新型輸水隧洞襯砌模板臺車設(shè)計(jì)與應(yīng)用探討

王樹林，王 鴻

（1.水利部山西水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 工程概況

山西省中部引黃工程位于該省西部山區(qū)，是該省 “十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中的一項(xiàng)重點(diǎn)工程。該工程主要建筑物包括泵站1座、埋涵6段、倒虹2座、渡槽2座、地下式分水閘5處、地面式分水閘7處，輸水隧洞全長381.34 km。

揚(yáng)水泵站位于保德縣境內(nèi)黃河天橋水電站上游1.44 km左岸棗林溝口。泵站設(shè)計(jì)7臺機(jī)組，總裝機(jī)容量9 600 kW。泵站進(jìn)水池最低水位829.47 m，出水池設(shè)計(jì)水位1 027.03 m，揚(yáng)水管為直徑3.6 m的壓力鋼管，設(shè)計(jì)提水流量23.55 m3/s，揚(yáng)程200 m。

中部引黃工程主要任務(wù)是解決忻州、呂梁、臨汾和晉中4市17個(gè)縣 （市、區(qū)）的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水。工程建成后，年引水量6.02億m3，受益人口達(dá)320多萬人，可新增灌溉面積10萬hm2。

2 輸水線路

中部引黃工程輸水線路由總干線、東干線、西干線及3條供水支線組成，在平面上呈樹枝狀分布，線路總長384.5 km。

總干線由揚(yáng)水泵站出水池出口開始，經(jīng)保德縣、興縣、臨縣、方山縣、離石區(qū)，到中陽縣邢家?guī)X分水閘為止，全長200.22 km。共分4條隧洞，最大埋深610 m。

東干線從中陽縣邢家?guī)X分水閘起，向南延伸至孝義縣下水棠分水閘止，全長28.76 km，全部為隧洞，最大埋深693 m。另外，東干線從孝義縣下水棠分水閘開始分兩條供水支線，分別進(jìn)入汾孝介和交汾靈，汾孝介支線長14.97 km，交汾靈支線長51.25 km。

西干線從邢家?guī)X分水閘起，向西南方向延伸，經(jīng)石樓縣、柳林縣，到隰縣下王莊的十字分水閘止，全長85.70 km，隧洞長85.59 km，最大埋深694 m。從下王莊十字分水閘起設(shè)蒲大供水支線，支線長3.6 km。

3 輸水隧洞設(shè)計(jì)

根據(jù)輸水線路沿線不同地質(zhì)條件，隧洞采用了城門洞形、圓形和馬蹄形3種斷面形式，即隧洞埋深較大且圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類時(shí)，采用圓形斷面；埋深較小且圍巖類別 “小于IV類”或 “II、III類”時(shí)，采用城門洞形斷面；在土質(zhì)洞段，采用馬蹄形斷面。各種形式隧洞在輸水線路中的長度見表1。

表1 輸水隧洞斷面形式統(tǒng)計(jì) km

從表1可見，中部引黃輸水隧洞總長381.34 km，占線路總長的99.2%。其中，城門洞形斷面應(yīng)用較為普遍，長達(dá)305.15 km，占輸水線路總長的79.4%；圓形斷面主要分布于總干線與東干線，長67.86 km，占輸水線路總長的17.6%；馬蹄形斷面主要分布于總干線隧洞中，汾孝介和交汾靈支線也有少量分布，共長8.33 km，占輸水線路總長的2.2%。

輸水隧洞的大小主要由引水流量決定，城門洞形和馬蹄形隧洞的主要尺寸分別見表2、3?？偢删€3號隧洞圓形斷面設(shè)計(jì)洞徑為4.3 m，4號隧洞為4.1 m，東干線隧洞為3.2 m。

4 隧洞模板設(shè)計(jì)

當(dāng)前，在國內(nèi)水利水電輸水隧洞襯砌施工中，對于圓形斷面輸水隧洞混凝土襯砌模板主要采用全斷面針梁式襯砌模板和穿行式全斷面襯砌模板。城門洞形隧洞襯砌方式則通常采用拱架和人工組裝模板施工，這種施工方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)工，施工速度慢，還經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)臺、蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷，為了解決這些問題，在中部引黃工程城門洞形隧洞襯砌模板設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了全斷面針梁模板臺車和穿行式全斷面襯砌模板臺車的技術(shù)，并考慮到馬蹄形和圓形輸水隧洞襯砌施工需求，經(jīng)室內(nèi)多方案的模擬試驗(yàn)對比，最終設(shè)計(jì)出一套既能適用城門洞形斷面，也能適用馬蹄形和圓形斷面隧洞混凝土襯砌的新型模板臺車施工技術(shù)。

表2 城門洞形輸水隧洞斷面設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 馬蹄形輸水隧洞斷面設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 模板臺車結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

輸水隧洞模板臺車結(jié)構(gòu)由模板框梁、面板、正反頂絲和移動(dòng)軌道四部分組成，現(xiàn)以總干線隧洞3種斷面形式尺寸為例對新型模板臺車進(jìn)行介紹，模板臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

本項(xiàng)目隧洞模板臺車的設(shè)計(jì)，同全斷面針梁式襯砌模板臺車、穿行式全斷面襯砌模板臺車和邊頂拱軌行式襯砌模板臺車相比，在液壓自動(dòng)化方面略為遜色，但在其他方面具有明顯優(yōu)勢：

（1）結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價(jià)低廉，可通過不同面板相互組合，適用多種斷面形式，可大幅提高模板重復(fù)利用率，大幅度降低模板的使用成本。

