分离式钢模台车在隧洞曲线段混凝土衬砌施工中的应用

吴卫东

(新疆兵团水利水电工程集团有限公司,新疆 乌鲁木齐 830011)

1 工程概况

肯斯瓦特水利枢纽工程位于玛纳斯河中游出山口,该工程是一座集防洪、蓄水、灌溉、发电等综合利用功能的大(2)型Ⅱ等工程,主要由拦河坝、右岸溢洪道、泄洪洞、发电厂房、发电引水系统等组成。

发电引水洞由进口引水渠段、塔井段、上平洞段、平面转弯段、斜井段、下平洞段和岔管段组成。引水隧洞上平洞段长247.1 m,其中含有一曲线段R=40 m,a=28.15,L=19.656 m。上平洞段坡度i=1∶200,成型后内径为6.4 m 的圆形断面;斜井段长78.65 m,坡度i=1∶1,采用钢内衬混凝土;下平洞段长175.28 m,坡度i=1∶200,断面尺寸和衬砌型式与斜井段相同。

2 分离式钢模台车设计

2.1 设计原由

根据施工工期、质量、安全及经济效益等工程要求,隧洞混凝土的衬砌一般采用钢模台车进行施工。采用钢模台车施工具有以下优点:可提高混凝土施工的机械化程度,加快施工进度,保证工程质量;模板具有足够的强度和刚度,稳定性好,面板平整光滑;成型后的混凝土面平整光滑,外观质量优良;具有立模作业速度快,效率高,投入人力少,操作简单等特点[1-3]。钢模台车按运行方式主要分为整体式、拼装式与分离式三种[4]。常见的分离式钢模台车为上下分离结构,用于洞型大小变化的隧洞设计施工[5-8]。但在隧洞直线标准浇筑仓面较长的情况下,钢模台车会因设计较长而难以对小半径曲线段进行施工。为有效解决此问题,可将钢模台车纵向设计为分离式。结合本工程设计特点,直线标准浇筑仓最长为12 m,曲线段浇筑每仓为6.552 m,钢模台车则设计为纵向前部分(7 m)、后部分(5 m)共两节可分离式台车。

2.2 台车组成

分离式钢模台车主要由模板部分、门架体部分、牵引行走系统、支撑结构及液压系统五部分组成。具体结构见图1。

图1 分离式钢模台车结构

(1)台车总长12 m,门架与模体由两大节(5 m 与7 m 两节)组成,半径为3.2 m,总高度按举升油缸上升至170 mm 设计(油缸纵行程350 mm),此时侧模最低点距地面300 mm,顶拱最高点距仰拱面5 952 mm,台车腰线总宽为6 400 mm。

(2)顶、侧拱模板法兰均采用12 mm 厚钢板,面板采用10 mm 厚钢板,纵向加筋用75 mm×50 mm×6 mm 角钢,并设有宽10 mm 的两道280 mm×1 476 mm 纵向加强筋,窗口采用100 mm×63 mm×8 mm 和75 mm×50 mm×6 mm 角钢做框架,并设环筋及20 mm 厚压板。

(3)门架构件除二横梁外,所有构件主体均采用12 mm 厚钢板,纵向采用16#工字钢栓接,并设防倾倒及防上浮装置。

(4)浇筑时应设有丝杠进行临时内撑,避免台车模板变形。

(5)台车可分整体与分离两种方式行走,采用四台变速箱带动车轮在钢轨上行走,移动钢模台车至指定位置。

(6)液压系统由液压控制台、液压千斤顶、油管及附件组成,组装前必须检查管路是否通畅、耐压是否符合要求、有无漏油等现象,若有异常,必须及时排除。

3 施工方法

台车门架纵向剖面如图2所示。在台车进入弯道段前,首先拆除控制台液压油管和连接护板,将钢模台车纵向分离后,再将前部分台车(长7 m)重新安装液压系统组件,完成改装前的调试运行工作,然后行走至所施工断面。

图2 门架纵向剖面

施工工艺流程:施工准备→绑扎钢筋→止水安装→钢模台车就位→模板安装→混凝土浇筑→拆模、养护→移动台车进入下一循环。

(1)台车就位与立模

改装好的钢模台车行走至指定仓面后,切断变速箱电源,及时放置卡轨器,以防止钢模台车移动。当确定钢模台车处于安全状态后,启动液压系统进行立模,按测定的高程先立顶模,后立侧模,最后安装丝杠进行横向内支撑,以保证浇筑混凝土时模板不变形。

