针梁式全圆模板台车在海底引水隧洞工程衬砌施工中的创新应用

陈启伟，王亚利，张 建

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001;2.中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009;3.济源市华泰测绘有限公司，河南济源 459000;4.中铁隧道股份有限公司台山核电站取水隧洞项目部，广东台山 529200)

0 引言

随着国家水利基础设施建设投入的不断增大和社会经济的不断发展，取水隧洞工程的建设取得了长足的进步［1－2］，二次衬砌作为取水隧洞盾构工程普遍采用的方法，是用混凝土现场浇筑而成的，作为初次衬砌的补强、防腐、防渗、减糙、修正和校正中心线偏离等所采取的工程措施［3－4］。取水隧洞工程普遍采用的全圆二次衬砌台车有针梁式和穿行式2种，目前国内针梁式全圆模板台车工程施工应用案例也不少。陈廷康［5］和林鹏远［6］介绍了全圆针梁式模板台车结构设计和单台台车的施工工艺;丁善锋等［7］总结了台车在引水隧洞转弯段的衬砌应用;袁平顺［8］介绍了大坝枢纽工程"V"形峡谷岩体卸荷下导流洞针梁式全圆混凝土衬砌施工控制的应用;张俊英［9］总结了衬砌台车抗浮结构设计的方法;结合新疆波波娜水电站工程，宋金波［10］介绍了用于该工程台车的构造、安装、操作流程及应用效果;熊亮等［11］针对波波娜水电站工程采用2套台车单向长距离同步衬砌，总结了“一跳两夹”衬砌浇筑方法。截至目前，还没有针对3台台车单向同步衬砌的研究及施工应用。因此，本文重点针对海底取水隧洞衬砌施工对针梁式全圆模板台车结构构造、安全快速及3台连续跳板的先进施工工艺方法进行探讨。

1 工程概况

台山核电站位于广东省台山市赤溪镇腰古村的腰古咀，距台山市44.5 km，东面为黄茅海，其余3面环山，东南约5 km处为大襟岛。隧洞主要位于海域，近岸处多为基岩出露(大襟岛)及人工堆积块石(陆地侧)。离岸较远部位，属于滨海地貌，地形高程一般为－2.0 m～－4.5 m，水深为0.8 m～4.8 m，由西北向东南逐渐变深，在东南靠近大襟岛近岸变浅［12］。工程鸟瞰图如图1所示。

图1 台山核电站取水隧洞工程鸟瞰图Fig.1 An aerial view of intake tunnel of Taishan Nuclear Power Plant

核电站1#和2#机组取水隧洞穿越大襟岛与厂区明渠之间海域，为2条平行的输水隧洞，隧洞中心间距29.2 m，盾构区间隧洞单线总长8 119 m。其中:1#隧洞4 061 m，2#隧洞4 058 m。隧洞两侧部分岩石段采用钻爆法施工，其余段落采用盾构法。隧洞内径7.3 m，外径8.7 m，最大埋深55.75 m，采用盾构管片初次衬砌和钢筋混凝土二次衬砌复合支护结构。盾构掘进过程中进行初次衬砌，管片外径8.7 m，内径7.9 m，厚0.4 m;盾构掘进贯通后再进行二次衬砌，衬砌外径7.9 m，内径7.3 m，厚0.3 m，混凝土等级C40，钢筋采用φ16@200双层布置，二次衬砌断面布置如图2所示。

图2 二次衬砌断面及钢筋布置图Fig.2 Layout of steel bars and cross-section of secondary lining

2 二次衬砌总体施工方法及流程

二次衬砌施工在隧洞初次衬砌完成后开始进行，施工方向从大襟岛侧按照倒退法施工步骤向陆域侧(台山核电站)进行，施工材料供应从陆域侧向大襟岛侧进行运输，单线隧洞二次衬砌施工长度为4 330.6 m(含钻爆法施工段)，采用3台12 m长针梁式全圆模板台车衬砌施工。二次衬砌隧洞内施工平面布局示意图如图3所示。图3中台车每循环浇筑约12 m，钢筋绑扎台车2台之间相隔一板(12 m)，钢筋绑扎台车与衬砌台车之间相隔3板(36 m)，衬砌台车2台之间相隔3板(36 m)，即输送泵与最远的衬砌台车距离在210 m左右。二次衬砌每个循环的总施工流程如图4所示。

