针梁横向滑模台车在长大隧洞弧形底拱衬砌中的应用.pdf

隧道/地下工程 收稿日期:20141121针梁横向滑模台车在长大隧洞弧形底拱衬砌中的应用陈拥军(中铁十八局集团隧道工程有限公司天津300222)摘要长大隧洞弧形底拱衬砌施工，存在气泡、水泡难以排出，外观质量差的通病。通过对锦屏二级水电站 1#引水隧洞弧形底拱衬砌的研究，介绍了针梁横向滑模台车的设计思路、结构组成、关键施工技术等，经过现场实际应用，该台车不仅能够保证衬砌施工质量，而且可以大大提高施工效率，具有一定的先进性。关键词针梁横向滑模弧形底拱衬砌引水洞中图分类号TV554 14;U455 3文献标识码B文章编号1009-4539(2015)01-0079-05Application of Needle Beam Carriage with Transverse Sliding Model in Constructionof Curved Bottom Arch Lining of Long and Large Diversion TunnelChen Yongjun(China ailway 18thBureau Group Co Ltd，Tianjin 300222，China)AbstractDuring the construction of curved bottom arch lining in long and large diversion tunnels，common problems likeair bubble and blister difficult to discharge，and the very poor appearance are found Through the study on curved bottomarch lining in No 1 diversion tunnel of Jinping-hydropower station，this article discusses the design ideas，structuralcompositions，key construction technologies of the needle beam carriage with transverse sliding model The practical fieldapplication shows that the relative sophisticated carriage can not only ensure the concrete lining quality，but also greatly im-prove the construction efficiencyKey wordsneedle beam;transverse sliding model;curved bottom arch lining;diversion tunnel1引言弧形底拱衬砌混凝土浇筑过程中，由于受到底拱反弧的特殊体形结构的限制，随着混凝土不断上升并逐渐接近底部模板，在起拱部位(反弧面)，由振捣产生的气泡及混凝土表面的空气容易被封闭在混凝土面层与模板之间，很难全部排出，浇筑完成后就会不可避免地在混凝土表面形成气泡、水泡等质量缺陷，按常规施工工艺是无法有效消除的，因而这也成为了弧形洞室底拱混凝土的通病。2工程简介锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成。引水系统由 4 条各长16 67 km 的引水隧洞组成，最大埋深约为 2 525 m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。