針梁式全圓模板臺車在海底引水隧洞工程襯砌施工中的創(chuàng)新應(yīng)用

陳啟偉，王亞利，張 建

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南鄭州 450001;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009;3.濟源市華泰測繪有限公司，河南濟源 459000;4.中鐵隧道股份有限公司臺山核電站取水隧洞項目部，廣東臺山 529200)

0 引言

隨著國家水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷增大和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，取水隧洞工程的建設(shè)取得了長足的進步［1－2］，二次襯砌作為取水隧洞盾構(gòu)工程普遍采用的方法，是用混凝土現(xiàn)場澆筑而成的，作為初次襯砌的補強、防腐、防滲、減糙、修正和校正中心線偏離等所采取的工程措施［3－4］。取水隧洞工程普遍采用的全圓二次襯砌臺車有針梁式和穿行式2種，目前國內(nèi)針梁式全圓模板臺車工程施工應(yīng)用案例也不少。陳廷康［5］和林鵬遠(yuǎn)［6］介紹了全圓針梁式模板臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計和單臺臺車的施工工藝;丁善鋒等［7］總結(jié)了臺車在引水隧洞轉(zhuǎn)彎段的襯砌應(yīng)用;袁平順［8］介紹了大壩樞紐工程"V"形峽谷巖體卸荷下導(dǎo)流洞針梁式全圓混凝土襯砌施工控制的應(yīng)用;張俊英［9］總結(jié)了襯砌臺車抗浮結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法;結(jié)合新疆波波娜水電站工程，宋金波［10］介紹了用于該工程臺車的構(gòu)造、安裝、操作流程及應(yīng)用效果;熊亮等［11］針對波波娜水電站工程采用2套臺車單向長距離同步襯砌，總結(jié)了“一跳兩夾”襯砌澆筑方法。截至目前，還沒有針對3臺臺車單向同步襯砌的研究及施工應(yīng)用。因此，本文重點針對海底取水隧洞襯砌施工對針梁式全圓模板臺車結(jié)構(gòu)構(gòu)造、安全快速及3臺連續(xù)跳板的先進施工工藝方法進行探討。

1 工程概況

臺山核電站位于廣東省臺山市赤溪鎮(zhèn)腰古村的腰古咀，距臺山市44.5 km，東面為黃茅海，其余3面環(huán)山，東南約5 km處為大襟島。隧洞主要位于海域，近岸處多為基巖出露(大襟島)及人工堆積塊石(陸地側(cè))。離岸較遠(yuǎn)部位，屬于濱海地貌，地形高程一般為－2.0 m～－4.5 m，水深為0.8 m～4.8 m，由西北向東南逐漸變深，在東南靠近大襟島近岸變淺［12］。工程鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 臺山核電站取水隧洞工程鳥瞰圖Fig.1 An aerial view of intake tunnel of Taishan Nuclear Power Plant

核電站1#和2#機組取水隧洞穿越大襟島與廠區(qū)明渠之間海域，為2條平行的輸水隧洞，隧洞中心間距29.2 m，盾構(gòu)區(qū)間隧洞單線總長8 119 m。其中:1#隧洞4 061 m，2#隧洞4 058 m。隧洞兩側(cè)部分巖石段采用鉆爆法施工，其余段落采用盾構(gòu)法。隧洞內(nèi)徑7.3 m，外徑8.7 m，最大埋深55.75 m，采用盾構(gòu)管片初次襯砌和鋼筋混凝土二次襯砌復(fù)合支護結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)掘進過程中進行初次襯砌，管片外徑8.7 m，內(nèi)徑7.9 m，厚0.4 m;盾構(gòu)掘進貫通后再進行二次襯砌，襯砌外徑7.9 m，內(nèi)徑7.3 m，厚0.3 m，混凝土等級C40，鋼筋采用φ16@200雙層布置，二次襯砌斷面布置如圖2所示。

