新型输水隧洞衬砌模板台车设计与应用探讨

王树林，王 鸿

（1.水利部山西水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

1 工程概况

山西省中部引黄工程位于该省西部山区，是该省 “十二五规划”大水网建设中的一项重点工程。该工程主要建筑物包括泵站1座、埋涵6段、倒虹2座、渡槽2座、地下式分水闸5处、地面式分水闸7处，输水隧洞全长381.34 km。

扬水泵站位于保德县境内黄河天桥水电站上游1.44 km左岸枣林沟口。泵站设计7台机组，总装机容量9 600 kW。泵站进水池最低水位829.47 m，出水池设计水位1 027.03 m，扬水管为直径3.6 m的压力钢管，设计提水流量23.55 m3/s，扬程200 m。

中部引黄工程主要任务是解决忻州、吕梁、临汾和晋中4市17个县 （市、区）的工农业生产及生活用水。工程建成后，年引水量6.02亿m3，受益人口达320多万人，可新增灌溉面积10万hm2。

2 输水线路

中部引黄工程输水线路由总干线、东干线、西干线及3条供水支线组成，在平面上呈树枝状分布，线路总长384.5 km。

总干线由扬水泵站出水池出口开始，经保德县、兴县、临县、方山县、离石区，到中阳县邢家岭分水闸为止，全长200.22 km。共分4条隧洞，最大埋深610 m。

东干线从中阳县邢家岭分水闸起，向南延伸至孝义县下水棠分水闸止，全长28.76 km，全部为隧洞，最大埋深693 m。另外，东干线从孝义县下水棠分水闸开始分两条供水支线，分别进入汾孝介和交汾灵，汾孝介支线长14.97 km，交汾灵支线长51.25 km。

西干线从邢家岭分水闸起，向西南方向延伸，经石楼县、柳林县，到隰县下王庄的十字分水闸止，全长85.70 km，隧洞长85.59 km，最大埋深694 m。从下王庄十字分水闸起设蒲大供水支线，支线长3.6 km。

3 输水隧洞设计

根据输水线路沿线不同地质条件，隧洞采用了城门洞形、圆形和马蹄形3种断面形式，即隧洞埋深较大且围岩类别为Ⅳ、Ⅴ类时，采用圆形断面；埋深较小且围岩类别 “小于IV类”或 “II、III类”时，采用城门洞形断面；在土质洞段，采用马蹄形断面。各种形式隧洞在输水线路中的长度见表1。

表1 输水隧洞断面形式统计 km

从表1可见，中部引黄输水隧洞总长381.34 km，占线路总长的99.2%。其中，城门洞形断面应用较为普遍，长达305.15 km，占输水线路总长的79.4%；圆形断面主要分布于总干线与东干线，长67.86 km，占输水线路总长的17.6%；马蹄形断面主要分布于总干线隧洞中，汾孝介和交汾灵支线也有少量分布，共长8.33 km，占输水线路总长的2.2%。

输水隧洞的大小主要由引水流量决定，城门洞形和马蹄形隧洞的主要尺寸分别见表2、3。总干线3号隧洞圆形断面设计洞径为4.3 m，4号隧洞为4.1 m，东干线隧洞为3.2 m。

4 隧洞模板设计

当前，在国内水利水电输水隧洞衬砌施工中，对于圆形断面输水隧洞混凝土衬砌模板主要采用全断面针梁式衬砌模板和穿行式全断面衬砌模板。城门洞形隧洞衬砌方式则通常采用拱架和人工组装模板施工，这种施工方法既费时又费工，施工速度慢，还经常出现错台、蜂窝麻面等质量缺陷，为了解决这些问题，在中部引黄工程城门洞形隧洞衬砌模板设计时借鉴了全断面针梁模板台车和穿行式全断面衬砌模板台车的技术，并考虑到马蹄形和圆形输水隧洞衬砌施工需求，经室内多方案的模拟试验对比，最终设计出一套既能适用城门洞形断面，也能适用马蹄形和圆形断面隧洞混凝土衬砌的新型模板台车施工技术。

表2 城门洞形输水隧洞断面设计参数

表3 马蹄形输水隧洞断面设计参数

4.1 模板台车结构及特点

输水隧洞模板台车结构由模板框梁、面板、正反顶丝和移动轨道四部分组成，现以总干线隧洞3种断面形式尺寸为例对新型模板台车进行介绍，模板台车结构设计见图1。

本项目隧洞模板台车的设计，同全断面针梁式衬砌模板台车、穿行式全断面衬砌模板台车和边顶拱轨行式衬砌模板台车相比，在液压自动化方面略为逊色，但在其他方面具有明显优势：

