新型浮力自平衡式全断面衬砌台车在暗涵施工中的应用研究

李华

（黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000）

1 工程概况

南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）西四环暗涵设计流量为30m3/s，加大流量为35m3/s，本标段全长1857.893m，为双线隧洞。采用浅埋暗挖法施工，暗涵为外径ф5200mm、内径ф4000mm的圆形，其初期支护为300mm厚C30喷射钢筋混凝土，二次模注结构为C30W8F150的防水钢筋混凝土。该区间段暗涵左右线全部穿越砂卵石地层，施工中遇到最大的卵石达700 mm。

由于是输水暗涵，且地面建筑物较多，所以要求衬砌一次浇筑成型，以减少结构防水的薄弱环节。为了在施工技术上有所突破，设备方面，除了采用比较成熟的全园穿行式台车，还自行研制了一种浮力自平衡式全断面衬砌台车。本文简要论述新型浮力自平衡式全断面衬砌台车的构造、工作原理及施工工艺。

2 浮力自平衡式台车施工技术

2.1 浮力计算原理

浮力自平衡式模板台车借鉴了盾构管片的结构形式，充分利用了砼浇筑过程中产生的浮力。灌注前模板台车的重量由环模下部的销柱来支撑，当砼灌注到一定高度时，拔出销柱，利用砼的自浮力支撑模板台车。销柱的抽出时机应选在局部商砼液面提高至其产生的浮力足以支持住钢模自重时。结合图1，由浮力计算公式可知：

其中：G-模板轴向单延米自重；A-轴向单延米长模板表面积；ρ-商混密度；h-商混在浇筑中的液面高。

h值可很容易求出，当钢模加工完成后自重即为已知，再加上外部载荷，即可得出G值。用上式求出h值，即为下部销柱的抽拔时机，这一环节可在浇筑过程中，由振捣窗观测掌握。

图1 模板受力图

本台车特点是重量轻，结构简单。台车自带模板拆装设备，能够实现半机械化操作，具有拆装速度快，安全性能高的优点。在局部进行模板的拼、拆工作，每次拼装的构件重量相对比较小，所以对已施工完的防水板及钢筋的保护工作十分有利。

2.2 构造

（1）主体结构为环状散拼模板：按二衬的设计要求每次浇筑10m计，故钢模板设计成每仓10.7m（其中有一环是嵌在已浇注二次衬砌内），共由11环环状钢模组成。每一环钢模板分为7块：圆心角 60°的4块，56°的 2 块，8°的 1 块（为楔形块，便于拆、装），见图2

经过计算：模板面板厚采用6mm厚钢板，肋板采用10mm厚钢板卷制而成，模板的径向和轴向联接使用M14铰孔螺栓连成一个整体。这样模板本身就可以承受砼浇筑时产生的压力，不用再加拱架支撑体系了。

（2）模板在初衬结构中的定位：依靠安装在每环模板上面的抗浮力可调整、收缩支撑柱（以下简称：销柱）来完成。销柱直径Ф100mm，由无缝钢管（为的是减轻自重）制成。每一环模板上共设置了8根销柱（如上图），下面的销柱主要用于定位和承重，上面的销柱用于定位和抵抗浮力。每一根销柱都可以抽回并由销钉定位，定位后，销柱的下端面将与模板外圆弧面平齐，成为封堵面。销柱结构见图3。

（3）模板的装拆：由安装于环模之中的台车来完成。台车的前后端分别装有两台模板拆装装置（以下简称：机械臂），该机械臂可绕轴作360°旋转。转盘上的油缸用来举升模板。台车的自重由下部两块模板提供支持，该模板上装有轻型钢轨，台车在该轨面上沿隧道的轴向行走。行走动力来自安装在台车下面的一台油缸。该机械臂转盘的驱动马达使用了外制动器，油缸使用了双向液压锁，用以保证操作时的安全。

