矿山法隧道二衬台车的设计

点赞:4909 浏览:16786 近期更新时间:2024-01-20 作者:网友分享原创网站原创

摘 要 :文章结合东莞轨道交通R2线2310标陈屋站~寮厦站区间矿山法隧道工程实例,详细介绍了二衬台车的设计及施工关键技术,对同类工程施工有一定参考意义.

关 键 词 :矿山法;隧道;二衬台车;设计

东莞市城市快速轨道交通工程R2线【2310标】陈屋站~寮厦站矿山法区间区间东北起陈屋站、西南至寮厦站,单线全长为2144.528m.隧道采用双洞单线矿山法施工,二衬采用 C35、P12模筑钢筋砼,厚0.35m.本文主要介绍二衬全断面液体台车的设计,为类似工程提供参考.

1.二衬台车设计概况

1.1 台车长度的确定

根据计算得最小半径(1000m)圆曲线与10.5m直线弧弦距(矢距)H等于8mm,考虑到台车净空尺寸放大5cm,现场采用10.5m长二衬台车能够满足设计及施工要求.

1.2 台车主要参数的确定

根据隧道设计衬砌断面和施工具体要求,以及根据我部砼的施工方法,制定台车具体方案如图1、2所示.台车采用电机驱动整体有轨行走,模板采用全液压操作,利用液压缸支(收)模板,机械丝杆机械固定.

台车基本技术参数

模板最大长度 L等于10500mm

门架内净空高度 2880mm

台车轨距 B等于2600mm

行走速度 6-8m/min

爬坡能力 3‰

电 源 3/1等于380V/220V

总功率 20.5Kw

行走电机5.5KW*2等于11KW 油泵电机5.5KW

液压系统压力 Pmax等于16MPa

油缸技术参数:

顶升油缸 D180*d100*S300

边模油缸 D90*d50*S300

平移油缸 D100*d55*S200

图1 二衬台车结构尺寸示意图

图2 二衬台车侧视图

2.二衬台车的主要结构

二衬台车由行走系统、门架系统、钢模板、加固系统、液压系统、电气控制系统、加固系统等部分组成.

2.1 行走系统

行走系统采用2台7.5KW电机驱动,配32316轴承,20A链条驱动钢轮行走,共2套驱动装置,分别安装于台车门架立柱(下纵梁)下端,左右侧各一台,电机配减速齿轮箱,沿布好的轨道行走.

2.2 门架系统

台车门架设计共5榀,由双层门架横梁,上下纵梁,门架立柱,门架立柱连接梁,剪力架等部件组成.架体面板厚14cm.腹板厚12mm,能够保证足够强度.台车下不考虑行车,尽量减小门架横梁跨度,以减少门架横梁的受力,门架的各个部件通过螺栓连为一体,门架支撑于行走轮架上,下纵梁安装基础顶撑,衬砌施工时,混凝土载荷通过模板传递到门架上,在传递到下纵梁,并分别通过行走轮和基础顶撑传至轨道及地面,在行走状态下,基础顶撑应缩回,门架上部前段装有操作平台,放置液压及电气装置.

2.3 整体钢模面板

单块模板宽度为1.5m,为保证模板有足够的强度,面板采用10mm,同时采用75mm角钢加强,间距250mm,并在每件模板里增加加强弧立板来保证强度和曲度,以保证衬砌轮廓符合设计要求及衬砌美观.在制作过程中为保证模板外表质量和外形尺寸精度等,采用合理的加工,焊接工艺,设计并加工专用拼装焊接胎膜,有效保证整体外形尺寸的准确度,尽量减少焊接变形以及外表面凹凸等缺陷,采用过盈配合的稳定销,将相邻模板的连接板固定为一体,有效控制相邻模板的错台问题,最终保证混凝土的衬砌质量.

2.4 液压系统

由电动机、液压泵、手动换向阀,垂直及侧向液压缸、液压锁、液压油箱及液压管路组成.

2.5 电气系统

主要由液压电机、行走电机、振动器、照明等组成.

2.6 加固系统

台车定位好之后,需对台车进行加固,主要包括纵梁横撑加固、面板丝杆支撑以及基础支撑.

3.二衬台车的力学计算

3.1 计算依据

本隧道台车长度为10.5m,模板面板厚度为10mm,门架面板16mm,门架腹板厚12mm,根据《机械设计手册第一卷》、《弹性和塑性力学中有限单元法》、《材料力学》与《结构力学》,对本台车进行结构检算,验证台车的力学性能能否满足要求.

3.2 计算参数

砼的重力密度为:24KN/m,砼浇筑速度:2m/h,砼入模时的温度取20℃,掺外加剂.钢材取Q235钢,重力密度:78.5KN/m,弹性模量为206GPa,容许抗压应力为130MPa,容许弯曲应力取381MPa(1.25的提高系数).

3.3 载荷计算及力学模型的建立

3.3.1 振动器产生的荷载

4.0KN/㎡或倾倒混凝土产生的冲击荷载:4.0KN/㎡,二者不同时计算.

3.3.2 对侧模产生的压力

砼对侧模产生的压力主要为侧压力,侧压力计算公式为:

P等于kγh

当V/T<0.035时,h=0.22+24.9V/T

当V/T>0.035时,h等于1.53+3.8V/T

式中:P-新浇筑混凝土对模板产生的最大侧压力(KPa)

h-有效压头高度(m);V-混凝土浇筑速度(m/h);T-混凝土入模时的温度(℃);γ-混凝土的容重(KN/m);k-外加剂影响修正系数,不掺外加剂时取k等于1.0,掺缓凝剂作用的外加剂时k等于1.2.

