全断面针梁式液压衬砌台车在小洞径引水隧洞中的应用

施建军

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳 110003）

1 问题的提出

某引水隧洞位于本溪市桓仁县境内，引水隧洞全长4 395 m，水源进水口位于桓仁水库内，隧洞开挖断面为圆拱斜墙形，开挖尺寸为：2.39 m（底宽）×2.58 m（高），隧洞衬砌成型断面为圆形，全断面衬砌，成洞洞径D=2.0 m。工程隧洞施工作业面狭小，且主洞衬砌距离较长，主洞衬砌施工面临的主要难点有：

1）隧洞距离长，采用钢排架及组合钢模板法施工进度缓慢，且质量无法得到保证；同时由于成洞断面小，采用针梁式衬砌模板台车结构设计困难。

2）由于断面狭小，采用针梁式模板台车结构，混凝土入仓困难，并且入仓混凝土无法实现人工振捣，需要选择适宜的配合比。

3）由于断面小，无通用的混凝土运输设备，需要对设备进行专门设计。

4）隧洞混凝土衬砌腰线以下曲面混凝土气体在向上排出时，大部分不能沿模板有效排出，附着在模板上而造成大量的气泡，所以表面曲墙下部是气泡的重灾区，影响混凝土表面外观质量。

2 方案选择

1）衬砌台车采用全断面针梁式台车，衬砌台车长9.2 m，搭接长度为20 cm，衬砌长9.0 m。采用全断面针梁式衬砌台车一次性衬砌成型，可以保证混凝土外观质量，并解决钢排架及组合钢模板法施工进度缓慢问题。

2）为解决混凝土入仓难题，将原设计的C35 W12 F200（二级配）混凝土调整为同标号的一级配自密实混凝土，以增加混凝土的流动性，确保仓内混凝土填充密实，可以解决混凝土难以入仓及振捣难题。

3）受洞内空间限制，洞内混凝土运输采用特制的2 m3混凝土罐车运输，确保混凝土运输，并降低了采用有轨运输成本增加的问题。

4）采用长效脱模剂替代传统脱模剂，解决隧洞腰线以下气泡集中问题。

3 全断面针梁式台车设计

全断面针梁式液压钢模台车主要由模板总成、针梁总成、模垂直对中调整机构、卷扬牵引机构、抗浮装置等组成。台车结构如图1所示。

1）模板总成。模板间用螺栓联接，每组模板由顶模、左边模、右边模、底模4块组成。各模块与圆心的夹角分别为：顶模90°，左边模95°，右边模105°，底模70°。每组模板宽1.5 m、厚1 cm，纵向用螺栓和销轴联接。

2）针梁总成。是钢模的受力支撑平台和台车行走的轨道。中心宽400 mm，高550 mm，由4组组成，为装配式桁架组合结构。针梁主要由钢板焊接构成，其长度为21.4 m；针梁上、下焊接有4条40 mm×40 mm的方钢轨道；为了运输和安装方便，针梁分为4节，节与节之间用20颗高强度螺栓连接。

图1 全断面针梁式钢模台车横剖面图

3）梁框总成。它的上部与顶模用螺栓联接，构成一个门框式构架，在框架上、下部安装有行走轮机构，针梁从门框内穿过，框架上都是安装边模、底模伸缩油缸的支承面。梁框门架是通过各支承千斤和油缸与模板连接，它要承受衬砌层的压力，门架与顶模上的横梁构成框架结构，立柱的间距为1.5 m。

4）水平和垂直对中调整机构。平移机构安装在针梁下边的前、后底座上，前、后底座上各安装有2个竖向油缸与针梁连接，竖向油缸的伸缩可使针梁上升和下降，以便模板垂直方向的对中调整，从而完成底模的脱模和立模，最大脱模行程为200 mm；前、后底座上各安装有1个水平油缸，利用其左、右移动来调整模板中心线与隧洞中心线相吻合，左右移动行程为100 mm。

5）行走机构。由支座和多个滚轮等零件组成，共有4套行走架安装在门架内针梁的上下方，因此针梁可在行走架的滚轮上移动。支座由槽钢构成，滚轮是铸钢件，滚轮设计成带轮边的结构，使针梁或模板移动时不会左右摆动。

6）抗浮装置。钢模前端安装了2个抗浮千斤顶，制约上浮力的作用，在前后梁框上安装4个侧向千斤顶，使针梁和钢模不产生侧向位移。

4 自密实混凝土配合比设计

由于洞内空间狭小，混凝土衬砌厚度薄（25 cm），混凝土入仓及振捣困难，采用一般混凝土很难保证仓内混凝土密实。而自密实混凝土具有高流动度、不离析、均匀性和稳定性，浇筑时依靠自重流动，无需振捣而能达到密实。因此，在选择配合比时，选用自密实混凝土。混凝土配合比技术要求见表1。

表1 自密实混凝土配合比技术要求

混凝土配制强度的计算依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》要求进行计算。混凝土配置强度：混凝土标号C35，强度保证率95%，标准差5.0 MPa，保证率系数1.645，配置强度43.2 MPa。

