可變徑全圓針梁臺(tái)車在TBM施工隧洞襯砌中的應(yīng)用

苗雙平， 徐晨星， 韓京華， 梅渠舟， 馬 科

(北京振沖工程股份有限公司，北京 100102)

1 概述

1.1 針梁臺(tái)車在業(yè)內(nèi)的運(yùn)用

對(duì)于鋼模臺(tái)車的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行的原則來說，針梁鋼模臺(tái)車是針梁、臺(tái)車與外部支撐加鋼模組成。鋼模是引水隧道施工中為了防止混凝土變形或坍塌所需要的模板。臺(tái)車與針梁裝置是鋼模進(jìn)行拆卸與安裝的傳輸工具。鋼模板是修建永久性支護(hù)的模板。針梁的臺(tái)車模板可以在針梁施工后移動(dòng)，還能夠伸縮于臺(tái)車上。引水工程隧道的建設(shè)，是水利工程中的重要部分，特別是襯砌工程，作為施工最后的主要工序，直接影響隧洞的后期運(yùn)行。最近幾年來，由于施工技術(shù)逐步的發(fā)展，針梁模臺(tái)車技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，讓隧洞的施工技術(shù)有了一定的發(fā)展[1]。

隨著施工技術(shù)發(fā)展的日新月異，針梁式鋼模臺(tái)車在水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用。采用針梁式鋼模臺(tái)車對(duì)水工隧洞全斷面襯砌，其成形度好，表面光潔度高，施工速度快。例如位于貴州西北部的洪家渡水電站引水隧洞混凝土襯砌中采用針梁式鋼模臺(tái)車，混凝土泵輸送砼入倉一次澆筑成設(shè)計(jì)斷面?；炷烈r砌成形度和表面光潔度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求[2]。

厄瓜多爾索普拉多拉水電站輸水系統(tǒng)引水隧洞采用全圓襯砌臺(tái)車，襯砌斷面直徑為6020 mm，臺(tái)車長(zhǎng)度為15和12 m兩種，其中12 m可拆分為2個(gè)6 m段臺(tái)車，臺(tái)車模板搭接10 cm，項(xiàng)目實(shí)施混凝土全圓襯砌施工[3]。

北京市南水北調(diào)配套工程南干渠七標(biāo)段輸水隧洞二次襯砌采用全斷面針梁臺(tái)車施工，襯砌斷面為3400 mm，臺(tái)車長(zhǎng)度10 m，臺(tái)車模板搭接20 cm，成功實(shí)踐了該工藝及全圓針梁臺(tái)車的抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算[4]。

目前鉆爆法、TBM施工隧洞襯砌中主要采用的是同一直徑的全圓針梁臺(tái)車，本文結(jié)合吉林引松供水工程項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，重點(diǎn)研究可變徑全圓針梁臺(tái)車在TBM施工隧洞中的應(yīng)用。

1.2 項(xiàng)目概況

吉林省中部城市引松供水工程是從松花江豐滿水庫庫區(qū)引水，解決吉林省中部地區(qū)城市供水問題的大型調(diào)水工程，是松遼流域水資源優(yōu)化配置的主要工程之一。總干線輸水線路全長(zhǎng)109.70 km，隧洞段總長(zhǎng)為97.62 km。其中豐滿水庫取水口至飲馬河分水口段長(zhǎng)為71.98 km，主要采用3臺(tái)TBM施工，局部采用鉆爆法施工。

吉林省中部城市引松供水工程輸水總干線三標(biāo)段位于永吉縣岔路河至溫德河之間，線路樁號(hào)48+900～24+600，總長(zhǎng)度24300 m。其中隧洞主洞部分開挖采用全斷面TBM為主、鉆爆法為輔的施工方法。本文主要以吉林引松三標(biāo)段TBM施工段為研究對(duì)象，TBM掘進(jìn)段襯砌為全圓形斷面，根據(jù)實(shí)際開挖圍巖揭露情況及設(shè)計(jì)圖紙分為4種斷面，TBM掘進(jìn)段襯砌施工參數(shù)如表1所示。

表1 TBM掘進(jìn)段襯砌施工參數(shù)

