新型輸水隧洞襯砌模板臺車設計與應用探討

王樹林，王 鴻

（1.水利部山西水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

1 工程概況

山西省中部引黃工程位于該省西部山區，是該省 “十二五規劃”大水網建設中的一項重點工程。該工程主要建筑物包括泵站1座、埋涵6段、倒虹2座、渡槽2座、地下式分水閘5處、地面式分水閘7處，輸水隧洞全長381.34 km。

揚水泵站位于保德縣境內黃河天橋水電站上游1.44 km左岸棗林溝口。泵站設計7臺機組，總裝機容量9 600 kW。泵站進水池最低水位829.47 m，出水池設計水位1 027.03 m，揚水管為直徑3.6 m的壓力鋼管，設計提水流量23.55 m3/s，揚程200 m。

中部引黃工程主要任務是解決忻州、呂梁、臨汾和晉中4市17個縣 （市、區）的工農業生產及生活用水。工程建成后，年引水量6.02億m3，受益人口達320多萬人，可新增灌溉面積10萬hm2。

2 輸水線路

中部引黃工程輸水線路由總干線、東干線、西干線及3條供水支線組成，在平面上呈樹枝狀分布，線路總長384.5 km。

總干線由揚水泵站出水池出口開始，經保德縣、興縣、臨縣、方山縣、離石區，到中陽縣邢家嶺分水閘為止，全長200.22 km。共分4條隧洞，最大埋深610 m。

東干線從中陽縣邢家嶺分水閘起，向南延伸至孝義縣下水棠分水閘止，全長28.76 km，全部為隧洞，最大埋深693 m。另外，東干線從孝義縣下水棠分水閘開始分兩條供水支線，分別進入汾孝介和交汾靈，汾孝介支線長14.97 km，交汾靈支線長51.25 km。

西干線從邢家嶺分水閘起，向西南方向延伸，經石樓縣、柳林縣，到隰縣下王莊的十字分水閘止，全長85.70 km，隧洞長85.59 km，最大埋深694 m。從下王莊十字分水閘起設蒲大供水支線，支線長3.6 km。

3 輸水隧洞設計

根據輸水線路沿線不同地質條件，隧洞采用了城門洞形、圓形和馬蹄形3種斷面形式，即隧洞埋深較大且圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類時，采用圓形斷面；埋深較小且圍巖類別 “小于IV類”或 “II、III類”時，采用城門洞形斷面；在土質洞段，采用馬蹄形斷面。各種形式隧洞在輸水線路中的長度見表1。

表1 輸水隧洞斷面形式統計 km

從表1可見，中部引黃輸水隧洞總長381.34 km，占線路總長的99.2%。其中，城門洞形斷面應用較為普遍，長達305.15 km，占輸水線路總長的79.4%；圓形斷面主要分布于總干線與東干線，長67.86 km，占輸水線路總長的17.6%；馬蹄形斷面主要分布于總干線隧洞中，汾孝介和交汾靈支線也有少量分布，共長8.33 km，占輸水線路總長的2.2%。

輸水隧洞的大小主要由引水流量決定，城門洞形和馬蹄形隧洞的主要尺寸分別見表2、3。總干線3號隧洞圓形斷面設計洞徑為4.3 m，4號隧洞為4.1 m，東干線隧洞為3.2 m。

4 隧洞模板設計

當前，在國內水利水電輸水隧洞襯砌施工中，對于圓形斷面輸水隧洞混凝土襯砌模板主要采用全斷面針梁式襯砌模板和穿行式全斷面襯砌模板。城門洞形隧洞襯砌方式則通常采用拱架和人工組裝模板施工，這種施工方法既費時又費工，施工速度慢，還經常出現錯臺、蜂窩麻面等質量缺陷，為了解決這些問題，在中部引黃工程城門洞形隧洞襯砌模板設計時借鑒了全斷面針梁模板臺車和穿行式全斷面襯砌模板臺車的技術，并考慮到馬蹄形和圓形輸水隧洞襯砌施工需求，經室內多方案的模擬試驗對比，最終設計出一套既能適用城門洞形斷面，也能適用馬蹄形和圓形斷面隧洞混凝土襯砌的新型模板臺車施工技術。

表2 城門洞形輸水隧洞斷面設計參數

表3 馬蹄形輸水隧洞斷面設計參數

4.1 模板臺車結構及特點

輸水隧洞模板臺車結構由模板框梁、面板、正反頂絲和移動軌道四部分組成，現以總干線隧洞3種斷面形式尺寸為例對新型模板臺車進行介紹，模板臺車結構設計見圖1。

本項目隧洞模板臺車的設計，同全斷面針梁式襯砌模板臺車、穿行式全斷面襯砌模板臺車和邊頂拱軌行式襯砌模板臺車相比，在液壓自動化方面略為遜色，但在其他方面具有明顯優勢：