3 针梁式全圆模板台车

针梁式全圆模板台车是以电力驱动、钢绳牵引方式带动台车行走，利用液压千斤顶和螺旋千斤顶调整模板到位及卸落模的隧道全圆一次成型混凝土施工设备。台车模架立模动力:液压驱动、操作与控制、电动液压、模板上带有附着式振捣器。两侧模板设置灌注口，台车拱顶设置3个灌注口。具有制造成本低、结构可靠、操作方便、衬砌速度快、线条平顺、光洁度好等优点。

3.1 台车构造

台车由针梁、模板、框梁、支撑悬挂、行走装置、抗浮装置、电器液压系统以及混凝土振动系统等部分组成。台车构造如图5和图6所示。

3.1.1 针梁

针梁全长27 882 mm，宽2 500 mm，高2 600 mm。为了运输和洞内安装的需要，把针梁分成6段(其中2块梁身中段最大外形尺寸13 200 mm×2 600 mm×284 mm，4块梁身前/后段最大外形尺寸7 191 mm×2 600 mm×284 mm)，各小段之间采用φ80 mm柱销连成整体。经过检算，针梁承重后最大挠度小于50 mm(f＜1/540)，满足使用要求。

图3 隧洞内二次衬砌施工平面示意图Fig.3 Plan of construction of secondary lining inside the tunnel

3.1.2 模板

模板全长11 940 mm，共分为6环，每环1 990 mm。模板从断面上看共分5块，其中底模2块，边模2块，顶模1块。底模固定于框梁下部，左右边模采用轴销连接在底模上缘。顶模一侧铰接于边模上缘，而另一侧栓接于另一边模上缘，5块模板组成整圆并形成一个整体。模板面板采用10 mm钢板，拱板采用12 mm钢板，模板环与环之间采用φ23 mm定位销以及M16×50螺栓紧固，顶模与边模连接板采用φ30 mm定位销与M22×60螺栓固定。为使模板整体性强，在模板内侧设有模板通梁。

3.1.3 框梁

框梁内有针梁，外有悬挂装置，用于支撑模板。由卷扬机拖动框梁带动模板完成移模任务。框梁采用槽钢组焊与螺栓连接成整体。框梁内侧上下设有48个双轮缘轮组，用于减轻移模阻力，便于移动。

3.1.4 支撑悬挂装置

台车的支撑分为2部分和2种形式。2部分为模板支撑和针梁支撑，2种形式是液压支撑和丝杆支撑。模板支撑采用液压油缸支撑就位和拆模，丝杠支撑作为模板固定和受力支撑，故在支模就位完毕，所有支撑丝杠必须扭紧到位。针梁支撑采用强大的液压油缸来完成，为了保证其标高的准确性，在主油缸上装有液压锁。针梁前后设有支撑靴与岩层相接触，并设有抗倾斜装置，使其稳定的支撑着模板台车。为了方便对中就位，在前后支撑油缸之间设有平移油缸，对台车左右对中起微调作用。

3.1.5 台车行走装置

台车行走装置是靠针梁中的一台电动卷扬机的滚筒上循环钢丝绳来实现。卷扬机固定于针梁上，滚筒钢丝绳两端固定在框梁两侧。电动卷扬机旋转时使得针梁和模板框梁产生相对运动而完成行走任务。

3.1.6 抗浮装置

台车在灌注混凝土时，产生的浮力不能忽视。故在模板两端设有可前后移动的抗浮梁，并在模板中部适当位置设有4个抗浮支撑。为了防止下沉，在针梁底部靠近模板适当位置设有强大支撑，增加针梁的支点，减小跨度及针梁变形。为了使台车能够稳定在隧洞中央，模板通梁两端还设有丝杠支撑与岩层相抵。