配合比分别试拌0.39，0.36，0.33等3个水胶比，用水量选用160 kg/m3，粉煤灰掺量为25%，抗裂防水剂掺量为6%，砂率为46%，减水剂掺量为1%，引气剂掺量为1/10 000。通过检测拌和物性能得出：扩散度为650～670 mm，T500达到2～3 s，含气量为4.7%～5.2%。通过对拌和物抗压、抗渗、抗冻结果检测，确定了最终的配合比：水胶比0.36，水泥306 kg，粉煤灰111 kg，抗裂防水剂27 kg，用水量160 kg，砂子803 kg，小石943 kg，减水剂4.44 kg，引气剂0.044 4 kg。

5 施工工艺

5.1 混凝土浇筑工艺

模板采用定制的9.2 m针梁式钢模台车，通过调整液压元件，使模板正确对位。混凝土由洞外拌和站供应，采用无轨运输，4台定制的2 m3混凝土罐车，水平运输至洞内工作面，采取HBT30型混凝土泵泵送入仓。

因台车内空间狭小，不利于频繁更换混凝土灌注口，采用顶部2个专用混凝土灌注口向仓内灌注混凝土。从已灌段接头处向未灌方向，水平分层对称浇灌，层厚不超过40 cm，相邻两层浇筑时间不超过1.5 h，确保上下层混凝土在初凝前结合好，不形成施工冷缝，垂直自由下落高度控制不超过2 m，捣固采用附着式振捣器，安排专人负责，保证混凝土衬砌内实外光。

5.2 台车试验循环作业时间统计

通过全断面针梁式模板台车作业阶段各工序占用时间统计,混凝土衬砌浇筑循环时间为每仓46 h：钢筋制安6 h（超前进行），仓面清理、清洗3 h，混凝土浇筑12 h，混凝土等强24 h，台车移动、就位、找正4 h，堵头模板安装3 h。月有效施工天数25 d，月浇筑强度117 m/月（13仓）。

5.3 混凝土长效脱模剂使用

为了减少隧洞混凝土表面气泡、麻面等质量通病及便于脱模，提高混凝土外观质量，使用长效脱模剂替代传统的机油、柴油的混合物等脱模剂，以改善混凝土外观质量。根据现场实际使用、改进，长效脱模剂涂刷工艺总结如下：

1）使用前将台车钢模板，采用角磨打磨并清洗干净，模板表面不能有混凝土垢、油脂、锈、尘土污垢等。如使用过脱漆剂的模板，一定要将模板上残留的脱漆剂彻底清除干净，以免影响涂刷效果。

2）模板清理完成后，模板晾干，表面不能有水渍。

3）涂刷脱模剂。选择毛刷顺着一个方向均匀涂刷，不能有漏刷。涂刷2道脱模剂，第一道脱模剂涂刷完，晾干后再涂刷第二道，由于洞内湿度较大，一般涂刷10～12 h，达到实干方可浇筑混凝土。

4）长效脱模剂涂刷一次可重复脱模4～6次。浇筑混凝土脱模后，如涂层有局部破损，需要将破损部位做简单清理后，重新刷上一道即可。

5）在台车注浆口位置范围2 m内着重喷涂，以防止此处混凝土与模板表面因剧烈摩擦而导致的粘模现象。

6 结语

1）混凝土成洞断面经测量检查，结构物边线与设计边线尺寸偏差在1 cm范围内，混凝土内轮廓、中线满足设计要求。

2）由于底模、小侧模之间连接的结构原因，在浇筑过程中，混凝土侧压力过大，油缸易出现泄压导致底模向内收缩抬起，产生错台。通过对台车进行改造，在该部位增加丝杠（每2 m距离），解决了油缸泄压底模错台的问题。

3）采用全断面针梁式模板台车衬砌混凝土一次成型，混凝土面浇筑光滑平整，解决了隧洞仰拱、边顶拱分期浇筑，引水隧洞表面过水糙率大的问题。

4）采用全断面针梁钢模台车，隧洞一次性衬砌成型，月浇筑强度平均为13仓，满足工期要求，解决了钢排架及组合钢模板法施工进度缓慢问题。

5）采用一级配自密实混凝土，对比普通混凝土具有高流动度、不离析、均匀性和稳定性，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实。解决了针梁式钢模台车在小洞径隧洞内无操作空间，混凝土无法人工振捣难题。同时工程自密实混凝土配比中选用高保坍高性能减水剂，降低用水量，增加和易性的同时有效降低新拌混凝土的工作性能损失速度，解决了长距离运输混凝土塌落度损失大的难题。

6）自行研制的专用于小直径隧洞的无轨混凝土运输罐车，解决了受洞内空间限制混凝土运输难题，小直径洞室有轨改无轨运输，降低了运输成本。

7）衬砌台车外模涂刷长效脱模剂，脱模后混凝土表面光滑明亮，颜色均匀，气泡及麻面明显减少，提高了混凝土外观质量；同时衬砌自身保水性增强，有利于衬砌自身养护；涂刷一次可多次使用，提高了生产效率，降低了成本。