圖2 二次襯砌斷面及鋼筋布置圖Fig.2 Layout of steel bars and cross-section of secondary lining

2 二次襯砌總體施工方法及流程

二次襯砌施工在隧洞初次襯砌完成后開始進行，施工方向從大襟島側(cè)按照倒退法施工步驟向陸域側(cè)(臺山核電站)進行，施工材料供應(yīng)從陸域側(cè)向大襟島側(cè)進行運輸，單線隧洞二次襯砌施工長度為4 330.6 m(含鉆爆法施工段)，采用3臺12 m長針梁式全圓模板臺車襯砌施工。二次襯砌隧洞內(nèi)施工平面布局示意圖如圖3所示。圖3中臺車每循環(huán)澆筑約12 m，鋼筋綁扎臺車2臺之間相隔一板(12 m)，鋼筋綁扎臺車與襯砌臺車之間相隔3板(36 m)，襯砌臺車2臺之間相隔3板(36 m)，即輸送泵與最遠(yuǎn)的襯砌臺車距離在210 m左右。二次襯砌每個循環(huán)的總施工流程如圖4所示。

3 針梁式全圓模板臺車

針梁式全圓模板臺車是以電力驅(qū)動、鋼繩牽引方式帶動臺車行走，利用液壓千斤頂和螺旋千斤頂調(diào)整模板到位及卸落模的隧道全圓一次成型混凝土施工設(shè)備。臺車模架立模動力:液壓驅(qū)動、操作與控制、電動液壓、模板上帶有附著式振搗器。兩側(cè)模板設(shè)置灌注口，臺車拱頂設(shè)置3個灌注口。具有制造成本低、結(jié)構(gòu)可靠、操作方便、襯砌速度快、線條平順、光潔度好等優(yōu)點。

3.1 臺車構(gòu)造

臺車由針梁、模板、框梁、支撐懸掛、行走裝置、抗浮裝置、電器液壓系統(tǒng)以及混凝土振動系統(tǒng)等部分組成。臺車構(gòu)造如圖5和圖6所示。

3.1.1 針梁

針梁全長27 882 mm，寬2 500 mm，高2 600 mm。為了運輸和洞內(nèi)安裝的需要，把針梁分成6段(其中2塊梁身中段最大外形尺寸13 200 mm×2 600 mm×284 mm，4塊梁身前/后段最大外形尺寸7 191 mm×2 600 mm×284 mm)，各小段之間采用φ80 mm柱銷連成整體。經(jīng)過檢算，針梁承重后最大撓度小于50 mm(f＜1/540)，滿足使用要求。

圖3 隧洞內(nèi)二次襯砌施工平面示意圖Fig.3 Plan of construction of secondary lining inside the tunnel

3.1.2 模板

模板全長11 940 mm，共分為6環(huán)，每環(huán)1 990 mm。模板從斷面上看共分5塊，其中底模2塊，邊模2塊，頂模1塊。底模固定于框梁下部，左右邊模采用軸銷連接在底模上緣。頂模一側(cè)鉸接于邊模上緣，而另一側(cè)栓接于另一邊模上緣，5塊模板組成整圓并形成一個整體。模板面板采用10 mm鋼板，拱板采用12 mm鋼板，模板環(huán)與環(huán)之間采用φ23 mm定位銷以及M16×50螺栓緊固，頂模與邊模連接板采用φ30 mm定位銷與M22×60螺栓固定。為使模板整體性強，在模板內(nèi)側(cè)設(shè)有模板通梁。

3.1.3 框梁

框梁內(nèi)有針梁，外有懸掛裝置，用于支撐模板。由卷揚機拖動框梁帶動模板完成移模任務(wù)?？蛄翰捎貌垆摻M焊與螺栓連接成整體?？蛄簝?nèi)側(cè)上下設(shè)有48個雙輪緣輪組，用于減輕移模阻力，便于移動。