其中 1#引水隧洞采用 TBM 掘进，开挖洞径 12 4 m，圆形断面，衬砌分为底拱及边顶拱两部分，底拱衬砌厚度60 cm，边顶拱衬砌厚度 40 50 cm，衬后洞径 11 2 m，流速4 72 m/s。底拱衬砌角度为 90，混凝土为 C25W8泵送钢筋混凝土。为了达到质量目标和工期目标，97铁道建筑技术AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY2015(1)隧道/地下工程 需要研制出一台既能解决弧形底拱混凝土质量通病又能满足快速施工要求的底拱施工设备。3方案选择31模板方案比较目前在圆形断面水工隧洞中广泛使用的底拱衬砌模板方案有全圆针梁模板、底拱整体模板、纵向滑模模板等，但普遍在施工中有一定的局限性，三种模板方案的比较情况见表 1。表 1圆形断面水工隧洞底拱模板方案比较序号衬砌模板主要特点适用隧洞情况1全圆针梁模板全断面一次浇筑混凝土，工序少，无纵向施工缝，但施工速度慢、混凝土浇筑质量差，且造成洞内交通复杂地质较好、小断面、短进尺2底拱整体模板一次浇筑底部混凝土，工序少，速度较快，但混凝土浇筑质量差，虽可通过翻模抹面解决，但机械化程度低，施工速度慢地质较差、大断面、短进尺3纵向滑模模板模板沿隧道纵向滑动，解决了混凝土表面质量通病，但需要提前施作牛腿，施工工艺复杂，模板易上浮，纵向平整度差地质较差、大断面、长进尺1#引水隧洞断面大、洞线长、地质条件复杂、衬砌质量标准高，上述几种方案在现场施工可操作性上都难以达到工程要求。全圆针梁模板不适用于长大且围岩地质差的隧洞;底拱整体模板采用翻模抹面工艺后可以解决部分质量问题，但劳动强度大，机械化程度低，不适用于长大隧洞;纵向滑模工艺复杂，费用高，整体线形控制难度大。因而既要快速、高效、安全地开展长大隧洞底拱衬砌施工，又要圆满地解决混凝土质量通病是工程施工的一大难点，必须在现有的模板方案上进行技术革新，寻求突破。32设计思路的提出通过综合全圆针梁模板、纵向滑模、底拱整体模板和翻模施工的优点，并将滑动方向改为沿隧道环向，形成了针梁横向滑模的设计思路。具体思路为:(1)采用整体模板，其稳定性好，施工过程结构尺寸控制较好。(2)采用滑模，可敞开式施工，进行人工收面，解决混凝土表面质量通病。(3)采用针梁台车，能自行行走，无需外力牵引。(4)转变模板纵向滑动的方向，采用沿隧道横向滑动，施工工艺变得简单。4台车结构设计及组成41台车结构总成针梁弧形横向滑模台车，长35 m，宽3 m，高2 m，分2 个作业区，配长12 m 圆弧形横向滑动钢模板、针梁、提升机构、液压系统等。利用针梁作为模板定位和行走的装置，采用机械驱动使模板沿隧道横向边浇筑混凝土边滑动，针梁弧形横向滑模台车结构示意见图 1。图 1针梁弧形横向滑模台车结构42针梁框架结构布置针梁框架采用“口字型”钢梁设计，立柱和斜支撑全部通过螺栓连接，垂直支撑采用液压顶升油缸。针梁框架起到模板提升和移动的导梁作用，同时靠自重解决部分模板上浮问题1。整个针梁框架包括针梁、纵梁、针梁框、牵引梁、连接梁、支腿及顶升油缸等。针梁底部设有针梁顶升油缸和针梁支腿，针梁置于纵梁之上;纵梁下部设有 3 个弧架，纵梁上部设有 5 个针梁框，针梁框之间由连接梁连接，套在针梁上;弧架底部连接有弧形模板，弧架之间由主动板和弧形模板连接。43横向滑模设计横向滑模分为 2 块横向滑动模板，单侧模板设计尺寸为宽 1 m，长12 m，由4 件桁架及 3 榀弧架作为支撑。模板通过螺栓连接在主桁架的主动板上，主动板上有导向轮，导向轮通过安装在弧形轨道上的牵引链条，利用电机和液压注射马达作为动力，引导主动板和模板沿弧形轨道运行。导向轮具体08铁道建筑技术AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY2015(1)隧道/地下工程 细节见图 2，其由主动链轮和从动链轮组成，主动链轮与从动链轮将链条形成包角，主动链轮作为动力，发挥传动牵引作用。