液壓升降臺車在特大斷面隧洞施工中的應用

吳 桃, 李 東 強, 陳 俊 宏, 周 偉

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 都江堰 611830)

1 概 述

近年來,大型水電站建設中引水隧洞主要以大斷面、特大斷面長隧洞為主,特大斷面隧洞施工時往往采取分層開挖[1]方式,根據不同水電站地質條件不同,采取的斷面尺寸、襯砌方式也不同。

巴拉水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市境內腳木足河上,其中引水隧洞工程(隧)1+592.430～(隧)6+307.430,全長4 715.0 m,引水隧洞為圓形斷面,Ⅱ類、Ⅲ類圍巖開挖斷面直徑為14 m、Ⅳ類圍巖開挖斷面直徑為12.9 m、Ⅴ類圍巖開挖斷面直徑為13.4 m,屬于特大斷面隧洞。引水隧洞主洞開挖采用分層開挖,先施工上半洞,上半洞施工完成后再施工下半洞,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖上半洞開挖高度9.1 m,Ⅳ類圍巖上半洞開挖高度7.65 m,Ⅴ類圍巖上半洞開挖高度7.9 m。

引水隧洞控制段主洞Ⅱ類圍巖頂拱270°范圍采用噴10 cm厚混凝土作為永久支護,底拱90°范圍澆筑C25F100W6混凝土,混凝土襯砌厚度60 cm;Ⅲ類圍巖頂拱270°范圍采用噴20 cm厚混凝土作為永久支護,底拱90°范圍澆筑C25F100W6混凝土,混凝土襯砌厚度60 cm;Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均為全斷面襯砌混凝土,混凝土強度為C25F100W6,其中Ⅳ類圍巖混凝土襯砌厚度80 cm;Ⅴ類圍巖混凝土襯砌厚度100 cm。

2 工程地質

此段隧洞為燕山早期中粒黑云母二長花崗巖,隧洞圍巖劃分主要是以隧洞沿線的地形地貌、隧洞埋深、構造裂隙的發育程度、風化夾層分布密度、優勢結構面走向與隧洞軸線的夾角以及地下水活動狀態等工程地質條件,隧洞上覆巖體厚一般為160.0～350.0 m,圍巖以灰白色中粒黑云母二長花崗巖為主,次為青灰色中細粒黑云母二長花崗巖,巖質堅硬,該洞段巖體風化夾層分布幾率總體較低。分布于火燒壩2號溝上游的Fx1斷層規模較大,斷層帶寬約10.0～15.0 m,影響帶寬度約25.0 m,產狀N30°～40°W/SW(NE)∠75°～85°。此外,小斷層、擠壓破碎帶等軟弱結構面時有出露,但規模均較小,破碎帶寬度一般<1.0 m,產狀與Fx1斷層基本相同,走向與洞軸線夾角較大。該洞段巖體風化卸荷微弱,節理面一般新鮮、閉合無充填,裂隙間距多大于40 cm,巖體較完整,呈塊狀—次塊狀結構,圍巖以Ⅲ類為主,Ⅳ、Ⅱ類次之,少量Ⅴ類,成洞條件較好。但局部發育的斷層、擠壓破碎帶和風化夾層等軟弱結構面強度較低,主要為Ⅳ類或Ⅴ類圍巖,穩定性差。

3 開挖臺車的優化

隧洞施工過程中,隧洞開挖臺車均采用自制臺車。根據設計施工藍圖,Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖高度比Ⅳ類圍巖開挖高度高1.45 m,Ⅴ類圍巖比Ⅳ類圍巖開挖高度高0.25 m,由于引水隧洞地質原因,圍巖變化較快,施工中經常出現Ⅲ類、Ⅳ類圍巖交替情況,正常情況下開挖臺車制作按Ⅳ、Ⅴ類圍巖高度考慮,Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖時需要將開挖渣料回填約1.5 m才能滿足開挖和支護要求,此工序往往會耽擱1～2 h,嚴重影響施工進度,同時,增加了機械和人工成本。

3.1 原隧洞開挖臺車

原隧洞開挖臺車主要按照Ⅳ、Ⅴ類圍巖高度考慮,Ⅳ類圍巖上半洞開挖高度7.65 m,Ⅴ類圍巖上半洞開挖高度7.9 m。臺車高度為5.9 m,長6.0 m。臺車門架(含側翼)主要由立柱、橫梁、斜撐及側翼組成,均采用I20 a規格的工字鋼。操作平臺采用焊接的鋼筋網片鋪設,鋼筋網片使用C14鋼筋,間距為80 mm(鋼筋網縱向每隔500 mm再焊接C22的鋼筋進行加固),并焊接牢固。臺車護欄使用Φ48的鋼管焊接,平臺護欄高1.2 m。