(2)绑扎钢筋

钢筋的加工制作在钢筋场完成。绑扎时根据设计图纸,测放出中线、高程等控制点,利用预埋锚筋,布设好钢筋网骨架,然后铺设分布钢筋。钢筋采用人工绑扎,绑扎时使用扎丝梅花形间隔扎结,钢筋结构和保护层调整好后垫设预制混凝土块,并用电焊加固骨架确保牢固。钢筋连接采用电焊焊接或冷挤压连接,钢筋的绑扎要有足够的稳定性。

(3)铜止水片、预埋灌浆管施工

铜止水片在制作场地加工制作。根据设计图纸要求,先自制一个压制铜止水片的加工台;铜止水片采用卷材,长度应适中,过短焊接头太多,浪费大,过长不宜运输和安装;按发电洞断面将止水片分为三块,每块长度要符合设计要求;安装时要保持铜片止水片的平整度,表面的浮皮、锈污、油漆、油渍均应清除干净,如有砂眼、钉孔,应予焊补;焊接部位一般采用铜焊条双面焊接,搭接长度为2 cm;铜止水片的安装应准确、牢固,其鼻子中心线与接缝中心线偏差为±5 mm,定位后应在鼻子空腔内嵌填聚氨酯泡沫材料;止水带的安装应由模板夹紧定位,支撑牢固,避免在混凝土浇筑过程中出现移位。

发电洞混凝土衬砌后,需进行回填灌浆和固结灌浆。根据设计要求,在混凝土浇筑前,要预埋灌浆管,其目的是避免在衬砌好的混凝土上钻孔时打断钢筋;按设计要求埋灌浆管,内空净直径为50 mm,每根灌浆管长度为40～60 cm,根据混凝土衬砌段部位的设计厚度来取料;按设计的间排距布置灌浆管位置;安装灌浆管时,两头用养护毡封堵,用铁丝将灌浆管绑扎在钢筋上,并在模板上用螺丝顶入钢管内;灌浆前,用手风钻疏通灌浆孔;脱模后,根据螺丝孔位置找灌浆管;预埋灌浆管与安装组合钢模板可同时施工。

(4)混凝土浇筑方法

采用9 m3搅拌罐车水平运输混凝土,再用泵送方式入仓,保持两侧仓面均匀平行上升,高差不大于400 mm,浇筑厚度不大于300 mm。在整个浇筑过程中,利用安装在台车上的附着式震动器进行振捣。

(5)脱模

混凝土强度达到设计强度后,在保证其表面及棱角不因拆模而损伤时开始拆模。拆模时,先拆侧模,后拆顶模;拆侧模时,先将内支撑顶的丝杠收起,再将液压千斤顶收拢,待完全脱离后行走台车至仓面外部。

通过该方法施工完弯道段后,再将分离后的两节台车进行拼接,即可对弯道后的直线段进行施工。

4 施工特点及运用

在隧洞混凝土衬砌施工中,常规施工方式直线段采用标准钢模台车,曲线段需定制钢模进行施工,而分离式钢模台车可通用在直线段和曲线段施工。与常规拼模施工方法相比,采用分离式钢模台车施工主要特点有:施工操作简单快速、外观质量好及施工成本低。本工法在新疆兵团水利水电工程集团有限公司38团石门水库发电灌溉洞、巴木墩水库、八大石水库,保尔德水库等工程中得到了广泛应用。

(1)38团石门水库灌溉发电洞工程

石门水库位于兵团第二师新建38团境内,新建38团位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州所辖的且末县境内,地处东经83°56′49″至84°30′24″,北纬37°38′16″至38°01′02″之间。

石门水库由沥青混凝土心墙砂砾石坝、左岸泄洪排沙洞、灌溉发电引水洞、右岸无闸溢洪道、电站厂房、尾水等工程组成。石门水库总库容7 362 万m3,是以灌溉和发电为开发任务的拦河水库,水库控制灌溉面积18万亩,水库坝后电站装机8 000 k W,多年平均发电量2 913万k W·h。

灌溉发电洞布置于左岸,进口底板高程为2 358 m,出口尾水高程为2 319.6 m,由引水渠、进水口段、隧洞段、灌溉及发电叉管段组成,洞径为2.8 m,长度为540 m。发电洞共有水平弯道1个,纵向弯道1个。

本工法成功应用于38团石门水库发电灌溉洞施工。

(2)巴木墩水库导流灌溉供水洞工程

巴木墩水库工程位于新疆生产建设兵团十三师红星四场境内。农十三师地处新疆哈密地区,分布在哈密地区一市二县(哈密市、巴里坤县、伊吾县)的辖区内,东西极长297 km,南北极长270 km。枢纽工程由拦河坝、左岸溢洪道、左岸灌溉供水洞等组成。水库总库容906 万m3,死库容60万m3,兴利库容733万m3,水库死水位1 481 m,正常蓄水位1 543 m,设计洪水位1 545.08 m,校核洪水位1 546.48 m。工程规模为Ⅳ等小(1)型工程,大坝为3级,泄洪系统、灌溉供水建筑物为4级,次要建筑物为5级,临时建筑物为5级。设计洪水标准为50 a 一遇,校核洪水标准为1 000 a一遇。

