输水隧洞全圆一次浇筑针梁台车改进分析

穆鹏

摘要：浅埋暗挖输水隧洞采用复合式衬砌，二衬混凝土结构采用全圆针梁台车一次浇筑成型，根据以往工程施工经验，针梁台车结构的整体性和抗浮性能需要加强，因此在南水北调南干渠配套工程的施工中，加强了台车结构抗浮性能的研究，增加了必要的抗浮支撑；南干渠工程二衬断面尺寸比西四环工程小，台车内操作空间变小，台车设计过程中，加强了空间研究，在满足施工要求的前提下，盡可能减少了不必要的支撑，最大限度方便现场施工。经过施工检验，台车的各项性能指标均满足规范要求且有提高。

关键词：全圆；针梁；框架；模板；抗浮

1、概述

北京市南水北调配套工程南干渠工程浅埋暗挖段隧洞一衬衬砌完成后洞径4.1m，二衬衬砌厚度35cm，二衬衬砌完成后的洞径3.4m。与西四环暗涵工程比较，衬砌洞径变小，造成台车内空间狭小，加上框梁两侧丝杠和液压撑杆繁多，给施工造成诸多不便；另外台车上浮问题在以往工程没有得到很好解决；因此，在台车设计制作过程中，重点针对台车上浮控制、快速拆装和增大台车内操作空间的问题进行了研究，在设计和台车结构比选时，尽可能增加针梁模板的整体性能，增强模板刚度，减少附加支撑，以达到良好的使用效果。

2、台车总体构造简述

2.1台车总体构造

针梁钢模台车是一种全断面衬砌隧洞的模板，其突出特点是：全断面一次浇筑成型，支模、脱模速度快，可高效率进行直段隧洞施工。

南干渠工程第四标段6#竖井工区的针梁钢模台车由模板、针梁、框梁、抗浮体系、液压机械和卷扬机等主要部分组成。模板长10000mm（其中钢模板9900mm，柔性搭接模板200mm，与前一仓搭接100mm），框梁长11300mm，针梁长24500mm。台车以液压油缸支模、脱模，前后移动为电力驱动，钢丝绳牵引。

2.2台车基本工作原理

针梁钢模台车的基本工作原理是：底拱、边顶拱模板闭合承受混凝土压力，混凝土浮托力由模板传递到框梁抗浮支杆，从两端支撑在隧道顶拱。模板与针梁相对运动，完成移动任务：浇筑完成后不拆模，此时模板固定，收支撑靴移动针梁向前，针梁移动到位后，支好支撑靴，拆模后向前移动模板，完成下一组就位。如此拆装倒运模板，循序渐进施工。

2.3各部分具体构造

2.3.1针梁为桁架式结构，由6节桁架拼装而成，标准节长度为4375mm，端头节长度为3500mm。每节桁架中的直杆和斜杆均用两个槽钢焊接而成，上下弦杆采用H型钢，并在型钢腹板两侧焊接钢板做加强。每节针梁之间用8.8级高强螺栓连接。

2.3.2框梁为桁架式结构，由3节桁架拼装而成，中间节长度3500mm，两端节长度3900mm。结构形式与针梁相同，由上下弦杆、直杆、斜杆组成。每节框梁之间用8.8级高强螺栓连接。

2.3.3模板包括底拱模板、边顶拱模板和堵头模板。每节边顶拱模板由一片顶拱模板和两片边拱模板，用铰链连接而成。边顶拱模板和底拱模板通过卡板和螺栓连接。每套模板由3节模板加柔性搭接模板组成。每节模板长度分别为3200+3500+3200mm。为了使每仓混凝土的接缝处平滑、自然、避免产生错台和漏浆现象，台车增加了200mm的柔性搭接设计，可以高效、快速的解决砼接缝问题。

2.3.4抗浮体系主要是指框梁两端的支撑体系和模板中部两个抗浮撑杆。模板支撑就位后，框梁两端的抗浮支撑靴平稳牢固的支撑在一衬的顶部和底部，两侧抗倾覆丝杠与一衬侧壁紧密结合，模板顶部利用混凝土灌注口将2个抗浮撑杆支撑在一衬顶部，这样，在三种装置的共同作用下，台车框梁与模板稳固支撑在隧洞内，可以有效抵抗混凝土浇筑过程中产生的上浮力。

2.3.5液压系统是台车模板收、支时的动力来源。它由泵站、阀组、油管、油缸及附件组成。

2.3.6卷扬驱动系统是台车针梁与框梁相对运动的驱动系统。利用钢丝绳的牵引，将框梁与模板从一个仓牵引到下一个作业面。

2、台车结构改进分析

在设计和台车结构比选时，主要从两个方面进行了研究，一是如何加强模板自身整体性能，减少模板两侧附加支撑（即侧模丝杠和液压撑杆），节约有限空间，方便施工作业；一是如何加强抗浮体系，最大限度的控制台车上浮，以满足规范和设计要求，保证浇筑质量。

2.1台车整体结构受力改进

台车针梁及框梁结构采用桁架式，桁架式结构的特点是：各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。桁架梁和实腹梁相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥。它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。综上，针梁和框梁采用桁架式结构，同样的材料用量下，整体抗弯性能和抗剪性能提高，能很好的承受模板及混凝土所产生的压力、剪力和弯矩，提高整体受力性能。

另外，台车在设计上加强了模板结构的整体性能，模板内侧的横、纵向肋板支撑加密，加强了模板自身的刚度，模板之间通过高强螺栓和定位销连接定位，经过计算，模板结构满足受力要求，因此，取消了侧模与框梁之间的支撑丝杠，只在底模与框梁之间设置了竖向丝杠，保留液压杆件，这样，最大限度的节约了框梁两侧的空间，模板收支、混凝土浇筑时行走、操作方便，给现场施工带来了极大的便利。

2.2台车抗浮措施改进

在全断面台车浇筑过程中最大问题体现在台车整体上浮，结合以往施工经验及受力分析，利用顶部出灰孔及侧部观察窗伸出撑杆，撑杆内部固定在框架梁上，通过千斤顶或销轴变换长度，撑杆外侧端部设扩大面积圆盘支撑在一衬混凝土面上以固定台车在洞中位置，施工到相应洞口边缘前收回支顶装置。因台车上浮主要发生在混凝土腰线以下混凝土的浇筑过程中，因此，当混凝土浇筑到腰线以上时，可以将撑杆收回，将出灰孔和观察窗封闭。

改进台车的抗浮措施后，台车在浇筑过程中的上浮值明显减小，上浮值平均在5mm-8mm，最大值不超过1cm，符合设计及规范要求，避免了顶部混凝土保护层不够、漏筋等现象，效果显著。

2.3台车拆装及行走系统改进

台车行走主要靠针梁一侧的卷扬驱动系统，利用钢丝绳牵引，实现针梁与框梁（框梁和模板一体）的相对运动，模板从上一个仓位顺利进入施工仓位，台车完成行走的时间仅仅需要3-4min。模板的收缩、支撑及调整定位靠液压系统完成，从台车模板就位、定位（包括中线、高程）、螺栓连接到定位销安装等需要3-4h，堵头模板安装（包括止水带、泡沫板安装）、加固需要4h，总计共需要7-8h。比不配置液压系统的简易结构节约3-4h，减少了人员消耗，提高了施工效率。

综上，南干渠工程使用的台车系统从台车结构整体性能、抗浮措施、空间利用和行走拆装效率等方面均有了改进和提高，满足设计及规范要求，提高了施工效率和质量。