根據(jù)三標(biāo)段的實(shí)際情況分析：(1)TBM掘進(jìn)施工洞段，總體特征為圍巖變化頻繁，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比為11.72%；(2)TBM掘進(jìn)段襯砌又分為兩種斷面，斷面變化時(shí)更是增加了6 m長(zhǎng)漸變段；(3)TBM掘進(jìn)段襯砌混凝土運(yùn)輸距離長(zhǎng)，且襯砌混凝土方量大，TBM段采用有軌運(yùn)輸，物料運(yùn)輸組織難度大。以上原因?qū)е乱r砌時(shí)需不斷變換模板型式，臺(tái)車行走、改變模板、施工漸變段等。因此，在混凝土襯砌時(shí)應(yīng)首先考慮可變徑的針梁式鋼模臺(tái)車進(jìn)行混凝土襯砌施工。

2 臺(tái)車選型

2.1 TBM段全圓襯砌斷面參數(shù)及施工布置

(1)本工程TBM段襯砌主要結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)為：襯砌后內(nèi)徑7070和6510 mm兩種斷面形式。厚度為300～500 mm，單倉混凝土長(zhǎng)度為12 m。

(2)受超長(zhǎng)距離施工無法開展多工作面及針梁臺(tái)車無法穿行車輛的影響，本工程TBM襯砌施工只能開展獨(dú)頭單工作面襯砌施工，且本工程施工工期緊，為滿足施工進(jìn)度要求，需精細(xì)化管理及合理布置施工面。

(3)襯砌施工工作面受單倉襯砌長(zhǎng)度、全圓針梁臺(tái)車自身長(zhǎng)度、漸變臺(tái)車長(zhǎng)度及施工工序、平行作業(yè)干擾等影響，單工作面最多可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)針梁臺(tái)車平行作業(yè)施工。

綜合以上因素，本工程前期主要采用2種施工布置：(1)單臺(tái)車連續(xù)施工；(2)雙臺(tái)車平行施工。其中，受施工雙臺(tái)車平行施工布置距離限制，采用“一跳一夾”方式進(jìn)行布置。

2.2 全圓針梁臺(tái)車選型對(duì)比

根據(jù)施工布置及設(shè)計(jì)尺寸，本工程襯砌臺(tái)車選型工藝及參數(shù)較多，本論題主要以臺(tái)車結(jié)構(gòu)形式和行走方式進(jìn)行論述。

2.2.1 臺(tái)車結(jié)構(gòu)形式

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，本工程可采取的臺(tái)車脫模結(jié)構(gòu)方式主要有先中間、先頂模和先底模等多種工藝(見圖1～2)。

圖1 底部脫模示意圖(頂脫模方式與之相反)

以上工藝的主要區(qū)別在于：脫模后模板的塊數(shù)不同和占用洞室凈空間不同。頂脫模形式的主要空間集中在頂部，而底脫模方式的主要空間集中在底部；若在傳統(tǒng)的同一斷面形式中，兩者結(jié)構(gòu)工藝區(qū)別不大，但是先中間脫模方式將對(duì)底部及頂部的連接結(jié)構(gòu)要求較高，同時(shí)對(duì)洞內(nèi)空間預(yù)留較少，多拆除一側(cè)連接，功效相對(duì)較低。若采用可變徑臺(tái)車施工時(shí)，考慮洞內(nèi)施工空間有限，且大多時(shí)間的人員穿行、材料運(yùn)輸?shù)染鶑牡撞客ㄟ^較為合理，可有效避免高處作業(yè)、交叉施工的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 中間脫模方式示意圖

2.2.2 臺(tái)車行走方式

一般臺(tái)車自行式分為電動(dòng)卷揚(yáng)和電動(dòng)液壓兩種方式。

兩種方式均可達(dá)到臺(tái)車行走的目的，兩者各具優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合本工程施工距離較長(zhǎng)的特點(diǎn)分析，臺(tái)車使用周期較長(zhǎng)，施工強(qiáng)度高，若采用普通的卷揚(yáng)式移動(dòng)，檢修簡(jiǎn)便，維護(hù)成本低、維護(hù)功效高。而機(jī)械化程度較高的液壓式則需設(shè)專業(yè)電氣、液壓工跟隨，需長(zhǎng)期儲(chǔ)備液壓系統(tǒng)配備件。因此，整體經(jīng)濟(jì)效益需通過施工使用時(shí)間長(zhǎng)短、人員操作等綜合因素進(jìn)行比選。

