单向工作面布置四台钢模台车在隧洞衬砌施工中的应用

宋金波 强勤国

(葛洲坝集团第六工程有限公司 厦门 361000)

1 工程概况

波波娜水电站位于新疆和田地区喀拉喀什河上，为引水式电站。波波娜水电站工程由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成，为中型Ⅲ等工程。总库容398.65万m3，电站总装机容量150MW，多年平均有效发电量6.66亿kW·h。

发电引水系统布置在河道右岸，主要由进口引水渠、进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、岔管、支管组成。引水系统采用一洞三机联合供水的布置型式。整个引水隧洞段长11.627km，洞型断面设计为两种:圆形断面及马蹄形断面。圆形断面洞径为5.4m;马蹄形断面腰线以上顶拱部位设计为洞径5.4m的半圆形状，边拱部位设计为半径5.4m、圆心角为30°的圆弧形状，底板部位设计为平面形状。边顶拱混凝土衬砌厚度0.4m，衬砌后的断面轮廓尺寸为3.953m×5.4m。

四台钢模台车即应用于2.2km长的单向工作面的直段马蹄形断面范围内。

该工程已于2011年4月10日投入使用，首台机组正式并网发电，截至目前，三台机组运行正常，已取得良好的社会与经济效果。

2 工程特点

因洞内频繁塌方，造成前期进度滞后较为严重，为促进衬砌混凝土施工进度水平，通过认真论证，该工程尝试在单向工作面投入四台刚模台车开展施工。

3 四台钢模台车构造及布置方案

3.1 台车构造

钢模台车为轨道式边顶拱衬砌台车，是以电机驱动行走机构带动台车行走，利用液压油缸和螺旋千斤顶调整模板到位及收模的隧洞混凝土成型设备(见图1)。

台车由模板总成、托架总成、平移机构、门架总成、主从行走机构、竖向液压油缸、侧向支撑千斤顶、托架支撑千斤顶、门架支撑千斤顶等组成。

模板由一块顶模、两块边模构成横断面，顶模与边模通过铰耳轴连接。每节模板宽1.5m，纵向由8节模板构成12m衬砌长度。模板纵向由螺栓连接。模板上开有呈品字形排列的工作窗口，顶部安装有与输送泵接口连接的注浆装置。模板板厚10mm，次梁采用75×6的角钢，间距250mm。为保证模板顶部受力强度，模板每节中部均设置了加强弧形拱板。

门架设计为单层钢架，是台车的主要受力部分，由横梁、立柱、上下纵梁通过螺栓连接而成。台车行走有两套机械传动装置，通过一级齿轮减速器和两条链条减速后驱动台车在铺设的轨道上完成行走。为实现两套驱动装置同步，采用两台电机同时起动，电机可正、反转运行。模板的收分主要通过液压系统控制进行，模板的支撑通过模板通梁上的丝杆千斤顶控制。

台车主要技术参数如下:

台车类型:液压自行式。

最大外型尺寸:16.464m×5.44m×5.42m(长×宽×高)。

门架净空尺寸:2.8m×3.85m(宽×高)。

台车运行速度:8m/min。

驱动电机功率:2×7.5kW。

主动轮总数:2×2个。

图1 钢模台车横断面图

液压电机功率:7.5kW。

3.2 四台钢模台车布置方案

引水隧洞混凝土衬砌每仓标准长度为12m，施工中采用先全部完成底板混凝土衬砌施工，再利用钢模台车进行边顶拱混凝土衬砌施工方式。四台钢模台车在洞内纵向一字布开，施工中采用跳仓浇筑。

按照进洞方向对四个台车依次编号为:1号、2号、3号、4号，为了避免四台台车之间相互干扰，台车备仓、浇筑严格按照1号、2号、3号、4号台车的先后顺序循环开展备仓、浇筑。施工中采用一跳三仓，即1号台车负责第4仓、第8仓、第12仓，2号台车负责第2仓、第6仓、第10仓，3号台车负责第3仓、第7仓、第11仓，4号台车负责第1仓、第5仓、第9仓。

