全斷面針梁臺車在穿黃工程斜井混凝土襯砌中的應用

朱海亞，溫定煜，高鵬偉

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 工程概況

南水北調東線第一期工程穿黃工程穿黃隧洞斜井位于黃河北岸，穿越黃河大堤，為有壓圓形隧洞，全長166.03m，開挖直徑為8.9～9.5m，襯砌后內徑7.50m。斜井襯砌主要包括斜洞段上、下彎段，斜洞段直段及部分埋管段;斜井與水平方向成20°夾角，樁號7+881.917m～7+048.245m。斜井工程見圖1所示。

圖1 斜洞段工程縱剖面

2 總體施工方案的確定

斜井段工程屬大坡度混凝土施工，面臨裂隙水和外部水流入的影響，施工難度較大、技術要求高，根據國務院南水北調辦公室工期總體要求，2011年12月31日全面完工，工期尤為緊張。通過對組合鋼模板+滿堂架、鋼模臺車、全斷面針梁臺車三種混凝土澆筑施工方案的反復論證和比較分析，決定采用全斷面針梁臺車混凝土澆筑施工。該施工方案工藝先進、節約材料和勞動力，施工成本較低，并能在確保安全和質量的前提下，加快施工進度，保證工程質量。

3 施工方法

3.1 施工邊界條件

3.1.1 斜洞段工程與水平方向成20°夾角，開挖直徑為8.9～9.5m，襯砌成型直徑為7.5m，襯砌厚度為60～80cm，根據設計圖紙施工要求采取全斷面施工。

3.1.2 為確保工程施工進度，保證施工質量，減小安全隱患，擬定采用長度9.0m全斷面針梁臺車，經過改進后用于本斜井一次澆筑成型，因此洞內布置復雜，主要設施包括:鋼絲繩滑輪組、平板臺車+礦用絞車系統、后期溜槽系統、排水設施等。

3.1.3 全斷面針梁臺車主要相關參數:針梁長22.960m，模體長9.0m，斷面直徑7.52m;針梁臺車總重96t，模板總成、梁框總成、行走機構、抗浮裝置及托架幾大部分自重約66t，針梁重30t。

3.2 針梁臺車主要技術參數

鋼模直徑φ7.52m;針梁長度22.96m;理論襯砌長度9.0m;額定電壓380V;油泵為GBY2016，Q=16.4ml/r;油泵電機為Y160M－4，P=7.5kW，n=1440r/min;搖擺針輪減速器為XWD8－43－11(帶制動);液壓系統工作壓力為20MPa。

3.3 針梁臺車行走原理

用于平洞段的針梁臺車，其行走原理是:安裝在針梁臺車上的兩組鋼絲繩分別繞過針梁端部及梁框上的滑輪，固定在針梁兩側，針梁和鋼模互為支點相對運動使臺車前進。脫模之前，收縮底座油缸，旋吊底座，針梁下面軌道落在底模行走輪上，開動卷揚機使針梁向前移動，到位后放下底座，油缸頂在針梁上然后脫模。脫模后，開動卷揚機使其反方向運動，鋼模即向前移動。

3.4 針梁臺車的改進

經調查，隧洞針梁臺車在20°坡度斜井混凝土施工中屬國內外首次應用。南水北調東線穿黃隧洞斜井段工程坡度較陡，平洞襯砌所使用的針梁臺車在斜井混凝土施工中行走是一大需解決的技術難題。因此，為確保針梁臺車在斜井混凝土澆筑施工中的安全行走，需要根據針梁臺車在平洞段的行走原理對其進行改進。

3.4.1 針梁部分移動力學分析及改進

針梁臺車的針梁部分重30.0t，在斜井混凝土施工中它的受力狀態可參見圖2。

圖2 針梁部分移動力學計算簡圖 (單位:mm)

根據圖2的受力分析，針梁移動牽引力計算公式為:F=G+f

其中，下滑分力G=Wsina=30×sin20°=10.26t;摩擦力f=μP，P=Wcos20°=30×cos20°=28.19t。鋼與鋼之間的滑動摩擦系數μ=0.05～0.1，取0.075，故f=0.075×28.19=2.11t。

針梁部分移動牽引力F=10.26+2.11=12.37t，考慮2.0安全系數(取于考慮其他綜合因素)，故針梁部分向上移動需牽引力12.37×2.0=26.74t。

因此，結合受力分析情況，需改進針梁臺車原導向機構，將導向機構原有4根鋼絲繩滑輪組改進為8根鋼絲繩滑輪組。轉換后需牽引力26.74÷8=3.34t＜5t，原配置卷揚機滿足要求。導向機構改進詳見圖3和圖4。

圖3 導向機構改進平面圖 (單位:mm)

圖4 導向機構改進縱斷面圖 (單位:mm)

3.4.2 模體部分移動受力分析及改進

模體部分主要包括模板總成、梁框總成、行走機構、抗浮裝置及托架等，總自重66t。在襯砌過程中，其他附加荷載主要包括走道、木板、施工人員、粘結混凝土等，共計約15t。模體的總重量為66t+15t=81.0t。模體部分移動所需牽引力計算簡圖見圖5。

圖5 模體部分移動力學計算簡圖 (單位:mm)

根據圖5受力分析，模體移動牽引力計算公式為:F=G+f

其中，下滑分力G=Wsin a=81×sin20°=27.70t;摩擦力f=μP，P=Wcos20°=81×cos20°=76.12t。鋼與鋼之間的滑動摩擦系數μ=0.05～0.1，取0.075，故f=0.075×76.12=5.71t。

模體部分向上滑移動牽引力F=27.70+5.71=33.41t，考慮2.0安全系數(取于考慮其他綜合因素)，故模體部分移動需牽引力33.41×2.0=66.82t。

經過受力計算分析，需針對模體部分進行改進。模體部分移動主要依靠在模體框架兩側中心位置安裝動滑輪組，通過滑輪組連接井口錨固的“Π”行梁，借助外設卷揚機對模體牽引，使其外橫框梁桁架沿針梁向前運動。具體詳見圖6，圖7，圖8。

4 結語

改造后的針梁臺車，在南水北調東線穿黃隧洞工程斜井段混凝土襯砌中得到了成功應用，避免了采用滿堂架模板進行襯砌的落后工藝，明顯加快了施工進度，降低了施工成本。本次對針梁臺車的改進及成功應用為類似斜井混凝土澆筑全斷針梁臺車的設計、施工提供了借鑒經驗，拓寬了全斷面針梁臺車的應用領域，不僅能應用于水平隧洞襯砌，還可應用于斜井工程混凝土襯砌。