3.1.4 支撐懸掛裝置

臺車的支撐分為2部分和2種形式。2部分為模板支撐和針梁支撐，2種形式是液壓支撐和絲桿支撐。模板支撐采用液壓油缸支撐就位和拆模，絲杠支撐作為模板固定和受力支撐，故在支模就位完畢，所有支撐絲杠必須扭緊到位。針梁支撐采用強大的液壓油缸來完成，為了保證其標(biāo)高的準(zhǔn)確性，在主油缸上裝有液壓鎖。針梁前后設(shè)有支撐靴與巖層相接觸，并設(shè)有抗傾斜裝置，使其穩(wěn)定的支撐著模板臺車。為了方便對中就位，在前后支撐油缸之間設(shè)有平移油缸，對臺車左右對中起微調(diào)作用。

3.1.5 臺車行走裝置

臺車行走裝置是靠針梁中的一臺電動卷揚機的滾筒上循環(huán)鋼絲繩來實現(xiàn)。卷揚機固定于針梁上，滾筒鋼絲繩兩端固定在框梁兩側(cè)。電動卷揚機旋轉(zhuǎn)時使得針梁和模板框梁產(chǎn)生相對運動而完成行走任務(wù)。

3.1.6 抗浮裝置

臺車在灌注混凝土?xí)r，產(chǎn)生的浮力不能忽視。故在模板兩端設(shè)有可前后移動的抗浮梁，并在模板中部適當(dāng)位置設(shè)有4個抗浮支撐。為了防止下沉，在針梁底部靠近模板適當(dāng)位置設(shè)有強大支撐，增加針梁的支點，減小跨度及針梁變形。為了使臺車能夠穩(wěn)定在隧洞中央，模板通梁兩端還設(shè)有絲杠支撐與巖層相抵。

3.2 臺車主要技術(shù)參數(shù)

模板臺車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 模板臺車主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of formwork jumbo

4 模板臺車關(guān)鍵施工工藝和技術(shù)

4.1 鋼筋綁扎臺車及定位

鋼筋綁扎、定位采用3臺長12 m簡易鋼筋綁扎臺車(如圖7所示)進行施工作業(yè)，臺車行走軌道設(shè)在橫立的工字鋼上，行走采用人工推動臺車，臺車采用型鋼加工，作業(yè)平臺上鋪設(shè)2 m長人行踏板。鋼筋綁扎、定位工序分為:植筋施工、外層鋼筋安裝、內(nèi)層鋼筋安裝，每臺臺車完成一個安裝工序，3個工序之間采用超前施工作業(yè)，按照每板12 m施工，各工序之間至少超前1板以上，這樣既能填補各個工序之間的時間差，也確保了流水線作業(yè)，達到縮短總工期的目標(biāo)。

圖7 鋼筋綁扎臺車Fig.7 Steel bar binding trolley

4.2 模板臺車抗浮及定位

臺車抗浮機構(gòu)，前抗浮支撐在管片上，后抗浮只能支撐在上一環(huán)襯砌好的混凝土上。因此，需要等上一環(huán)混凝土達到一定強度才能進行下一個襯砌循環(huán)。

臺車定位由專業(yè)測量人員確定臺車中心線與設(shè)計隧洞中線是否吻合，高程是否符合設(shè)計要求。定位順序是:先定高程、后定中線。臺車定位前先對臺車模板表面涂刷脫模劑(涂模板漆)，以利于混凝土脫模。

臺車定位主要由各伸縮油缸動作完成對接、中線、水平定位。模板主要由連接銷、鎖定螺栓(桿)完成鎖定。臺車走行軌道要適應(yīng)臺車定位要求，軌道偏差范圍若超限，就必須對軌道進行調(diào)整，定位時要求該兩項指標(biāo)控制在±5 mm之間。

臺車定位完成并達到精度要求后對模板進行緊固鎖定，鎖緊上部與下部所有抗浮絲桿以及頂部的抗浮液壓千斤頂，以確保灌注混凝土?xí)r模板不移動。

4.3 模板臺車施工工藝及注意事項

根據(jù)核電業(yè)主的要求和施工組織設(shè)計1#隧洞二次襯砌，二次襯砌施工工期緊(工期179 d)，指標(biāo)高。根據(jù)施工需要使用3臺模板臺車一次性灌注整體模板進行連續(xù)跳打襯砌，采用跳板施工，模板臺車施工工藝流程圖和跳板施工示意圖分別如圖8和圖9所示。連續(xù)跳打二次襯砌施工是流水線作業(yè)，任何臺車出現(xiàn)故障或任何材料供應(yīng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)滯后等問題均能影響施工計劃，因此施工需注意如下事項。