根据前述已知条件:因为:V/T等于2/20等于0.1>0.035,所以:h等于1.53+3.8V/T等于1.53+3.8X0.1等于1.91m 最大侧压力为:P等于kγh等于1.2X24X1.9等于55KN/㎡,所以侧模受到的压力P等于55+4等于59KN/㎡.

3.3.3 砼对顶模产生的压力

砼对顶模产生的压力由砼的重力和灌注砼的侧压力组成:重力P1等于γg等于24KN/mX0.35m等于8.4KN/㎡,其中g为浇筑砼的厚度由于圆弧坡度变小,取灌注为1m/h.

因为:V/T等于1/20等于0.05>0.035,所以h等于1.53+3.8V/T等于1.53+3.8X0.05等于1.72m,侧压力为:P2等于kγh等于1.2X24X1.72等于49.5KN/㎡,所以顶模受到的压力P等于P1+P2等于8.4+49.5+4等于62KN/㎡.

3.3.4 力学模型建立

台车模板由宽1.5m、厚10mm的整块钢板冷弯拼接而成,根据以上计算,砼对顶模产生的压力最大,取台车最顶部2*1.5m部分,建立力学计算模型如下图.

3.3.4 模板的弯曲应力

由于模板的表面每隔250mm有一根背筋(加强角钢L75×6),因此我们可以把它简化成间隔250mm的梁单元来考虑.将宽度为250mm的模版所受到的荷载折算成梁上均布荷载,其翼缘板的宽度取它与之相邻筋板间距的30%(参考《弹性和塑性力学中有限单元法》中97页),即250×0.3等于75mm,偏于安全.


根据上述模板所受的面载荷为6.2t/㎡,那么在250mm宽,1500mm长的面积上所受到的载荷为6.2×0.25×1.5等于2.325t,将此载荷作用在1.5米长梁上,则其均布荷载q为2.325/1.5等于1.55t/m.

将整个模板等效成梁单元的空间框架结构,利用有限原理理论,取一根梁进行分析,简化后梁单元力学模型按简支梁处理,其单元结构受力简图如图所示,这是因为两边有220mm高的拱板及立柱支撑,梁的截面如图所示.

为计算梁的弯曲应力,就必须先计算梁横断面的截面的形心,该截面是由L75×6mm的角钢及150×10mm的矩形组合截面,根据图示坐系,计算组合截面形心0的X\Y坐标.

根据《材料力学》组合截形心公式计算形心X、Y的坐标,X等于∑AiXi/∑Ai,Y等于∑AiYi/∑Ai,

查表可知角钢75*6的横截积A等于879.7mm2,惯性矩Ix等于469500mm2.将各值代入,则:

X等于(150*10*75+879.7*95.7)/(1200+879.7)等于94.6mm

Y等于(150*10*75+879.7*20.7)/(1200+879.7)等于62.85mm

根据组合截面的平行移轴公式计算组合截面的惯性矩Lx:Ix等于150*83/12+10*150*24.66+469500+879.7*33.64等于2378223.05mm4.

抗弯截面模数W1等于Ix/(85-62.85)等于107369mm

抗弯截面模数W2等于Ix/62.85等于37839.7 mm

筒支梁受到均布载荷作用下的最大弯矩位于跨中,其值为:Mmax等于ql/8等于1.55*10 *1.5/8等于3.5*10N.m.梁的最大弯曲应力0等于Mmax/W2等于3.5*10/3.784*10-5等于92.5Mpa≤381 Mpa.所以模板强度满足要求.

3.3.5 模板的最大位移

梁单位的最大变形量,及模板的最大位移.根据受均布载荷简支梁的位移公式:fmax等于5ql4/384EI;式中,E-弹性模量,E等于2.1×10MPa:I--截面的惯性矩,I等于2.2×10-6 m4;q—梁受到的均布荷载,1.55×104N;l--梁的长度L等于1.5m.

将以上各值代入:Fmax等于等于2.4mm;即模板的最大变形为2.4mm

根据《地下铁道工程施工及验收规范》GB50299-1999可知,砼表面平整度要求5mm,大于2.4mm.即模板的刚度也同样满足要求.

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3.3.6 门架验算

门架刚度、强度根据《机械设计手册第一卷》与《结构力学》中相关公式进行计算.

强度校核:

等于(30x85^3-16x81.8^3)/(6x85)等于18953cm3

M等于561.3F等于561.3x27195等于15264553.5kgfcm

故: 等于15264553.5/18953等于805.4kgf/cm2<1300kgf/cm2

故门架强度符合要求.

3.3.7 计算结果

台车所受的混凝土压力是以最大情况来设定的,通过以上的受力验算可知,模板厚10mm,背筋(加强角钢,为<75×6,间距为250mm的模板台车对于二衬厚度350mm的混凝土隧道来说,其强度和刚度均是足够的,各个部件均能够满足受力要求,因此本台车能够满足施工的受力要求.

4.结束语

本工程二衬施工前编制了详细的台车设计方案,并在施工中严格按照设计方案进行施工,对矿山法隧道的二衬施工起到了正确的指导作用,从而确保了本工程按计划安全、优质的完成.为整个工程项目的顺利完成打下了坚实的基础.