液压伸缩万向移动衬砌台车研究与应用

孙会想，徐进鹏，王 霄，孙蒙雷，王鹏飞，曾 磊，何 鑫

(1.中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610000；2.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002；3.中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

1 工程概况

1.1 工程简介

白鹤滩水电站位于金沙江下游川滇两省交界处，总装机容量16 000 MW，是国家十三五规划重点工程，西电东送的骨干电源点之一。水电站规模宏大，左、右岸对称布置8台世界单机装机容量最大的100万kW巨型发电机组，电站建成后，将成为仅次于长江三峡，是世界第二大水电站[1]。

白鹤滩水电站地下洞室群规模巨大，在目前世界上已建、在建或拟建工程中位居前列[2]，引水隧洞、厂房、主变、尾水管检修闸门室、尾水调压室、尾水隧洞、灌排廊道、出线系统等众多洞室组成了复杂的洞室群，如图1所示。

图1 白鹤滩水电站地下洞室群布置示意

图2 右岸引水系统示意

图3 分仓平面示意

右岸引水系统压力管道采用单机单管竖井式布置，共8条。由渐变段、上平段、上弯段、竖井段、下弯段及下平段等组成，如图2所示。单条压力管道总长385.95～518.36 m，其中渐变段、上平段采用钢筋混凝土衬砌，钢筋混凝土衬砌长157.21～289.61 m；上弯段、竖井段、下弯段及下平段采用钢板衬砌，钢板衬砌总长228.74 m。上平段长150.526～279.655 m，在进口渐变段末端设置平面转弯，转弯半径20 m，转弯角度6.8°～14°，立面纵向坡度为2.655%～5.322%。上平段采用C25W10F100钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度1.0 m[3]。8条引水隧洞总长1 700.5 m，前段开挖断面为9 m×13 m马蹄形，后段为半径为5.5 m的圆形，中部被一条12 m×8 m的城门洞形的施工支洞横穿，支洞高度比主洞衬砌后高度小3.0 m。

1.2 施工流程

右岸引水上平段共分169仓浇筑，除转弯段、封堵段和钢管衔接段等有特殊设计要求的48仓洞段衬砌采用满堂排架浇筑外，剩余的121仓均采用钢模台车施工，台车施工衬砌占比71.6%(见图3)。根据上平段自身结构特点及施工支洞的位置，拟布置2台钢模台车同步施工，衬砌施工程序为9号→10号→11号(1号台车)、13号→15号→16号→12号→14号(2号台车)。

为便于设置台车轨道，每条上平段先浇筑底拱100°范围分层线以下3 m混凝土，再浇筑上部边顶拱(见图4)。底拱浇筑采用翻模工艺施工，边顶拱浇筑使用钢模台车。整体浇筑方向为从上游向下游。总体施工程序见图5。

图4 分层剖面示意(单位：m)

图5 上平段衬砌施工程序

为避免引水上平段边顶拱衬砌混凝土施工影响引水竖井压力钢管运输和安装，白鹤滩水电站右岸引水上平段边顶拱衬砌混凝土分两序实施。对钢管运输和安装无影响的施工支洞上游侧主洞衬砌为第1序，与引水竖井钢管安装同时施工；施工支洞下游侧主洞衬砌为第2序，待引水竖井压力钢管安装及混凝土回填完成后进行施工。因分两序施工，且经施工支洞分割后，主洞每序同时浇筑的仓位少，衬砌台车在主洞间转移安拆次数多，对上平段衬砌混凝土的施工质量、进度、安全和成本影响较大。为此，研制出一种适用于变断面隧洞衬砌施工的液压伸缩万向移动台车，通过压液系统将台车收缩至足够小并依靠万向行走系统快速横移至相邻隧洞就位，避免台车和模板频繁拆装，对确保引水上平段衬砌混凝土施工质量安全，缩短施工工期，降低施工成本，具有较大的研究意义。

