隧道仰拱棧橋設計技術與安全管理初探

王力

【摘 要】隧道施工中簡易仰拱棧橋目前被廣泛應用，針對簡易仰拱棧橋的設計及使用過程中的安全問題也逐漸凸顯出來，這些安全問題通過加強設計與安全管理工作是可以避免的。本文依托龍廈鐵路象山隧道施工中在簡易仰拱棧橋廣泛應用初期的設計和安全應用管理進行闡述，并展望了移動棧橋在仰拱棧橋中的應用。

【關鍵詞】隧道；仰拱棧橋；安全管理

1工程概況

1.1隧道施工中仰拱棧橋的使用

新建龍巖至廈門鐵路設計時速為200km/h，客貨共線。其中ZD-1標象山隧道是全線重點控制性工程，設計為雙洞單線，左、右線分別長為15898m、15917m。隧道仰拱超前襯砌采用一次全幅灌注方式，為解決仰拱施工與開挖運輸作業面的干擾，采用仰拱棧橋來保證仰拱施工時運輸道路的通暢。

1.2隧道簡易仰拱棧橋安全風險分析

仰拱是隧道結構的基礎，它要將隧道上部的地層壓力通過隧道邊墻結構或將路面上的荷載有效的傳遞到地下，而且還有效的抵抗隧道下部地層傳來的反力。實際上它是能承受地層永久荷載和路面臨時荷載（動荷載）的一種地基梁（板）。仰拱作為隧道主要結構之一，為防止運營期間出現路面沉降開裂，翻漿冒泥病害及結構失穩等，目前在隧道設計中均要求全幅施工，所以在鉆爆法施工的隧道多采用棧橋配套方法進行仰拱施工。自仰拱全幅設計、施工要求后，簡易仰拱棧橋便量的在隧道施工中應用，但由于加工無設計或設計檢算不規范，簡易仰拱棧橋的安全穩定性及仰拱施工期間安全管理不到位等問題，極易引發棧橋變形、斷裂，或車輛側翻、掉落棧橋等風險，引發生產安全事故等。

2象山隧道仰拱棧橋設計與驗算

2.1行走車輛及驗算荷載

隧道施工期間通過仰拱棧橋的主要施工機械有ZL50D裝載機、CAT320C反鏟挖掘機、后四輪自卸汽車、WOHO混凝土運輸車等。其中需要進行仰拱混凝土澆筑，自重（含載重）最大的是WOHO混凝土運輸車，其空車重13.1t，最大運載量為10m3，滿載時最大重量為37.1t。

因此，以WOHO硅運輸車滿載時作為仰拱棧橋的驗算荷載。其前橋重量為7.1t，后橋重量為30t；前中排輪距為4.0m，中后排輪距為1.4m。由此可得，前排輪單則承載3.55t，后橋由間距1.4m的中后排輪承載，單側每排輪承載7.5t。

2.2棧橋長度、寬度及每片板梁工字鋼數量的確定

仰拱視圍巖情況單次撿底6～8m，若按最大8m計算，預留工作面1m，則棧橋的跨度確定為9m。仰拱棧橋全幅由兩片板梁組成，單片板梁寬1.2m，兩片板梁中心距離1.9m（砼運輸車的輪距），則棧橋的外緣寬度3.lm，內緣寬度0.7m。每片梁板采用5根12m的工30b工字鋼，兩端與仰拱槽各搭接1.5m。工字鋼之間橫向每隔1.5m采用工I18a工字鋼焊接，使板梁形成整體，并在橋面采用5mm厚鋼板或φ22螺紋鋼進行橫向連接。假設此橫向聯結剛度足夠大，計算時不考慮行車荷載的橫向分布系數，板梁作為一個整體共同變形。

2.3最不利受力狀態下結構驗算

2.3.1計算簡圖

由于砼運輸車單排輪接地長度為0.2m，對于橋的跨度9m而言，可視為集中荷載，工字鋼自重與其上的荷載相比較小，計算時暫不考慮，故37.lt汽車的移力荷載通過仰拱單幅棧橋時的荷載可簡化為3個集中荷載（P1=75KN，P2=75KN，P3=35.5KN）同時作用于一簡支梁上，該簡支梁一側固定鉸支，另一側可動鉸支，受力簡圖如圖1所示。由于砼運輸車在隧道內施工段的行車速度一般控制在5-10km/h，通過棧橋時限制在5km/h，故可以不考慮行車的動載效應。

