移动式钻灌平台车设计及在面板堆石坝趾板灌浆中的应用

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(中国水利水电第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程简介

1.1　工程概况

南湃(Nam Phay)水电站位于老挝万象省北部Phoun区，坝址位于南俄河(Nam Ngum)支流南湃河(Nam Phay)满铺恩村(B.Muangphoun)下游。电站坝址距老挝首都万象约249.5km，厂房距万象约193.5km。电站坝址附近最近城镇为万荣(Vang Vieng)，公路里程约93.5km，对外交通较为便利。本工程为长引水式电站，主要任务是发电。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、溢洪洞、引水隧洞、发电厂房和尾水系统等组成。

混凝土面板堆石坝坝顶高程1145m，建基面高程1048m，最大坝高97m，坝顶长度235m，坝顶宽度8m。坝顶上游设5m高的“L”形防浪墙，墙顶高程1146.20m；上游坝坡为1∶1.4，下游坝坡综合坡比为1∶1.5。

本工程基础处理主要为面板堆石坝趾板的固结灌浆、帷幕灌浆，大坝内的边坡预应力锚索。

1.2　施工现场简述

大坝的基础处理主要是在面板堆石坝的趾板上。左岸趾板分为2段，高程1048m～1089m为一段，高程1089m～1140m为一段。右岸趾板为1段，即高程1048m～1140m为一段。趾板坡度为30°左右，左岸趾板斜长64.9m+125.4m=190.3m，右岸趾板斜长143.0m，趾板宽度为4.0m。

针对这种施工环境，本工程选择制作平台式钻灌一体台车进行施工。

2　钻灌台车设计

2.1　台车结构形式

根据现场实际情况，本工程所使用的功能主要是满足趾板上固结、帷幕钻孔和灌浆施工且在趾板上能上下移动。台车分为两个部分，一是台车主体，二是台车运行的牵引系统。在左右岸各配置一套牵引系统，左岸配置2套台车主体，右岸配置1套台车主体，并制作1套备用，台车结构示意见图1，采用单筒卷扬机及钢绳组合体系作为牵引系统。

台车主体的规格设计为平台，尺寸为4m×4m的正方形，底部为贴合趾板坡面的三角形平行支架。此种设计是为了满足台车上地质钻机可移动的范围，以及起落钻时有足够的空间架立三脚架。同时在平台外设置一个施工工棚，供工人避雨及放置随身的施工工具等。

图1　台车结构示意

2.2　台车材料及成品设备选取

台车的主材选择为18#槽钢作为主材，附属部件采取φ40mm架管，连接方式采用乙炔气氧焊焊接，部分附属部件采取扣件连接(如防坠栏杆等)。牵引系统本工程选取的是10t单筒卷扬机，配以φ15.5mm钢丝绳。左右岸各配置一套牵引系统。

3　台车承载力计算

本工程计算台车主体承载力的方式首先是计算实际荷载，再进行主体台车承载力验算。

3.1　实际荷载计算

计算工程实际施工时主体台车的实际荷载。主要荷载包括以下几个方面：

(1)钻孔设备及配件：1500kg；

(2)施工人员：300kg：

(3)辅助荷载：计算取1232kg(其中木板：432kg，满载岩芯800kg)。

以上总荷载为3032kg，超额系数选择1.3，即实际荷载为3032×1.3=3941.6kg。

3.2　台车承载力验算

台车受力计算断面选取分别见图2、图3和图4。

图2　台车原型示意

图3　台车三跨四支座受力单元示意

图4　台车正面连接示意

设计台车为4个三跨四支座连续梁共同受力，由于荷载强度并不大，进行验算时先进行简化验算。

(1)此处先进行一跨两支座单根槽钢受力简单计算：

18#Q235普通槽钢g=23kg/m=0.23kg/cm，截面模量W=152cm3，普通Q235钢容许应力[b]=1400kg/cm。

计算最大弯矩：Mmax=1/8gl02+1/8ql02，此处设为均布荷载，则q值取负，l0为400cm。

有：M/W=b

则：W×b=M=1/8l02(g-q)

得：g-q=152×1400×8/4002=10.64

则：

g=10.64-0.23=10.41kg/cm=1041kg/m

故：l0=4m，N0=1041×4=4164kg。

即用槽钢搭设的长度为4.0m的单根单跨双支座均布荷载梁，最大承载力为4164kg。

本工程采取的是三跨四支座连续梁。查《承受均布荷载的等跨连续梁各截面最大及最小弯矩(弯矩包络图)的计算系数表》可查出弯矩分布系数。

计算单个三跨四支座，支座弯矩等效均布荷载PE：

等效均布荷载设为PE=N0=4164kg，可求得实际N。

有：PE=(8/3)×(N/l0)