1.3 衬砌台车使用现状及新型台车功能要求

由于传统的“承重排架+定型钢模板”混凝土施工方法需要较大人力资源成本且周转材料投入大，混凝土质量不易控制，安全管控难度大，工期久，因此，大型水电站引水系统衬砌混凝土一般采用多钢模衬砌台车施工[4-7]。但原始的衬砌台车不设自动行走系统，在施工过程中需要借助外动力进行拖动，采用丝杠千斤顶进行脱立模，劳动强度大，效率低[8]。现在，隧道衬砌钢模台车设备根据工程特点，在不断向长、大、全液压、自行式、大模板的方向发展[9]。

结合工程特点、工期和使用要求，白鹤滩水电站右岸引水上平段新型衬砌台车应具备以下功能：

(1)台车大幅度收缩，快递转移。可变形钢模台车为门架四立柱支撑形式，且模板范围无立柱。通过大行程顶升结构实现较大脱模量和大幅度整体升降，确保快速通过施工支洞，多条并列隧洞施工。

(2)台车可0～180°转向。通过顶升立柱和转向系统可使台车行走机构方向调整0～180°，采用配套的S形井字轨道通过支洞。

(3)台车快速台阶式降轨。主洞轨道和施工支洞轨道存在较大高差，利用临时支撑轨道+立柱顶升系统可快速实现4个行走机构的依次降轨。

2 液压伸缩万向移动台车关键技术

2.1 台车设计

液压伸缩万向移动钢模台车由模板总成、平移机构、门架总成、行走机构、侧向液压油缸、侧向支承千斤、门架支承千斤等构件组成，台车设计如图6所示。

自行式液压伸缩万向移动钢模台车采用电机驱动行走，利用液压油缸和螺旋千斤调整模板到位及收模，1个衬砌循环的工作长度为8 m，台车的主要技术参数为最大升降值为2 500 mm，最大横移量为左右120 mm，最大行走速度为6 m/min，行走电机功率(含制动)为4×11 kW，液压系统功率为5.5 kW。

2.2 台车分离技术

由于钢模台车整体长度大于支洞宽度，台车无法一次性整体通过施工支洞，因此，需将钢模台车分离为2段后依次通过。台车分离步骤(如图7所示)为：①拆除面板连接螺栓，平移油缸收缩2 m，将面板拆分开为2段，并横移至两侧门架中心；②下放中部4个顶升油缸，并安装行走机构；③拆除门架之间连接螺栓，将台车分开为2段，依次降轨快速通过施工支洞。

2.3 台车台阶式降轨技术

钢模台车分离后，分别完成2段台车降轨至施工支洞轨道，具体降轨步骤(如图8所示)：①将台车下游侧行走机构行至临时支撑轨道，固定上游行走机构间的临时支撑，在台车上游侧桁架与底板间设置拉筋，锁定台车；②收缩下游侧顶升油缸，使行走机构脱离轨道，移除临时支撑轨道后操作顶升油缸，使行走机构可靠支撑在施工支洞地面轨道上；③拆除上游侧拉筋，行走台车，上游侧行走机构行至临时支撑轨道，固定下游行走机构间的临时支撑，在台车下游侧桁架与底板设置拉筋，锁定台车；④收缩上游侧顶升油缸，使行走机构脱离轨道，移除临时支撑轨道后操作顶升油缸，使行走机构可靠支撑在施工支洞地面轨道上，完成台阶式降轨。

图6 钢模台车结构设计示意

图7 钢模台车分离流程

图8 钢模台车降轨流程

2.4 台车转向技术

在调整行走机构方向前，将台车模板各支撑杆及支撑千斤顶固定牢靠，顶升台车模板底部螺旋千斤顶，确保台车模板整体稳定。拆除行走机构与导柱间的连接螺栓，操作液压系统，收缩其中一端的一组顶升油缸，使横移机构收缩，当行走机构与轨道脱离时停止操作。将行走机构方向旋转90°，操作液压系统，使行走机构压紧轨道。重复上述步骤依次调整其他3个行走机构的方向。

