全断面针梁台车在南水北调东线穿黄工程20°坡度斜井混凝土施工中的改进与应用

朱海亚，温定煜，周凤才，戴永翔，高鹏伟

（1.中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，四川成都 610066；2.南水北调东线穿黄河工程北区建管局，山东聊城 252000）

1 工程概况

南水北调东线第一期工程穿黄北区工程穿黄隧洞斜井位于黄河北岸，穿越黄河大堤，为有压圆形隧洞，全长166.03 m，开挖直径为8.9～9.5 m，衬砌后内径7.50 m。主要包括：斜洞段上、下弯段，斜洞段直段及部分埋管段，与水平方向成20°夹角，桩号：7+ 881.917-7+048.245。斜洞段工程纵剖面，如图1所示。

图1 斜洞段工程纵剖面

2 总体施工方案的确定

斜井段工程属大坡度混凝土施工，面临裂隙水和外部水流入的影响，施工难度较大、技术要求高。根据国务院南水北调办公室工期总体要求：2011年12月31日全面完工，工期尤为紧张。通过对采用组合钢模板+满堂架、钢模台车、全断面针梁台车3种方式混凝土浇筑施工方案的反复论证、比较分析，选取全断面针梁台车混凝土浇筑施工工艺。该施工工艺简单、施工成本和管理成本较低，并能在确保安全和质量的前提下加快施工进度，满足设计标准要求。

3 施工方法

3.1 施工边界条件

⑴斜洞段工程与水平方向成20°夹角，开挖直径为8.9～9.5 m，成型直径为7.5 m，衬砌厚度为60～80 cm。根据设计图纸施工要求采取全断面施工。

（2）为确保工程施工进度、保证施工质量、减小安全隐患，拟定采用9.0 m全断面针梁台车一次浇筑成型，因此洞内布置复杂，主要布置基础设施包括：钢丝绳、滑轮组、平板台车+矿用绞车系统、后期溜槽系统、排水设施等。

（3）全断面针梁台车主要相关参数：针梁长22.960 m，模体长9.0 m，断面直径7.52 m；针梁台车总重96 t，模板总成、梁框总成、行走机构、抗浮装置及托架几大部分自重约66 t，针梁重30 t。

3.2 针梁台车主要技术参数

钢模直径：7.52 m；针梁长度：22.96 m；理论衬砌长度：9.0 m或4.5 m；额定电压：380V；油泵：GBY2016，Q=16.4 ml/r；油泵电机：Y160M-4，P=7.5 kW，n=1 440 r/min；摇摆针轮减速器：XWD8-43-11（带制动）；液压系统工作压力：20 MPa。

3.3 针梁台车行走原理

安装在针梁台车上的2根钢丝绳，分别绕过针梁端部及梁框上的滑轮，固定在针梁两端，针梁和钢模互为支点相对运动使台车前进。脱模之前，收缩底座油缸，旋吊底座，针梁下面轨道落在底模行走轮上，开动卷扬机使针梁向前移动，到位后放下底座，油缸顶在针梁上然后脱模。脱模后，开动卷扬机使其反方向运动，钢模即向上移动。

3.4 针梁台车的改进

南水北调东线穿黄隧洞工程斜井段工程坡度较陡，针梁台车在斜井混凝土施工中行走是需解决的一大技术难题。因此，为确保针梁台车在斜井混凝土浇筑施工中的安全应用，根据针梁台车原行走原理的基础对其进行改进。

3.4.1 针梁部分移动力学分析及改进

通过针梁台车相关技术参数可知，针梁部分重30.0 t，因此针梁部分在斜井混凝土施工中的状态如图2所示。

根据图2分析，针梁移动牵引力计算公式为：

图2 针梁部分移动力学计算

式中：下滑分力取G=Wsina=30×sin20°=10.26（t）；摩擦力取f=μP，P=Wcos20°=30×cos20°=28.19（t）。钢与钢之间的滑动摩擦系数取μ=0.05～0.1，此处取0.075，f=0.075×28.19=2.11（t）。

针梁部分移动牵引力G=10.26+2.11=12.37（t），考虑2.0安全系数，故针梁部分向上移动需牵引力12.37×2.0=26.74（t）。

因此，结合受力分析情况，需对针梁台车原导向机构进行改进，通过将导向机构原有4根钢丝绳滑轮组改进为8根钢丝绳滑轮组的方式完成针梁部分的移动。转换后需牵引力26.74÷8=3.34（t）＜5（t），以便原配置卷扬机满足要求。导向机构改进平面及纵断面，如图3-4所示。

3.4.2 模体部分移动受力分析及改进

模体部分主要包括：模板总成、梁框总成、行走机构、抗浮装置及托架等几大部分，总自重66 t。在衬砌过程中，其他附加荷载主要包括走道、木板、施工人员、黏结混凝土等，共计约15 t。模体的总重量为66+15= 81.0（t）。模体部分移动所需牵引力计算，如图5所示。

根据图5分析，模体移动牵引力计算公式为：

图3 导向机构改进平面

图4 导向机构改进纵断面

图5 模体部分移动力学计算

图6 模体部分改进

式中：下滑分力取G=Wsina=81×sin20°=27.70（t）；摩擦力取f=μP，P=Wcos20°=81×cos20°=76.12（t）。钢与钢之间的滑动摩擦系数取 μ=0.05～0.1，这里取0.075，f=0.075×76.12=5.71（t）。

模体部分向上滑移动牵引力为G=27.70+5.71= 33.41（t），考虑2.0安全系数，故模体部分移动需牵引力33.41×2.0=66.82（t）。

结合受力计算情况，需针对模体部分进行改进，模体部分移动主要依靠在模体框架两侧中心位置安装动滑轮组，通过滑轮组力学转换，借助外力对模体牵引，使其与针梁台车针梁部分发生相对运动。模体部分改进，如图6所示。

4 结语

通过对针梁台车改进，在南水北调东线第一期穿黄北区工程穿黄隧洞斜井工程中成功应用后，减小了采用其他模板进行浇筑的工艺复杂性，明显加快了施工进度，降低了施工成本，同时为类似斜井混凝土浇筑全断面针梁台车的设计、施工提供借鉴经验，拓宽了全断面针梁台车的应用领域。