如此布置，既克服了四台台车的相互干扰问题，形成了有序施工，便于现场组织，又使1号、2号台车始终作为两头封堵钢模台车、3号、4号台车始终作为补空档仓位钢模台车。

钢模台车设计制作中也遵循了上述施工要求。为满足台车跳仓浇筑要求，可在标准台车每端部拼装长0.2m、厚10mm的搭接端，以满足仓位的标准长度要求。

图2为四台钢模台车布置及浇筑顺序示意图。

图2 钢模台车布置及浇筑顺序示意图

4 平行流水施工作业及洞内布置

为充分发挥四台台车施工工效，必须创造出四台台车平行备仓、台车与台车之间达到连续浇筑的工效水平。即四台台车之间的混凝土浇筑工序作业形成流水线作业，在单台台车开展浇筑工序作业的同时，其余三台台车可开展平行备仓作业。

利用四台台车施工，即混凝土浇筑工序时间为整个混凝土施工的直线工期时间，其他工序时间均为平行备仓时间。

为了创造平行流水施工条件，洞内布置应注意如下事项:

a.四台台车按照一跳三仓进行施工，按照12仓(12m/仓)距离作为一个循环段，为保证混凝土泵车不影响四台台车的行走，混凝土泵车应布置于12仓距离之外，泵管水平输送距离以控制在200m之内为宜。每完成一循环段(12个仓位)即对混凝土泵车进行迁移一次。

b.为克服四台台车备仓浇筑过程中的相互干扰问题，四台台车应严格按照仓位划分及台车先后顺序进行有序施工。

c.为克服钢筋制安与四台台车施工的干扰问题，应根据现场条件制作满足混凝土搅拌车穿行的钢筋台车，并始终达到钢筋制安超前边顶拱混凝土衬砌施工部位及混凝土泵车布置部位。

5 工艺流程

工艺流程见图3。

图3 工艺流程

6 施工方法

按照12仓距离作为一循环段，开展平行流水作业施工。采用跳仓、泵送入仓浇筑。

6.1 钢模台车洞内安装

钢模台车安装在已完成底板混凝土浇筑部位进行。为便于安装，安装前工作面不应绑扎边顶拱钢筋，并应对安装部位的顶拱部分进行适当扩挖，以满足安装空间要求。

安装主要通过在顶拱部位增设起吊锚杆，利用手拉葫芦进行。同时，为了便于材料的转运，应辅助利用ZL30装载机配合。具体安装流程为:测量放线→铺设、固定轨道→行走装置及下纵梁安装→门架安装、加固→平移小车安装→托架纵梁安装→顶模安装→左、右边模安装→辅助支撑件及电路、油路系统安装。

因钢模台车均设计为构配件、螺栓连接，安装起来相对方便。为保证安装精度，施工中应重点控制以下误差指标:

a.轨道中心距误差不得大于10mm;轨道高程误差不得大于20mm;轨道中心与隧洞中心误差不得大于20mm。

b.行走轮中心应与轨道中心相重合，且误差不得大于5mm。

c.门架下纵梁及托架纵梁(上纵梁)中心线对角线长度误差不得大于20mm。

台车重量约55t，根据现场工效，一般10天内可以完成一台台车的安装。

6.2 边顶拱钢筋制安

边顶拱钢筋制安利用现场制作的门架式钢筋台车进行作业，钢筋台车利用型钢制作，单长6m，安装行走轮，便于人工迁移作业，现场共制作4台。

钢筋焊接采用单面电弧搭接焊，钢筋设计为双层，采用先安装外弧、再安装内弧钢筋的顺序进行作业。一个仓位设计240个焊接接头，一班配置3台电焊机、10人，1天可完成一个仓位的作业。

为满足四台台车快速施工条件，边顶拱钢筋制安在台车安装前应超前安装20个仓位距离，并在台车安装及混凝土备仓、浇筑时段开展平行作业，保证钢筋制安工序不影响直线工期时间。

