液壓伸縮萬向移動(dòng)襯砌臺(tái)車研究與應(yīng)用

孫會(huì)想，徐進(jìn)鵬，王 霄，孫蒙雷，王鵬飛，曾 磊，何 鑫

(1.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002；3.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

白鶴灘水電站位于金沙江下游川滇兩省交界處，總裝機(jī)容量16 000 MW，是國(guó)家十三五規(guī)劃重點(diǎn)工程，西電東送的骨干電源點(diǎn)之一。水電站規(guī)模宏大，左、右岸對(duì)稱布置8臺(tái)世界單機(jī)裝機(jī)容量最大的100萬kW巨型發(fā)電機(jī)組，電站建成后，將成為僅次于長(zhǎng)江三峽，是世界第二大水電站[1]。

白鶴灘水電站地下洞室群規(guī)模巨大，在目前世界上已建、在建或擬建工程中位居前列[2]，引水隧洞、廠房、主變、尾水管檢修閘門室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、灌排廊道、出線系統(tǒng)等眾多洞室組成了復(fù)雜的洞室群，如圖1所示。

圖1 白鶴灘水電站地下洞室群布置示意

圖2 右岸引水系統(tǒng)示意

圖3 分倉平面示意

右岸引水系統(tǒng)壓力管道采用單機(jī)單管豎井式布置，共8條。由漸變段、上平段、上彎段、豎井段、下彎段及下平段等組成，如圖2所示。單條壓力管道總長(zhǎng)385.95～518.36 m，其中漸變段、上平段采用鋼筋混凝土襯砌，鋼筋混凝土襯砌長(zhǎng)157.21～289.61 m；上彎段、豎井段、下彎段及下平段采用鋼板襯砌，鋼板襯砌總長(zhǎng)228.74 m。上平段長(zhǎng)150.526～279.655 m，在進(jìn)口漸變段末端設(shè)置平面轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑20 m，轉(zhuǎn)彎角度6.8°～14°，立面縱向坡度為2.655%～5.322%。上平段采用C25W10F100鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度1.0 m[3]。8條引水隧洞總長(zhǎng)1 700.5 m，前段開挖斷面為9 m×13 m馬蹄形，后段為半徑為5.5 m的圓形，中部被一條12 m×8 m的城門洞形的施工支洞橫穿，支洞高度比主洞襯砌后高度小3.0 m。

1.2 施工流程

右岸引水上平段共分169倉澆筑，除轉(zhuǎn)彎段、封堵段和鋼管銜接段等有特殊設(shè)計(jì)要求的48倉洞段襯砌采用滿堂排架澆筑外，剩余的121倉均采用鋼模臺(tái)車施工，臺(tái)車施工襯砌占比71.6%(見圖3)。根據(jù)上平段自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工支洞的位置，擬布置2臺(tái)鋼模臺(tái)車同步施工，襯砌施工程序?yàn)?號(hào)→10號(hào)→11號(hào)(1號(hào)臺(tái)車)、13號(hào)→15號(hào)→16號(hào)→12號(hào)→14號(hào)(2號(hào)臺(tái)車)。

為便于設(shè)置臺(tái)車軌道，每條上平段先澆筑底拱100°范圍分層線以下3 m混凝土，再澆筑上部邊頂拱(見圖4)。底拱澆筑采用翻模工藝施工，邊頂拱澆筑使用鋼模臺(tái)車。整體澆筑方向?yàn)閺纳嫌蜗蛳掠??？傮w施工程序見圖5。

圖4 分層剖面示意(單位：m)