（4）模板的前后输送由装在台车上面的滑车来完成，滑车无动力装置，由人力完成。

（5）模板的端头封堵：由一环较窄的模板来完成。该环模板不在11环之数内。它的功能是封堵端面，固定环向橡胶止水带，利用12点丝杠千斤顶顶住初衬结构，用来作为模板台车在销柱全部收缩之后的定位之用。

（6）“水”字支撑模板的组合、紧固全部完成之后，在环模内施以“水”字型支撑，该支撑杆使用Ф80水煤管，节点处锁紧，以提高支撑杆的稳定性，环模内共设10组米字支撑，支撑牢固之后方可浇筑混凝土。

（7）砼注入口设置在偏前端位置，意图是使商混在模板外呈斜面堆积长高，使商混以上的空气沿一个方向排出，不至于出现困气造成空鼓。为进一步保证排气顺畅，在两侧纵向止水带上方，对应模板上予置放气孔管，原理类似潜望镜，让止水带被混凝土包严包实。浇筑时以该管出浆，并达到一定的封拱压力，作为撤除该管的抽拔时机。

（8）预留环模：每一仓的11环钢模之轴向浇筑长度为10m，其中两个端头位置环模的宽度（轴向长度）为73cm，中间的9套环模每套宽度（轴向长度）为103cm，全长共1073cm。使用中每完成一仓混凝土浇筑后，翻模时均留一仓（73cm）不拆，作为下一仓的固定支持点，同时也利用这一环模完成水平或铅直方向的折角。

2.3 施工工艺

（1）上一仓混凝土浇筑完毕，6小时后拆掉堵头模板，开始绑扎下环钢筋。钢筋验收完毕之后，开始进行模板拆装。

已浇筑完毕一仓的最后一环不拆，作为下仓的起始。从第二环模板开始，模板由后端机械臂拆掉后进行打磨，打磨后用模板运送滑车送到台车前机械臂下进行安装，每一环模板安装都和前一环用螺栓进行安装，同时也进行了定位。随着每环模板的安装，台车就前进一环。后端模板拆完之时，前端模板也即安装完毕。

（2）两端封堵（第一仓），钢模加固（米字支撑）。

（3）接泵管、开始浇筑。由下部观测抽拔下销柱，并加强销柱部位的振捣，商混液面没过振捣窗后即开启上部附着式振捣器，抽拔上部销柱。放气孔部位出浆即抽出放气孔管，商混液面达到端封观测孔时即关闭观测孔。适当加压、至端封板顶部见浆止，封堵注入孔，拆卸管道。清洗商混输送管，清理现场。

（4）混凝土浇筑：在环模两侧开10对振捣窗，振捣窗以下部分的振捣用插入式振捣器，由操作工人解决；振捣窗以上的部位由附着式振捣器解决。

2.4 各工序时间（见表2）

表2 各工序时间表

3 经济效果、质量及施工安全分析

3.1 经济效益比较

（1）设备造价：全断面穿行式液压衬砌台车的总重量约为40t，再加上液压系统，造价为30-40万元/套；而浮力自平衡式模板台车的重量约为20吨，加上两套机械臂，造价则为20-30万元/套，后者能节省近1/3的资金投入。

（2）节省劳动力：两相比较，全断面穿行式液压衬砌台车铺设底模时需劳动力即为比浮力自平衡式模板台车安装时多出的劳动力，大概为8人工作一天。

（3）工效增加：全断面穿行式液压衬砌台车衬砌速度为10m/4d，每月可完成70m左右；浮力自平衡式模板台车衬砌速度为10m/3d，每月可完成100m左右，后者每月可增加30m工程量。

3.2 施工质量比较

衬砌砼表面板逢整齐划一，平面平整，拱圈衬砌轮廓圆顺；

3.3 施工安全比较

由于浮力自平衡式模板台车的支撑系统比较简单，操作空间比较大，所以施工过程当中的安全性较高。

[1]南水北调中线干线工程建管局，南水北调中线干线工程京石段应急供水工程（北京段）西四环暗涵浅埋暗挖施工技术导则（试行）2005

[2]水利水电工程施工手册编委会，水利水电工程施工手册，混凝土工程。北京中国电力出版社2005