2.3 全圓針梁臺(tái)車設(shè)計(jì)參數(shù)

綜合以上對(duì)比分析，比較適合本工程的臺(tái)車參數(shù)均需優(yōu)化改進(jìn)，主要有如下4個(gè)方面。

2.3.1 模板

變徑臺(tái)車模板直徑為7070和6510 mm兩種可變徑模板。模板主要由頂模、邊模、底模組成(變徑需單獨(dú)減少一塊底模板)，連接方式為鉸連接。其中通過底部模板增減一塊底模板實(shí)現(xiàn)變徑。同時(shí)為滿足澆筑和后續(xù)的灌漿施工，預(yù)留相應(yīng)作業(yè)窗及灌漿預(yù)留孔，臺(tái)車模板長(zhǎng)度為12 m，分6塊，每塊2 m長(zhǎng)，同時(shí)增設(shè)搭接模板10 cm。

2.3.2 脫模方式

通過對(duì)比分析，本工程較適合底部脫模方式，因臺(tái)車模板的變徑需求，且洞內(nèi)為有軌機(jī)車運(yùn)輸方式，無法出入吊車設(shè)備，考慮到人工更換模板的便利性，在底部進(jìn)行變徑較為合理。同時(shí)考慮TBM施工洞段均為圓形斷面，運(yùn)輸方式采用有軌機(jī)車，為后續(xù)的回填、固結(jié)灌漿的施工材料、人員通行提供便利。

2.3.3 行走方式

比較適用于本工程的為電動(dòng)卷揚(yáng)式，可有效節(jié)約行進(jìn)油缸所占用的空間，同時(shí)設(shè)置三組行進(jìn)立腿，不再通過模板受力實(shí)現(xiàn)行走，可有效提升臺(tái)車定位和行走。

2.3.4 抗浮裝置

根據(jù)施工工藝布置，采用立腿和抗浮裝置進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，均滿足施工需求。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，底部混凝土澆筑速度不可過快，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抗浮裝置的穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，為確保施工期間的抗浮裝置牢固可靠，增加單獨(dú)的2組抗浮裝置立柱，與原來的行走立柱分開受力，從而增加臺(tái)車的穩(wěn)定性。

3 施工技術(shù)

3.1 人員配置

施工過程中，可分為單臺(tái)車施工和雙臺(tái)車施工，根據(jù)兩種施工工藝的不同，所需的人員數(shù)量不同，單臺(tái)車施工最低配置需要約52人，雙臺(tái)車施工最低配置需要約63人。

3.2 單臺(tái)車施工

3.2.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備—基礎(chǔ)清理—測(cè)量放線—鋼筋綁扎—臺(tái)車就位—堵頭模板、安裝止水帶—混凝土澆筑—收倉—脫模養(yǎng)護(hù)。

3.2.2 主要施工工序

(1)臺(tái)車定位后安裝預(yù)埋灌漿管，預(yù)埋管兩頭用尼龍袋等材料塞滿。

(2)堵頭模板采用5 cm厚木模板，每塊長(zhǎng)1 m、寬20～30 cm不等，人工拼裝封堵，臺(tái)車模板兩端外邊緣焊接鋼筋固定堵頭模板，靠近巖壁一側(cè)，埋設(shè)模板固定鋼筋，間距1 m，固定鋼管和固定鋼筋，可以牢牢地把封堵模板進(jìn)行固定。

(3)橡膠止水帶采用單根硫化熱粘接，安裝時(shí)，在止水帶設(shè)計(jì)位置利用止水帶卡子單側(cè)焊接在環(huán)向鋼筋上，待澆筑混凝土側(cè)向另側(cè)穿入，內(nèi)側(cè)卡緊埋入的止水帶的一半，另一半止水帶從堵頭板中間穿出。

3.2.3 混凝土拌制和運(yùn)輸

(1)采用集中拌制混凝土，攪拌站設(shè)置在引水隧洞主洞內(nèi)，根據(jù)混凝土的用量，在料場(chǎng)備足原材料。

(2)混凝土采用有軌運(yùn)輸?shù)姆绞?，并設(shè)置錯(cuò)車平臺(tái)，混凝土澆筑期間兩組機(jī)車編組運(yùn)行，以保障混凝土澆筑速度。