导流洞由进口段、竖井进水塔、洞身段、消能段组成,全长为621.18 m,洞径为3 m。进口段长为25 m,底板高程为1 448.0 m,底宽为6 m,开挖边坡为1∶0.5;闸井段长度为8.5 m,宽为6.0 m,闸井底板高程为1 448.0 m,底板厚度为1.5 m;进口设一道工作闸门,为平板闸门,孔口尺寸为3.0 m×3.0 m(b×h);洞身段(桩号为0+033.5—0+175.23),洞身全长为141.73 m,进口底板高程为1 448.0 m,纵坡i=1/16;洞身采用40 cm 厚现浇C25钢筋混凝土衬砌,断面为圆形有压洞,圆洞直径为3.0 m;洞身段(桩号为0+175.23—0+557.18)采用灌溉供水洞断面,导流期导流,结束后作为灌溉供水洞的一部分将永久使用;灌溉洞共有垂直斜井1个、龙抬头段1个。

本工法成功应用于巴木墩水库导流灌溉供水洞施工。

(3)八大石水库导流洞、灌溉洞工程

新疆兵团十三师八大石水库工程位于庙尔沟河出山口,行政区划属于新疆生产建设兵团十三师(以下简称十三师)黄田农场,工程区距黄田农场约25 km,距哈密市约48 km,距乌鲁木齐市678 km,国道G312 在水库下游18 km 处经过。新疆兵团十三师八大石水库总库容990万m3,设计年调节下游有效灌溉面积7.4万亩,根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000),本工程为Ⅳ等小(1)型工程。本工程最大坝高为115.7 m,根据规范规定将大坝定为3级建筑物,灌溉供水洞及溢洪道定为4级建筑物,其余次要建筑物级别为5 级。水库设计洪水标准为50 a一遇,相应洪峰流量为360 m3/s,校核洪水标准为1 000 a一遇,相应洪峰流量为860 m3/s,工程区地震基本烈度为Ⅶ度,主要建筑物的地震设防烈度也取为Ⅶ度。

导流洞布置在右岸,为圆形有压洞,洞径为3.5 m。洞身段与灌溉洞共用,洞长511.72 m;灌溉洞布置于下坝址右岸,为圆形有压洞,由导流洞改建,洞径3.5 m,做成龙抬头形式,长124.67 m;导流洞有水平弯道1个;灌溉洞有水平弯道1个,龙抬头段1个。

本工法成功应用于八大石水库导流洞、灌溉洞施工。

(4)保尔德水库导流洞工程

保尔德水库工程是一项以灌溉为主,兼顾发电的水利枢纽工程。水库正常蓄水位1 164.45 m,相应库容为911万m3;死水位为1 124.89 m,死库容为80万m3;设计洪水位为1 166.2 m,相应库容为975万m3;校核洪水位为1 166.79 m,总库容为966万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)的规定,本工程为Ⅲ等工程,工程规模为中型工程。大坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝,坝高为73.6 m,大坝建筑物为3级。拦河大坝(沥青混凝土心墙砂砾石坝)设计洪水标准为50 a一遇,洪峰流量为150 m3/s,校核洪水标准为1 000 a一遇,洪峰流量为305 m3/s;导流泄洪供水洞、溢洪道的下游消能段防冲设施:设计洪水标准为30 a一遇,洪峰流量为130 m3/s。

泄洪导流供水洞布置在右岸岩基,由进口明渠段、岸塔式进水口段、有压洞段、工作闸门段、出口消能段组成,导流泄洪供水洞全长534.37 m,隧洞洞型为圆洞,洞径为2 m。共有2个水平弯道。

本工法成功应用于保尔德水库导流洞施工。

5 结 语

发电洞洞身曲线段混凝土如采用常规标准段钢模台车施工,台车在弯道中就位难度大,或可能无法就位,同时,因转角较大容易改变混凝土结构尺寸及影响到混凝土外观质量。而采用分离式钢模台车,在简单易操作的前提下,不但解决了上述问题,还能确保洞砌混凝土的施工质量,加快施工进度。由于分离式钢模台车分离长度可根据工程需要进行自由变化,因此,能很好地解决隧洞小曲线(弯道)钢模台车混凝土衬砌难和施工质量外观差的问题,因其施工成本低,值得在类似工程中大力推广与应用。