組合式鋼模臺(tái)車在長(zhǎng)距離隧道施工中的應(yīng)用

孫柏坤

( 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443002 )

0 引言

水利水電工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)涉及大量的隧道工程。在隧洞襯砌施工中采用鋼模臺(tái)車技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：施工機(jī)械化程度高，施工速度快；鋼模臺(tái)車整體設(shè)計(jì)大幅提高了模板的剛度和強(qiáng)度，提高施工安全性；臺(tái)車液壓支撐作業(yè)速度快，立模效率高，操作簡(jiǎn)單[1]，有效提高襯砌施工質(zhì)量，節(jié)約施工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

鋼模臺(tái)車的選型與隧道斷面型式、尺寸、隧洞軸線等多種因素有關(guān)，根據(jù)鋼模臺(tái)車運(yùn)行方式分為整體式、拼裝式和分離式3 種[2]。常見(jiàn)的分離式鋼模臺(tái)車為上下分離式或左右分離式結(jié)構(gòu)，大多應(yīng)用在洞徑斷面大、洞型尺寸變化的隧洞施工中，而縱向分離式的鋼模臺(tái)車應(yīng)用較少。國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者開展了縱向分離式鋼模臺(tái)車方面的研究，如吳衛(wèi)東[3]研究了分離式臺(tái)車在隧洞曲線段混凝土襯砌施工，也僅限于將直線標(biāo)準(zhǔn)12 m 長(zhǎng)度的鋼模臺(tái)車分離成7 m 和5 m 兩節(jié)；徐高山[4]針對(duì)分離式鋼模臺(tái)車的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。在長(zhǎng)距離曲線隧道襯砌施工中采用縱向單元組合式鋼模臺(tái)車的應(yīng)用較少。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧洞工作面劃分、開挖貫通時(shí)間不一、洞軸線和曲線段分布特點(diǎn)，將分離式鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)優(yōu)化成單元組合型式，每個(gè)單元長(zhǎng)度為4 m，可以根據(jù)實(shí)際組合成不同長(zhǎng)度的鋼模臺(tái)車進(jìn)行襯砌施工，確保工程整體竣工時(shí)間滿足工期要求。

1 工程概況

某水利水電項(xiàng)目隧洞工程(以下簡(jiǎn)稱“該隧洞項(xiàng)目”)包括1 條11.712 km 長(zhǎng)的主隧洞和2 條支洞，其中，Gikigie 引水支洞長(zhǎng)269 m，Kaanja 施工支洞長(zhǎng)617 m，在主隧洞正上方樁號(hào)5+319 處設(shè)一座直徑12 m、深50 m 的Irati豎井，通過(guò)隧洞將沿線河流的水引至出水口一座大壩內(nèi)，用于發(fā)電、灌溉、蓄水、防洪等多種用途綜合利用。主隧洞沿線共有5 處曲線段，曲線段轉(zhuǎn)彎半徑均為400 m，支洞、豎井及曲線段長(zhǎng)度、樁號(hào)等信息見(jiàn)表1 所列。隧道襯砌斷面為馬蹄形，襯砌形式采用250 mm 厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌后直徑為3 m。

表1 隧洞基本信息一覽表

2 組合式鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)

該隧洞項(xiàng)目鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)采用組合式鋼模臺(tái)車，每個(gè)單元模塊標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為4 m，縱向可以組合成8 m、16 m、24 m 和32 m 等不同長(zhǎng)度的鋼模臺(tái)車，結(jié)合該隧洞項(xiàng)目特點(diǎn)，實(shí)際采用的鋼模臺(tái)車長(zhǎng)度分別為4 m、16 m、24 m 和32 m。其中，4 m 長(zhǎng)的鋼模臺(tái)車僅用于曲線段隧洞襯砌，其他長(zhǎng)度的鋼模臺(tái)車則用于不同工作面直線段隧洞的襯砌。臺(tái)車結(jié)構(gòu)組成主要包括模板系統(tǒng)、門架支撐系統(tǒng)、軌道行走系統(tǒng)和液壓頂升系統(tǒng)四大部分，臺(tái)車橫斷面與縱斷面如圖1 ～圖2 所示。針對(duì)普通鋼模臺(tái)車在各類隧道工程中的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，設(shè)計(jì)資料較完整，并取得了良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益，本文不再贅述，只針對(duì)其使用過(guò)程中的特殊要求進(jìn)行說(shuō)明。