即：4164=(8/3)×(N/4)

则：N=6246kg。

即在单个三跨四支座上最大承载力N=6246kg，远远大于实际荷载3941kg，是满足承载力要求的。

3.3　牵引系统受力计算

3.3.1质量计算

台车牵引系统示意如图5，计算台车总质量G=g1+g2，g1为台车主体质量，g2为荷载。

槽钢质量：67.7×23=1557.1kg，另算上附属搭设件(包括防护栏)后，台车主体质量g1约为2000kg。

荷载约为：g2=3941kg。

则台车总质量

G=g1+g2=2000+3941=5941kg。

3.3.2牵引力计算

简化台车为一个质点，计算滑动摩擦力。坡度为30°，摩擦系数取中值ν=0.6，所需摩擦力F=Ft+G×cos30°=(G/2)ν+G×cos30°。

则F=(5941/2)×0.6+5941×0.866=6927.3kg。

本工程选择的是10t单筒卷扬机作为牵引设备，牵引力远远大于6927.3kg，满足要求。

优化牵引力，本工程选择在台车上加设一个动滑轮组，即所需牵引力仅为：

F优=6927.3/2=3463.65kg。

图5　台车牵引系统示意

4　台车安装

4.1　台车主体结构安装

(1)台车主体制作

选择将台车梁、柱以略大于设计尺寸的规模先在营地进行切割分块，再运至施工现场进行连接组装，多余部分则可现场切除掉。

(2)现场制作台车

首先制作4个三跨梁单元，这样一是方便确定坡度能与趾板贴合，二是在台车的宽度上能有更多的调整空间。

制作完4个三跨梁单元后，在柱的部位采取横梁连接。不在台车顶部以横梁连接是为了方便在进行钻孔施工时，避免横梁部位正对趾板上的孔位。

完成台车整体组装后，铺设木板木方，最后再进行附属组件的搭设(如安全护栏，雨棚等)和设备吊装。

4.2　台车牵引系统的安装

牵引系统的卷扬机安装，首先应该是进行地基处理。在选定卷扬机安装场地后，基座以下地基进行开挖，深度约为0.5m，然后进行混凝土浇筑，等强后，进行锚杆施工。锚杆定位于卷扬机基座四角处及四边中点处，锚杆钻孔深度为1.3m，外露0.1m，锚杆为注浆锚杆。基座安装应与锚杆焊接牢固可靠。

钢绳的绞盘应该规整有序，在进行正式施工前，钢绳应进行正规的力学测试。

5　技术及经济分析

5.1　技术成果分析

本工程使用平台式钻灌台车，首先打破了以前常规的搭架作为施工平台的方案。使用平台式施工台车相对于搭设架管式施工平台具有一定优势，作为工程产品可以一次性制作，以后可多次施工使用；钻灌机械只需进行一次吊装，不用反复吊运；对于过于密集的搭架规格，施工台车对于钻孔孔位的精度有更高的控制性；平台式施工台车具有更高的实用性，在面板堆石坝施工后期还能用作其他施工方向。

5.2　经济效益分析

以本工程为例，若采用搭设架管式施工平台，累计需要搭设架管134.6t，累计产生费用约为37万元，仅搭设费用就达16万元。

采用平台式施工台车，卷扬机成品采购为3万/台，18#槽钢280m为6.44t，采购价约为2.5万元，其他间接费用约为3.5万元，总费用约为12万元。

节约成本费用约为25万元，同时节约施工工期，提高生产质量，产生直接经济效益约为320万元。

6　结语

本工程设计的移动式钻灌平台车具有结构简单、移动方便、运行安全可靠的优点，值得在类似工程中推广应用。但在运行中也发现一些问题，如计算钢和混凝土的动摩擦系数时取值为0.6，但实际施工过程中会更大，在台车下放时，有时不能靠自身重力下滑。在今后制作类似台车时应考虑这个问题，建议底部加设滚轮；还有就是台车的牵引系统控制是直接在卷扬机上操作，同步精确度还有待提高，建议改为更先进的机电一体化控制系统，使操作更简单，精确度更高，安全可靠性更好。