1)加強臺車及其施工輔助設(shè)備和易損部件配備配件的日常保養(yǎng)。

2)混凝土攪拌系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)超前考慮，攪拌能力及運輸能力要做好計劃，確保連續(xù)作業(yè)。

3)考慮到鋼筋超前施工，混凝土泵送車又須在鋼筋前面，故泵車的泵送能力要達到水平距離150～210 m，同時做好泵送管路的日常清理及疏通。

4.4 堵頭封堵

堵頭板采用5 cm厚木板，按臺車弧度加工，每塊長1 m，寬為20～30 cm不等，堵頭板必須安裝直順，加固牢固，確保不跑模、不爆模，堵頭板按臺車弧度扇形布置，為方便鋼模臺車堵頭處的安裝、拆模，在每段襯砌的端頭預(yù)留2排內(nèi)層主筋不綁扎，等上一組脫模之后再進行綁扎焊接。

4.5 混凝土澆筑及振搗

1)混凝土采用80型電動式混凝土輸送泵進行輸送，長距離泵送對各工序要求嚴(yán)格，故混凝土須按施工配合比進行生產(chǎn)，并及時運送到施工作業(yè)面。

2)混凝土灌注前檢查臺車的定位、鎖定、脫模劑、堵頭固定、密封情況，確認(rèn)無誤后方可進行灌注作業(yè)。

3)混凝土灌注順序:底拱—邊墻—拱頂。澆筑時須按臺車預(yù)留窗口分層灌注，應(yīng)對稱、分層、連續(xù)施工，每層厚度控制在30 cm以下，邊灌注邊振搗密實，確?；炷羶?nèi)實外美。

4)混凝土灌注后采用振搗器輔以人工攤鋪，灌注過程中應(yīng)加強振搗工作，附著式振搗器和插入式振搗器并用，以確?；炷敛宦v，避免出現(xiàn)蜂窩、麻面等混凝土表面質(zhì)量問題。灌注過程中如遇到堵管現(xiàn)象應(yīng)立即采取措施疏通管路，以求盡快恢復(fù)泵送。當(dāng)因故間歇時，宜每隔10 min轉(zhuǎn)動混凝土輸送泵料斗中的混凝土。常溫下混凝土間斷時間不宜大于2 h，若超過即進行徹底清洗管路。

5)混凝土澆筑完成后，滿足設(shè)計要求脫模強度和時間后進行脫模。

5 臺車施工中存在的問題及解決措施

5.1 模板變形及應(yīng)對措施

臺車在襯砌施工過程中，模板會發(fā)生不同程度變形。3臺臺車頂模第1和第6塊都發(fā)生過變形，分析變形是為了防止臺車上浮，臺車定位好后在臺車兩端的頂模與管片之間支撐了一個槽鋼，臺車的浮力造成了頂模的變形。一臺臺車頂模第4塊變形嚴(yán)重，原因是灌注時由于堵管，疏通管道時間過長，導(dǎo)致再繼續(xù)泵送混凝土?xí)r，灌注口處混凝土初凝，再次灌注的混凝土無法向四周擴散，結(jié)果造成頂模被打塌下來。另一臺臺車底模變形，分析原因有2點:一是模板兩端搭接在已襯砌的混凝土上，定位時脫模油缸(定位油缸)過頂;二是混凝土灌注好后整個底模緊貼在混凝土上，脫模時脫模油缸向上拉扯所致。針對上述模板變形問題，制定了模板的維修保養(yǎng)措施，確定了維修流程:清渣除銹—板面維修—模板尺寸校核—板肋維修—驗收噴漆—堆碼。按照流程對每一塊變形的模板的每一道工藝進行詳細(xì)的維修和質(zhì)量驗收，合格的模板再次應(yīng)用。