3.2 台车主要技术参数

模板台车主要技术参数如表1所示。

表1 模板台车主要技术参数Table 1 Main technical parameters of formwork jumbo

4 模板台车关键施工工艺和技术

4.1 钢筋绑扎台车及定位

钢筋绑扎、定位采用3台长12 m简易钢筋绑扎台车(如图7所示)进行施工作业，台车行走轨道设在横立的工字钢上，行走采用人工推动台车，台车采用型钢加工，作业平台上铺设2 m长人行踏板。钢筋绑扎、定位工序分为:植筋施工、外层钢筋安装、内层钢筋安装，每台台车完成一个安装工序，3个工序之间采用超前施工作业，按照每板12 m施工，各工序之间至少超前1板以上，这样既能填补各个工序之间的时间差，也确保了流水线作业，达到缩短总工期的目标。

图7 钢筋绑扎台车Fig.7 Steel bar binding trolley

4.2 模板台车抗浮及定位

台车抗浮机构，前抗浮支撑在管片上，后抗浮只能支撑在上一环衬砌好的混凝土上。因此，需要等上一环混凝土达到一定强度才能进行下一个衬砌循环。

台车定位由专业测量人员确定台车中心线与设计隧洞中线是否吻合，高程是否符合设计要求。定位顺序是:先定高程、后定中线。台车定位前先对台车模板表面涂刷脱模剂(涂模板漆)，以利于混凝土脱模。

台车定位主要由各伸缩油缸动作完成对接、中线、水平定位。模板主要由连接销、锁定螺栓(杆)完成锁定。台车走行轨道要适应台车定位要求，轨道偏差范围若超限，就必须对轨道进行调整，定位时要求该两项指标控制在±5 mm之间。

台车定位完成并达到精度要求后对模板进行紧固锁定，锁紧上部与下部所有抗浮丝杆以及顶部的抗浮液压千斤顶，以确保灌注混凝土时模板不移动。

4.3 模板台车施工工艺及注意事项

根据核电业主的要求和施工组织设计1#隧洞二次衬砌，二次衬砌施工工期紧(工期179 d)，指标高。根据施工需要使用3台模板台车一次性灌注整体模板进行连续跳打衬砌，采用跳板施工，模板台车施工工艺流程图和跳板施工示意图分别如图8和图9所示。连续跳打二次衬砌施工是流水线作业，任何台车出现故障或任何材料供应环节出现滞后等问题均能影响施工计划，因此施工需注意如下事项。

1)加强台车及其施工辅助设备和易损部件配备配件的日常保养。

2)混凝土搅拌系统及运输系统超前考虑，搅拌能力及运输能力要做好计划，确保连续作业。

3)考虑到钢筋超前施工，混凝土泵送车又须在钢筋前面，故泵车的泵送能力要达到水平距离150～210 m，同时做好泵送管路的日常清理及疏通。

4.4 堵头封堵

堵头板采用5 cm厚木板，按台车弧度加工，每块长1 m，宽为20～30 cm不等，堵头板必须安装直顺，加固牢固，确保不跑模、不爆模，堵头板按台车弧度扇形布置，为方便钢模台车堵头处的安装、拆模，在每段衬砌的端头预留2排内层主筋不绑扎，等上一组脱模之后再进行绑扎焊接。

4.5 混凝土浇筑及振捣

1)混凝土采用80型电动式混凝土输送泵进行输送，长距离泵送对各工序要求严格，故混凝土须按施工配合比进行生产，并及时运送到施工作业面。

2)混凝土灌注前检查台车的定位、锁定、脱模剂、堵头固定、密封情况，确认无误后方可进行灌注作业。

3)混凝土灌注顺序:底拱—边墙—拱顶。浇筑时须按台车预留窗口分层灌注，应对称、分层、连续施工，每层厚度控制在30 cm以下，边灌注边振捣密实，确保混凝土内实外美。

4)混凝土灌注后采用振捣器辅以人工摊铺，灌注过程中应加强振捣工作，附着式振捣器和插入式振捣器并用，以确保混凝土不漏捣，避免出现蜂窝、麻面等混凝土表面质量问题。灌注过程中如遇到堵管现象应立即采取措施疏通管路，以求尽快恢复泵送。当因故间歇时，宜每隔10 min转动混凝土输送泵料斗中的混凝土。常温下混凝土间断时间不宜大于2 h，若超过即进行彻底清洗管路。