6.3 钢模台车行走及就位

台车安装、调试完毕后，即满足了台车行走条件。台车行走前，轨道应铺设到位，该工程轨道选用P43kg/m型钢轨，高度140mm，支撑在18号槽钢上。台车就位前，应首先让液压系统按照下列步骤操作:

a.操作多路换向阀手柄，让侧向油缸收回，使下模(边模)总成收回。

b.收回竖向油缸，使上模(顶模)总成下降，在油缸动作前，要缩回相应的托架支撑千斤顶。

c.旋回门架基脚千斤顶，使其离开轨面。

d.操作台车行走电器按钮，使台车在电机牵引下行走。

e.台车就位后，缩定行走轮，旋出基脚千斤顶撑紧钢轨，防止台车移动。

台车行走、就位约需2h。

6.4 钢模台车立模

台车行走至衬砌位置、钢筋工序验收后，即可开始立模工作。台车立模按照以下步骤操作:

a.操作多路换向阀手柄，让平移油缸工作，在测量人员的配合下，通过左右调节，使模板外形中心线与隧洞中线重合。

b.操作多路换向阀手柄，让竖向油缸工作，升降调节，使顶模总成外形达到设计要求。

c.操作多路换向阀手柄，让侧向油缸工作，升降调节，使边模总成外形达到设计要求。

d.台车模板外形达到设计要求后，将托架支撑千斤顶撑紧托架纵梁。将侧向支撑千斤顶旋出，撑紧千斤顶连接梁，以至达到模板总成结合密贴。

e.模板外形轮廓到位固定后，即可开始进行环向止水带安装及堵头模板的立模工作。堵头模板采用3cm厚度层板，四周围囹采用10cm×10cm方木。模板固定时，一端通过加工的角钢作为环向围囹，以螺栓连接固定在台车上，另一端通过墙壁锚杆固定，适当位置设置拉条与内部钢筋点焊连接。

根据现场情况，钢模台车立模8h可以完成。

6.5 边顶拱混凝土浇筑

现场采用1m3拌和楼拌料，8m3混凝土搅拌车开展混凝土水平运输，80m3/h混凝土泵车泵送入仓，用φ50软管振捣棒及附着式振捣器振捣的工艺开展边顶拱混凝土浇筑。

混凝土入仓通过台车上设置的工作窗口及注浆口进行。下料本着由远而近、自下而上、对称下料的原则进行。根据台车设计要求，混凝土浇筑速度应控制在1.2m/h之内，两侧的下料高差控制在50cm之内。

考虑混凝土的超填量，每仓混凝土的实际方量为120m3，平均浇筑能力为15m3/h，每仓的实际浇筑时间为8h。

6.6 钢模台车脱模、刷油

钢模台车待强12h后，即可以脱模。脱模流程如下:

a.拆除台车周边的堵头模板，启动液压站工作。

b.收回侧向千斤顶，操作换向阀手柄，缩回侧向油缸，收回边模总成，使其离开混凝土。

c.收回竖向托架支撑千斤顶，操作换向阀手柄，缩回竖向油缸，收回顶模总成，使其离开混凝土。

d.停止油泵电机，清理台车，即完成了台车的脱模。

e.模板清理、刷油主要通过在超挖断面较大的仓位处提前在端部预留1m宽度范围不绑扎钢筋的部位进行，通过台车的前后移动配合人工开展清理。

以上工序约需6h。

7 工效分析

单台台车按照台车行走与就位2h、立模8h、混凝土浇筑8h、待强12h、脱模与刷油6h计，一个循环流程的时间为36h。

因现场按照四台台车布置，除混凝土浇筑的8h在关键线路工期时间上外，剩余28h内均可以平行安排其他台车的备仓与浇筑工作。故利用四台边顶拱衬砌台车，混凝土衬砌的理论强度能够达到36h完成四仓边顶拱混凝土衬砌(约2.67仓/天)的工效水平，月最高强度水平能达到80仓的工效水平。

同时考虑施工的不均衡性及运距长短不一，通过加强现场组织管理，实际月最高工效水平能够达到87仓。

8 结语

a.波波娜水电站于2010年8月5日开始进行首仓边顶拱混凝土衬砌施工，12月一个月内通过加强现场组织管理，实现了单月87仓的工效水平，创造出波波娜水电站隧洞单月衬砌混凝土施工最高纪录，确保了发电工期目标的提前实现。

b.该工程具有工期紧、施工任务重、洞内空间狭窄、仅有一条单向交通的特点。在中小型断面隧洞衬砌中，单向工作面布置四台钢模台车尚属少见。为满足工期要求，该工程采用四台钢模台车施工，取得了良好的施工工况效果，可为类似工程提供借鉴。■