当主洞与支洞斜交时，需布置S形“井”字轨道(如图9所示)，轨道布置应满足台车通过时的净空要求，现场精确放样和安装加固轨道，确保在台车支洞中的转角方向。

图9 钢模台车S形“井”字轨道示意

2.5 台车大幅度收缩技术

钢模台车采用门架四立柱支撑形式，模板范围内无立柱，如图10所示。要使台车大幅度收缩，首先，拆除台车各侧向千斤顶和主支撑；然后，操作侧向油缸将模板内收至最小状态；最后，操作顶升油缸下降台车，达到钢模台车大幅度收缩效果。台车收模完成后将模板固定，严禁在只有液压油缸作用下调整行走机构及行走台车。

图10 钢模台车变形前、后示意

2.6 台车收缩后通过支洞

工作人员应在台车通过支洞前清除轨道附近的障碍物，当台车行走通过支洞时，时刻观察台车四周净空距离，及时调整台车行走轨迹，避免台车卡死。台车通过支洞后，操作顶升油缸升起台车。操作侧向油缸打开侧向模板，恢复各侧向千斤顶和主支撑。重新对中2段台车，拆除中间4个顶升立柱的行走机构，并收起立柱。横移合并两段模板，安装加固螺栓。

钢模台车合并完成后，对其体形进行调校，对电气系统、液压系统、行走系统、支撑系统进行检修，满足要求后可进行并列主洞衬砌施工。

3 效果分析

3.1 工期对比

不考虑施工支洞封堵、主洞灌浆、钢筋绑扎等工序影响，使用不同种施工方法对单个标准工作面进行引水上平段衬砌施工，所需工期如表1所示。

引水上平段除去竖井钢管回装、支洞封堵、主洞灌浆及特殊设计要求的48仓洞段衬砌施工，剩余标准衬砌总工期约340 d。为满足发电工期要求，若采用满堂排架施工，需要至少7个工作面同时施工；若采用简易桁架台车或普通钢模台车施工，需要4个工作面同时施工；若采用液压伸缩万向移动钢模台车施工，仅需要2个工作面同时施工。显然，采用液压伸缩万向移动钢模台车进行施工，工程工期保障性最佳。

表1 单个工作面浇筑上平段衬砌所需工期 d

3.2 浇筑质量

满堂排架和简易桁架台车多采用的是小型组合钢模板拼装，衬砌混凝土外观质量控制难度大，而普通钢模台车和液压伸缩万向移动台车采用的是大型定型钢模板，混凝土质量易于控制。对白鹤滩水电站右岸引水上平段衬砌混凝土进行体形测量，成果表明：采用液压伸缩万向移动台车浇筑的衬砌混凝土内实外光，表面无裂缝、挂帘、漏浆、错台、蜂窝麻面等质量缺陷。截至2019年3月，右岸引水上平段衬砌混凝土共检查1 450个测点，体形最大偏差15 mm，平均偏差8 mm，偏差在10 mm以内点数占98.5%，说明混凝土施工质量较好。

4 结 论

本文以白鹤滩水电站右岸引水上平段衬砌施工为研究背景，结合衬砌混凝土分仓和质量、工期控制要点，研制了一种适用于变断面隧洞衬砌施工的自行式液压伸缩万向移动台车。该台车具备大幅度收缩，快速转移转向的特点，可以采用配套的S形“井”字轨道通过支洞，并具有快速台阶式降轨等功能，实现了通过压液系统将台车收缩，依靠万向移动行走系统快速横移至相邻隧洞就位，避免了施工过程中台车和模板的频繁拆装，确保了衬砌混凝土施工质量和安全，缩短了施工工期，降低了施工成本。工程实践和混凝土体形测量成果表明：右岸引水上平段衬砌混凝土内实外光，无明显质量缺陷，体形最大偏差15 mm，平均偏差8 mm，混凝土施工质量较好。