技术创新

针梁横向滑模台车在长大隧洞弧形底拱衬砌中的应用

日期：2016-7-26 15:00:57　来源：互联网　浏览数：
　

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1· 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，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
    3． 1 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。

    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。
    3． 2 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
    4． 1 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。

    4． 2 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。
    4． 3 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。

    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。
    4． 4 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。
    4． 5 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。

    5· 台车施工关键技术
    5． 1 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。
    5． 2 关键技术措施
    5． 2． 1 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。
    5． 2． 2 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: ①拆掉堵头板及所有丝杠千斤。②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。
    5． 3 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:①一块模板是由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。②3 个驱动装置必须同步运行。③3 根爬升链条松紧必须一样。
    ( 5) 使用台车时必须注意: ①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; ②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; ③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
    6． 1 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。

    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。
    6． 2 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。