图 2导向轮细节模板的立模、脱模、对中调平和前后移动等工序都依靠液压油缸的伸缩来完成。模板支架配置有上、下、左、右伸缩油缸，上下油缸行程不小于 30 mm，左右油缸行程不小于20 mm。44各部件滑动装置设计原理针梁前后移动:在针梁与针梁框之间有牵引机构，针梁框套在针梁上，当纵梁以顶升油缸作为支点，将针梁托起至悬空，针梁牵引梁与针梁框牵引梁作为动力，即可实现针梁在纵梁上滑动。针梁左右移动:当针梁顶升油缸升起作为支点时，模板悬空处于模板定位调整状态，针梁和模板调整中线通过伸缩杆与支座之间的平移油缸来完成。模板前后移动:当针梁支腿通过顶升油缸作为支点，将弧架及弧形模板托起至悬空，针梁牵引梁与针梁框牵引梁作为动力，即可实现弧架及模板在针梁上前后移动2。模板横向滑动:模板通过螺栓连接在主桁架的主动板上，主动板上有导向轮，导向轮通过牵引链条引导主动板和模板沿弧形轨道滑动，牵引链条利用电机和液压马达作为动力。45布料方式设计布料方式采用混凝土输送泵配合分料斗和溜槽的方式。台车顶部设 3 个分料斗，分别连接至 9个溜槽，其中模板左右侧各 3 个，中间 3 个，混凝土通过输送泵送入顶部分料斗，再通过溜槽自流的方式进行布料。溜槽采用铁皮加工制成，直径 60 cm，在中间接料点处设套筒支点，可 180旋转，其末端节点圆筒部分可翻转，实现自动接长，从而确保混凝土分散式均匀入仓和不倒管浇筑作业，最大限度地提高资源利用率。布料见图 3。图 3布料正视图5台车施工关键技术51底拱衬砌工艺流程底部清理基岩面四方验收钢筋、预埋件安装钢筋验收模板台车定位挡头板及止水安装模板验收混凝土浇筑模板滑移抹面底拱台车移位混凝土养护下一循环。52关键技术措施521模板定位模板移到安装好的钢筋位置后，先支撑模板支腿并加固牢靠，然后利用模板自带的液压系统进行精确调整，整个过程测量全程监控，确保就位后符合设计要求。模板就位分为以下几步进行:(1)利用滑模前后端竖向油缸、水平油缸调整滑模整体前后端标高，使滑模中心与洞轴线重合，调整标高时可用滑模弦梁作为标高测量基点。(2)操作滑模液压系统，举升滑模油缸至限位处，保证顶部弦梁水平，并顶紧两端主弧架处侧向千斤顶。(3)旋紧所有螺旋丝杆千斤顶，关闭电机，来回摇动液压阀操作手柄，使系统卸压。522混凝土浇筑(1)浇筑开始时，滑模先移至侧边，进行封底混凝土浇筑。采用分层、对称进行浇筑，每层浇筑厚度不得大于 1 m，两侧高度差控制在 50 cm 以内，输送管管口至浇筑面垂距控制在 1 5 m 以内，以防混凝土离析。封底混凝土用量比较大，要确保混凝土连续浇筑，避免停歇造成“冷缝”，间歇时间一般不得超过 45 min，否则按施工缝处理。(2)封底混凝土浇筑到稍高于底拱中心设计高程时，滑移一侧模板抹去多余混凝土，然后将左右两侧滑模移至中间，两块滑模对接。(3)向滑模内浇筑混凝土，同时确保振捣到位，浇筑高度要达到滑模边沿平齐。一侧浇筑结束后，浇筑另一侧，两侧均浇筑完成后滑移先浇筑的一侧模18铁道建筑技术AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY2015(1)隧道/地下工程 板，每次滑移 50 cm，左右侧交替进行，直至设计高度 3。在滑移后，进行初次抹面，采用取原浆抹面的方式。模板滑动时，其速度必须与混凝土早期强度增长速度相适应，保证出模的混凝土无流淌和拉裂现象。(4)两侧混凝土浇筑达到边墙定位高度后，在混凝土初凝前将模板及支架整体升高 20 cm，然后将模板向下滑移，对顶部露出的混凝土抹面。升模按以下 2 步进行:拆掉堵头板及所有丝杠千斤。操作针梁液压系统，升起针梁顶升油缸，将滑模离开混凝土表面 20 cm。