1、简述仰拱自行式台车在大断面隧洞砼衬砌施工中的应用【摘要】 柳坪水电站引水隧洞在采用边顶拱台车施工时，为了攻克圆形有压引水隧洞仰拱混凝土衬砌施工的技术难题，寻求进度、质量、投资之间最佳组合，在众多方案中首创选择使用了仰拱自行式衬砌台车。经过在柳坪水电站 4#施工支洞主洞控制段中率先使用仰拱自行式衬砌台车，进行混凝土衬砌施工中实践证明，使用该台车，无论在质量、安全、进度，还是在经济效益等方面都取得良好效果，并为今后类似工程提供了一定参考价值。 【关键词】 柳坪水电站仰拱自行式台车施工技术 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 大断面圆形有压引水隧洞为了满足衬砌砼受力结构合理及运营期间洞
2、身结构安全，在以往的施工工艺中一般采用全园自行式针梁台车进行全断面衬砌。柳坪水电站引水隧洞岩石以风化炭质千枚岩为主（、类占 95%） ，地下水丰富，围岩变形大，已支护洞段多次出现塌方，局部段出现二次、三次支护，在衬砌前进行下坑导坑开挖处理，存在较大安全隐患。为保证施工期间洞身结构及人员安全，同时要确保发电工期，在洞段变形较大、后期处理困难，同时也是发电关键线路的 4#支洞引水隧洞控制段在 2006 年 4 月采用先开挖，永久边顶拱混凝土跟进的施工工艺，这样就造成下部仰拱衬砌施工难题，无论是质量、进度、还是在效益方面都成为焦点，经过对组合钢模、拖模、针梁台车改装等几种方案的多次比较，最终选择与台
3、车制造厂家共同研究制造的仰拱自行式砼衬砌台车施工方案，并一举取得成功。 1、工程简介 柳坪水电站位于四川省阿坝州茂县境内，是黑水河流域“二库五级”水电开发最下游梯级电站开发，电站为引水式开发。引水隧洞全长10.6Km,过水断面为全圆有压隧洞(D=9 m)，埋深 3001500m，装机容量120MW。其中 4#引水隧洞上游控制段 1.6Km，衬砌厚度 50cm/80cm（类/类） ，砼为钢筋 C20 砼，开挖方式为上下断面分步开挖，衬砌方式主要为边顶拱台车衬砌，部份采用全圆针梁台车初砌。 2、需要进行仰拱衬砌的原因 多数水电站圆形有压引水洞段一般都是采用全圆针梁台车衬砌，由于 4#引水隧洞洞体埋
4、深大，最大至 1500m，且受松-叠-茂地震断裂带影响，围岩地质复杂多变，全部以类、类软弱炭质千枚岩为主，裂隙水发育，岩体塑变值大，变形周期长，在洞身开挖及支护过程中多次出现大的坍塌，其中坍塌体超过 500m3 达七次，局部已型钢支护洞段因围岩埋深大，地应力作用强烈，岩体变形严重，支护体系出现剥落掉块，拱架扭曲变形，甚至坍塌。造成掌子面施工，跟进部位坍塌的危险作业环境，产生严重安全隐患，同时也制约了 4#洞开挖进度，从而影响了柳坪水电站发电工期目标的按期实现。针对施工现场存在的安全、进度难题，由业主工程部、设计院、监理部及施工单位四方召开专题会议论证决定：全圆隧洞采用两次衬砌，已开挖上导坑且距
5、离掌子面一定距离的部位采用自行式边顶拱台车先期进行砼衬砌，同时与掌子面开挖工作平行作业，抑制已支护段围岩收敛变形；底部在边顶拱衬砌完成且上半导坑掌子面开挖完成，从掌子面方向往支洞方向进行仰拱衬砌的施工工艺。这样既保证了避免围岩因形变转化为质变，出现坍塌安全事故；同时保证了边开挖边衬砌同步施工，减少衬砌施工占用直线工期；对于边顶拱衬砌与底拱衬砌结合部位，采用钢筋预留焊接长度，加设止水带，后期接缝处理采用接缝灌浆等施工措施确保质量要求，达到引水隧洞过水要求。 3、底部砼衬砌的施工方案选择 采用边顶拱台车衬砌方案在开挖过程中解决了安全与进度的问题，同时采取了各项措施来确保后期砼的质量，但由于是圆形断
6、面，同时边顶拱衬砌的预期结果存在偏差，底部仰拱衬砌难度仍然较大：工作面狭小，开挖运输难度大；衬砌工程量小，但工序繁多；施工缝处理难度大，钢筋预留焊接难度大，接缝处密实度的保证困难；砼表面光洁度与成型难度大；必须满足发电工期目标所需的最低强度要求。因此如何选择底部砼的施工方案为整个工程的重中之重。 3.1 边顶拱衬砌后的施工状态如图 3-1 所示,底板仍有部分围岩未开挖，底拱衬砌断面如图 3-2 所示 3.2 底拱衬砌施工的方案 根据有压引水隧洞有关设计技术要求和以往施工经验，并结合相关或近似的工程经验，参建各方综合各种意见，初步对仰拱混凝土衬砌形成以下施工方案： 3.2.1 组合钢模内拉施工
