分離式鋼模臺車在隧洞曲線段混凝土襯砌施工中的應用

吳衛東

(新疆兵團水利水電工程集團有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)

1 工程概況

肯斯瓦特水利樞紐工程位于瑪納斯河中游出山口,該工程是一座集防洪、蓄水、灌溉、發電等綜合利用功能的大(2)型Ⅱ等工程,主要由攔河壩、右岸溢洪道、泄洪洞、發電廠房、發電引水系統等組成。

發電引水洞由進口引水渠段、塔井段、上平洞段、平面轉彎段、斜井段、下平洞段和岔管段組成。引水隧洞上平洞段長247.1 m,其中含有一曲線段R=40 m,a=28.15,L=19.656 m。上平洞段坡度i=1∶200,成型后內徑為6.4 m 的圓形斷面;斜井段長78.65 m,坡度i=1∶1,采用鋼內襯混凝土;下平洞段長175.28 m,坡度i=1∶200,斷面尺寸和襯砌型式與斜井段相同。

2 分離式鋼模臺車設計

2.1 設計原由

根據施工工期、質量、安全及經濟效益等工程要求,隧洞混凝土的襯砌一般采用鋼模臺車進行施工。采用鋼模臺車施工具有以下優點:可提高混凝土施工的機械化程度,加快施工進度,保證工程質量;模板具有足夠的強度和剛度,穩定性好,面板平整光滑;成型后的混凝土面平整光滑,外觀質量優良;具有立模作業速度快,效率高,投入人力少,操作簡單等特點[1-3]。鋼模臺車按運行方式主要分為整體式、拼裝式與分離式三種[4]。常見的分離式鋼模臺車為上下分離結構,用于洞型大小變化的隧洞設計施工[5-8]。但在隧洞直線標準澆筑倉面較長的情況下,鋼模臺車會因設計較長而難以對小半徑曲線段進行施工。為有效解決此問題,可將鋼模臺車縱向設計為分離式。結合本工程設計特點,直線標準澆筑倉最長為12 m,曲線段澆筑每倉為6.552 m,鋼模臺車則設計為縱向前部分(7 m)、后部分(5 m)共兩節可分離式臺車。

2.2 臺車組成

分離式鋼模臺車主要由模板部分、門架體部分、牽引行走系統、支撐結構及液壓系統五部分組成。具體結構見圖1。

圖1 分離式鋼模臺車結構

(1)臺車總長12 m,門架與模體由兩大節(5 m 與7 m 兩節)組成,半徑為3.2 m,總高度按舉升油缸上升至170 mm 設計(油缸縱行程350 mm),此時側模最低點距地面300 mm,頂拱最高點距仰拱面5 952 mm,臺車腰線總寬為6 400 mm。

(2)頂、側拱模板法蘭均采用12 mm 厚鋼板,面板采用10 mm 厚鋼板,縱向加筋用75 mm×50 mm×6 mm 角鋼,并設有寬10 mm 的兩道280 mm×1 476 mm 縱向加強筋,窗口采用100 mm×63 mm×8 mm 和75 mm×50 mm×6 mm 角鋼做框架,并設環筋及20 mm 厚壓板。

(3)門架構件除二橫梁外,所有構件主體均采用12 mm 厚鋼板,縱向采用16#工字鋼栓接,并設防傾倒及防上浮裝置。

(4)澆筑時應設有絲杠進行臨時內撐,避免臺車模板變形。

(5)臺車可分整體與分離兩種方式行走,采用四臺變速箱帶動車輪在鋼軌上行走,移動鋼模臺車至指定位置。

(6)液壓系統由液壓控制臺、液壓千斤頂、油管及附件組成,組裝前必須檢查管路是否通暢、耐壓是否符合要求、有無漏油等現象,若有異常,必須及時排除。

3 施工方法

臺車門架縱向剖面如圖2所示。在臺車進入彎道段前,首先拆除控制臺液壓油管和連接護板,將鋼模臺車縱向分離后,再將前部分臺車(長7 m)重新安裝液壓系統組件,完成改裝前的調試運行工作,然后行走至所施工斷面。

圖2 門架縱向剖面

施工工藝流程:施工準備→綁扎鋼筋→止水安裝→鋼模臺車就位→模板安裝→混凝土澆筑→拆模、養護→移動臺車進入下一循環。

(1)臺車就位與立模

改裝好的鋼模臺車行走至指定倉面后,切斷變速箱電源,及時放置卡軌器,以防止鋼模臺車移動。當確定鋼模臺車處于安全狀態后,啟動液壓系統進行立模,按測定的高程先立頂模,后立側模,最后安裝絲杠進行橫向內支撐,以保證澆筑混凝土時模板不變形。