圖5 上平段襯砌施工程序

為避免引水上平段邊頂拱襯砌混凝土施工影響引水豎井壓力鋼管運(yùn)輸和安裝，白鶴灘水電站右岸引水上平段邊頂拱襯砌混凝土分兩序?qū)嵤?。?duì)鋼管運(yùn)輸和安裝無影響的施工支洞上游側(cè)主洞襯砌為第1序，與引水豎井鋼管安裝同時(shí)施工；施工支洞下游側(cè)主洞襯砌為第2序，待引水豎井壓力鋼管安裝及混凝土回填完成后進(jìn)行施工。因分兩序施工，且經(jīng)施工支洞分割后，主洞每序同時(shí)澆筑的倉位少，襯砌臺(tái)車在主洞間轉(zhuǎn)移安拆次數(shù)多，對(duì)上平段襯砌混凝土的施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全和成本影響較大。為此，研制出一種適用于變斷面隧洞襯砌施工的液壓伸縮萬向移動(dòng)臺(tái)車，通過壓液系統(tǒng)將臺(tái)車收縮至足夠小并依靠萬向行走系統(tǒng)快速橫移至相鄰隧洞就位，避免臺(tái)車和模板頻繁拆裝，對(duì)確保引水上平段襯砌混凝土施工質(zhì)量安全，縮短施工工期，降低施工成本，具有較大的研究意義。

1.3 襯砌臺(tái)車使用現(xiàn)狀及新型臺(tái)車功能要求

由于傳統(tǒng)的“承重排架+定型鋼模板”混凝土施工方法需要較大人力資源成本且周轉(zhuǎn)材料投入大，混凝土質(zhì)量不易控制，安全管控難度大，工期久，因此，大型水電站引水系統(tǒng)襯砌混凝土一般采用多鋼模襯砌臺(tái)車施工[4-7]。但原始的襯砌臺(tái)車不設(shè)自動(dòng)行走系統(tǒng)，在施工過程中需要借助外動(dòng)力進(jìn)行拖動(dòng)，采用絲杠千斤頂進(jìn)行脫立模，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低[8]。現(xiàn)在，隧道襯砌鋼模臺(tái)車設(shè)備根據(jù)工程特點(diǎn)，在不斷向長(zhǎng)、大、全液壓、自行式、大模板的方向發(fā)展[9]。

結(jié)合工程特點(diǎn)、工期和使用要求，白鶴灘水電站右岸引水上平段新型襯砌臺(tái)車應(yīng)具備以下功能：

(1)臺(tái)車大幅度收縮，快遞轉(zhuǎn)移?？勺冃武撃Ｅ_(tái)車為門架四立柱支撐形式，且模板范圍無立柱。通過大行程頂升結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較大脫模量和大幅度整體升降，確?？焖偻ㄟ^施工支洞，多條并列隧洞施工。

(2)臺(tái)車可0～180°轉(zhuǎn)向。通過頂升立柱和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)方向調(diào)整0～180°，采用配套的S形井字軌道通過支洞。

(3)臺(tái)車快速臺(tái)階式降軌。主洞軌道和施工支洞軌道存在較大高差，利用臨時(shí)支撐軌道+立柱頂升系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)4個(gè)行走機(jī)構(gòu)的依次降軌。

2 液壓伸縮萬向移動(dòng)臺(tái)車關(guān)鍵技術(shù)

2.1 臺(tái)車設(shè)計(jì)

液壓伸縮萬向移動(dòng)鋼模臺(tái)車由模板總成、平移機(jī)構(gòu)、門架總成、行走機(jī)構(gòu)、側(cè)向液壓油缸、側(cè)向支承千斤、門架支承千斤等構(gòu)件組成，臺(tái)車設(shè)計(jì)如圖6所示。

自行式液壓伸縮萬向移動(dòng)鋼模臺(tái)車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走，利用液壓油缸和螺旋千斤調(diào)整模板到位及收模，1個(gè)襯砌循環(huán)的工作長(zhǎng)度為8 m，臺(tái)車的主要技術(shù)參數(shù)為最大升降值為2 500 mm，最大橫移量為左右120 mm，最大行走速度為6 m/min，行走電機(jī)功率(含制動(dòng))為4×11 kW，液壓系統(tǒng)功率為5.5 kW。

2.2 臺(tái)車分離技術(shù)

由于鋼模臺(tái)車整體長(zhǎng)度大于支洞寬度，臺(tái)車無法一次性整體通過施工支洞，因此，需將鋼模臺(tái)車分離為2段后依次通過。臺(tái)車分離步驟(如圖7所示)為：①拆除面板連接螺栓，平移油缸收縮2 m，將面板拆分開為2段，并橫移至兩側(cè)門架中心；②下放中部4個(gè)頂升油缸，并安裝行走機(jī)構(gòu)；③拆除門架之間連接螺栓，將臺(tái)車分開為2段，依次降軌快速通過施工支洞。