3.2 優化后的液壓升降臺車

為確保不同圍巖類別情況下上半洞開挖時底部開挖高程的連續性,項目管理團隊根據工程的施工特點及現場實際條件對此進行專題研究,重新設計開挖支護臺車。優化后的液壓升降臺車整體框架保持不變,主要增加實心輪胎以及液壓升降系統(含配套設施)。

優化后的液壓升降臺車主要由門架、操作平臺、實心輪胎及液壓升降系統組成。門架主要由立柱、橫梁和斜撐組成,均采用I20 a規格的工字鋼焊接。

3.2.1 門架

門架由立柱及橫梁焊接組成,焊接處使用三角鋼板0.3 m×0.3 m×1 cm(長×寬×厚)加強固定,臺車共4榀門架,門架立柱高3.96 m,橫梁長6.2 m,立柱與橫梁轉角處采用斜撐進行加固,斜撐采用I20 a工字鋼,中心位置長2.2 m,與立柱及橫梁形成標準的直角三角形。

3.2.2 操作平臺

改進后的液壓升降臺車從下往上主要分為四層操作平臺,其中第一層至第三層主要為臺車側翼操作平臺,第四層為一個整體操作平臺。

第一層操作平臺主要為臺車兩側的操作平臺,此操作平臺寬度為2.9 m,距離地面高度2.35 m。操作平臺下方設置伸縮桿,伸縮桿采用DN80無縫鋼管,鋼管插入側翼焊接好的帶有圓孔鋼板中就可以手動對鋼管進行伸縮。為便于后期插入伸縮桿,將在側翼(I20 a工字鋼)上焊接邊長為175 mm,厚為10 mm的正方形鋼板,為更好地貼合工字鋼邊緣將鋼板剪去約為長47 mm、寬22 mm的長方形,并在剪好角的鋼板上鉆半徑為45 mm的圓形孔,該圓孔與鋼板上邊緣相切。第一層圓孔鋼板間距725 mm,第二層圓孔鋼板間距667 mm。

第二層操作平臺同樣為臺車兩側的操作平臺,此操作平臺寬度為2.1 m,距離第一層操作平臺高度2.2 m。第一、二層操作平臺均可以通過伸縮桿進行折疊收縮,操作平臺上鋪設的鋼筋網片也制作成可折疊形式。為方便現場施工及臺車行走,同時確保操作平臺穩定性,在兩側操作平臺橫梁與立柱之間增加斜撐,斜撐采用I20 a工字鋼。第一層操作平臺斜撐工字鋼高的中心位置長1.5 m,第二層操作平臺斜支撐工字鋼高的中心位置長1.0 m,斜撐與門架立柱形成60°夾角,第一、二層操作平臺圓孔鋼板示意圖見圖1。

圖1 第一、二層操作平臺圓孔鋼板示意圖

第三、四層操作平臺為一個整體,位于液壓油缸上方,組成整個升降平臺。升降平臺鋼架與臺車門架相對應,升降平臺分三層工字鋼(I20 a)焊接。從下往上,第一層工字鋼全長7.6 m,并從兩端往中間焊接與第一、二層側翼相同的正方形圓孔鋼板,間距1.0 m,從兩端往中間數第四個鋼板不打孔,用于伸縮桿的擋板,防止過度收桿;第二層使用兩塊高為300 mm的墊塊(I20 a工字鋼立放)焊接位置在第三層工字鋼(長5.2 m)兩端。第三層操作平臺兩側寬度均為1.0 m。

第四層操作平臺為最上層操作平臺,尺寸為5.2 m×6.0 m(寬×長)。此平臺可通過液壓升降系統將其升降至合適的高度,滿足現場施工要求。

3.2.3 增加實心輪胎

原開挖支護臺車底板滑動采用兩根縱向I20 a工字鋼,使用裝載機推動行走,如遇底板不平整,行走較困難。同時,底板摩擦力較大,裝載機推行也比較耗時,對機械本身磨損較大。

優化后的臺車在臺車四周增加4組直徑為700 mm實心輪胎[2],實心輪胎2個為一組。前后車輪軸距為5.3 m,左右車輪軸距為6.0 m。臺車的門架立柱與實心輪組上的工字鋼焊接。采用實心輪胎主要有兩個優點:

(1)臺車行走速度更快,加快施工工序銜接,增加施工效率;