5)混凝土浇筑完成后，满足设计要求脱模强度和时间后进行脱模。

5 台车施工中存在的问题及解决措施

5.1 模板变形及应对措施

台车在衬砌施工过程中，模板会发生不同程度变形。3台台车顶模第1和第6块都发生过变形，分析变形是为了防止台车上浮，台车定位好后在台车两端的顶模与管片之间支撑了一个槽钢，台车的浮力造成了顶模的变形。一台台车顶模第4块变形严重，原因是灌注时由于堵管，疏通管道时间过长，导致再继续泵送混凝土时，灌注口处混凝土初凝，再次灌注的混凝土无法向四周扩散，结果造成顶模被打塌下来。另一台台车底模变形，分析原因有2点:一是模板两端搭接在已衬砌的混凝土上，定位时脱模油缸(定位油缸)过顶;二是混凝土灌注好后整个底模紧贴在混凝土上，脱模时脱模油缸向上拉扯所致。针对上述模板变形问题，制定了模板的维修保养措施，确定了维修流程:清渣除锈—板面维修—模板尺寸校核—板肋维修—验收喷漆—堆码。按照流程对每一块变形的模板的每一道工艺进行详细的维修和质量验收，合格的模板再次应用。

5.2 针梁轨道变形及应对措施

台车在定位的时候，主要是靠针梁向上起升带动行走轮、框梁及模板整体起升定位，当顶模部分紧贴混凝土面时，继续向上起升就造成了轨道梁的变形。为解决轨道变形制定了维修流程:割除轨道梁上平面(分段割除)—焊接T型梁—T型梁与轨道梁对接—焊接轨道。具体维修过程及应对措施如图10所示。

图10 模板台车针梁轨道变形及解决措施图Fig.10 Deformation of needle beams of formwork jumbos and its countermeasures

6 海底隧洞台车衬砌施工与常规衬砌的不同点及应用效果评述

台山核电站海底引水隧洞工程与常规隧道工程衬砌施工的不同之处主要体现在以下4个方面:

1)施工材料运输只能单向运送。因隧洞进水口大襟岛侧无淡水、无供电、无码头，不满足建筑物资供应的诸多条件，所有施工材料只能从陆域侧经隧洞有轨运输至施工位置。

2)隧洞衬砌施工只能采用单向倒退法从大襟岛侧向陆域侧施工。常规隧道衬砌可采用从隧道中间向两端组织2个工作面同时进行施工，总结出了3台台车单向同步连续跳打的台车施工方法。

3)施工工序组织要井然有序。3台车单向同步连续跳打作业，任何一个台车、一个环节出现问题影响全局施工。

4)自然条件影响衬砌施工。核电站海域地处多台风、多暴雨及中华白海豚国家自然保护区，地理位置十分偏僻，为隧洞施工带来诸多不便。

台山核电取水隧洞工程具有基岩孤石不良地质段距离长、出洞端头断层破碎带影响大、长距离海底盾构掘进、上千次带压进舱换刀等不利因素，施工难度很大。1#取水隧洞二次衬砌施工总距离4 330.6 m，月平均施工721.8 m，2012年8月完成792 m，取得大断面取水隧洞二次衬砌施工的优异成绩;2012年9月18日施工完毕，历时6个月，工期满足了核电业主的要求和施工组织的计划安排。目前，2#隧洞盾构已拆机完毕，台车正在组装，通过总结1#隧洞衬砌施工的经验和设备存在的不足，台车将在2#隧洞衬砌施工中发挥优势，取得更好的成绩。

7 结论与讨论

台山核电取水隧洞工程采用的针梁式全圆模板具有制造成本低、结构可靠、操作方便、衬砌速度快、上浮可控性好、混凝土浇筑振捣密实和表面线条平顺光洁等优点。经过1#隧洞衬砌施工效果可看出衬砌完成的混凝土密实、无蜂窝等现象发生，台车衬砌完成后平均上浮控制在40 mm以内，满足了GB 50446—2008《盾构法隧道施工与验收规范》水下隧道轴线高差允许范围±150 mm的要求，杜绝了上浮带来的质量隐患，与其他类型台车相比，施工工序更加合理，施工干扰范围明显缩小，施工质量及进度明显提高。通过施工应用，提出台车设计及施工方面的以下建议:

1)台车设计时为防止底模上浮和变形，建议增加通梁和丝杆压住底模。

2)施工脱模时，原设计的脱模油缸效果不明显，建议增加2个支腿和2根脱模油缸。

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