全斷面針梁臺(tái)車在穿黃工程斜井混凝土襯砌中的應(yīng)用

朱海亞，溫定煜，高鵬偉

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 工程概況

南水北調(diào)東線第一期工程穿黃工程穿黃隧洞斜井位于黃河北岸，穿越黃河大堤，為有壓圓形隧洞，全長(zhǎng)166.03m，開(kāi)挖直徑為8.9～9.5m，襯砌后內(nèi)徑7.50m。斜井襯砌主要包括斜洞段上、下彎段，斜洞段直段及部分埋管段;斜井與水平方向成20°夾角，樁號(hào)7+881.917m～7+048.245m。斜井工程見(jiàn)圖1所示。

圖1 斜洞段工程縱剖面

2 總體施工方案的確定

斜井段工程屬大坡度混凝土施工，面臨裂隙水和外部水流入的影響，施工難度較大、技術(shù)要求高，根據(jù)國(guó)務(wù)院南水北調(diào)辦公室工期總體要求，2011年12月31日全面完工，工期尤為緊張。通過(guò)對(duì)組合鋼模板+滿堂架、鋼模臺(tái)車、全斷面針梁臺(tái)車三種混凝土澆筑施工方案的反復(fù)論證和比較分析，決定采用全斷面針梁臺(tái)車混凝土澆筑施工。該施工方案工藝先進(jìn)、節(jié)約材料和勞動(dòng)力，施工成本較低，并能在確保安全和質(zhì)量的前提下，加快施工進(jìn)度，保證工程質(zhì)量。

3 施工方法

3.1 施工邊界條件

3.1.1 斜洞段工程與水平方向成20°夾角，開(kāi)挖直徑為8.9～9.5m，襯砌成型直徑為7.5m，襯砌厚度為60～80cm，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙施工要求采取全斷面施工。

3.1.2 為確保工程施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，減小安全隱患，擬定采用長(zhǎng)度9.0m全斷面針梁臺(tái)車，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后用于本斜井一次澆筑成型，因此洞內(nèi)布置復(fù)雜，主要設(shè)施包括:鋼絲繩滑輪組、平板臺(tái)車+礦用絞車系統(tǒng)、后期溜槽系統(tǒng)、排水設(shè)施等。

3.1.3 全斷面針梁臺(tái)車主要相關(guān)參數(shù):針梁長(zhǎng)22.960m，模體長(zhǎng)9.0m，斷面直徑7.52m;針梁臺(tái)車總重96t，模板總成、梁框總成、行走機(jī)構(gòu)、抗浮裝置及托架幾大部分自重約66t，針梁重30t。

3.2 針梁臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)

鋼模直徑φ7.52m;針梁長(zhǎng)度22.96m;理論襯砌長(zhǎng)度9.0m;額定電壓380V;油泵為GBY2016，Q=16.4ml/r;油泵電機(jī)為Y160M－4，P=7.5kW，n=1440r/min;搖擺針輪減速器為XWD8－43－11(帶制動(dòng));液壓系統(tǒng)工作壓力為20MPa。

3.3 針梁臺(tái)車行走原理

用于平洞段的針梁臺(tái)車，其行走原理是:安裝在針梁臺(tái)車上的兩組鋼絲繩分別繞過(guò)針梁端部及梁框上的滑輪，固定在針梁兩側(cè)，針梁和鋼模互為支點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)使臺(tái)車前進(jìn)。脫模之前，收縮底座油缸，旋吊底座，針梁下面軌道落在底模行走輪上，開(kāi)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)使針梁向前移動(dòng)，到位后放下底座，油缸頂在針梁上然后脫模。脫模后，開(kāi)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)使其反方向運(yùn)動(dòng)，鋼模即向前移動(dòng)。

3.4 針梁臺(tái)車的改進(jìn)