5.2 針梁軌道變形及應(yīng)對措施

臺車在定位的時候，主要是靠針梁向上起升帶動行走輪、框梁及模板整體起升定位，當(dāng)頂模部分緊貼混凝土面時，繼續(xù)向上起升就造成了軌道梁的變形。為解決軌道變形制定了維修流程:割除軌道梁上平面(分段割除)—焊接T型梁—T型梁與軌道梁對接—焊接軌道。具體維修過程及應(yīng)對措施如圖10所示。

圖10 模板臺車針梁軌道變形及解決措施圖Fig.10 Deformation of needle beams of formwork jumbos and its countermeasures

6 海底隧洞臺車襯砌施工與常規(guī)襯砌的不同點及應(yīng)用效果評述

臺山核電站海底引水隧洞工程與常規(guī)隧道工程襯砌施工的不同之處主要體現(xiàn)在以下4個方面:

1)施工材料運輸只能單向運送。因隧洞進水口大襟島側(cè)無淡水、無供電、無碼頭，不滿足建筑物資供應(yīng)的諸多條件，所有施工材料只能從陸域側(cè)經(jīng)隧洞有軌運輸至施工位置。

2)隧洞襯砌施工只能采用單向倒退法從大襟島側(cè)向陸域側(cè)施工。常規(guī)隧道襯砌可采用從隧道中間向兩端組織2個工作面同時進行施工，總結(jié)出了3臺臺車單向同步連續(xù)跳打的臺車施工方法。

3)施工工序組織要井然有序。3臺車單向同步連續(xù)跳打作業(yè)，任何一個臺車、一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題影響全局施工。

4)自然條件影響襯砌施工。核電站海域地處多臺風(fēng)、多暴雨及中華白海豚國家自然保護區(qū)，地理位置十分偏僻，為隧洞施工帶來諸多不便。

臺山核電取水隧洞工程具有基巖孤石不良地質(zhì)段距離長、出洞端頭斷層破碎帶影響大、長距離海底盾構(gòu)掘進、上千次帶壓進艙換刀等不利因素，施工難度很大。1#取水隧洞二次襯砌施工總距離4 330.6 m，月平均施工721.8 m，2012年8月完成792 m，取得大斷面取水隧洞二次襯砌施工的優(yōu)異成績;2012年9月18日施工完畢，歷時6個月，工期滿足了核電業(yè)主的要求和施工組織的計劃安排。目前，2#隧洞盾構(gòu)已拆機完畢，臺車正在組裝，通過總結(jié)1#隧洞襯砌施工的經(jīng)驗和設(shè)備存在的不足，臺車將在2#隧洞襯砌施工中發(fā)揮優(yōu)勢，取得更好的成績。

7 結(jié)論與討論

臺山核電取水隧洞工程采用的針梁式全圓模板具有制造成本低、結(jié)構(gòu)可靠、操作方便、襯砌速度快、上浮可控性好、混凝土澆筑振搗密實和表面線條平順光潔等優(yōu)點。經(jīng)過1#隧洞襯砌施工效果可看出襯砌完成的混凝土密實、無蜂窩等現(xiàn)象發(fā)生，臺車襯砌完成后平均上浮控制在40 mm以內(nèi)，滿足了GB 50446—2008《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》水下隧道軸線高差允許范圍±150 mm的要求，杜絕了上浮帶來的質(zhì)量隱患，與其他類型臺車相比，施工工序更加合理，施工干擾范圍明顯縮小，施工質(zhì)量及進度明顯提高。通過施工應(yīng)用，提出臺車設(shè)計及施工方面的以下建議:

1)臺車設(shè)計時為防止底模上浮和變形，建議增加通梁和絲桿壓住底模。

2)施工脫模時，原設(shè)計的脫模油缸效果不明顯，建議增加2個支腿和2根脫模油缸。

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