(2)臺車推動更加省力,減少機械磨損,間接降低施工成本。

3.2.4 增加液壓升降系統

液壓升降系統主要通過在臺車立柱上增加四個液壓油缸的方式。液壓油缸操作系統由廠家配套提供,液壓油缸采用140/70-1100型,缸徑140 mm,桿徑70 mm,液壓泵站壓力等級16 MPa,速比為1.33,最大推力為246 kN,即24.6 t。根據現場實測,升起或降低最大高度所需時間約2 min。

液壓油缸主要固定在臺車框架最邊緣四個立柱上,通過液壓系統操作桿對其進行升降工作。液壓系統操作設備主要固定在第一層操作平臺上。改進后,液壓升降臺車收縮狀態和液壓升降臺車升起狀態分別見圖2、3。

圖3 液壓升降臺車升起狀態

3.2.5 風水管安裝

為方便后續施工,臺車設計要考慮風水管搭接。第1榀臺車門架安裝風管,主要設置在第一層操作平臺下方立柱上,此處設置一個外接風管閥門,另在外接風管閥門旁設置1個主風管閥門接口,另一側立柱上設置2個副風管閥門接口;第一層操作平臺與第二層操作平臺之間同樣設置一個主風管閥門接口,4個副風管閥門接口,其中頂部兩個副風管閥門接口主要用于液壓升降臺車升高后風管與手風鉆連接。第2榀臺車門架安裝水管,其水管閥門接口位置與風管一致。

3.2.6 液壓升降臺車優劣

與原隧洞開挖臺車相比,液壓升降臺車主要有以下優缺點:

(1)缺點:液壓升降臺車投入使用后,需定期對液壓升降臺車的液壓升降系統進行檢查,發現問題及時進行處理;使用液壓升降臺車的施工人員必須進行安全學習和培訓后方可操作。

(2)優點:相對于原臺車方案,液壓升降臺車通過四個液壓油缸能夠靈活調整操作平臺高度,操作簡單,推行方便,升降行程平穩。

①Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖高度比Ⅳ類圍巖開挖高1.45 m,由于引水隧洞圍巖變化較快,施工中經常出現Ⅲ類、Ⅳ類圍巖交替情況,正常情況下臺車制作按Ⅳ、Ⅴ類圍巖高度考慮,Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖時需要墊渣才能滿足施工高度要求,嚴重影響施工進度。液壓升降臺車通過頂升或收縮四個液壓油缸使頂層施工平臺可以靈活調整施工高度,Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖時液壓油缸處于收縮狀態,Ⅲ類圍巖開挖時頂升液壓油缸,調整至適合開挖高度,這樣,使施工操作方便、靈活,大大節約施工工序和時間,從而縮短施工工期。

②升降操作平臺主要是通過液壓油缸的壓力傳動從而實現升降的功能,其液壓結構重量輕、體積小、運動慣性小、反應速度快,使升降機起升有較高的穩定性、寬大的作業平臺和較高的承載能力,使施工作業范圍更大并適合多人同時作業,它使高空作業效率更高,更能保障施工安全。

4 相關技術要求

(1) 工字鋼焊接不允許有裂紋、氣孔、焊渣[3]等,其焊接質量須滿足相關規范要求。

(2) 對所有入場材料,必須檢驗核對質保資料,并取樣進行試驗,填寫試驗報告。按驗收程序收貨后分類保管,做好標記保管好樣品。質量檢查記錄和試驗報告要隨樣品一起保存備查。對檢查驗收不合格的材料、成品和半成品,不得用于本工程中;焊接工序嚴格執行“三檢制”制度,確保焊接質量滿足要求。

(3) 臺車操作平臺高度均為屬于高空作業[4]范疇,施工過程中做好安全保障措施。

(4) 液壓升降系統需定期進行維護、保養[5],確保使用安全。

(5) 液壓升降臺車需派專人進行操作。

5 結 語

巴拉水電站引水隧洞工程通過將原來傳統的開挖臺車改為液壓升降臺車,解決了由Ⅱ、Ⅲ類與Ⅳ、Ⅴ類圍巖之間因開挖高度差較大(1.45～1.20 m)造成增加施工工序的問題,優化后的液壓升降臺車使Ⅱ、Ⅲ類圍巖及與Ⅳ、Ⅴ類圍巖漸變段開挖時每個洞挖支護循環減少時間約1～2 h,大大提高工作效率,降低施工成本,同時,增加施工安全保障。液壓升降臺車已在巴拉水電站引水隧洞開挖、支護中成功運用,為后續類似隧洞工程提供參考和借鑒。