改进全圆针梁台车在前坪水库衬砌工程的应用

罗福生 郝二峰 皇甫泽华 王磊 胡玲玲

摘 要：基于前坪水库输水洞洞身混凝土衬砌工程，分析全圆针梁台车的组成、受力、台车组装、运行，对其进行改进后应用于前坪水库输水洞洞身衬砌工程中。通过对全圆针梁台车进行技术改进，增加全圆针梁台车辅助振捣孔，施工人员在台车内采用插入式振捣器进行辅助振捣，解决了小断面洞型衬砌施工时人员无法进入仓内进行混凝土振捣的问题，为小断面洞型混凝土衬砌施工质量提供有力保障，同时为提高小断面洞型衬砌的混凝土质量积累了施工经验。

关键词：输水洞;混凝土衬砌;混凝土振捣;针梁台车;改进与应用

中图分类号：TV672+.1文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.031

Application of Improved Full Circle Needle Beam Trolley in Small Section Tunnel Lining of Qianping Reservoir

LUO Fusheng1， HAO Erfeng1， HUANGFU Zehua2， WANG Lei1， HU Lingling1

（1.Second Engineering Bureau of Henan Water Conservancy， Zhengzhou 450016， China;

2.Construction and Management Bureau of Henan Qianping Reservoir， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： Based on the concrete lining project of the tunnel body of Qianping Reservoir， this paper introduced in detail the composition， stress analysis， trolley assembly， operation and improvement and application of the trolley with full-circle needle beam in the lining of the tunnel body of Qianping Reservoir. Through technical improvement of the trolley with full-circle needle beam， the auxiliary trolley with full-circle needle beam was added. The construction workers used plug-in vibrator as auxiliary vibration to solve the issue of difficult concrete vibration in a small area of small section tunnel lining construction， providing strong support for the quality of small section tunnel lining construction and accumulating construction experience for increasing the concrete quality of small section tunnel lining of similar projects.

Key words： delivery tunnel; concrete lining; concrete vibration; needle beam platform car; application

混凝土振搗是影响混凝土浇筑质量的重要工序，振捣方式直接影响混凝土的密实度、实体质量与外观质量。小断面洞型衬砌施工中混凝土振捣是难点，在类似工程施工中[1-3]混凝土的振捣通过悬挂在模板外壁上的附着式振捣器进行，如振捣器振捣时间过长，则会增大台车位移的风险，如振捣器振捣时间过短，则会增大混凝土振捣不密实的风险，混凝土的实体质量与外观质量难以保证。全圆针梁台车在隧洞衬砌工程中应用广泛[4-6]。笔者基于对全圆针梁台车的构成、行走系统、工作原理以及混凝土浇筑顺序等的分析，对台车进行改造，增加混凝土振捣孔及观察孔，在混凝土浇筑时，通过增加的振捣孔采用插入式振捣器进行辅助振捣，确保混凝土振捣密实，同时减少附着式振捣器的振捣时间，从而降低模板台车位移的风险，确保混凝土浇筑的实体质量与外观质量。

1 工程概况

前坪水库位于沙颍河支流北汝河上游、河南省洛阳市汝阳县县城以西9 km的前坪村，属于大（2）型水库，开发任务以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电。水库总库容5.84亿m3，控制流域面积1 325 km2。

输水洞洞身为圆形有压隧洞，进出口坡降为5.31%，相应进口海拔高度361.00 m，出口海拔高度348.58 m。进口为方变圆渐变段，长12 m;出口为压力钢管段，长10 m;其余输水隧洞洞身分为Ⅰ型和Ⅱ型两部分，共234 m。Ⅰ型洞身衬砌混凝土厚度为0.5 m，长110 m;Ⅱ型洞身衬砌混凝土厚度为0.8 m，长124 m。洞身混凝土浇筑完成后断面直径为4.0 m，设计流量29.8 m3/s，校核流量34.5 m3/s。

2 小断面洞型衬砌施工难点与措施

前坪水库输水洞为有压圆形隧洞，对混凝土结构的抗渗、抗磨及耐久性要求高，铜片止水必须采用双面焊接。洞内空间有限，圆弧钢筋拼装困难，且钢筋无法使用机械倒运。钢筋施工与混凝土衬砌施工会产生交叉影响。洞内衬砌仓内空间狭小，双层钢筋密集，衬砌厚度0.8 m的仓位施工人员可勉强进入仓内振捣，衬砌厚度0.5 m的仓位施工人员无法进入仓内振捣。

为解决上述施工难点，经分析采用全圆针梁台车施工，并对其进行技术改造。①制作移动式钢筋台车，按顶拱钢筋布置在台车上焊接样架，预先在洞外将顶拱钢筋绑扎完毕，再用移动式钢筋台车将钢筋运至洞身段。②因台车内空间有限，安拆泵管异常困难，故提前在每个仓门孔安装串桶，以减少泵管安装工作。③因衬砌厚度0.5 m的仓位仓内空间太窄，施工人员无法进入仓内振捣，故浇筑至厚度为0.5 m洞身段时，对针梁台车进行改造，在原针梁台车的基础上，增加预留孔和观察孔数量，施工人员通过预留孔从仓外进行振捣，同时采用附着式振捣器辅助振捣，以确保混凝土浇筑的质量。④铜片止水焊接施工时间因施工空间有限而无法缩短，是影响衬砌施工质量和工程进度的关键，通过合理安排施工顺序、减少交叉施工对铜止水焊接的影响。⑤组织技术娴熟的专业人员进行铜止水焊接，以提高铜止水焊接施工质量和进度。