注：圖中尺寸數(shù)據(jù)單位為mm。圖1 鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)橫斷面圖

該隧洞項(xiàng)目鋼模臺(tái)車行走軌道采用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的一種專用行走軌道基礎(chǔ)[5]，包括弧形底板、支撐平臺(tái)和對(duì)拉支撐。弧形底板與仰拱面弧度一致，兩側(cè)支撐平臺(tái)作為臺(tái)車軌道安裝工作面，兩平臺(tái)之間及底部設(shè)計(jì)有對(duì)撐角鋼和加勁板，以提高軌道基礎(chǔ)整體強(qiáng)度和剛度，鋼模臺(tái)車專用行走軌道模板如圖3 所示。臺(tái)車行走鋼軌布置在支撐平臺(tái)上，行走時(shí)收縮模板伸出行走輪上部的液壓千斤頂，將整個(gè)臺(tái)車門架頂起，通過(guò)機(jī)械牽引方式向前行走。

圖3 鋼模臺(tái)車專用行走軌道模板示意圖

臺(tái)車單元模塊之間采用螺栓方式進(jìn)行連接，螺栓安裝前先清潔和檢查連接面，然后涂抹適量的潤(rùn)滑油或防銹劑，以減少摩擦力和防止腐蝕；螺栓緊固采用扭力扳手按照設(shè)計(jì)規(guī)定的扭矩進(jìn)行操作，以確保螺栓連接的緊固性，保證鋼模臺(tái)車的縱向整體剛度。臺(tái)車在澆筑時(shí)通過(guò)液壓螺旋絲桿進(jìn)行臨時(shí)內(nèi)撐，避免模板變形，臺(tái)車就位后通過(guò)液壓千斤頂進(jìn)行頂升和下降。

3 流水襯砌施工工藝

仰拱混凝土應(yīng)超前邊頂拱施工，根據(jù)臺(tái)車單元模塊組合形式，在已澆筑的仰拱混凝土基礎(chǔ)上鋪設(shè)鋼模臺(tái)車專用行走軌道作為臺(tái)車移動(dòng)通道。現(xiàn)場(chǎng)各工作面均采用雙鋼模臺(tái)車，即2 臺(tái)相同長(zhǎng)度的鋼模臺(tái)車進(jìn)行流水循環(huán)作業(yè)，其中，第一臺(tái)鋼模臺(tái)車作業(yè)領(lǐng)先第二臺(tái)鋼模臺(tái)車作業(yè)1 ～2 個(gè)循環(huán)。在第一臺(tái)鋼模臺(tái)車澆筑施工完畢后，利用該倉(cāng)混凝土等待齡期至脫模強(qiáng)度的時(shí)間，進(jìn)行第二臺(tái)鋼模臺(tái)車倉(cāng)位混凝土施工，第二臺(tái)鋼模臺(tái)車作業(yè)完成后，可以重新開始第一臺(tái)鋼模臺(tái)車作業(yè)施工，實(shí)現(xiàn)流水循環(huán)作業(yè)，混凝土襯砌流水作業(yè)工藝流程如圖4 所示。在流水作業(yè)中，鋼筋綁扎、焊接和止水安裝等超前進(jìn)行，不占用臺(tái)車使用時(shí)間。混凝土由拌和站生產(chǎn)，平板車運(yùn)輸，混凝土泵泵送入倉(cāng)。鋼筋、小型模板等均在加工廠制作，采用平板運(yùn)輸車運(yùn)送至各施工作業(yè)面。