（1）結構簡單、制造方便、造價低廉，可通過不同面板相互組合，適用多種斷面形式，可大幅提高模板重復利用率，大幅度降低模板的使用成本。

（2）采用不同型號槽鋼通過焊接組成模板框梁，再通過自制正反頂絲聯接面板，使得模板支撐與脫模自如，機械故障發生幾率很低。避免了如針梁模板臺車等常因自動液壓系統出現故障，極易造成停工的情況。

（3）通過模板臺車滑輪和移動軌道，機械化移動，實現了不間斷循環向前施工。

4.2 模板臺車工作原理

本項目模板臺車以框梁為基本結構單元，通過連接不同形式面板，便可適應不同斷面形式和不同大小隧洞模板的需求。通過調整正反頂絲，可實現支模與脫模。

圖1 新型模板臺車結構示意（單位：mm）

4.3 模板臺車結構設計與制作

4.3.1 模板框梁

模板框梁是模板臺車在隧洞混凝土襯砌時的主要受力構件。其結構可由普通槽鋼焊接而成。框梁的尺寸，根據隧洞洞徑大小來確定，對于圓形隧洞，其寬度可取洞徑的1/2；城門洞形，寬度可取洞寬的2/3。槽鋼的截面選擇通過計算確定。

以中部引黃工程總干線輸水隧洞4.3 m洞徑為例，模板下部縱向框梁采用 [20槽鋼，其他構件采用 [10槽鋼，滑輪尺寸為φ20，槽鋼框里間距為0.8 m，框梁組件單節長5 m，總長10 m。模板框梁橫斷面見圖2。

圖2 模板框梁橫斷結構（單位：mm）

4.3.2 面板設計

模板臺車城門洞形面板由左右對稱的兩組面板組成，每組面板包括1塊弧形面板和1塊直墻面板，弧形面板要根據城門洞形斷面設計半徑與頂拱中心角度加工，直墻面板根據直墻段設計高度加工；圓形和馬蹄形面板均由左右對稱的兩組四塊面板組成，兩組面板尺寸、形狀均相同。具體尺寸可根據設計圓形半徑或拱頂半徑、內緣半徑決定。

面板受力框架選用 [6槽鋼焊接，采用厚5 mm鋼板作為面層。面板受力框架間距0.6 m。面板鋼板與受力框架在卷板機上成型。

4.3.3 面板的聯接設計

面板與面板之間采用鉸接，面板與框架采用正反頂絲和鉸接聯接。正反頂絲是模板主要受力桿件，圓形、馬蹄形斷面可選用7條φ25的粗螺紋螺栓，城門洞形斷面選用9條φ25的粗螺紋螺栓。面板連接見圖3。

圖3 面板連接示意

4.3.4 模板臺車運行

模板臺車運行移動可采用軌道行式運行方案，軌道安裝在預先已澆筑的底板混凝土上，并通過預埋螺栓加以固定。軌道可采用輕型鋼軌。

5 隧洞模板臺車的工程應用

（1）模板臺車的現場組裝與定位。模板臺車在使用前應進行各部件的組裝，組裝場地可根據施工現場條件決定。一般選擇在洞口組裝，面板安裝可采用吊車吊裝。模板臺車現場操作時，應在每倉鋼筋工序完成之后通過軌道運行準確到位，再通過正反頂絲調整螺栓，保證模板支撐到位，達到設計洞徑、洞形要求。操作頂絲應由上而下進行，并保證模板平直無錯合、無縫隙后，方可進行混凝土澆筑施工。

（2）隧洞混凝土澆筑施工。隧洞混凝土澆筑時一般采用混凝土罐車運輸，混凝土通過地泵與泵管將混凝土送入倉內。進料時須保證模板兩側混凝土均勻上升，混凝土振搗采用平板振搗器與軟軸振搗器相互配合及時進行振搗，以確保混凝土澆筑密實。

（3）模板臺車模板的脫模。當混凝土澆筑完成后，強度大于80%時，通過面板與框梁之間的正反頂絲和調整螺栓脫模。從上到下進行，使模板在頂絲和調整螺栓拉力作用下自動脫離混凝土。

6 結語

山西省中部引黃工程模板臺車結構設計科學、用途廣泛，既適用于圓形和馬蹄形斷面輸水隧洞的襯砌，更適用于城門洞形輸水隧洞的混凝土襯砌施工。且造價低廉、結構簡單、制造方便、操作靈活可靠，它既可適用于大中型水利水電輸水隧洞工程建設，更適合于小型水利水電輸水隧洞工程建設，值得推廣應用。

［1］冀生貴.全斷面針梁式鋼模板在隧洞混凝土襯砌中的應用［J］.水力發電， 2001（2）:38-40.

［2］顧華，盧興金.機械式針梁鋼模臺車結構設計［J］.水利水電技術， 1996（11）:23-25.

［3］謝崇林.變斷面液壓模板臺車在地鐵隧道中的應用［J］.鐵道建筑， 1993（3）:13-16.