中部引黃輸水隧洞襯砌模板設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

王樹林，王 鵬

1 工程概況

山西省中部引黃工程位于山西省西部山區(qū),是省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中的一項(xiàng)重點(diǎn)工程。該工程主要建筑物包括：泵站1座、埋涵6段、倒虹2座、渡槽2座、地下式分水閘5處、地面式分水閘7處，輸水隧洞全長381.34 km。

揚(yáng)水泵站位于山西省保德縣境內(nèi)黃河天橋水電站上游1.44 km左岸棗林溝口。泵站機(jī)組設(shè)計(jì)7臺，總裝機(jī)容量9 600 kW。泵站進(jìn)水池最低水位829.47 m，出水池設(shè)計(jì)水位1 027.03 m，揚(yáng)水管為直徑3.6 m的壓力鋼管，設(shè)計(jì)提水流量23.55 m3/s，揚(yáng)程 200 m。

工程建設(shè)目的主要是解決忻州、呂梁、臨汾和晉中4市17個縣（市、區(qū)）的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水。工程建成后，年引水量6.02億m3，受益人口達(dá)320多萬人，可新增灌溉面積10萬hm2。它的建成不但為該區(qū)域今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展提供了水資源保障，而且也為該區(qū)域轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 輸水線路的分布概述

中部引黃工程輸水線路由總干線、東干線、西干線及3條供水支線組成，在平面上呈樹枝狀分布，線路總長384.5 km。

總干線由揚(yáng)水泵站出水池出口開始，經(jīng)保德縣、興縣、臨縣、方山縣、離石區(qū)，到中陽縣邢家?guī)X分水閘為止，全長200.22 km。共分隧洞4條，最大埋深610 m。

東干線從中陽縣邢家?guī)X分水閘起，向南延伸至孝義縣下水棠分水閘止，全長28.76 km，全部為隧洞，最大埋深693 m。另外，東干線從孝義縣下水棠分水閘開始，分別進(jìn)入汾孝介和交汾靈兩條供水支線，汾孝介支線長14.97 km，交汾靈支線長51.25 km。

西干線從邢家?guī)X分水閘起，向西南方向延伸，經(jīng)石樓縣、柳林縣到隰縣下王莊的十字分水閘止，全長85.70 km，隧洞長85.59 km，最大埋深694 m。從下王莊十字分水閘起設(shè)蒲大供水支線，支線長3.6 km。

3 輸水隧洞洞形的設(shè)計(jì)

根據(jù)輸水線路沿線的地質(zhì)條件不同，隧洞斷面形式設(shè)計(jì)包括：城門洞形、圓形和馬蹄形。當(dāng)隧洞埋深較大且圍巖類別為Ⅳ，Ⅴ類時，隧洞斷面為圓形；當(dāng)隧洞埋深較小且圍巖類別為II，III類時，斷面為城門洞形；在土質(zhì)洞段，隧洞斷面為馬蹄形。各種形式隧洞在輸水線路中的長度見表1。

表1 輸水隧洞斷面形式統(tǒng)計(jì)表 km

從表1可見，中部引黃輸水隧洞總長381.34 km，占線路總長的99.2%。其中，城門洞形應(yīng)用較普遍，長達(dá)305.15 km,占輸水線路總長的79.4%；圓形斷面主要分布于總干線與東干線，長度為67.86 km，占輸水線路總長的17.6%；馬蹄形斷面主要分布于總干線隧洞中，汾孝介和交汾靈支線也有少量分布，共長8.33 km，占輸水線路總長的2.2%。

輸水隧洞的大小主要由引水流量決定，城門洞形和馬蹄形隧洞的主要尺寸分別見表2、表3。

表2 城門洞形輸水隧洞斷面設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)表

表3 馬蹄形輸水隧洞斷面設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)表

圓形斷面設(shè)計(jì)洞徑在總干線3號隧洞為4.3 m，總干線4號隧洞為4.1 m，東干線隧洞為3.2 m。

4 輸水隧洞模板的設(shè)計(jì)