在土建工程中，梁的撓度要求一般為跨長L的1/250～1/1000，若容許撓度取L/250，則[f]=3.6cm，f<[f]。仰拱棧橋的剛度條件基本能滿足要求，能正常工作，但富余量不大，在加工過程中，必須采用在工字鋼腰部增焊鋼板的形式進行補強。

2.4 不同跨度和型材條件下棧橋驗算結果

按上述方法對不同跨度和不同型材組合的棧橋進行驗算，計算結果見下表1。

上述計算是基于棧橋單幅板梁中多根工字鋼間有可靠的橫向聯結、多根工字鋼作為一個整體共同受力進行的。單幅板梁中多根工字鋼可靠的橫向聯結是防止工字鋼側翻或單根工字鋼因受力、變形過大引起棧橋失穩的重要手段，施工中必須保證單幅板梁中多根工字鋼有可靠的橫向聯結。

2.5棧橋選用

根據本工程仰拱施工需要，為保證施工安全，決定采用由5根130b工字鋼組成的棧橋，具體尺寸詳見附圖。在棧橋使用過程中，必須保證跨度小于9m，兩片棧橋標高一致，間距均等，行車速度不得大于5km/h，以保證施工安全。

3.簡易仰拱棧橋安全管理

3.1隧道內空間狹窄、作業面受限，運輸量大、車輛頻繁通過棧橋，針對仰拱棧橋作為安全管理的危險源納入安全生產管理，針對棧橋人員、車輛通行設置專項制度，

3.2仰拱棧橋設計必須經過嚴格的檢算，考慮長期頻繁移動，安全系數不得小于1.5。重點對施工結構不力荷載及強度、撓度等進行檢算，確保其具有足夠的強度和安全系數；仰拱棧橋設計時，其承載力不得小于最大通行荷載的1.5倍，以滿足預留安全系數的要求；仰拱棧橋設計時，其最大撓度f/L不得大于1/250；棧橋加工焊縫應飽滿、連續，焊縫高度不小于6mm、寬度不小于8mm。

3.3仰拱棧橋就位時，要保證安設平整和安設寬度滿足不同輪距的車輛均能通過仰拱棧橋。棧橋必須設置防滑措施，仰拱棧橋上部的殘余混凝土和碴塊、泥水必須設專人及時清除，防止車輛震顫、打滑，引發車輛傾覆等事故。

3.4移動機械，或車輛通過棧橋時必須鳴笛、減速，限速5km/h緩慢通過，并且棧橋下方嚴禁人員施工，確保施工安全。

3.5施工機械必須定期保養，使其保持良好的工作狀態，安全裝置要齊全，所有機具設備的操作人員必須經過嚴格訓練，持證上崗，并嚴格遵守操作規程，嚴禁違章作業。

3.6施工過程中，應加強棧橋撓度觀測和控制，定期進行檢查，發現撓度超過要求應及時檢修；應加強棧橋各焊接部位的質量檢查，發現有焊縫脫落、焊縫開裂，應及時補焊；應加強棧橋主梁工字鋼、上下鋼板的質量檢查，發現有開裂、塑性變形、疲勞破壞，應及時修補加強。

4.結論

簡易仰拱棧橋結構簡單牢固，制作方便，造價低，自重小，操作工藝簡單，同時根據不同的隧道開挖進度及養護時間需要，配備相應數量的仰拱棧橋來滿足施工，使用靈活，具有一定的優勢。但從隧道施工機械化配套及安全管理角度出發，可以從以下方面對仰拱棧橋進行改進：一是在滿足承受施工荷載和穩定的情況下，采用輕質高強代替型鋼鋼材，以減小棧橋的自重，使可移動仰拱棧橋更加靈活；二是增加自動行走系統，使可移動仰拱棧橋就位更加方便快捷。通過在傳統棧橋的基礎上增加行走設施、安裝液壓系統以及電氣系統等措施，方便移動；三是加大棧橋跨度、增加棧橋轉向和升降等功能改造，使得隧道施工的空間相對得以拓展，整個施工作業面可以平面展開，在保證棧橋上各種車輛設備正常通行不影響掌子面施工的情況下，橋下同時進行隧道的仰拱初期支護、鋼筋綁扎等施工，減小施工干擾，降低交叉作業的安全風險。

參考文獻：

[1]楊忠，蔣宗全，朱秀軍，朱浩波，周永.仰拱棧橋在鐵路隧道施工中的運用[J].鐵道建筑，2010年12期.

[2]王軍濤.太行山隧道8#斜井工區仰拱棧橋施工技術[J].隧道建設，2007年z1期.