(2)綁扎鋼筋

鋼筋的加工制作在鋼筋場完成。綁扎時根據設計圖紙,測放出中線、高程等控制點,利用預埋錨筋,布設好鋼筋網骨架,然后鋪設分布鋼筋。鋼筋采用人工綁扎,綁扎時使用扎絲梅花形間隔扎結,鋼筋結構和保護層調整好后墊設預制混凝土塊,并用電焊加固骨架確保牢固。鋼筋連接采用電焊焊接或冷擠壓連接,鋼筋的綁扎要有足夠的穩定性。

(3)銅止水片、預埋灌漿管施工

銅止水片在制作場地加工制作。根據設計圖紙要求,先自制一個壓制銅止水片的加工臺;銅止水片采用卷材,長度應適中,過短焊接頭太多,浪費大,過長不宜運輸和安裝;按發電洞斷面將止水片分為三塊,每塊長度要符合設計要求;安裝時要保持銅片止水片的平整度,表面的浮皮、銹污、油漆、油漬均應清除干凈,如有砂眼、釘孔,應予焊補;焊接部位一般采用銅焊條雙面焊接,搭接長度為2 cm;銅止水片的安裝應準確、牢固,其鼻子中心線與接縫中心線偏差為±5 mm,定位后應在鼻子空腔內嵌填聚氨酯泡沫材料;止水帶的安裝應由模板夾緊定位,支撐牢固,避免在混凝土澆筑過程中出現移位。

發電洞混凝土襯砌后,需進行回填灌漿和固結灌漿。根據設計要求,在混凝土澆筑前,要預埋灌漿管,其目的是避免在襯砌好的混凝土上鉆孔時打斷鋼筋;按設計要求埋灌漿管,內空凈直徑為50 mm,每根灌漿管長度為40～60 cm,根據混凝土襯砌段部位的設計厚度來取料;按設計的間排距布置灌漿管位置;安裝灌漿管時,兩頭用養護氈封堵,用鐵絲將灌漿管綁扎在鋼筋上,并在模板上用螺絲頂入鋼管內;灌漿前,用手風鉆疏通灌漿孔;脫模后,根據螺絲孔位置找灌漿管;預埋灌漿管與安裝組合鋼模板可同時施工。

(4)混凝土澆筑方法

采用9 m3攪拌罐車水平運輸混凝土,再用泵送方式入倉,保持兩側倉面均勻平行上升,高差不大于400 mm,澆筑厚度不大于300 mm。在整個澆筑過程中,利用安裝在臺車上的附著式震動器進行振搗。

(5)脫模

混凝土強度達到設計強度后,在保證其表面及棱角不因拆模而損傷時開始拆模。拆模時,先拆側模,后拆頂模;拆側模時,先將內支撐頂的絲杠收起,再將液壓千斤頂收攏,待完全脫離后行走臺車至倉面外部。

通過該方法施工完彎道段后,再將分離后的兩節臺車進行拼接,即可對彎道后的直線段進行施工。

4 施工特點及運用

在隧洞混凝土襯砌施工中,常規施工方式直線段采用標準鋼模臺車,曲線段需定制鋼模進行施工,而分離式鋼模臺車可通用在直線段和曲線段施工。與常規拼模施工方法相比,采用分離式鋼模臺車施工主要特點有:施工操作簡單快速、外觀質量好及施工成本低。本工法在新疆兵團水利水電工程集團有限公司38團石門水庫發電灌溉洞、巴木墩水庫、八大石水庫,保爾德水庫等工程中得到了廣泛應用。

(1)38團石門水庫灌溉發電洞工程

石門水庫位于兵團第二師新建38團境內,新建38團位于新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州所轄的且末縣境內,地處東經83°56′49″至84°30′24″,北緯37°38′16″至38°01′02″之間。

石門水庫由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、左岸泄洪排沙洞、灌溉發電引水洞、右岸無閘溢洪道、電站廠房、尾水等工程組成。石門水庫總庫容7 362 萬m3,是以灌溉和發電為開發任務的攔河水庫,水庫控制灌溉面積18萬畝,水庫壩后電站裝機8 000 k W,多年平均發電量2 913萬k W·h。

灌溉發電洞布置于左岸,進口底板高程為2 358 m,出口尾水高程為2 319.6 m,由引水渠、進水口段、隧洞段、灌溉及發電叉管段組成,洞徑為2.8 m,長度為540 m。發電洞共有水平彎道1個,縱向彎道1個。

本工法成功應用于38團石門水庫發電灌溉洞施工。

(2)巴木墩水庫導流灌溉供水洞工程

巴木墩水庫工程位于新疆生產建設兵團十三師紅星四場境內。農十三師地處新疆哈密地區,分布在哈密地區一市二縣(哈密市、巴里坤縣、伊吾縣)的轄區內,東西極長297 km,南北極長270 km。樞紐工程由攔河壩、左岸溢洪道、左岸灌溉供水洞等組成。水庫總庫容906 萬m3,死庫容60萬m3,興利庫容733萬m3,水庫死水位1 481 m,正常蓄水位1 543 m,設計洪水位1 545.08 m,校核洪水位1 546.48 m。工程規模為Ⅳ等小(1)型工程,大壩為3級,泄洪系統、灌溉供水建筑物為4級,次要建筑物為5級,臨時建筑物為5級。設計洪水標準為50 a 一遇,校核洪水標準為1 000 a一遇。