(3)采用混凝土輸送泵入倉，根據(jù)模板上設(shè)置的工作窗口，分多層多次入倉，每層混凝土鋪設(shè)厚度≯50 cm。

(4)混凝土入倉順序，底拱—邊墻—拱頂?；炷寥雮}后采用振搗器輔以人工攤鋪，入倉過程中應(yīng)加強(qiáng)振搗工作，以確保混凝土不漏搗，避免出現(xiàn)蜂窩、麻面等混凝土表面質(zhì)量問題。

3.2.4 脫模養(yǎng)護(hù)

(1)針梁式鋼模臺(tái)車澆筑的混凝土在澆筑完成后，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到5 MPa后可進(jìn)行拆模。

(2)混凝土采取灑水養(yǎng)護(hù)，保持混凝土表面濕潤，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≮28 d。

3.2.5 臺(tái)車變徑

在圍巖類別不同的部位施工則需要根據(jù)襯砌厚度進(jìn)行臺(tái)車直徑大小的變換。臺(tái)車直徑7.07 m變小至直徑6.51 m斷面時(shí)，通過拆除底部模板、更換左右側(cè)邊模耳板孔、將頂部模板左右側(cè)高肋板更換為短肋板、將針梁和框梁支撐腿的尺寸較長(zhǎng)的連接段更換為短尺寸的連接段，最終實(shí)現(xiàn)全圓臺(tái)車從大直徑向小直徑轉(zhuǎn)換。臺(tái)車直徑從6.51 m轉(zhuǎn)換至直徑7.07 m時(shí)則通過相反的步驟實(shí)現(xiàn)。全圓可變徑臺(tái)車滿足了同一個(gè)臺(tái)車在不同圍巖不同斷面的襯砌施工的要求，改變了以往不同斷面的洞徑采用不同襯砌臺(tái)車施工的局面，節(jié)省了襯砌施工設(shè)備的投入，便捷了施工。

3.3 雙臺(tái)車跳倉施工

3.3.1 雙套襯砌臺(tái)車施工

(1)施工組織。雙套全圓臺(tái)車采用跳倉澆筑的方法進(jìn)行施工，從而達(dá)到整體工期要求。受施工雙臺(tái)車平行施工布置距離限制，采用“一跳一夾”方式進(jìn)行布置。臺(tái)車布置如圖3所示。

圖3 “一跳一夾”示意圖

Fig.3Sequencemethodconstruction

(2)進(jìn)度分析。

①“一跳”即第4段澆筑，兩臺(tái)車間隔段設(shè)為1段，先進(jìn)行上游第4段澆筑。

②“一夾”，第6段緊接第4段“一跳”連續(xù)澆筑，形成第5段夾倉即“一夾”。

混凝土澆筑順序?yàn)棰偬?hào)臺(tái)車2-4-6；②號(hào)臺(tái)車1-3-5-7。依次循環(huán)，既方便快捷，又減少砼浪費(fèi)和對(duì)倉號(hào)的污染。采用兩臺(tái)12 m針梁臺(tái)車，用穿行同步跳倉襯砌的施工方法，在保障混凝土運(yùn)輸能力的情況下，每周最高澆筑砼108 m，月進(jìn)度最高可達(dá)400 m。

3.3.2 雙套臺(tái)車施工關(guān)鍵因素分析

雙套全圓針梁臺(tái)車跳倉澆筑作業(yè)在理論上較為簡(jiǎn)單，但在實(shí)際實(shí)施中存在砼長(zhǎng)距離運(yùn)輸、水電管線布置、混凝土泵布置、清基等諸多施工干擾因素。如何合理組織解決相互間的施工干擾，是本施工工藝能否取得快速施工目標(biāo)的關(guān)鍵。

(1)砼長(zhǎng)距離運(yùn)輸。本項(xiàng)目采用有軌運(yùn)輸混凝土，混凝土澆筑供應(yīng)速度是制約兩套臺(tái)車發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的最主要因素之一，必須保障混凝土澆筑速度才能發(fā)揮兩個(gè)臺(tái)車跳倉快速施工的優(yōu)勢(shì)。