經(jīng)調(diào)查，隧洞針梁臺(tái)車在20°坡度斜井混凝土施工中屬國(guó)內(nèi)外首次應(yīng)用。南水北調(diào)東線穿黃隧洞斜井段工程坡度較陡，平洞襯砌所使用的針梁臺(tái)車在斜井混凝土施工中行走是一大需解決的技術(shù)難題。因此，為確保針梁臺(tái)車在斜井混凝土澆筑施工中的安全行走，需要根據(jù)針梁臺(tái)車在平洞段的行走原理對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

3.4.1 針梁部分移動(dòng)力學(xué)分析及改進(jìn)

針梁臺(tái)車的針梁部分重30.0t，在斜井混凝土施工中它的受力狀態(tài)可參見(jiàn)圖2。

圖2 針梁部分移動(dòng)力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖 (單位:mm)

根據(jù)圖2的受力分析，針梁移動(dòng)牽引力計(jì)算公式為:F=G+f

其中，下滑分力G=Wsina=30×sin20°=10.26t;摩擦力f=μP，P=Wcos20°=30×cos20°=28.19t。鋼與鋼之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.05～0.1，取0.075，故f=0.075×28.19=2.11t。

針梁部分移動(dòng)牽引力F=10.26+2.11=12.37t，考慮2.0安全系數(shù)(取于考慮其他綜合因素)，故針梁部分向上移動(dòng)需牽引力12.37×2.0=26.74t。

因此，結(jié)合受力分析情況，需改進(jìn)針梁臺(tái)車原導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)原有4根鋼絲繩滑輪組改進(jìn)為8根鋼絲繩滑輪組。轉(zhuǎn)換后需牽引力26.74÷8=3.34t＜5t，原配置卷?yè)P(yáng)機(jī)滿足要求。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)詳見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)平面圖 (單位:mm)

圖4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)縱斷面圖 (單位:mm)

3.4.2 模體部分移動(dòng)受力分析及改進(jìn)

模體部分主要包括模板總成、梁框總成、行走機(jī)構(gòu)、抗浮裝置及托架等，總自重66t。在襯砌過(guò)程中，其他附加荷載主要包括走道、木板、施工人員、粘結(jié)混凝土等，共計(jì)約15t。模體的總重量為66t+15t=81.0t。模體部分移動(dòng)所需牽引力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 模體部分移動(dòng)力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖 (單位:mm)

根據(jù)圖5受力分析，模體移動(dòng)牽引力計(jì)算公式為:F=G+f

其中，下滑分力G=Wsin a=81×sin20°=27.70t;摩擦力f=μP，P=Wcos20°=81×cos20°=76.12t。鋼與鋼之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.05～0.1，取0.075，故f=0.075×76.12=5.71t。

模體部分向上滑移動(dòng)牽引力F=27.70+5.71=33.41t，考慮2.0安全系數(shù)(取于考慮其他綜合因素)，故模體部分移動(dòng)需牽引力33.41×2.0=66.82t。

經(jīng)過(guò)受力計(jì)算分析，需針對(duì)模體部分進(jìn)行改進(jìn)。模體部分移動(dòng)主要依靠在模體框架兩側(cè)中心位置安裝動(dòng)滑輪組，通過(guò)滑輪組連接井口錨固的“Π”行梁，借助外設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)模體牽引，使其外橫框梁桁架沿針梁向前運(yùn)動(dòng)。具體詳見(jiàn)圖6，圖7，圖8。

4 結(jié)語(yǔ)

改造后的針梁臺(tái)車，在南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程斜井段混凝土襯砌中得到了成功應(yīng)用，避免了采用滿堂架模板進(jìn)行襯砌的落后工藝，明顯加快了施工進(jìn)度，降低了施工成本。本次對(duì)針梁臺(tái)車的改進(jìn)及成功應(yīng)用為類似斜井混凝土澆筑全斷針梁臺(tái)車的設(shè)計(jì)、施工提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，拓寬了全斷面針梁臺(tái)車的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅能應(yīng)用于水平隧洞襯砌，還可應(yīng)用于斜井工程混凝土襯砌。