當(dāng)前，在國內(nèi)水利水電輸水隧洞襯砌施工中，對于圓形輸水隧洞混凝土襯砌模板主要采用全斷面針梁式襯砌模板和穿行式全斷面襯砌模板。城門洞形隧洞襯砌方式采用拱架和人工組裝模板施工，這種施工方法既費(fèi)時又費(fèi)工，施工速度慢，同時還經(jīng)常出現(xiàn)錯臺、蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷。為了解決這些問題，在該項(xiàng)目模板設(shè)計(jì)時借鑒了全斷面針梁模板臺車和穿行式全斷面襯砌模板臺車的技術(shù)，考慮到馬蹄形和圓形輸水隧洞襯砌施工需求，經(jīng)室內(nèi)多方案的模擬對比，最終設(shè)計(jì)出一套既能適用城門洞形斷面，也能適用馬蹄形和圓形斷面隧洞混凝土襯砌的新型模板臺車施工技術(shù)。

4.1 隧洞模板臺車結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

輸水隧洞模板臺車結(jié)構(gòu)由模板框梁、面板、正反頂絲和移動軌道四部分組成，現(xiàn)以中部引黃總干線中的3種隧洞形式為例，分別介紹各斷面形式模板臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 模板橫斷圖

此項(xiàng)隧洞模板臺車，同全斷面針梁式襯砌模板臺車、穿行式全斷面襯砌模板臺車和邊頂拱軌行式襯砌模板臺車相比，在液壓自動化方面略為遜色，但在其他方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低廉，可通過不同面板相互組合，能適用多種斷面形式，此項(xiàng)目模板臺車可大幅度提高模板重復(fù)利用率，大幅度降低模板的使用成本；2）采用不同型號槽鋼通過焊接組成模板框梁，再通過自制正反頂絲聯(lián)接面板，使得模板支撐與脫模自如，機(jī)械故障發(fā)生幾率很低，而針梁模板臺車等常因自動液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，極易造成停工現(xiàn)象；3）模板臺車通過滑輪和移動軌道，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化不間斷循環(huán)向前施工，極大地提高了施工速度。

4.2 模板臺車工作原理

該模板臺車是以框梁為基本結(jié)構(gòu)單元，通過聯(lián)接不同形式面板，便可適應(yīng)不同斷面形式和不同大小隧洞模板的需求。通過調(diào)整正反頂絲，順利實(shí)現(xiàn)支模與脫模工序。

4.3 模板臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

4.3.1 模板框梁

模板框梁是模板臺車在隧洞混凝土襯砌時的主要受力構(gòu)件。其結(jié)構(gòu)可由普通槽鋼焊接而成?？蛄旱某叽?，根據(jù)隧洞洞徑大小來確定，對于圓形隧洞，其寬度可取洞徑的1/2；城門洞形，寬度可取洞寬的2/3。槽鋼的截面選擇通過計(jì)算確定。

以中部引黃工程總干線輸水隧洞4.3 m洞徑為例，模板框梁，下部縱向槽鋼［20，其他構(gòu)件為10，滑輪￠20，槽鋼框架間距為0.8 m，框梁組件單節(jié)長5 m，總長10 m。模板框梁橫斷面見圖2。

圖2 模板框梁橫斷結(jié)構(gòu)圖

4.3.2 面板設(shè)計(jì)

模板臺車面板包括城門洞形、圓形和馬蹄形3種。城門洞形面板由左右對稱的兩組面板組成，每組面板包括一塊弧形面板和一塊直墻面板?；⌒蚊姘逡鶕?jù)城門洞形斷面設(shè)計(jì)半徑與頂拱中心角度加工，直墻面板根據(jù)直墻段設(shè)計(jì)高度加工。圓形和馬蹄形面板均由左右對稱的兩組四塊面板組成，兩組面板尺寸、形狀均相同，具體尺寸可根據(jù)設(shè)計(jì)圓形半徑或拱頂半徑、內(nèi)緣半徑?jīng)Q定。

