新型浮力自平衡式全斷面襯砌臺車在暗涵施工中的應(yīng)用研究

李華

（黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000）

1 工程概況

南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程（北京段）西四環(huán)暗涵設(shè)計流量為30m3/s，加大流量為35m3/s，本標(biāo)段全長1857.893m，為雙線隧洞。采用淺埋暗挖法施工，暗涵為外徑ф5200mm、內(nèi)徑ф4000mm的圓形，其初期支護(hù)為300mm厚C30噴射鋼筋混凝土，二次模注結(jié)構(gòu)為C30W8F150的防水鋼筋混凝土。該區(qū)間段暗涵左右線全部穿越砂卵石地層，施工中遇到最大的卵石達(dá)700 mm。

由于是輸水暗涵，且地面建筑物較多，所以要求襯砌一次澆筑成型，以減少結(jié)構(gòu)防水的薄弱環(huán)節(jié)。為了在施工技術(shù)上有所突破，設(shè)備方面，除了采用比較成熟的全園穿行式臺車，還自行研制了一種浮力自平衡式全斷面襯砌臺車。本文簡要論述新型浮力自平衡式全斷面襯砌臺車的構(gòu)造、工作原理及施工工藝。

2 浮力自平衡式臺車施工技術(shù)

2.1 浮力計算原理

浮力自平衡式模板臺車借鑒了盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)形式，充分利用了砼澆筑過程中產(chǎn)生的浮力。灌注前模板臺車的重量由環(huán)模下部的銷柱來支撐，當(dāng)砼灌注到一定高度時，拔出銷柱，利用砼的自浮力支撐模板臺車。銷柱的抽出時機(jī)應(yīng)選在局部商砼液面提高至其產(chǎn)生的浮力足以支持住鋼模自重時。結(jié)合圖1，由浮力計算公式可知：

其中：G-模板軸向單延米自重；A-軸向單延米長模板表面積；ρ-商混密度；h-商混在澆筑中的液面高。

h值可很容易求出，當(dāng)鋼模加工完成后自重即為已知，再加上外部載荷，即可得出G值。用上式求出h值，即為下部銷柱的抽拔時機(jī)，這一環(huán)節(jié)可在澆筑過程中，由振搗窗觀測掌握。

圖1 模板受力圖

本臺車特點(diǎn)是重量輕，結(jié)構(gòu)簡單。臺車自帶模板拆裝設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)半機(jī)械化操作，具有拆裝速度快，安全性能高的優(yōu)點(diǎn)。在局部進(jìn)行模板的拼、拆工作，每次拼裝的構(gòu)件重量相對比較小，所以對已施工完的防水板及鋼筋的保護(hù)工作十分有利。

2.2 構(gòu)造

（1）主體結(jié)構(gòu)為環(huán)狀散拼模板：按二襯的設(shè)計要求每次澆筑10m計，故鋼模板設(shè)計成每倉10.7m（其中有一環(huán)是嵌在已澆注二次襯砌內(nèi)），共由11環(huán)環(huán)狀鋼模組成。每一環(huán)鋼模板分為7塊：圓心角 60°的4塊，56°的 2 塊，8°的 1 塊（為楔形塊，便于拆、裝），見圖2

經(jīng)過計算：模板面板厚采用6mm厚鋼板，肋板采用10mm厚鋼板卷制而成，模板的徑向和軸向聯(lián)接使用M14鉸孔螺栓連成一個整體。這樣模板本身就可以承受砼澆筑時產(chǎn)生的壓力，不用再加拱架支撐體系了。

（2）模板在初襯結(jié)構(gòu)中的定位：依靠安裝在每環(huán)模板上面的抗浮力可調(diào)整、收縮支撐柱（以下簡稱：銷柱）來完成。銷柱直徑Ф100mm，由無縫鋼管（為的是減輕自重）制成。每一環(huán)模板上共設(shè)置了8根銷柱（如上圖），下面的銷柱主要用于定位和承重，上面的銷柱用于定位和抵抗浮力。每一根銷柱都可以抽回并由銷釘定位，定位后，銷柱的下端面將與模板外圓弧面平齊，成為封堵面。銷柱結(jié)構(gòu)見圖3。

（3）模板的裝拆：由安裝于環(huán)模之中的臺車來完成。臺車的前后端分別裝有兩臺模板拆裝裝置（以下簡稱：機(jī)械臂），該機(jī)械臂可繞軸作360°旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤上的油缸用來舉升模板。臺車的自重由下部兩塊模板提供支持，該模板上裝有輕型鋼軌，臺車在該軌面上沿隧道的軸向行走。行走動力來自安裝在臺車下面的一臺油缸。該機(jī)械臂轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動馬達(dá)使用了外制動器，油缸使用了雙向液壓鎖，用以保證操作時的安全。