3 针梁台车构造及受力分析

输水洞全断面采用一次性浇筑成型，因此采用全液压式全圆针梁钢模台车进行混凝土浇筑，模板台车直径4 040 mm，比原隧洞直径大40 mm，台车由模板总成、门架总成、针梁总成、定位支撑系统、抗浮系统、电动行走系统等组成[7-9]。台车长度为10 300 mm，钢模板面板厚度为10 mm，台车总质量为98.5 t。

模板组件由顶模、侧模、底模、挡头模和窗、外支撑、千斤顶等组成。针梁组件由立柱、上下纵梁，斜拉筋、上横梁和下横梁等组成。门架是针梁与外形模板连接的构件，由立柱、横梁、行走导轮及框架等组成[10-12]。定位支撑系统用于台车定位，安装、拆卸时承担台车的重力，采用油缸支撑，便于安、拆和调节。在模板两端安装抗浮千斤顶达到抗浮目的[13-15]，从而形成抗浮装置，抵抗针梁和模板在新浇混凝土时产生的浮托力，使其不发生位移。电动行走系统：安装在针梁的卷扬机用两根钢丝绳分别绕过针梁端部和梁框上的滑轮固定在针梁两端，针梁和钢模彼此互为支点，以此推动台车前进[16-19]。針梁台车横断面见图1，纵断面见图2。

全圆台车的主体支架是针梁。模板的移动依靠轮系和针梁的相对运动来完成;在衬砌过程中，浇筑混凝土对台车的作用力也是通过针梁传递到地面的，故全圆台车的受力分析主要是对针梁的分析。针梁的受力是模板通过轮子传递过来的，针梁的受力示意见图3。图中：F1～F11为轮系与升降油缸1距离为L1～L11时对针梁的反作用力;P1、P2为针梁支撑结构的反作用力;L为两个升降油缸之间的距离。图3 针梁受力示意

（1）轮系对针梁的反作用力为台车除针梁以外的所有重力之和，因模板均匀分布，故F=F1+F2+…+F11=（台车重力-针梁重力）/11=66.4 kN，通过列弯矩方程，分析计算得F1=F=66.4 kN，P1=757.4 kN，P2=227.6 kN。

（2）确定针梁的横截面积剪力Q与弯矩M。分析针梁横截面剪力与弯矩可知，针梁正中位置弯矩最大，只要该断面满足要求即可，计算得Q=161.2 kN、Mmax=1 510 kN·m。

（3）进行结合面处弯曲应力及剪应力校核。针梁连接夹板结构截面尺寸见图4，材料为A3钢，其中1～5号为5个断面编号。1～5号断面对中心轴的形心坐标分别为（510，0）、（0，0）、（0，10）、（0，-10）、（-510，0），计算得到1～5号断面的惯性矩分别为1.3×10-3、0.833×10-3、0.715×10-3、0.715×10-3、1.3×10-3 m4，总惯性矩为4.863×10-3 m4，从而得到截面的正应力σ1=158.359 MPa。对于A3钢，取安全系数为1.25，则许用弯曲应力[σ]=176 MPa>σ1，因此针梁截面弯曲应力合格。由于截面上剪力大部分由腹板承担，因此可以近似得出腹板的剪应力τmax=3.5 MPa。取许用剪应力[τ]=0.7[σ]=123.2 MPa>τmax，因此针梁截面剪应力合格。

4 针梁台车技术改造

在台车腰线以下左右侧各增加3排辅助振捣孔，最底层增加4个辅助振捣孔，中间层增加7个辅助振捣孔，最上层增加3个辅助振捣孔，增加的辅助振捣孔尺寸为15 cm×15 cm。浇筑混凝土时人员进入台车内，通过增加的辅助振捣孔用插入式振捣器进行振捣，同时采用附着式振捣器进行振捣，确保混凝土振捣密实，从而达到解决振捣困难的目的。针梁台车改造展开图见图5。

5 衬砌施工工艺

输水洞洞身衬砌施工期内，进口段、进水塔同时施工，洞身衬砌只能由上游向下游进行。应用全圆针梁台车进行衬砌施工的工艺流程见图6。

5.1 钢筋制安

输水洞Ⅰ型洞身主筋为C22，Ⅱ型洞身主筋为C25，间距均为15 cm，分布筋均为C16，间距均为20 cm，双层钢筋网。因洞身施工空间有限，为确保钢筋安装顺利，故主筋由长短两根钢筋组成，通过套筒机械连接和单面搭接焊接相互配合施工[17]。钢筋丝头在钢筋加工厂加工完成后，运送至施工现场进行连接。

钢筋安装顺序为：安装钢筋样架→外圈侧顶部主筋→外圈侧顶部分布筋→内圈侧顶部主筋→内圈侧顶部分布筋→侧顶部架立筋→外圈侧底部主筋→外圈侧底部分布筋→内圈侧底部主筋→内圈侧底部分布筋→侧底部架立筋。

5.2 灌浆管安装

为便于后期灌浆施工，混凝土浇筑前在设计位置预埋Φ50薄壁钢管，长度略长于两层钢筋间距。两端管口用泡沫胶堵塞，一端紧贴钢模台车模板壁，另一端穿过洞衬外层钢筋，管身焊接在洞衬钢筋上。混凝土施工过程中可能会有少量混凝土浆液通过灌浆管与模板之间缝隙流入灌浆管口，拆模后浆液硬化导致灌浆孔不能完全露出，为以后灌浆施工方便，应在拆模后对管口进行及时处理，露出灌浆孔。

5.3 铜止水焊接

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【责任编辑 张华岩】