长斜井衬砌智能化台车设计与应用研究.pdf

DOI:1016617/jcnki11-5543/TK20240308长斜井衬砌智能化台车设计与应用研究高 杰(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北 唐山 064000)【摘 要】针对陡坡长、斜井多工作面同时开展衬砌的施工需求和现有台车的施工缺陷,文章以滇中引水香炉山隧洞 2 号施工支洞为研究对象,结合应用于公路、铁路等平洞的数字化、智能化整体液压钢模台车设计理念,应用智能化步履行走式整体液压台车,实现了斜井台车定位智能化和安全状态自动监测,大大提高了陡坡斜井衬砌效率和质量。【关键词】陡坡斜井;混凝土衬砌;智能衬砌台车;施工工艺中图分类号:TV554 14 文献标识码:B 文章编号:1673-8241(2024)03-037-04Research on Design and Application of Intelligent Lining Trolley forLong Inclined WellGAO Jie(China Railway 18th Bureau Group Second Engineering Co,Ltd,Tangshan 064000,China)收稿日期:2022-09-23作者简介:高杰(1986),男,本科,工程师,从事水利工程、铁路工程等施工技术工作。Abstract:In view of the need for simultaneous lining construction of multiple working faces with long steep slope andinclined wells as well as the construction defects of the existing trolley,taking No.2 Construction Tunnel of XianglushanTunnel of Water Diversion in Gentral Yunnan as the research object,in this paper,combining with the design concept ofdigital and intelligent integrated hydraulic steel mould trolley applied in highway,railway and other flat tunnels,theintelligent walking integrated hydraulic trolley is applied to realized the intelligent positioning of inclined well trolley and theautomatic monitoring of safety state,which greatly improves the efficiency and quality of the inclined well lining with steepslope.Key words:inclined well with steep slope;concrete lining;intelligent lining trolley;construction technology 在特长大、深埋隧洞工程施工时,结合施工需要常采用平洞、斜井等小端面辅助坑道增加正洞工作面形式,处置特殊地质段落,最终达到加快施工进度的目的,一般陡坡斜井采用人工架设模板或简易衬砌设备的施工方法,但存在施工效率低、衬砌质量差等问题,已不能满足现阶段高质量的要求。为解决滇中引水香炉山隧洞 2 号施工支洞城门洞形陡坡长斜井 3 个作业面同时组织衬砌浇筑问题,并在确保衬砌实体和外观质量的前提下,为后序主洞开工提供通道,结合现场情况,通过对传统斜井衬砌台车适用性等进行对比分析研究,从台车设计制造和新技术应用等方面着手解决陡坡斜井衬砌存在的问题1。设计整体液压门73架步履式模板台车,解决了斜井大倾角条件下台车的行进、定位、稳固和保障施工通道畅通等问题。