面板受力框架選用6槽鋼焊接，采用厚度為5 mm鋼板作為面層。面板受力框架間距0.6 m。面板鋼板與受力框架在卷板機(jī)上成型。

4.3.3 面板的聯(lián)接設(shè)計(jì)

面板與面板之間采用鉸接，面板與框架采用正反頂絲和鉸接聯(lián)接。正反頂絲是模板主要受力桿件，圓形、馬蹄形每斷面可選用φ25的粗螺紋螺栓7條，城門洞形每斷面選用φ25的粗螺紋螺栓9條。面板聯(lián)接可見圖3。

圖3 面板連接示意圖

4.3.4 模板臺車運(yùn)行

模板臺車運(yùn)行移動可采用軌行式運(yùn)行方案，軌道安裝在預(yù)先已澆筑的底板混凝土上，并通過預(yù)埋螺栓加以固定。軌道可采用輕型鋼軌。

5 隧洞模板臺車的工程應(yīng)用

5.1 模板臺車的現(xiàn)場組裝與定位

模板臺車在使用前應(yīng)進(jìn)行各部件的組裝，組裝場地可根據(jù)施工現(xiàn)場條件決定。一般選擇在洞口組裝，面板安裝可采用吊車吊裝。

模板臺車現(xiàn)場操作時，應(yīng)在每倉鋼筋工序完成之后通過軌道運(yùn)行準(zhǔn)確到位，再通過正反頂絲調(diào)整螺栓，保證模板支撐到位，達(dá)到設(shè)計(jì)洞徑、洞形要求。操作頂絲應(yīng)由上而下進(jìn)行，并保證模板平直無錯臺、無縫隙后，方可進(jìn)行混凝土澆筑施工。

5.2 隧洞混凝土澆筑施工

隧洞混凝土澆筑時一般采用混凝土罐車運(yùn)輸，混凝土通過地泵與泵管將混凝土送入倉內(nèi)。進(jìn)料時須保證模板兩側(cè)混凝土均勻上升，混凝土振搗采用平板振搗器與軟軸振搗器相互配合進(jìn)行及時振搗，以確?；炷翝仓軐?shí)。

5.3 模板臺車模板的脫模

當(dāng)混凝土澆筑完成之后，其強(qiáng)度大于80%時，脫模通過面板與框梁之間的正反頂絲和調(diào)整螺栓。松動頂絲和調(diào)整螺栓順序應(yīng)從上到下進(jìn)行，這時模板在頂絲和調(diào)整螺栓拉力作用下會自動脫離混凝土。

6 結(jié)語

1）此項(xiàng)模板臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、用途廣泛，既能適用于圓形和馬蹄形，更適用于城門洞形輸水隧洞的混凝土襯砌施工。

2）此項(xiàng)模板臺車造價低廉、投資少、成本低。據(jù)核算，每套模板制造成本費(fèi)大概為15萬元，僅為液壓襯砌模板費(fèi)用的1/3。它既可適用于大中型水利水電輸水隧洞工程建設(shè)，更適合于小型水利水電輸水隧洞工程建設(shè)。

3）此項(xiàng)模板臺車結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、操作靈活可靠，是一項(xiàng)進(jìn)度快、施工質(zhì)量好的新型模板臺車施工技術(shù)。

［1］冀生貴.全斷面針梁式鋼模板在隧洞混凝土襯砌中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2001（2）.

［2］顧華，盧興金.機(jī)械式針梁鋼模臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.水利水電技術(shù).1996（11）.

［3］王長春，付亞坤.全圓鋼模臺車施工技術(shù)在南水北調(diào)北京西四環(huán)暗涵工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2007（7）.