新型衬砌台车机械原理及其结构优化

李昌

中交天和机械设备制造有限公司江苏省常熟市215557

摘要：隧道衬砌模板台车（以下简称衬砌台车）是指一种由钢材制造的、具有一定形状、一定强度和刚度的，用于隧道混凝土二次衬砌作业以达到所需要的表面形状和尺寸的隧道施工机械，是隧道钻爆法施工中必不可缺的设备。随着国家对隧道施工标准的提高，通风标准化与人工环境控制等已成为隧道施工发展的新方向和强制性要求。基于此，本文主要对新型衬砌台车机械原理及其结构优化进行分析探讨。

关键词：新型衬砌台车；机械原理；结构优化

1、前言

为改善隧道施工通风环境，节约衬砌台车采购成本，本文对传统台车结构、通风性和无骨架台车构造、技术参数、安装方法及脱模工作原理进行介绍。以某无骨架台车为原型，利用有限元软件对其进行结构受力分析及汇总材料数据，并对结构优化设计，形成铰接式台车方案。结果表明：铰接式台车结构受力科学，内部空间大，自重轻，拆装快捷，通排风效果好，值得推广应用。

2、基本构造、技术参数及设计意图

2．1基本构造

新型无骨架衬砌台车结构如图1所示，由行走系统（轨道、行走轮箱、纵梁）、基础平台（横移架、基础底架、车行平台）、液压系统（液压站、主油缸、平移油缸、上展油缸、下展油缸、基础平台油缸）、模板系统（小臂、上模板、下模板、小边模、操作平台）等四大系统组成。

图1新型无骨架衬砌台车结构（单位：mm）

2．2技术参数

（1）衬砌参数：理论衬砌长度12m，单块模板宽度1．5m。

（2）液压系统：采取液压脱模方式，液压系统压力12MPa；升降油缸行程450mm；横移油缸行程±150mm；下展油缸行程500mm；上展油缸行程300mm；车行平台升降油缸行程300mm；小边模油缸行程500mm。

（3）行走系统：轨道中心距8．2m；四轮驱动方式，行走速度6．7m/min，驱动电机功率4×7．5kW。

（4）车行平台坡桥坡度9%。

2．3设计意图

（1）设计时将模板分成上模板4和下模板9两块，同一榀的两块上模板在顶部通过顶部铰链1连接，下模板与上模板通过中部铰销5连接，同时通过固定杆三角座6连接，拼装时模板通过上展油缸7调整上模板。模板分为上下两块既减轻了单块模板的重量方便吊装，又可通过转换三角座不同的连接面从而适合变断面衬砌。

（2）设计时横移架19置于基础底架18上并加设滑轨11、升降油缸12、下展油缸16、横移油缸15等，同时滑轨与下模板小臂连接使整个模板与横移架形成闭环结构，操作液压系统可实现两侧下模板的升降、开合、平移等动作。

（3）设计车行平台17是供衬砌时车辆行走通过时使用，在衬砌状态下车行平台底座置于地面但平台底部不与基础底架18直接接触，以防车辆通过时振动传至模板，待衬砌完毕时通过平台顶升油缸20使其脱离地面随衬砌台车一并前行。基础底架18功能与传统的门架功能相近，衬砌时连接支撑两侧下模板底部，其高度已降至可供车辆行走，使衬砌台车整体净空增加。

3、机械原理分析

3．1安装方法

首先铺设好轨道，安装好基础底架再安装横移架，连接好电气系统、液压系统、调试基础底架及横移架至可以正常运行。然后立模板。先立横移架处的第1榀两侧下模板3再依次立第2～8榀的两侧下模板3。将横移架固定牢靠不允许其移动，然后安装第1榀两侧上模板1，中部铰链B处插入销轴，同时安装好上展油缸2和微调丝杠，通过调整上展油缸2及微调丝杠保证两侧上模板1顶部铰链B铰点同轴，以方便打入销轴，安装固定杆（注意微调丝杠也要换成固定杆）。至此第1榀模板已全部安装完毕且封闭成环，随后采用此方法依次安装第2～8榀两侧上模板。其具体机械原理如图2中a所示，每榀模板成环后实际为三铰刚架，模板横向连接均采用10．9s级M20高强螺栓，以保证连接可靠安全。