运用高频振动设备和台车自动定位控制、混凝土浇筑台车安全监测监控等新技术,实现了衬砌施工的机械化、信息化和智能化,降低了对隧道内其他施工环节的影响,提高了效率,有效保证了衬砌质量和施工安全。1 工程概述滇中引水香炉山隧洞 2 号施工支洞,长 1227m,斜井倾角 17 63,坡比-31 8%,高差 349m。支洞为城门洞形,井身净断面尺寸为 6 5m6 0m(宽高),类、类围岩均采用 C30 钢筋混凝土衬砌,类围岩衬砌厚度 60cm,类围岩衬砌厚度 70cm。根据总工期要求及现场实际施工布置,将拱墙衬砌划分为 3 个工作面,每个工作面长度 10m,施工工序为先底板衬砌,待拱墙衬砌具备施工条件时,拱墙底板衬砌同步施工。衬砌设计最大厚度 70cm,共布设 3 台衬砌台车,每模混凝土浇筑方量为 120 5m3,钢筋制安 8 6t。2 斜井衬砌方案比选该斜井衬砌组织 3 个工作面同时开展,必须寻找提升进度的措施。因此,选择衬砌台车时,首先考虑确保施工通道畅通;其次,最大可能发挥台车功能,快速、高效组织施工是目标;最后,台车的结构安全也是考虑的重点2(见表 1)。表 1 斜井衬砌模板台车方案比选型 式结构特点适用工况主要缺点普通钢模台车 系统由门架、模板、支撑系统和行走系统组成,一般台车长 6 0 12 0m;模板通过支撑油缸和杆件与门架相连接,调整支撑长度实现模板就位与拆除;属于翻模施工法,通过牵引(卷扬机或绞车)台车整体移动;门架下净空可根据施工需要预留行车等空间 适用各种断面型式的斜井衬砌;一般分为底板和拱墙衬砌两部分;大断面衬砌台车下可预留施工通道,实现多工作面平行作业 衬砌需设置纵向施工缝;采用小型卷扬机牵引时,长斜井需多次安装卷扬机,临时基础施工耗时长、费用高;采用提升机牵引时,占用施工通道提升运输;斜井台车下滑溜车危险性加大,需加强防溜措施针梁台车 由模板总成、针梁总成、模垂直对中调整机构、卷扬牵引机构、抗浮装置等组成;属于翻模施工法;通过卷扬机牵引针梁移动;模体部分移动的动力系统为动滑轮组 一般适用圆形断面的斜井衬砌;全断面一次衬砌成型;衬砌施工阻碍非衬砌段同行,需在斜井开挖完成组织施工 适用单一衬砌作业面施工;针梁在斜洞段工程运行过程中存在较大下滑分力;在模体部分行走过程中,为防止针梁部分随模体部分行走,应在针梁结构部分设置反向支撑连续式滑膜 由中梁、行走机构、操作面、模板、井口锁定梁、动力系统等装置构成;斜井衬砌为滑模施工工法;中梁是主要受力构件;滑模和中梁为滑升整体,滑模提升采用连续拉升液压千斤顶拔钢绞线的方式 一般适用圆形断面的斜井衬砌;全断面一次衬砌成型;需在斜井开挖完成组织施工;常应用短斜井衬砌 轨道及模板制作安装的精度要求高;施工质量要求高。中梁及模板组保持牢固,不能发生位置偏移;混凝土浇筑工艺要求高,浇筑必须防模板偏移,滑升时,混凝土强度必须适宜;适用单一衬砌作业面施工 通过对目前斜井衬砌模板台车方案比选,为了既能保证斜井衬砌质量和施工安全,又能满足应用先进技术等实现智能高效施工的需要,选用步履式整体液压台车,其特点如下:一是选用整体钢模台车,衬砌台车长 10 2m,搭接长度 20cm,衬砌长 10 0m。采用门架结构,可确保为隧洞开挖、底板和拱墙衬砌等多工作面同时组织施工提供运输通道,同时可保证混凝土外观质量。二是台车采用步履行走式,台车下游侧设计斜撑杆,上方进行钢丝绳固定,采用地锚方式将箱形齿块轨道固定到底板上,保证台车在斜坡上行走稳定。三是由于斜井台车在施工过程中受力情况复杂,对其模板系统结构分析、受力计算等技术资料较少,缺乏理论依据,因此,构建台车内力监测系统,分析应力较大位置,在应力较大的位置布置测点,安装应力、应变等仪器实现实时在线安全监测。四是应用定位控制技术、高频振捣技术等新技术,改善衬砌83工程设计Engineering Design混凝土施工工艺3,提高了衬砌效率与质量。3 模板台车结构步履式整体液压台车由门架、模板、支撑、行走、液压和定位系统、高频振捣设备等部分组成,同时增加电子化显示屏与数控系统,具备实施传输和采集施工参数功能4(见图 1)。