单线铁路隧道台阶法开挖整体式与分离式台架应用对比于鹏

单线铁路隧道台阶法开挖整体式与分离式台架应用对比于鹏

于鹏

中国中铁隧道集团二处有限公司蒙华铁路MHSS-3标二工区山西运城

摘要：目前我国单线铁路隧道开挖仍以钻爆发开挖为主，钻爆法采用钻爆台架人工风钻钻孔爆破的方式，由于TBM价格昂贵，人工钻孔爆破的施工方法仍为我过隧道施工的主流，为加快隧道施工进度，保证施工质量安全，在现场开挖作业中需要制作专门的开挖台架辅助施工。台阶法开挖过程中有整体式与分离式两种台架，本文将依据蒙华铁路MHSS-3标二工区现场实际台架应用情况从台架的受力结构、现场使用优缺点、对工程进度质量安全的影响等方面对两种台架进行应用对比，便于其他类似铁路开挖工程借鉴。

关键词：铁路隧道开挖台架应用对比

0引言

在我国单线铁路隧道施工过程中，隧道开挖大致可分为台阶法和全断面法两种开挖方法，由于隧道净空大等方面的原因，现场往往需要焊接专用的开挖台架辅助施工，开挖台架的结构样式无论是对工程进度还是对工程质量的安全都有着至关重要的作用。在台阶法开挖中，目前施工现场有整体式台架和分离式台架两种台架辅助施工，本文将结合蒙华铁路MHSS-3标段二工区现场隧道开挖施工，对整体式台架和分离式台架两种台架的受力结构和现场优劣进行对比。

1受力结构分析

1.1整体式台架

（1）整体式台架结构受力检算

顶部面积S1=3.6×4.5=16.2m2，施工过程中按拱架上站6人、风钻3把，格栅拱架6节等，总重量1300kg荷载按2KN/m2计算，每根立杆承受的荷载为F1=8.1×2&pide;2=8.1KN。门架横梁受力可简化为受集中荷载的三跨等跨连续梁计算，跨度取最大值L=3.5m，集中力为每根立杆承受的荷载F1=8.1KN。

（2）抗弯强度检算

①最大弯矩

Mmax=KMFL

KM—弯矩系数，查表得0.311；

即得出Mmax=0.311×8.1×2=5.04KN•m。

②横梁截面强度

σ=Mmax/W=5.04×106/（237×102）=212.6N/mm2＜[f]=215N/mm2。

抗弯强度满足要求。

（3）抗剪强度检算

①最大剪力

Vmax=KvF，查表得Kv=1.311；即Vmax=KvF=1.311×8.1=10.6KN；

②横梁截面抗剪强度τ=Vmax×Sx/（Ix×tw）=10.6×103×136.1×103/（2370×103×7）=87N/mm2＜[fv]=125N/mm2。

抗剪强度满足要求。

（4）挠度变形检算

ω=KWFLs/（100×E×Ix），查表得KW=2.716即ω=2.716×8.1×6×103/（100×2.06×237）=4.5mm，ω=4.5mm＜[ω]=L/400=1900/400=4.75mm，L—跨度。

受力挠度变形满足要求。

（5）横梁稳定性检算

横梁长细比λ=h/ix=3/8.15×10-2=36.8，查表得φ=0.661，N=ψ×A×f，即f=N/（ψ×A）=F1/（ψ×A）=8.1×103/（0.661×3.5×100）=35N/mm2＜[f]=215N/mm2。

门架横梁稳定性满足要求。

1.2分离式台架

（1）分离式台架结构受力检算

顶部面积S1=1.8×4.5=8.1m2，施工过程中按台架上站6人、风钻3把，格栅拱架6节等，总重量1300kg荷载按2KN/m2计算，每根立杆承受的荷载为F1=8.1×2&pide;4=4.05KN。门架横梁受力可简化为受集中荷载的三跨等跨连续梁计算，跨度取最大值L=3.5m，集中力为每根立杆承受的荷载F1=4.05KN。

（2）抗弯强度检算

①最大弯矩

Mmax=KMFL

KM—弯矩系数，查表得0.311；

即得出Mmax=0.311×4.05×2=2.52KN•m。

②横梁截面强度

σ=Mmax/W=2.52×106/（237×102）=106.3N/mm2＜[f]=215N/mm2。

抗弯强度满足要求。

（3）抗剪强度检算

①最大剪力

Vmax=KvF，查表得Kv=1.311；即Vmax=KvF=1.311×4.05=5.3KN；

②横梁截面抗剪强度τ=Vmax×Sx/（Ix×tw）=5.3×103×136.1×103/（2370×103×7）=43.5N/mm2＜[fv]=125N/mm2。

抗剪强度满足要求。

（4）挠度变形检算

ω=KWFLs/（100×E×Ix），查表得KW=2.716即ω=2.716×4.05×6×103/（100×2.06×237）=2.25mm，ω=2.25mm＜[ω]=L/400=1900/400=4.75mm，L—跨度。

受力挠度变形满足要求。

（5）横梁稳定性检算

横梁长细比λ=h/ix=3/8.15×10-2=36.8，查表得φ=0.661，N=ψ×A×f，即f=N/（ψ×A）=F1/（ψ×A）=4.05×103/（0.661×3.5×100）=17.5N/mm2＜[f]=215N/mm2。

门架横梁稳定性满足要求。

1.3验算结果分析

以上力学分析过程中所采用的受力模型有些地方采用简化计算，计算结果偏于安全，能够满足结构的力学要求。两种台架的结构受力、抗弯强度、抗剪强度、挠度变形、横梁稳定性验算结果显示，两种开挖台架均能满足施工受力需求，但从数据上看分离式开挖台架相比整体式台架更稳定。

2整体式台架与分离式台架应用分析

2.1两种开挖台架制作成本

两种开挖台架均使用型钢制作，但分离式台架耗费钢材较整体式台架多，造价偏高。

2.2对隧道行车的干扰

整体式台架宽度为分离式台架宽度的两倍，现场存放占用空间较大，对隧道内行车影响较分离式台架大。分离式台架宽度较小，可分开并行靠在隧道一侧，对隧道内行车影响小。

2.3台架的使用与保养

两种台架的取用均使用现场挖掘机前斗抬引。整体式台架体积较大，挖机抬引过程中不易掌握平衡，易造成倾覆等安全问题。分离式台架体积小，但需挖机连续抬引两次，且需在掌子面调整两个台架位置使之靠在一起，增强台架稳定性，调整台架位置过程中挖掘机易对台架造成破坏，循环作业较多时对台架损耗较大，台架维修费较整体式台架高。

从台架的保养来看，整体式台架结构简单，现场损耗较分离式台架小，保养次数少，分离式台架现场施工作业损耗高，需定期保养。

3建议与探讨

结合上述因素考虑，中条山隧道二工区正洞台阶法开挖长度较长，隧道中行车车辆较多，为保证施工的进度和质量安全需求，最终确定使用分离式台架用于现场施工。

整体式台架和分离式台架用于单线铁路隧道台阶法开挖的选择，应结合隧道断面、施工机械等因素，同时应按工期、施工单位设备、现场施工习惯综合考虑确定。

参考文献：（References）：

1．孙训方.《材料力学》第二版.高等教育出版社。

2．杨嗣信.《建筑工程模板施工手册》第二版.中国建筑工业出版社。

3．曹红斌.《多功能作业台架在单线铁路隧道施工中的应用》.隧道建设，（2002）02。