全断面针梁台车在穿黄工程斜井混凝土衬砌中的应用

朱海亚，温定煜，高鹏伟

(中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，四川双流，610225)

1 工程概况

南水北调东线第一期工程穿黄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166.03m，开挖直径为8.9～9.5m，衬砌后内径7.50m。斜井衬砌主要包括斜洞段上、下弯段，斜洞段直段及部分埋管段;斜井与水平方向成20°夹角，桩号7+881.917m～7+048.245m。斜井工程见图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。通过对组合钢模板+满堂架、钢模台车、全断面针梁台车三种混凝土浇筑施工方案的反复论证和比较分析，决定采用全断面针梁台车混凝土浇筑施工。该施工方案工艺先进、节约材料和劳动力，施工成本较低，并能在确保安全和质量的前提下，加快施工进度，保证工程质量。

3 施工方法

3.1 施工边界条件

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

3.1.2 为确保工程施工进度，保证施工质量，减小安全隐患，拟定采用长度9.0m全断面针梁台车，经过改进后用于本斜井一次浇筑成型，因此洞内布置复杂，主要设施包括: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。

3.1.3 全断面针梁台车主要相关参数:针梁长22.960m，模体长9.0m，断面直径7.52m;针梁台车总重96t，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66t，针梁重30t。

3.2 针梁台车主要技术参数

钢模直径φ7.52m;针梁长度22.96m;理论衬砌长度9.0m;额定电压380V;油泵为GBY2016，Q=16.4ml/r;油泵电机为Y160M－4，P=7.5kW，n=1440r/min;摇摆针轮减速器为XWD8－43－11(带制动);液压系统工作压力为20MPa。

3.3 针梁台车行走原理

用于平洞段的针梁台车，其行走原理是:安装在针梁台车上的两组钢丝绳分别绕过针梁端部及梁框上的滑轮，固定在针梁两侧，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，钢模即向前移动。

3.4 针梁台车的改进

经调查，隧洞针梁台车在20°坡度斜井混凝土施工中属国内外首次应用。南水北调东线穿黄隧洞斜井段工程坡度较陡，平洞衬砌所使用的针梁台车在斜井混凝土施工中行走是一大需解决的技术难题。因此，为确保针梁台车在斜井混凝土浇筑施工中的安全行走，需要根据针梁台车在平洞段的行走原理对其进行改进。

3.4.1 针梁部分移动力学分析及改进

针梁台车的针梁部分重30.0t，在斜井混凝土施工中它的受力状态可参见图2。

图2 针梁部分移动力学计算简图 (单位:mm)

根据图2的受力分析，针梁移动牵引力计算公式为: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。钢与钢之间的滑动摩擦系数μ=0.05～0.1，取0.075，故f=0.075×28.19=2.11t。

针梁部分移动牵引力F=10.26+2.11=12.37t，考虑2.0安全系数(取于考虑其他综合因素)，故针梁部分向上移动需牵引力12.37×2.0=26.74t。

因此，结合受力分析情况，需改进针梁台车原导向机构，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。转换后需牵引力26.74÷8=3.34t＜5t，原配置卷扬机满足要求。导向机构改进详见图3和图4。

图3 导向机构改进平面图 (单位:mm)

图4 导向机构改进纵断面图 (单位:mm)

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，总自重66t。在衬砌过程中，其他附加荷载主要包括走道、木板、施工人员、粘结混凝土等，共计约15t。模体的总重量为66t+15t=81.0t。模体部分移动所需牵引力计算简图见图5。

图5 模体部分移动力学计算简图 (单位:mm)

根据图5受力分析，模体移动牵引力计算公式为: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。钢与钢之间的滑动摩擦系数μ=0.05～0.1，取0.075，故f=0.075×76.12=5.71t。

模体部分向上滑移动牵引力F=27.70+5.71=33.41t，考虑2.0安全系数(取于考虑其他综合因素)，故模体部分移动需牵引力33.41×2.0=66.82t。

经过受力计算分析，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，通过滑轮组连接井口锚固的“Π”行梁，借助外设卷扬机对模体牵引，使其外横框梁桁架沿针梁向前运动。具体详见图6，图7，图8。

4 结语

改造后的针梁台车，在南水北调东线穿黄隧洞工程斜井段混凝土衬砌中得到了成功应用，避免了采用满堂架模板进行衬砌的落后工艺，明显加快了施工进度，降低了施工成本。本次对针梁台车的改进及成功应用为类似斜井混凝土浇筑全断针梁台车的设计、施工提供了借鉴经验，拓宽了全断面针梁台车的应用领域，不仅能应用于水平隧洞衬砌，还可应用于斜井工程混凝土衬砌。