通行车辆[2]

目前对于长度小于3km的隧道施工中常采用大型运输车辆进行无轨运输，但仰拱并不通行衬砌施工车辆。故通过栈桥的主要机械可能为斯太尔25T自卸汽车、ZL50C装载机、东风自卸汽车、北方奔驰自卸汽车、PC220挖掘机等，其自重、宽度等列于表1:

表1仰拱栈桥上方通行主要机械参数表

序号

设备名称

空载重量

重载重量

行走宽度

轮胎宽度

轮距净宽

1

斯太尔

12T

25T

2795mm

645mm

1505mm

2

PC220

21.7T

21.7T

2880mm

500mm

1880mm

3

ZLC50

22.77T

22.77T

2950mm

645mm

1560mm

4

东风

5T

15T

2500mm

550mm

1400mm

通过表1可知，本计算应以运碴时通过的斯太尔自卸汽车作为仰拱栈桥的验算荷载。但为了安全，计算以30T的公路大型自卸汽车为验算荷载。且计算时仰拱栈桥只承载一辆

300KN的汽车。300KN汽车技术参数如表2所示。

表2300KN汽车技术参数表

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总重

前轴重

后轴重

轴距

轮距

前轮着地宽度及长度

下载、市后轮着地宽度及长度

嘉形等

KN

KN

KN

m

m

m

m

m

300

60

2*120

4+1.4

1.8

0.3*0.2

0.6*0.2

8*2.5

(2)设计每片梁宽度及工字钢数量

据表2中所列斯太尔轮胎宽度(0.60m),并考虑斯太尔自卸汽车行走宽度(0.4m),故设计仰拱栈桥单片宽度为1.0m。双片仰拱栈桥中心距离为1.8m(