图 1 衬砌台车断面(单位:mm)3 1 台车行走系统及移动方案行走系统采用两套顶推油缸、导向盒机构,配有防滑千斤座,通过顶推油缸交替工作驱动台车行走(见图 2)。图 2 斜井整体衬砌台车行走系统设计行走方式:第一步,防滑系统锁定(上游斜拉杆与防滑座、防滑保险千斤)。解除顶推油缸锁定,收缩油缸并锁定。第二步,解除防滑系统锁定,顶推油缸工作,台车向上行走,行程 25cm 并锁定。第三步,锁定防滑系统,重复第一、二步完成台车就位。3 2 高频振动系统3 2 1 常规振捣方式整体钢模台车拱腰以下部位衬砌混凝土振捣采用插入式振捣器与附着式振捣器结合的方式,拱腰以上部位采用附着式振捣器振捣5,拱部封顶采取压入自密实为主。一般使用电动平板振捣器,如 B15 型附着式振捣器,电机功率 1 5kW,振动频率 48Hz,激振力7kN,现场为避免与模板发生共振采用多次短时振捣模式6,主要存在振捣不到位、衬砌拱腰以下混凝土气泡不能排除、过振模板松动出现混凝土错台等现象。3 2 2 高频振捣系统理论分析认为,在低频率(0 20Hz)段台车的应力响应较频繁,随着频率的增加,台车位移、应力依次减小。因此,目前隧洞衬砌台车选择应用高频平板振捣器,例如 ZFK-150 附着式高频振动器,电机功率1 5kW,振动频率150Hz,激振力13kN;在台车上左右对称分上中下三层布设,每层布设 4 台,上中下三层呈梅花形共布置 24 台;布置间距纵向环向为2 0m2 0m,并安设工业控制柜进行分层同时振捣,同时开启8 台振捣器,混凝土层厚控制在 50 100cm,根据混凝土气泡排除情况确定振捣时间。现场测试每次连续振捣时间为 20 30s 左右,混凝土不再显著下沉、不出现气泡、开始泛浆标志混凝土振捣密实达到标准,同时台车和模板等稳定无明显变形。4 新技术应用4 1 常规测量定位控制技术衬砌台车模板支护系统安装定位时,测量员通过全站仪测量设备,对模板定位点定位,台车作业人员人工调节模板位置进行定位。首仓混凝土测两端模板,后续衬砌施工台车一端与老混凝土搭接,另一端测量调整模板偏差,存在台车定位速度和定位精度人为干扰因素不可避免的问题。4 2 自动定位控制技术定位系统由工控机、控制器、激光测距传感器、93工程设计Engineering Design行程开关和泵站液压系统组成7,实现了台车模板定位的智能化。衬砌台车定位控制技术利用激光测定距离,经传感器导入台车数字化系统,以测量数据为指令控制模板完成定位,为模板就位提供了数据控制参数,减少了常规测量的人为干预,定位精准误差小且缩短了操作时间,减小了对其他工序的施工干扰。同时,为精确控制模板顶升力度与距离,系统中增加了电控限位装置,以免造成损坏,保证搭接处混凝土的质量。4 3 台车状态安全监测斜井台车受力状态不同于平洞台车。平洞校核台车的安全性采用三维有限元分析法,依据工作载荷对模板系统关键部件的刚度、强度进行分析计算,各阶段的载荷数值及载荷变化分布情况计算机模拟相对简单。台车在倾斜环境下受力难以分析,现有资料中对倾斜环境下台车支撑结构分析、模拟计算文献较少,实践经验不足。为确保台车安全稳固,现场采用智能无线监测系统,通过应力、应变传感器和数据自动采集仪对台车模板和支撑体系变形等参数进行监测,智能化采集变形、角度数据,实时监控压力应变,实现“监控及时、计算准确、智能预警”功能8。5 应用情况分析5 1 减少了作业时间统计显示,采取斜井衬砌施工工艺,按照月有效施工天数 25 天计算,浇筑强度可达到 120m/月(见表 2)。表 2 斜井衬砌施工时间统计序号工 序 名 称循环时间/h1钢筋安装6 82台车移动与就位43仓面清理与验收24混凝土浇筑85混凝土等强366循环时间合计505 2 提升了外观质量整体钢模各接头严密,混凝土振捣设备充足,混凝土密实,外观质量良好,自动定位保证了衬砌接茬搭接效果,消除了错台;整体钢模台车与安全监控措施保证了混凝土连续浇筑和台车的稳定性,避免台车跑模和混凝土浇筑冷缝产生;高频振捣后的混凝土外观质量明显提高(见图 3)。图 3 斜井整体钢模台车衬砌效果5 3 保障了施工安全针对斜井衬砌台车安全监测需求,构建了安全监测系统。