(5)人工抹面分 3 次进行:第一次在混凝土出模后，立即用木抹子对不平整、气泡、水泡、麻面的部位搓毛，提出混凝土原浆;第二次在搓出混凝土原浆后，立即用铁抹子赶光压平;第三次在混凝土终凝前进行，用钢皮抹子进行压光。53台车施工注意事项(1)滑行轨道安装的精度制约着混凝土体型及施工质量，尤其是底拱混凝土的成型质量直接影响到边顶拱的成型质量，故安装时轨道精度要严格控制，采用前部、中部、后部三道控制，且轨道弧度加工要精确。(2)模板在运输、吊装的过程中，设置足够的临时固定设施，以防变形和倾覆。同时，按设计图纸进行模板安装的测量放样，重要结构设置必要的控制点，以便检查校正。(3)混凝土浇筑过程中注意检查模板加固情况，防止模板发生上浮和左右位移。(4)模板滑动前，应仔细检查电机有无故障，链条松紧是否恰当，两个端头链条中间有无杂物，在模板滑动时严禁下面站人，模板滑到高处时，必须安装卡轨器，防止模板发生意外下滑造成安全事故。模板滑动时的操作要点有:一块模板是由 4 个主动板和3 个驱动装置带动的，在开动模板前需检查周边有无阻碍物，确定无阻碍物时方可运行。3 个驱动装置必须同步运行。3 根爬升链条松紧必须一样。(5)使用台车时必须注意:台车行走轨中心线必须与隧道中心线重合，两侧轨面在同一水平面;混凝土两端挡头板，安装牢固可靠不漏浆，浇筑时两侧对称进行，不得使台车受到偏压;台车前后轮的相反方向固定牢靠，防止位移。6施工成本及先进性分析61施工成本比较与传统的底拱整体模板台车相比，两者在设备制作成本及人工资源投入上所产生的费用见表 2。从表 2 可以看出，与传统施工方案相比，针梁横向滑模台车可节省直接工程投资约 399 3 万元，经济效益相当可观。表 2两种台车方案施工成本比较施工方案底拱整体模板台车针梁横向滑模台车工期1#引水隧洞圆弧形底拱衬砌长度为6 km，计划工期 10 个月设备投入情况月平均进尺为100 m左右，为满足工期要求需配置 6 台月平均进尺达 200 m以上，为满足工期要求需配置 3 台设备制作成本费(每吨位模板的制作成本按 8 500 元计)成套设备的重量为72 t，制作成本为 726 8 500=3672万元成套设备的重量为58 t，制作成本为 58 3 8 500=147 9万元人工投入情况每两个台车配置施工人数 50 人每一个台车配置施工人数 30 人人工费(按 100 元/d 计)(6/2)50 100 300=450 万元3 30 100 300=270 万元费用合计3672+450=817 2万元1479+270=417 9万元其次，从混凝土质量方面来做比较，底拱整体模板台车无法很好地解决混凝土外观质量通病，而横向滑模台车则可完全解决底拱施工中常见的气泡、水泡问题，浇筑完的混凝土光滑平整、内实外美，满足设计质量要求，从而可节省大量的后期缺陷修补费用和时间，并在很大程度上减少通水发电后混凝土表面发生侵蚀的可能性及维修的机率。62施工先进性分析针梁横向滑模台车在功能和施工方法上的先进性及可操作性表现如下:(1)施工速度快。针梁横向滑模台车设计，空间结构设计合理，能满足清底、钢筋安装、混凝土浇筑同步进行，浇筑过程中振捣、抹面、压光同时作业，提高了浇筑速度，加快了施工进度。台车一次浇筑底拱长度 12 m，平均每仓浇筑时间为 8 h，只要混凝土供料能力确保，则月平均进尺可达200 m 以上。(2)成本低。由于横向滑模结构简单、重量轻，且整个衬砌台车通过电机和液压作为动力，可以自行行走、连续浇筑，无需外力牵引，资源消耗少。相对于其他施工方法来说，材料、设备、人工等投入成本可大大降低。(3)施工质量可靠。