(2)清基。由于隧洞距離長(zhǎng)，兩套臺(tái)車施工單個(gè)循環(huán)混凝土澆筑時(shí)間長(zhǎng)，清渣和混凝土澆筑相互干擾較大，這就增加了清基工作的難度。為了保證混凝土澆筑的連續(xù)性，利用收倉后，清基人員進(jìn)入作業(yè)面作業(yè)減少了相互之間的干擾。平時(shí)保證清基倉面有4倉的富余量即可保證襯砌施工正常開展。

(3)施工用電。在①號(hào)臺(tái)車作業(yè)平臺(tái)上設(shè)置一配電柜，②號(hào)臺(tái)車施工用電從該配電柜接出，兩臺(tái)車間配備100 m長(zhǎng)電纜，完全能保證臺(tái)車跳倉需要。泵管及排水管路布置在臺(tái)車模板的左側(cè)，固定的管路兩端設(shè)有2～3節(jié)軟管，便于對(duì)接方便，施工快捷。

(4)混凝土泵的布置。隧洞為圓形，從運(yùn)輸和泵送料角度考慮，混凝土泵必須布置在仰拱。從清基角度考慮，泵車必須在澆筑完混凝土后要移開為清基工作提供工作面，所以泵車布置在軌道上；距臺(tái)車的水平距離120 m左右即可滿足施工需要。

4 注意事項(xiàng)

(1)每個(gè)工作循環(huán)后要檢查各部位螺栓、銷子的松緊狀態(tài)，對(duì)各種連接件進(jìn)行檢查緊固。

(2)臺(tái)車卷揚(yáng)、絲桿千斤頂要定期潤滑，針梁在移動(dòng)時(shí)要由專人負(fù)責(zé)鋼絲繩的收緊工作[5]。

(3)澆筑頂模時(shí)，收倉前的估料要準(zhǔn)確，避免多余混凝土壓進(jìn)倉號(hào)，造成模板變形或跑模[6]。

(4)保證針梁及模板等部位的構(gòu)件必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，避免出現(xiàn)疲勞變形[7]。

(5)雙臺(tái)車澆筑施工中，要協(xié)調(diào)好兩個(gè)臺(tái)車的工序時(shí)間，避免相互干擾。

5 結(jié)語

(1)本項(xiàng)目隧洞襯砌施工已完成近1年，單臺(tái)車最高月襯砌施工進(jìn)度達(dá)到了300 m，平均月襯砌進(jìn)度約為240 m，從臺(tái)車運(yùn)行情況看，設(shè)備狀況良好，施工總體質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，前期澆筑強(qiáng)度因受長(zhǎng)距離混凝土運(yùn)輸時(shí)間的影響而基本達(dá)到216 m/月。

(2)在雙臺(tái)車跳倉施工洞段，經(jīng)過幾個(gè)月的磨合和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，成功采用了兩臺(tái)全圓針梁可變徑臺(tái)車串行同步跳倉進(jìn)行襯砌砼澆筑，每周最多澆筑108 m，月均進(jìn)度已達(dá)到360～400 m，保證了質(zhì)量和施工進(jìn)度，可為類似工程的施工提供經(jīng)驗(yàn)。對(duì)長(zhǎng)距離隧洞進(jìn)行襯砌施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮全圓一次性成形跳倉連續(xù)施工的方案，只要恰當(dāng)選擇鋼模臺(tái)車的形式、結(jié)構(gòu)尺寸，配合恰當(dāng)?shù)氖┕すに?，?duì)于加快施工進(jìn)度，減少施工干擾，提高施工質(zhì)量有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3)本項(xiàng)目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(shí)和表面線條平順光潔等優(yōu)點(diǎn)。隨著勞動(dòng)力成本和建設(shè)單位對(duì)施工質(zhì)量要求的提高、鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)制作技術(shù)的完善成熟，采用全圓襯砌臺(tái)車一次性成形連續(xù)跳倉施工，已能滿足隧洞快速高效安全襯砌的需要，在長(zhǎng)距離隧洞襯砌施工中已代表了一種新的趨勢(shì)。

(4)全斷面針梁臺(tái)車一次性投資遠(yuǎn)大于鋼模臺(tái)車，因此該模板更適合于洞線長(zhǎng)的隧洞施工[8]。