通过传感器获取台车模板与支撑体系在混凝土浇筑过程各种工况下的受力状态,在线监测台车工作安全状态,避免模板变形跑模或支撑垮塌造成安全事故。6 结 论陡坡长斜井通过“以工装保工艺、以工艺保质量”有效解决了衬砌施工效率、质量和安全等问题。该隧道使用长 10m 整体液压门架模板台车为多工作面交叉作业提供施工通道,不仅可以避免施工干扰,还提高了机械化程度,大大提高了斜井衬砌施工效率和质量;步履式行走系统实现了大倾斜角度斜井的台车的运行、定位和稳固;应用自动控制定位技术、混凝土浇筑高频振捣技术和台车安全监测监控系统等先进技术和系统,提高了斜井衬砌自动化与智能化作业程度。(下转第 47 页)04工程设计Engineering Design比法对管道上方进行杂散电流测试,结果见表 2。值得注意的是一标试验段管道上方有一处高压线横跨,高压线塔架距离管道 50m,塔架下土壤杂散电流南北/东西方向分别为-0 361/-0 524mV/m,东西向存在直流电流,但流通到管道处跌减为 0 32/-0 09mV/m,对输水管道不构成杂散电流危害。表 2 各标段杂散电流数据单位:mV/m杂散电流东西/南北试验桩距各标段起点距离/m5001000200030003500450050005500一标段0 19/0 160 19/0 150 20/0 150 09/0 20二标段0 03/0 160 12/0 110 11/0 130 04/0 15三标段-0 1/0 02-0 09/0 04-0 09/0 06-0 02/0 02-0 12/0 01-0 1/0 33-0 1/0 18-0 09/0 32四标段-0 02/0 004-0 03/0 012-0 05/0 005-0 02/0 001-0 01/0 001 根据测试结果,工程管道所受杂散电流影响较小,因此无须进行特别防护。但在后续工程施工和运行中,仍需对敏感地区(高压线、电气化道路、电厂等)实施跟踪监测。5 结 语PCCP 输水管线保护设计和实施的成功取决于一系列防护措施的成功应用以及对其有效性的监测。阴极保护和腐蚀环境检测系统在大伙房水库输水工程已经稳定运行超过 10 年,解决了输水管线阴极保护和防腐工程不被直观理解的问题,是 PCCP 管道防腐蚀保护优化的重要突破。参考文献1 刘永林,孟浩,王怀斌,等.大伙房水库输水二期工程总体设计及关键技术C/中国水利水电勘测设计协会.调水工程应用技术研究与实践.北京:中国水利水电出版社,2009:33-40.2 李占东,黄忠佳.大伙房水库输水工程(二期)PCCP 管道工程进度管理与实践J.水利发展研究,2014,14(6):54-56.3 尹一,杨桂瑜.PCCP 用预应力钢丝的应力腐蚀开裂C/全国金属制品信息网,中国金属学会轧钢分会金属制品学术委员会.全国金属制品信息网第23 届年会暨2013 金属制品行业技术信息交流会论文集.无锡:金属制品 编辑部,2013:231-236.4 宋放.大型输水工程 PCCP 管道阴极保护浅析J.水利建设与管理,2015,35(4):61-64.5 卢爽,巴恒静.钢筋混凝土腐蚀监测的电化学传感器及其应用C/中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会.高强与高性能混凝土及其应用 第七届全国高强与高性能混凝土学术交流会论文集.沈阳:中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会,2010:149-159.6 赵永韬,郭兴蓬,董泽华.基于恒电量的腐蚀测试系统研究C/中国测绘学会.全面建设小康社会:中国科技工作者的历史责任 中国科协 2003 年学术年会论文集:上.北京:中国科学技术出版社,2003:370.7 房本才.ECI 智能化装置在输水工程防腐监测中的应用J.水利建设与管理,2016,36(1):69-71.(上接第 40 页)参考文献1 张民庆,辛维克,贾大鹏,等.张吉怀铁路吉首隧道衬砌施工信息化控制系统J.现代隧道技术,2021,58(6):182-187.2 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