導流洞由進口段、豎井進水塔、洞身段、消能段組成,全長為621.18 m,洞徑為3 m。進口段長為25 m,底板高程為1 448.0 m,底寬為6 m,開挖邊坡為1∶0.5;閘井段長度為8.5 m,寬為6.0 m,閘井底板高程為1 448.0 m,底板厚度為1.5 m;進口設一道工作閘門,為平板閘門,孔口尺寸為3.0 m×3.0 m(b×h);洞身段(樁號為0+033.5—0+175.23),洞身全長為141.73 m,進口底板高程為1 448.0 m,縱坡i=1/16;洞身采用40 cm 厚現澆C25鋼筋混凝土襯砌,斷面為圓形有壓洞,圓洞直徑為3.0 m;洞身段(樁號為0+175.23—0+557.18)采用灌溉供水洞斷面,導流期導流,結束后作為灌溉供水洞的一部分將永久使用;灌溉洞共有垂直斜井1個、龍抬頭段1個。

本工法成功應用于巴木墩水庫導流灌溉供水洞施工。

(3)八大石水庫導流洞、灌溉洞工程

新疆兵團十三師八大石水庫工程位于廟爾溝河出山口,行政區劃屬于新疆生產建設兵團十三師(以下簡稱十三師)黃田農場,工程區距黃田農場約25 km,距哈密市約48 km,距烏魯木齊市678 km,國道G312 在水庫下游18 km 處經過。新疆兵團十三師八大石水庫總庫容990萬m3,設計年調節下游有效灌溉面積7.4萬畝,根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000),本工程為Ⅳ等小(1)型工程。本工程最大壩高為115.7 m,根據規范規定將大壩定為3級建筑物,灌溉供水洞及溢洪道定為4級建筑物,其余次要建筑物級別為5 級。水庫設計洪水標準為50 a一遇,相應洪峰流量為360 m3/s,校核洪水標準為1 000 a一遇,相應洪峰流量為860 m3/s,工程區地震基本烈度為Ⅶ度,主要建筑物的地震設防烈度也取為Ⅶ度。

導流洞布置在右岸,為圓形有壓洞,洞徑為3.5 m。洞身段與灌溉洞共用,洞長511.72 m;灌溉洞布置于下壩址右岸,為圓形有壓洞,由導流洞改建,洞徑3.5 m,做成龍抬頭形式,長124.67 m;導流洞有水平彎道1個;灌溉洞有水平彎道1個,龍抬頭段1個。

本工法成功應用于八大石水庫導流洞、灌溉洞施工。

(4)保爾德水庫導流洞工程

保爾德水庫工程是一項以灌溉為主,兼顧發電的水利樞紐工程。水庫正常蓄水位1 164.45 m,相應庫容為911萬m3;死水位為1 124.89 m,死庫容為80萬m3;設計洪水位為1 166.2 m,相應庫容為975萬m3;校核洪水位為1 166.79 m,總庫容為966萬m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)的規定,本工程為Ⅲ等工程,工程規模為中型工程。大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,壩高為73.6 m,大壩建筑物為3級。攔河大壩(瀝青混凝土心墻砂礫石壩)設計洪水標準為50 a一遇,洪峰流量為150 m3/s,校核洪水標準為1 000 a一遇,洪峰流量為305 m3/s;導流泄洪供水洞、溢洪道的下游消能段防沖設施:設計洪水標準為30 a一遇,洪峰流量為130 m3/s。

泄洪導流供水洞布置在右岸巖基,由進口明渠段、岸塔式進水口段、有壓洞段、工作閘門段、出口消能段組成,導流泄洪供水洞全長534.37 m,隧洞洞型為圓洞,洞徑為2 m。共有2個水平彎道。

本工法成功應用于保爾德水庫導流洞施工。

5 結 語

發電洞洞身曲線段混凝土如采用常規標準段鋼模臺車施工,臺車在彎道中就位難度大,或可能無法就位,同時,因轉角較大容易改變混凝土結構尺寸及影響到混凝土外觀質量。而采用分離式鋼模臺車,在簡單易操作的前提下,不但解決了上述問題,還能確保洞砌混凝土的施工質量,加快施工進度。由于分離式鋼模臺車分離長度可根據工程需要進行自由變化,因此,能很好地解決隧洞小曲線(彎道)鋼模臺車混凝土襯砌難和施工質量外觀差的問題,因其施工成本低,值得在類似工程中大力推廣與應用。