2.3 臺(tái)車臺(tái)階式降軌技術(shù)

鋼模臺(tái)車分離后，分別完成2段臺(tái)車降軌至施工支洞軌道，具體降軌步驟(如圖8所示)：①將臺(tái)車下游側(cè)行走機(jī)構(gòu)行至臨時(shí)支撐軌道，固定上游行走機(jī)構(gòu)間的臨時(shí)支撐，在臺(tái)車上游側(cè)桁架與底板間設(shè)置拉筋，鎖定臺(tái)車；②收縮下游側(cè)頂升油缸，使行走機(jī)構(gòu)脫離軌道，移除臨時(shí)支撐軌道后操作頂升油缸，使行走機(jī)構(gòu)可靠支撐在施工支洞地面軌道上；③拆除上游側(cè)拉筋，行走臺(tái)車，上游側(cè)行走機(jī)構(gòu)行至臨時(shí)支撐軌道，固定下游行走機(jī)構(gòu)間的臨時(shí)支撐，在臺(tái)車下游側(cè)桁架與底板設(shè)置拉筋，鎖定臺(tái)車；④收縮上游側(cè)頂升油缸，使行走機(jī)構(gòu)脫離軌道，移除臨時(shí)支撐軌道后操作頂升油缸，使行走機(jī)構(gòu)可靠支撐在施工支洞地面軌道上，完成臺(tái)階式降軌。

圖6 鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

圖7 鋼模臺(tái)車分離流程

圖8 鋼模臺(tái)車降軌流程

2.4 臺(tái)車轉(zhuǎn)向技術(shù)

在調(diào)整行走機(jī)構(gòu)方向前，將臺(tái)車模板各支撐桿及支撐千斤頂固定牢靠，頂升臺(tái)車模板底部螺旋千斤頂，確保臺(tái)車模板整體穩(wěn)定。拆除行走機(jī)構(gòu)與導(dǎo)柱間的連接螺栓，操作液壓系統(tǒng)，收縮其中一端的一組頂升油缸，使橫移機(jī)構(gòu)收縮，當(dāng)行走機(jī)構(gòu)與軌道脫離時(shí)停止操作。將行走機(jī)構(gòu)方向旋轉(zhuǎn)90°，操作液壓系統(tǒng)，使行走機(jī)構(gòu)壓緊軌道。重復(fù)上述步驟依次調(diào)整其他3個(gè)行走機(jī)構(gòu)的方向。

當(dāng)主洞與支洞斜交時(shí)，需布置S形“井”字軌道(如圖9所示)，軌道布置應(yīng)滿足臺(tái)車通過時(shí)的凈空要求，現(xiàn)場(chǎng)精確放樣和安裝加固軌道，確保在臺(tái)車支洞中的轉(zhuǎn)角方向。

圖9 鋼模臺(tái)車S形“井”字軌道示意

2.5 臺(tái)車大幅度收縮技術(shù)

鋼模臺(tái)車采用門架四立柱支撐形式，模板范圍內(nèi)無立柱，如圖10所示。要使臺(tái)車大幅度收縮，首先，拆除臺(tái)車各側(cè)向千斤頂和主支撐；然后，操作側(cè)向油缸將模板內(nèi)收至最小狀態(tài)；最后，操作頂升油缸下降臺(tái)車，達(dá)到鋼模臺(tái)車大幅度收縮效果。臺(tái)車收模完成后將模板固定，嚴(yán)禁在只有液壓油缸作用下調(diào)整行走機(jī)構(gòu)及行走臺(tái)車。