7、3.2.2 异型钢模拖模施工 3.2.3 针梁台车改装底拱台车施工 3.2.4 铁路仰拱用穿行式底拱台车施工 3.2.5 自行式底拱衬砌台车施工 3.3 方案的比较与选择 针对以上五个方案，经业主、监理、设计、各施工单位多次专题会反复论证，前四种方案都不能全面有效的解决模板定位、接缝质量、砼表面光洁度与成型、模板上浮、砼排气、台车行走等问题。最后对中铁二十三局提出的仰拱自行式砼衬砌台车施工方案兴趣很大，经细化方案后再次与台车厂联系解决限位、行走、抬动等问题后首先在柳坪水电站4#洞下游做边顶拱衬砌方案实验，实验结果非常令人满意。 4、仰拱自行式砼衬砌台车施工方案 4.1 仰拱自行式砼衬砌台车简介
8、 仰拱自行式砼衬砌台车采用无轮缘钢轮式台车（见下图） ，此方案是设计一个架体，行走轮安装在架体八字梁的底部，作用在已衬砌的边拱表面上，这样架体长度与模板长度基本相等，不但大大降低了整体重量，同时节约了成本，使用灵活方便。 仰拱自行式砼台车设计方案图 在设计过程中需要解决以下问题： 行走： 因为行走轮是作用在已衬砌的边拱混凝土上，而此混凝土由于浇注时间较早，强度早已达到规定值，故行走轮采用无轮缘钢轮即可，但是车轮行走的边顶拱混凝土表面纵向并不是非常平整的，因此前后行走轮组与架体之间均为铰接设计，这样当混凝土表面不平整时，轮组具有一定的爬坡越坎能力。 抗浮： 由于架体上端距离顶拱高度过大，若采用竖
9、向抗浮千斤，则会造成操作不便，采取台车自身重量及用钢筋固定在模板翼缘和底拱钢筋之间的方法防止台车上浮。 混凝土浮力的计算：此台车所受浮力除了混凝土的浮力外，还有泵送压力转化而成的向上的力，因此台车所受浮力比较复杂，根据经验，采取混凝土的浮力1.5 倍来计算台车受到的整体浮力。混凝土的浮力=底拱混凝土体积混凝土比重=6.84m0.4m12m2.5=82 吨。台车设计须满足整体抗浮力 F=82 吨1.5=123 吨。但是台车自身质量不到 40 吨，因此需要采取锚杆加固，尽量减少泵送压力。 4.2 利用仰拱自行式砼台车进行混凝土施工工艺流程 底拱开挖清底后四方验收 底拱钢筋绑扎在台车就位同时进行堵板
10、、止水安装和输送泵管接入舱内验收、浇筑养护脱模进入下一循环施工 4.2.1 底部开挖： 为避免底部超挖，采用松动爆破，预留保护层方式施工。开挖长度以满足底拱衬砌长度要求，且考虑砼输送泵管输送有效长度。同时还要考虑开挖与衬砌间的进度关系，落底距台车长度以 90120m 为合适距离。4.2.2 底部排水及出渣： 由于围岩差，渗水量较大，在边顶拱衬砌时左侧留有排水沟，底拱开挖后因高差原因易形成积水，不利于基础清基及砼施工。采用分段设积水坑，架设 100 排水管抽排。底部松动爆破后采用挖掘机清渣，20T自卸汽车运输。由于边底拱底端净空小于 7m，出渣车从交叉口倒至渣体处装运。 4.2.3 基础清理：
11、专门班组对基础进行人工清理，由于该洞段均为炭质千枚岩，遇水易泥化，在基础清理达到无积水、无松渣验收规范要求，边墙部位有边顶拱衬砌预留钢筋和纵向止水带，对此部位人工用风镐、铁锹等工具清除底端砂浆及跑模砼，注意对止水带及钢筋进行保护同时加强检查力度，若在边顶拱施工时止水带破损或完全被砼包裹（砼跑模引起） ，则用专业工具进行焊接。同时为保证接缝质量，施工缝部位采用 GCHJ50B 高压水冲毛机进行处理。 4.2.4 钢筋绑扎： 在进行边顶拱衬砌时底端钢筋进行预留（长短交替布置） ，在底部开挖时局部预留钢筋会拆弯、变形给钢筋搭接增加难度，基础清理完后立即人工进行调直，按钢筋搭接要求进行施工，对于已拆断
12、钢筋可在旁边砼施作插筋（同型号） ，增加两层砼间结合力。 4.2.5 台车就位： 待钢筋绑扎完毕，采用台车行车系统移动台车按测量放放线数据准确定位，由于在边顶拱衬砌时边顶拱两底角会出理跑模、错台等缺陷，底拱台车与边顶拱台车接合处会不密实，局部有空隙，为了消除底拱台车交接处合模困难，在加工底拱台车模板时接合处采用 30cm 长铰接模板（可适当调整圆弧弧度便于合模） ，对于接合处小的空隙可采用海棉等封堵。 4.2.6 砼浇注及振捣： 用洞外搅拌站按配合比要求进行砼拌合，6m3 砼运输车运输，砼泵送入仓，底模台车有多个部位入口器，将砼从不同部位及高度进行入仓。振捣时可用作业窗口（5050cm）人工插