横向滑模设计，模板能沿28铁道建筑技术AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY2015(1)隧道/地下工程 隧道横向自由滑动，在需要处理的时候通过模板的适时滑动，可以充分地观察混凝土的表面，对其表面外观质量缺陷做及时的处理，有效解决混凝土表面的水泡、气泡、麻面等质量通病。(4)工作性能稳定。针梁横向滑模台车运行可靠，模板就位、模板滑移、台车移位等关键工序可以轻松地精确掌控，拆装和运输也比较方便。整个施工期间未发生质量、安全事故，各项施工技术指标均满足设计及相关规范要求。7结束语锦屏二级水电站1#引水隧洞大断面圆弧形底拱衬砌采用针梁横向滑模台车进行施工，完成底拱衬砌共计6 km。根据现场实际施工应用，针梁横向滑模台车具有浇筑速度快、工作性能好、生产成本低的优点，且衬砌后的混凝土外观质量较好，解决了混凝土表面气泡、水泡、麻面等质量通病，无论是在施工投入、工期、工效等各方面都明显优于其他传统工艺。经综合分析，针梁横向滑模台车在长大隧洞底拱衬砌中的应用是可行的，具有较大的参考价值。参考文献 1 高新华 锦屏引水隧洞底拱衬砌刮模施工技术 J 铁道建筑技术，2009(11):99 101，110 2 陆晓辉，孔凡成，王森昌，等 针梁弧形横向滑模台车:中国，202001021 P 2011 10 05 3 王森昌 引水洞圆弧形底拱施工技术研究 J 铁道建筑技术，2010(9):34 36，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪42(上接第 69 页)图 3不同防水剂对混凝土抗渗性能的影响图 3 表明，不同水胶比下，0 45 水胶比的混凝土水压力渗透系数远远低于 0 55 水胶比的混凝土，这说明水胶比参数对混凝土的抗渗性能的影响程度远远大于防水剂的影响。鉴于水胶比参数对混凝土的抗渗性能的影响远远大于防水剂的影响。在相对较低的水胶比下，各种防水剂对混凝土的抗渗性影响差异不明显，且防水剂的掺入增加了工程成本。建议在实际工程应用中，提高混凝土的抗渗性不必依赖于防水剂，而是通过降低水胶比，即控制水胶比参数来实现。3结论(1)膨胀剂和某些种类的防水剂会对混凝土的工作性和强度有略微的降低作用。(2)水胶比参数对混凝土的水压力抗渗性能的影响远远大于防水剂的影响。随着水胶比的降低，混凝土的水压力抗渗性大幅度提高。在较低水胶比下，各个防水剂对混凝土抗渗性的影响差异不明显，混凝土抗渗性普遍较高。(3)隧道二次衬砌防水混凝土的配合比可以按以下思路进行设计:从工程成本的角度考虑，可以不掺用防水剂，而是通过高性能减水剂的作用降低水胶比，进而提高混凝土的水压力抗渗性能。至于低水胶比容易造成混凝土的强度超标问题，可以通过大掺量矿物掺合料的途径来平衡强度，这样做还可以改善混凝土的流动性和降低成本。因此，针对隧道二次衬砌混凝土强度低、流动性能要求高、抗渗性能要求高的特点，可以按掺加高性能减水剂，低水胶比、大掺量矿物掺合料的配制思路来平衡三者之间的矛盾关系，从而把混凝土的流动性、强度和抗渗性能控制在一个合理的范围内。参考文献 1 傅志训 隧道病害处治研究 D 成都:西南交通大学，2006:1 2 2赵铁军 混凝土渗透性M 北京:科学出版社，2005:10 3 中华人民共和国交通部 JTG E30 2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程S 北京:人民交通出版社，2005:139 140 4 周俊龙 膨胀剂对混凝土性能影响 D 重庆:重庆大学，2004:39 40 5 王永海 隧道二次衬砌粉煤灰防水混凝土的配制技术研究 D 武汉:武汉理工大学，2009:23 2438铁道建筑技术AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY2015(1)