图2机械原理分析

3．2脱模原理

衬砌台车全部安装固定好后即可进行衬砌施工，其状态如图2b所示，其中在固定杆2的作用下使得上模板1与下模板3（含小臂）构成一个定型的整体，该整体以顶部铰点O为圆心以Ｒ为半径沿图2b所示的轨迹（双点划线）做圆弧运动。衬砌时可将顶部铰接点0及两块下模板上小臂滑块轴D点作为三角形三顶点，使其模板与基础底架形成整体闭环结构，有效地提高模板刚度。混凝土强度达到可脱模要求时可进行脱模操作，其脱模过程分三步。第一步：操作多路换向阀控制小边模油缸（因其与传统衬砌台车相同，故图中未示出）收回小边模并用倒链固定。

第二步：操作多路换向阀控制下展油缸5，此时由上模板1与下模板2（含小臂）构成的整体在滑块4的限制下以顶部铰点O为圆心以Ｒ为半径做圆弧运动，所有模板面除顶部铰点处外均脱离二衬衬砌面，具体情况如图2c所示，图中阴影部分为此步脱模时状态。

第三步：操作多路换向阀控制升降油缸6使整个模板系统下降至衬砌台车可穿行状态，具体情况如图2d所示，图中阴影部分为此步脱模时状态，此时衬砌台车可前行进入下一板的立模板状态。衬砌台车前行后，立模时如果偏离隧道中心线，可通过操作多路换向阀控制横移油缸7使整个台车在横移架8上左右横向移动来实现纠偏，立模操作按脱模顺序逆向操作即可。

4、结构优化

4．1受力分析

利用某有限元软件进行力学计算，计算时根据相同的结构尺寸建立空间模型，对于模板面板采用板单元模拟，其他杆件采用梁单元模拟，梁柱之间刚性连接，计算时假定基础底架为固定支座，能够提供各个方向的约束。

4．1．1计算指标

（1）应力指标

①抗拉、抗弯、抗压应力：215MPa；

②抗剪应力：125MPa。

（2）变形指标

①钢模面板变形≤1．5mm；

②主构架变形≤L/500。

4．1．2荷载计算

该衬砌台车所受的荷载情况是以水平半径为界限分为上部垂直荷载和中下部侧向荷载。

假设顶模板受到混凝土初凝前自重、施工荷载以及泵送封口时的挤压力等荷载的共同作用（此假设偏于安全），其受力情况比其他部位的模板更复杂，而且受力更大，结构要求更高。具体的上部垂直荷载如下：

①永久荷载

上部混凝土自重：

式中，Gsh为上部混凝土重量（kN）；Ｒ为二衬内轮廓半径，取值6．7m；Hh为最大二衬厚度，取值0．5m；ρ为钢筋混凝土密度，取值2．5×103kg/m3；g为重力加速度，取值10N/kg；L为单板二衬长度，取值12m。

②可变荷载

a．施工人员及设备荷载标准值：2．5kN/m2；

b．振捣产生的荷载标准值：2kN/m2。

4．2优化方案

该新型衬砌台车于2011年在云桂铁路上初次试用，隧道通风环境得到改善，洞内空气质量提高。但由于自身重量较大，存在先期投入高、使用脱模费时、行车受限等诸多问题。为此针对问题进行结构优化。综合传统衬砌台车和该型台车的优点对其结构做如下调整：

（1）调整原模板法兰，与传统台车一致。

（2）将顶铰接点下移，改为铰接式门架。

（3）取消原车行平台，增设门架横撑杆。

调整后的台车称之为铰接式台车，结构如图3所示。

图3铰接式台车结构（单位：mm）

5、结束语

（1）目前，国内铁路隧道施工要求二衬浇筑必须采取逐窗入模、带模注浆等新工艺，而铰接式台车内部空间充裕，方便布置相关工装。如利用有限元软件对立柱及纵梁等关键性构件进一步优化，整个台车自重将更轻，内部空间更大，扩展上述新工艺装置更方便。

（2）铰接式台车更易实现多功能变截面，在稍加改动的情况下能满足不同隧道断面的衬砌。

（3）利用铰接式台车的升降缸，能实现台车步履自行，无需人工铺轨。

因此，铰接式台车在隧道二衬施工中值得推广，在保证施工质量、加快施工速度、减少劳动强度方面也具有重要的科学意义和工程应用价值，更利于标准化作业和安全文明施工。

参考文献

［1］魏明钟主编．钢结构（第二版）［M］．湖北：武汉理工大学出版社，2012：127－133．

［2］刘云珠．老尖山隧道可变截面衬砌台车设计［J］．铁道建筑技术，2016（12）：81－85．