13、入式振捣棒及面板附着式振捣两种方式振捣。保证砼外观及内在质量，在砼浇注过程要对台车进行巡模检查，防止底拱台车移位，上浮（台车设计有抗滑、抗浮装置） 。 4.2.7 搭接处砼施工措施： 该部位为砼施工簿弱环节，它影响到洞身衬砌砼整体受力强度及止水效果，该部位砼一定要密实，抗渗性强度达到设计要求。由于接合处砼呈“反模”结构，在砼靠自然流动性入仓后不易密实，在该部位浇注时采用泵送砼入仓压力（约 10MPa）达到接合处砼密实，在施工时观察缝隙处砼外溢情况，一定要保证外溢砼呈压力状溢出（区别自然饱满后缓慢渗出，现场施工经验可鉴别） 。 5、指标效益 在柳坪水电站 4#洞下游采用仰拱自行式台车初砌方案施工
14、后，在第一次使用就创造了当月完成类围岩衬砌 311 米的成绩，并且接缝平滑饱满，表面光洁度和成型均符合规范要求。在后期柳坪水电站和色尔古水电站施工过程中，已达到类围岩月完成 450 米、在类围岩月完成500 米每月的奇迹，为两个电站提前发电奠定了坚实基础。下面笔者将以往常规的施工工艺（散装组合模板）与仰拱自行式砼衬砌台车施工工艺两者间在经济效益、工期、质量和投资控制等方面作一比较： （一）组合钢模施工方案 1、设备投入情况：组合钢模按一仓 12 米计,实际模板需要平米数为 85 平米,考虑采用 30和 10宽组合钢模及损耗等,实际需要使用 100平米,按 218 元/,需 21800 元,架管
15、、扣件、卡子等约 3T，需 18000 元，拉模筋 8500 根，每根 3 元，共计 25500 元，电焊条、铁丝等小型材料实际消耗约 10000 元，合计算 75300 元。 2、人工投入情况：每仓按模板工 8 人、架子工 6 人、电焊工 4 人、杂工 2 人进行计算，共计技工 18 人，普工 2 人，按技工 80 元/天，普工60 元/天，一仓的人工费用为 1560 元。 3、工程量：按 1200 米共计 100 仓砼 4、使用时间：按每月完成 300 米的最佳速度计算需要 120 天 5、设备残值：由于全部采用内拉，模板破坏严重，只能按废铁处理，按 2800 元/T，共计 3T，合计 8
16、400 元,架管按 60%回收,可回收 10000 元,共计 18400 元 6、费用摊销：177.41 元/米 （二）自行式底拱台车施工方案 1、设备投入情况：一次性投入 30 万元 2、人工投入情况：仅需开台车技工 1 人、普工 2 人，按 80 天计，共需人工费 16000 元 3、工程量：按 1200 米共计 100 仓砼 4、使用时间：按每月完成 450 米的平均速度计算需要 80 天 5、设备残值：本比较按废铁处理，按 2800 元/T，共计 35T，合计98000 元。如果用于其它部位进行重新安装施工，则费用还可节约。 6、费用摊销：181.67 元/米 备注：本表比较仅比较模板
17、方面的费用以及用于模板方面的人工费,其他如砼浇筑,钢筋等不作比较,是相同的,表中费用均按实际发生费用计算。 从上表可以看出，采取自行式底拱台车衬砌，每米仅多出 4.26 元，但提前了工期 40 天，提前投产产生的经济效益在 3000 万元左右。我们再从质量方面来作比较，明显的采用组合钢模施工的质量肯定是差于整体大型模板，在接缝处小钢模仅靠内拉和外撑是无法满足砼输送泵的压力的，接缝的质量也明显差于台车浇筑效果。 6、结束语 目前自行式底拱衬砌台车在柳坪水电站各个需要进行底拱衬砌的洞段已大量使用，并取得了很好的社会效益和经济效益，并已取得推广和使用，使用各家反应良好，为今后在地质情况较差的圆形引水隧道施工中提供借鉴。 参考文献： 1 唐平康 质量、进度、成本联合管理研究 国外建材科技 2002.12 2 李西瑶等 四川省阿坝州黑水河柳坪水电站初步设计报告 国家电力公司成都勘测设计研究院 2005.3 作者简介： 1、范镇鸿，男，1972 年，本科，工程师 2、唐平康，男，1971 年，硕士，教授级高工