（1）结构简单、制造方便、造价低廉，可通过不同面板相互组合，适用多种断面形式，可大幅提高模板重复利用率，大幅度降低模板的使用成本。

（2）采用不同型号槽钢通过焊接组成模板框梁，再通过自制正反顶丝联接面板，使得模板支撑与脱模自如，机械故障发生几率很低。避免了如针梁模板台车等常因自动液压系统出现故障，极易造成停工的情况。

（3）通过模板台车滑轮和移动轨道，机械化移动，实现了不间断循环向前施工。

4.2 模板台车工作原理

本项目模板台车以框梁为基本结构单元，通过连接不同形式面板，便可适应不同断面形式和不同大小隧洞模板的需求。通过调整正反顶丝，可实现支模与脱模。

图1 新型模板台车结构示意（单位：mm）

4.3 模板台车结构设计与制作

4.3.1 模板框梁

模板框梁是模板台车在隧洞混凝土衬砌时的主要受力构件。其结构可由普通槽钢焊接而成。框梁的尺寸，根据隧洞洞径大小来确定，对于圆形隧洞，其宽度可取洞径的1/2；城门洞形，宽度可取洞宽的2/3。槽钢的截面选择通过计算确定。

以中部引黄工程总干线输水隧洞4.3 m洞径为例，模板下部纵向框梁采用 [20槽钢，其他构件采用 [10槽钢，滑轮尺寸为φ20，槽钢框里间距为0.8 m，框梁组件单节长5 m，总长10 m。模板框梁横断面见图2。

图2 模板框梁横断结构（单位：mm）

4.3.2 面板设计

模板台车城门洞形面板由左右对称的两组面板组成，每组面板包括1块弧形面板和1块直墙面板，弧形面板要根据城门洞形断面设计半径与顶拱中心角度加工，直墙面板根据直墙段设计高度加工；圆形和马蹄形面板均由左右对称的两组四块面板组成，两组面板尺寸、形状均相同。具体尺寸可根据设计圆形半径或拱顶半径、内缘半径决定。

面板受力框架选用 [6槽钢焊接，采用厚5 mm钢板作为面层。面板受力框架间距0.6 m。面板钢板与受力框架在卷板机上成型。

4.3.3 面板的联接设计

面板与面板之间采用铰接，面板与框架采用正反顶丝和铰接联接。正反顶丝是模板主要受力杆件，圆形、马蹄形断面可选用7条φ25的粗螺纹螺栓，城门洞形断面选用9条φ25的粗螺纹螺栓。面板连接见图3。

图3 面板连接示意

4.3.4 模板台车运行

模板台车运行移动可采用轨道行式运行方案，轨道安装在预先已浇筑的底板混凝土上，并通过预埋螺栓加以固定。轨道可采用轻型钢轨。

5 隧洞模板台车的工程应用

（1）模板台车的现场组装与定位。模板台车在使用前应进行各部件的组装，组装场地可根据施工现场条件决定。一般选择在洞口组装，面板安装可采用吊车吊装。模板台车现场操作时，应在每仓钢筋工序完成之后通过轨道运行准确到位，再通过正反顶丝调整螺栓，保证模板支撑到位，达到设计洞径、洞形要求。操作顶丝应由上而下进行，并保证模板平直无错合、无缝隙后，方可进行混凝土浇筑施工。

（2）隧洞混凝土浇筑施工。隧洞混凝土浇筑时一般采用混凝土罐车运输，混凝土通过地泵与泵管将混凝土送入仓内。进料时须保证模板两侧混凝土均匀上升，混凝土振捣采用平板振捣器与软轴振捣器相互配合及时进行振捣，以确保混凝土浇筑密实。

（3）模板台车模板的脱模。当混凝土浇筑完成后，强度大于80%时，通过面板与框梁之间的正反顶丝和调整螺栓脱模。从上到下进行，使模板在顶丝和调整螺栓拉力作用下自动脱离混凝土。

6 结语

山西省中部引黄工程模板台车结构设计科学、用途广泛，既适用于圆形和马蹄形断面输水隧洞的衬砌，更适用于城门洞形输水隧洞的混凝土衬砌施工。且造价低廉、结构简单、制造方便、操作灵活可靠，它既可适用于大中型水利水电输水隧洞工程建设，更适合于小型水利水电输水隧洞工程建设，值得推广应用。

［1］冀生贵.全断面针梁式钢模板在隧洞混凝土衬砌中的应用［J］.水力发电， 2001（2）:38-40.

［2］顾华，卢兴金.机械式针梁钢模台车结构设计［J］.水利水电技术， 1996（11）:23-25.

［3］谢崇林.变断面液压模板台车在地铁隧道中的应用［J］.铁道建筑， 1993（3）:13-16.