中部引黄输水隧洞衬砌模板设计与应用研究

2013-08-10王树林

东北水利水电 2013年5期

王树林，王鹏

1 工程概况

山西省中部引黄工程位于山西省西部山区,是省“十二五规划”大水网建设中的一项重点工程。该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、地下式分水闸5处、地面式分水闸7处，输水隧洞全长381.34 km。

扬水泵站位于山西省保德县境内黄河天桥水电站上游1.44 km左岸枣林沟口。泵站机组设计7台，总装机容量9 600 kW。泵站进水池最低水位829.47 m，出水池设计水位1 027.03 m，扬水管为直径3.6 m的压力钢管，设计提水流量23.55 m3/s，扬程 200 m。

工程建设目的主要是解决忻州、吕梁、临汾和晋中4市17个县（市、区）的工农业生产及生活用水。工程建成后，年引水量6.02亿m3，受益人口达320多万人，可新增灌溉面积10万hm2。它的建成不但为该区域今后农业生产稳定发展提供了水资源保障，而且也为该区域转型发展奠定了基础。

2 输水线路的分布概述

中部引黄工程输水线路由总干线、东干线、西干线及3条供水支线组成，在平面上呈树枝状分布，线路总长384.5 km。

总干线由扬水泵站出水池出口开始，经保德县、兴县、临县、方山县、离石区，到中阳县邢家岭分水闸为止，全长200.22 km。共分隧洞4条，最大埋深610 m。

东干线从中阳县邢家岭分水闸起，向南延伸至孝义县下水棠分水闸止，全长28.76 km，全部为隧洞，最大埋深693 m。另外，东干线从孝义县下水棠分水闸开始，分别进入汾孝介和交汾灵两条供水支线，汾孝介支线长14.97 km，交汾灵支线长51.25 km。

西干线从邢家岭分水闸起，向西南方向延伸，经石楼县、柳林县到隰县下王庄的十字分水闸止，全长85.70 km，隧洞长85.59 km，最大埋深694 m。从下王庄十字分水闸起设蒲大供水支线，支线长3.6 km。

3 输水隧洞洞形的设计

根据输水线路沿线的地质条件不同，隧洞断面形式设计包括：城门洞形、圆形和马蹄形。当隧洞埋深较大且围岩类别为Ⅳ，Ⅴ类时，隧洞断面为圆形；当隧洞埋深较小且围岩类别为II，III类时，断面为城门洞形；在土质洞段，隧洞断面为马蹄形。各种形式隧洞在输水线路中的长度见表1。

表1 输水隧洞断面形式统计表 km

从表1可见，中部引黄输水隧洞总长381.34 km，占线路总长的99.2%。其中，城门洞形应用较普遍，长达305.15 km,占输水线路总长的79.4%；圆形断面主要分布于总干线与东干线，长度为67.86 km，占输水线路总长的17.6%；马蹄形断面主要分布于总干线隧洞中，汾孝介和交汾灵支线也有少量分布，共长8.33 km，占输水线路总长的2.2%。

输水隧洞的大小主要由引水流量决定，城门洞形和马蹄形隧洞的主要尺寸分别见表2、表3。

表2 城门洞形输水隧洞断面设计统计表

表3 马蹄形输水隧洞断面设计统计表

圆形断面设计洞径在总干线3号隧洞为4.3 m，总干线4号隧洞为4.1 m，东干线隧洞为3.2 m。

4 输水隧洞模板的设计

当前，在国内水利水电输水隧洞衬砌施工中，对于圆形输水隧洞混凝土衬砌模板主要采用全断面针梁式衬砌模板和穿行式全断面衬砌模板。城门洞形隧洞衬砌方式采用拱架和人工组装模板施工，这种施工方法既费时又费工，施工速度慢，同时还经常出现错台、蜂窝麻面等质量缺陷。为了解决这些问题，在该项目模板设计时借鉴了全断面针梁模板台车和穿行式全断面衬砌模板台车的技术，考虑到马蹄形和圆形输水隧洞衬砌施工需求，经室内多方案的模拟对比，最终设计出一套既能适用城门洞形断面，也能适用马蹄形和圆形断面隧洞混凝土衬砌的新型模板台车施工技术。

4.1 隧洞模板台车结构及特点

输水隧洞模板台车结构由模板框梁、面板、正反顶丝和移动轨道四部分组成，现以中部引黄总干线中的3种隧洞形式为例，分别介绍各断面形式模板台车结构设计，见图1。

图1 模板横断图

此项隧洞模板台车，同全断面针梁式衬砌模板台车、穿行式全断面衬砌模板台车和边顶拱轨行式衬砌模板台车相比，在液压自动化方面略为逊色，但在其他方面具有明显优点：1）结构简单、制造方便、造价低廉，可通过不同面板相互组合，能适用多种断面形式，此项目模板台车可大幅度提高模板重复利用率，大幅度降低模板的使用成本；2）采用不同型号槽钢通过焊接组成模板框梁，再通过自制正反顶丝联接面板，使得模板支撑与脱模自如，机械故障发生几率很低，而针梁模板台车等常因自动液压系统出现故障，极易造成停工现象；3）模板台车通过滑轮和移动轨道，实现了机械化不间断循环向前施工，极大地提高了施工速度。

4.2 模板台车工作原理

该模板台车是以框梁为基本结构单元，通过联接不同形式面板，便可适应不同断面形式和不同大小隧洞模板的需求。通过调整正反顶丝，顺利实现支模与脱模工序。

4.3 模板台车结构设计与制作

4.3.1 模板框梁

模板框梁是模板台车在隧洞混凝土衬砌时的主要受力构件。其结构可由普通槽钢焊接而成。框梁的尺寸，根据隧洞洞径大小来确定，对于圆形隧洞，其宽度可取洞径的1/2；城门洞形，宽度可取洞宽的2/3。槽钢的截面选择通过计算确定。

以中部引黄工程总干线输水隧洞4.3 m洞径为例，模板框梁，下部纵向槽钢［20，其他构件为10，滑轮¢20，槽钢框架间距为0.8 m，框梁组件单节长5 m，总长10 m。模板框梁横断面见图2。

图2 模板框梁横断结构图

4.3.2 面板设计

模板台车面板包括城门洞形、圆形和马蹄形3种。城门洞形面板由左右对称的两组面板组成，每组面板包括一块弧形面板和一块直墙面板。弧形面板要根据城门洞形断面设计半径与顶拱中心角度加工，直墙面板根据直墙段设计高度加工。圆形和马蹄形面板均由左右对称的两组四块面板组成，两组面板尺寸、形状均相同，具体尺寸可根据设计圆形半径或拱顶半径、内缘半径决定。

面板受力框架选用6槽钢焊接，采用厚度为5 mm钢板作为面层。面板受力框架间距0.6 m。面板钢板与受力框架在卷板机上成型。

4.3.3 面板的联接设计

面板与面板之间采用铰接，面板与框架采用正反顶丝和铰接联接。正反顶丝是模板主要受力杆件，圆形、马蹄形每断面可选用φ25的粗螺纹螺栓7条，城门洞形每断面选用φ25的粗螺纹螺栓9条。面板联接可见图3。