全斷面針梁臺車在南水北調(diào)東線穿黃工程20°坡度斜井混凝土施工中的改進與應(yīng)用

朱海亞，溫定煜，周鳳才，戴永翔，高鵬偉

（1.中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川成都 610066；2.南水北調(diào)東線穿黃河工程北區(qū)建管局，山東聊城 252000）

1 工程概況

南水北調(diào)東線第一期工程穿黃北區(qū)工程穿黃隧洞斜井位于黃河北岸，穿越黃河大堤，為有壓圓形隧洞，全長166.03 m，開挖直徑為8.9～9.5 m，襯砌后內(nèi)徑7.50 m。主要包括：斜洞段上、下彎段，斜洞段直段及部分埋管段，與水平方向成20°夾角，樁號：7+ 881.917-7+048.245。斜洞段工程縱剖面，如圖1所示。

圖1 斜洞段工程縱剖面

2 總體施工方案的確定

斜井段工程屬大坡度混凝土施工，面臨裂隙水和外部水流入的影響，施工難度較大、技術(shù)要求高。根據(jù)國務(wù)院南水北調(diào)辦公室工期總體要求：2011年12月31日全面完工，工期尤為緊張。通過對采用組合鋼模板+滿堂架、鋼模臺車、全斷面針梁臺車3種方式混凝土澆筑施工方案的反復(fù)論證、比較分析，選取全斷面針梁臺車混凝土澆筑施工工藝。該施工工藝簡單、施工成本和管理成本較低，并能在確保安全和質(zhì)量的前提下加快施工進度，滿足設(shè)計標準要求。

3 施工方法

3.1 施工邊界條件

⑴斜洞段工程與水平方向成20°夾角，開挖直徑為8.9～9.5 m，成型直徑為7.5 m，襯砌厚度為60～80 cm。根據(jù)設(shè)計圖紙施工要求采取全斷面施工。

（2）為確保工程施工進度、保證施工質(zhì)量、減小安全隱患，擬定采用9.0 m全斷面針梁臺車一次澆筑成型，因此洞內(nèi)布置復(fù)雜，主要布置基礎(chǔ)設(shè)施包括：鋼絲繩、滑輪組、平板臺車+礦用絞車系統(tǒng)、后期溜槽系統(tǒng)、排水設(shè)施等。

（3）全斷面針梁臺車主要相關(guān)參數(shù)：針梁長22.960 m，模體長9.0 m，斷面直徑7.52 m；針梁臺車總重96 t，模板總成、梁框總成、行走機構(gòu)、抗浮裝置及托架幾大部分自重約66 t，針梁重30 t。

3.2 針梁臺車主要技術(shù)參數(shù)

鋼模直徑：7.52 m；針梁長度：22.96 m；理論襯砌長度：9.0 m或4.5 m；額定電壓：380V；油泵：GBY2016，Q=16.4 ml/r；油泵電機：Y160M-4，P=7.5 kW，n=1 440 r/min；搖擺針輪減速器：XWD8-43-11（帶制動）；液壓系統(tǒng)工作壓力：20 MPa。

3.3 針梁臺車行走原理

安裝在針梁臺車上的2根鋼絲繩，分別繞過針梁端部及梁框上的滑輪，固定在針梁兩端，針梁和鋼模互為支點相對運動使臺車前進。脫模之前，收縮底座油缸，旋吊底座，針梁下面軌道落在底模行走輪上，開動卷揚機使針梁向前移動，到位后放下底座，油缸頂在針梁上然后脫模。脫模后，開動卷揚機使其反方向運動，鋼模即向上移動。

3.4 針梁臺車的改進

南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程斜井段工程坡度較陡，針梁臺車在斜井混凝土施工中行走是需解決的一大技術(shù)難題。因此，為確保針梁臺車在斜井混凝土澆筑施工中的安全應(yīng)用，根據(jù)針梁臺車原行走原理的基礎(chǔ)對其進行改進。

3.4.1 針梁部分移動力學(xué)分析及改進

通過針梁臺車相關(guān)技術(shù)參數(shù)可知，針梁部分重30.0 t，因此針梁部分在斜井混凝土施工中的狀態(tài)如圖2所示。

根據(jù)圖2分析，針梁移動牽引力計算公式為：

圖2 針梁部分移動力學(xué)計算

式中：下滑分力取G=Wsina=30×sin20°=10.26（t）；摩擦力取f=μP，P=Wcos20°=30×cos20°=28.19（t）。鋼與鋼之間的滑動摩擦系數(shù)取μ=0.05～0.1，此處取0.075，f=0.075×28.19=2.11（t）。

針梁部分移動牽引力G=10.26+2.11=12.37（t），考慮2.0安全系數(shù)，故針梁部分向上移動需牽引力12.37×2.0=26.74（t）。

因此，結(jié)合受力分析情況，需對針梁臺車原導(dǎo)向機構(gòu)進行改進，通過將導(dǎo)向機構(gòu)原有4根鋼絲繩滑輪組改進為8根鋼絲繩滑輪組的方式完成針梁部分的移動。轉(zhuǎn)換后需牽引力26.74÷8=3.34（t）＜5（t），以便原配置卷揚機滿足要求。導(dǎo)向機構(gòu)改進平面及縱斷面，如圖3-4所示。

3.4.2 模體部分移動受力分析及改進

模體部分主要包括：模板總成、梁框總成、行走機構(gòu)、抗浮裝置及托架等幾大部分，總自重66 t。在襯砌過程中，其他附加荷載主要包括走道、木板、施工人員、黏結(jié)混凝土等，共計約15 t。模體的總重量為66+15= 81.0（t）。模體部分移動所需牽引力計算，如圖5所示。

根據(jù)圖5分析，模體移動牽引力計算公式為：

圖3 導(dǎo)向機構(gòu)改進平面

圖4 導(dǎo)向機構(gòu)改進縱斷面

圖5 模體部分移動力學(xué)計算

圖6 模體部分改進

式中：下滑分力取G=Wsina=81×sin20°=27.70（t）；摩擦力取f=μP，P=Wcos20°=81×cos20°=76.12（t）。鋼與鋼之間的滑動摩擦系數(shù)取 μ=0.05～0.1，這里取0.075，f=0.075×76.12=5.71（t）。

模體部分向上滑移動牽引力為G=27.70+5.71= 33.41（t），考慮2.0安全系數(shù)，故模體部分移動需牽引力33.41×2.0=66.82（t）。

結(jié)合受力計算情況，需針對模體部分進行改進，模體部分移動主要依靠在模體框架兩側(cè)中心位置安裝動滑輪組，通過滑輪組力學(xué)轉(zhuǎn)換，借助外力對模體牽引，使其與針梁臺車針梁部分發(fā)生相對運動。模體部分改進，如圖6所示。

4 結(jié)語

通過對針梁臺車改進，在南水北調(diào)東線第一期穿黃北區(qū)工程穿黃隧洞斜井工程中成功應(yīng)用后，減小了采用其他模板進行澆筑的工藝復(fù)雜性，明顯加快了施工進度，降低了施工成本，同時為類似斜井混凝土澆筑全斷面針梁臺車的設(shè)計、施工提供借鑒經(jīng)驗，拓寬了全斷面針梁臺車的應(yīng)用領(lǐng)域。