圖10 鋼模臺(tái)車變形前、后示意

2.6 臺(tái)車收縮后通過支洞

工作人員應(yīng)在臺(tái)車通過支洞前清除軌道附近的障礙物，當(dāng)臺(tái)車行走通過支洞時(shí)，時(shí)刻觀察臺(tái)車四周凈空距離，及時(shí)調(diào)整臺(tái)車行走軌跡，避免臺(tái)車卡死。臺(tái)車通過支洞后，操作頂升油缸升起臺(tái)車。操作側(cè)向油缸打開側(cè)向模板，恢復(fù)各側(cè)向千斤頂和主支撐。重新對(duì)中2段臺(tái)車，拆除中間4個(gè)頂升立柱的行走機(jī)構(gòu)，并收起立柱。橫移合并兩段模板，安裝加固螺栓。

鋼模臺(tái)車合并完成后，對(duì)其體形進(jìn)行調(diào)校，對(duì)電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)進(jìn)行檢修，滿足要求后可進(jìn)行并列主洞襯砌施工。

3 效果分析

3.1 工期對(duì)比

不考慮施工支洞封堵、主洞灌漿、鋼筋綁扎等工序影響，使用不同種施工方法對(duì)單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作面進(jìn)行引水上平段襯砌施工，所需工期如表1所示。

引水上平段除去豎井鋼管回裝、支洞封堵、主洞灌漿及特殊設(shè)計(jì)要求的48倉洞段襯砌施工，剩余標(biāo)準(zhǔn)襯砌總工期約340 d。為滿足發(fā)電工期要求，若采用滿堂排架施工，需要至少7個(gè)工作面同時(shí)施工；若采用簡(jiǎn)易桁架臺(tái)車或普通鋼模臺(tái)車施工，需要4個(gè)工作面同時(shí)施工；若采用液壓伸縮萬向移動(dòng)鋼模臺(tái)車施工，僅需要2個(gè)工作面同時(shí)施工。顯然，采用液壓伸縮萬向移動(dòng)鋼模臺(tái)車進(jìn)行施工，工程工期保障性最佳。

表1 單個(gè)工作面澆筑上平段襯砌所需工期 d

3.2 澆筑質(zhì)量

滿堂排架和簡(jiǎn)易桁架臺(tái)車多采用的是小型組合鋼模板拼裝，襯砌混凝土外觀質(zhì)量控制難度大，而普通鋼模臺(tái)車和液壓伸縮萬向移動(dòng)臺(tái)車采用的是大型定型鋼模板，混凝土質(zhì)量易于控制。對(duì)白鶴灘水電站右岸引水上平段襯砌混凝土進(jìn)行體形測(cè)量，成果表明：采用液壓伸縮萬向移動(dòng)臺(tái)車澆筑的襯砌混凝土內(nèi)實(shí)外光，表面無裂縫、掛簾、漏漿、錯(cuò)臺(tái)、蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷。截至2019年3月，右岸引水上平段襯砌混凝土共檢查1 450個(gè)測(cè)點(diǎn)，體形最大偏差15 mm，平均偏差8 mm，偏差在10 mm以內(nèi)點(diǎn)數(shù)占98.5%，說明混凝土施工質(zhì)量較好。

4 結(jié) 論

本文以白鶴灘水電站右岸引水上平段襯砌施工為研究背景，結(jié)合襯砌混凝土分倉和質(zhì)量、工期控制要點(diǎn)，研制了一種適用于變斷面隧洞襯砌施工的自行式液壓伸縮萬向移動(dòng)臺(tái)車。該臺(tái)車具備大幅度收縮，快速轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，可以采用配套的S形“井”字軌道通過支洞，并具有快速臺(tái)階式降軌等功能，實(shí)現(xiàn)了通過壓液系統(tǒng)將臺(tái)車收縮，依靠萬向移動(dòng)行走系統(tǒng)快速橫移至相鄰隧洞就位，避免了施工過程中臺(tái)車和模板的頻繁拆裝，確保了襯砌混凝土施工質(zhì)量和安全，縮短了施工工期，降低了施工成本。工程實(shí)踐和混凝土體形測(cè)量成果表明：右岸引水上平段襯砌混凝土內(nèi)實(shí)外光，無明顯質(zhì)量缺陷，體形最大偏差15 mm，平均偏差8 mm，混凝土施工質(zhì)量較好。