（4）模板的前后輸送由裝在臺車上面的滑車來完成，滑車無動力裝置，由人力完成。

（5）模板的端頭封堵：由一環(huán)較窄的模板來完成。該環(huán)模板不在11環(huán)之?dāng)?shù)內(nèi)。它的功能是封堵端面，固定環(huán)向橡膠止水帶，利用12點(diǎn)絲杠千斤頂頂住初襯結(jié)構(gòu)，用來作為模板臺車在銷柱全部收縮之后的定位之用。

（6）“水”字支撐模板的組合、緊固全部完成之后，在環(huán)模內(nèi)施以“水”字型支撐，該支撐桿使用Ф80水煤管，節(jié)點(diǎn)處鎖緊，以提高支撐桿的穩(wěn)定性，環(huán)模內(nèi)共設(shè)10組米字支撐，支撐牢固之后方可澆筑混凝土。

（7）砼注入口設(shè)置在偏前端位置，意圖是使商混在模板外呈斜面堆積長高，使商混以上的空氣沿一個方向排出，不至于出現(xiàn)困氣造成空鼓。為進(jìn)一步保證排氣順暢，在兩側(cè)縱向止水帶上方，對應(yīng)模板上予置放氣孔管，原理類似潛望鏡，讓止水帶被混凝土包嚴(yán)包實(shí)。澆筑時以該管出漿，并達(dá)到一定的封拱壓力，作為撤除該管的抽拔時機(jī)。

（8）預(yù)留環(huán)模：每一倉的11環(huán)鋼模之軸向澆筑長度為10m，其中兩個端頭位置環(huán)模的寬度（軸向長度）為73cm，中間的9套環(huán)模每套寬度（軸向長度）為103cm，全長共1073cm。使用中每完成一倉混凝土澆筑后，翻模時均留一倉（73cm）不拆，作為下一倉的固定支持點(diǎn)，同時也利用這一環(huán)模完成水平或鉛直方向的折角。

2.3 施工工藝

（1）上一倉混凝土澆筑完畢，6小時后拆掉堵頭模板，開始綁扎下環(huán)鋼筋。鋼筋驗(yàn)收完畢之后，開始進(jìn)行模板拆裝。

已澆筑完畢一倉的最后一環(huán)不拆，作為下倉的起始。從第二環(huán)模板開始，模板由后端機(jī)械臂拆掉后進(jìn)行打磨，打磨后用模板運(yùn)送滑車送到臺車前機(jī)械臂下進(jìn)行安裝，每一環(huán)模板安裝都和前一環(huán)用螺栓進(jìn)行安裝，同時也進(jìn)行了定位。隨著每環(huán)模板的安裝，臺車就前進(jìn)一環(huán)。后端模板拆完之時，前端模板也即安裝完畢。

（2）兩端封堵（第一倉），鋼模加固（米字支撐）。

（3）接泵管、開始澆筑。由下部觀測抽拔下銷柱，并加強(qiáng)銷柱部位的振搗，商混液面沒過振搗窗后即開啟上部附著式振搗器，抽拔上部銷柱。放氣孔部位出漿即抽出放氣孔管，商混液面達(dá)到端封觀測孔時即關(guān)閉觀測孔。適當(dāng)加壓、至端封板頂部見漿止，封堵注入孔，拆卸管道。清洗商混輸送管，清理現(xiàn)場。

（4）混凝土澆筑：在環(huán)模兩側(cè)開10對振搗窗，振搗窗以下部分的振搗用插入式振搗器，由操作工人解決；振搗窗以上的部位由附著式振搗器解決。

2.4 各工序時間（見表2）

表2 各工序時間表

3 經(jīng)濟(jì)效果、質(zhì)量及施工安全分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益比較

（1）設(shè)備造價：全斷面穿行式液壓襯砌臺車的總重量約為40t，再加上液壓系統(tǒng)，造價為30-40萬元/套；而浮力自平衡式模板臺車的重量約為20噸，加上兩套機(jī)械臂，造價則為20-30萬元/套，后者能節(jié)省近1/3的資金投入。

（2）節(jié)省勞動力：兩相比較，全斷面穿行式液壓襯砌臺車鋪設(shè)底模時需勞動力即為比浮力自平衡式模板臺車安裝時多出的勞動力，大概為8人工作一天。

（3）工效增加：全斷面穿行式液壓襯砌臺車襯砌速度為10m/4d，每月可完成70m左右；浮力自平衡式模板臺車襯砌速度為10m/3d，每月可完成100m左右，后者每月可增加30m工程量。

3.2 施工質(zhì)量比較

襯砌砼表面板逢整齊劃一，平面平整，拱圈襯砌輪廓圓順；

3.3 施工安全比較

由于浮力自平衡式模板臺車的支撐系統(tǒng)比較簡單，操作空間比較大，所以施工過程當(dāng)中的安全性較高。

[1]南水北調(diào)中線干線工程建管局，南水北調(diào)中線干線工程京石段應(yīng)急供水工程（北京段）西四環(huán)暗涵淺埋暗挖施工技術(shù)導(dǎo)則（試行）2005

[2]水利水電工程施工手冊編委會，水利水電工程施工手冊，混凝土工程。北京中國電力出版社2005