（2）采用不同型號槽鋼通過焊接組成模板框梁，再通過自制正反頂絲聯(lián)接面板，使得模板支撐與脫模自如，機(jī)械故障發(fā)生幾率很低。避免了如針梁模板臺車等常因自動(dòng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，極易造成停工的情況。

（3）通過模板臺車滑輪和移動(dòng)軌道，機(jī)械化移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了不間斷循環(huán)向前施工。

4.2 模板臺車工作原理

本項(xiàng)目模板臺車以框梁為基本結(jié)構(gòu)單元，通過連接不同形式面板，便可適應(yīng)不同斷面形式和不同大小隧洞模板的需求。通過調(diào)整正反頂絲，可實(shí)現(xiàn)支模與脫模。

圖1 新型模板臺車結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

4.3 模板臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

4.3.1 模板框梁

模板框梁是模板臺車在隧洞混凝土襯砌時(shí)的主要受力構(gòu)件。其結(jié)構(gòu)可由普通槽鋼焊接而成。框梁的尺寸，根據(jù)隧洞洞徑大小來確定，對于圓形隧洞，其寬度可取洞徑的1/2；城門洞形，寬度可取洞寬的2/3。槽鋼的截面選擇通過計(jì)算確定。

以中部引黃工程總干線輸水隧洞4.3 m洞徑為例，模板下部縱向框梁采用 [20槽鋼，其他構(gòu)件采用 [10槽鋼，滑輪尺寸為φ20，槽鋼框里間距為0.8 m，框梁組件單節(jié)長5 m，總長10 m。模板框梁橫斷面見圖2。

圖2 模板框梁橫斷結(jié)構(gòu)（單位：mm）

4.3.2 面板設(shè)計(jì)

模板臺車城門洞形面板由左右對稱的兩組面板組成，每組面板包括1塊弧形面板和1塊直墻面板，弧形面板要根據(jù)城門洞形斷面設(shè)計(jì)半徑與頂拱中心角度加工，直墻面板根據(jù)直墻段設(shè)計(jì)高度加工；圓形和馬蹄形面板均由左右對稱的兩組四塊面板組成，兩組面板尺寸、形狀均相同。具體尺寸可根據(jù)設(shè)計(jì)圓形半徑或拱頂半徑、內(nèi)緣半徑?jīng)Q定。

面板受力框架選用 [6槽鋼焊接，采用厚5 mm鋼板作為面層。面板受力框架間距0.6 m。面板鋼板與受力框架在卷板機(jī)上成型。

4.3.3 面板的聯(lián)接設(shè)計(jì)

面板與面板之間采用鉸接，面板與框架采用正反頂絲和鉸接聯(lián)接。正反頂絲是模板主要受力桿件，圓形、馬蹄形斷面可選用7條φ25的粗螺紋螺栓，城門洞形斷面選用9條φ25的粗螺紋螺栓。面板連接見圖3。

圖3 面板連接示意

4.3.4 模板臺車運(yùn)行

模板臺車運(yùn)行移動(dòng)可采用軌道行式運(yùn)行方案，軌道安裝在預(yù)先已澆筑的底板混凝土上，并通過預(yù)埋螺栓加以固定。軌道可采用輕型鋼軌。

5 隧洞模板臺車的工程應(yīng)用

（1）模板臺車的現(xiàn)場組裝與定位。模板臺車在使用前應(yīng)進(jìn)行各部件的組裝，組裝場地可根據(jù)施工現(xiàn)場條件決定。一般選擇在洞口組裝，面板安裝可采用吊車吊裝。模板臺車現(xiàn)場操作時(shí)，應(yīng)在每倉鋼筋工序完成之后通過軌道運(yùn)行準(zhǔn)確到位，再通過正反頂絲調(diào)整螺栓，保證模板支撐到位，達(dá)到設(shè)計(jì)洞徑、洞形要求。操作頂絲應(yīng)由上而下進(jìn)行，并保證模板平直無錯(cuò)合、無縫隙后，方可進(jìn)行混凝土澆筑施工。

（2）隧洞混凝土澆筑施工。隧洞混凝土澆筑時(shí)一般采用混凝土罐車運(yùn)輸，混凝土通過地泵與泵管將混凝土送入倉內(nèi)。進(jìn)料時(shí)須保證模板兩側(cè)混凝土均勻上升，混凝土振搗采用平板振搗器與軟軸振搗器相互配合及時(shí)進(jìn)行振搗，以確?；炷翝仓軐?shí)。

（3）模板臺車模板的脫模。當(dāng)混凝土澆筑完成后，強(qiáng)度大于80%時(shí)，通過面板與框梁之間的正反頂絲和調(diào)整螺栓脫模。從上到下進(jìn)行，使模板在頂絲和調(diào)整螺栓拉力作用下自動(dòng)脫離混凝土。

6 結(jié)語

山西省中部引黃工程模板臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、用途廣泛，既適用于圓形和馬蹄形斷面輸水隧洞的襯砌，更適用于城門洞形輸水隧洞的混凝土襯砌施工。且造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、操作靈活可靠，它既可適用于大中型水利水電輸水隧洞工程建設(shè)，更適合于小型水利水電輸水隧洞工程建設(shè)，值得推廣應(yīng)用。

［1］冀生貴.全斷面針梁式鋼模板在隧洞混凝土襯砌中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電， 2001（2）:38-40.

［2］顧華，盧興金.機(jī)械式針梁鋼模臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.水利水電技術(shù)， 1996（11）:23-25.

［3］謝崇林.變斷面液壓模板臺車在地鐵隧道中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑， 1993（3）:13-16.