圖4 混凝土襯砌流水作業(yè)工藝流程

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

4.1 鋼模臺(tái)車施工效率

根據(jù)鋼模臺(tái)車單元模塊標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度、組合數(shù)量和流水作業(yè)方式，結(jié)合該隧洞項(xiàng)目實(shí)際，鋼模臺(tái)車可以組合成4 m、16 m、24 m 和32 m 四種不同長(zhǎng)度使用，分別為1 個(gè)單元、4 個(gè)單元、6 個(gè)單元和8 個(gè)單元的組合，每個(gè)單元之間采用螺栓連接，各工作面鋼模臺(tái)車配置數(shù)量均為2 臺(tái)。每個(gè)臺(tái)車施工工序主要包括臺(tái)車就位、混凝土澆筑、等待混凝土齡期、臺(tái)車脫模就位及下一循環(huán)備倉(cāng)等5 道工序。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，2 臺(tái)16 m 長(zhǎng)鋼模臺(tái)車采用流水作業(yè)形式完成一次循環(huán)僅需36 h，流水循環(huán)作業(yè)方式如圖5 所示，即：36 h 內(nèi)即可完成32 m 長(zhǎng)混凝土襯砌施工。相比之下，24 m 和32 m 長(zhǎng)鋼模臺(tái)車流水作業(yè)，僅混凝土澆筑工序耗時(shí)會(huì)同比例增加，而其他工序耗時(shí)增加較少。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2 臺(tái)24 m 和2 臺(tái)32 m 長(zhǎng)鋼模臺(tái)車完成一次流水循環(huán)作業(yè)的時(shí)間分別為48 h 和54 h。按照月有效工作時(shí)間25 d 考慮，采用16 m、24 m 和32 m 長(zhǎng)雙鋼模臺(tái)車流水襯砌施工，理論上單月最大施工效率可以達(dá)到525 m、600 m和700 m。

圖5 2臺(tái)16 m長(zhǎng)鋼模臺(tái)車流水循環(huán)作業(yè)時(shí)間表

4.2 工作面劃分與鋼模臺(tái)車分配

該隧洞項(xiàng)目隧道斷面小、距離長(zhǎng)、曲線半徑小、工作面多、材料運(yùn)輸難度大，各工作面開挖貫通時(shí)間不一致，為了最大限度提高工作效率，在各工作面貫通后進(jìn)行洞身襯砌施工，洞身襯砌采用縱向單元組合式鋼模臺(tái)車施工。根據(jù)隧道各工作面貫通時(shí)間、支洞及曲線段分布特點(diǎn)、臺(tái)車澆筑效率等因素，將襯砌作業(yè)劃分為6 個(gè)工作面，如圖6 所示。

注：圖中尺寸數(shù)據(jù)單位為m。圖6 該隧洞項(xiàng)目隧洞襯砌工作面劃分

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工組織，1#、2#工作面貫通時(shí)間較早，同時(shí)2#工作面存在74 m 的曲線段，考慮臺(tái)車調(diào)配、曲線特點(diǎn)及鋼模臺(tái)車施工效率，上述兩個(gè)工作面均配置2 臺(tái)16 m 長(zhǎng)的鋼模臺(tái)車，由4 個(gè)單元模塊組成，在曲線段施工時(shí)，將臺(tái)車進(jìn)行分解，由一個(gè)單元模塊臺(tái)車進(jìn)行襯砌施工。同理，其他工作面的臺(tái)車配置見(jiàn)表2 所列，1#、2#工作面襯砌施工完成后，臺(tái)車可以調(diào)配至其他工作面繼續(xù)使用。

5 主要施工方法

5.1 直線段隧道襯砌施工方法

1)施工準(zhǔn)備

鋼模臺(tái)車各單元模塊在洞外組裝完畢后，通過(guò)有軌運(yùn)輸牽引車運(yùn)送至指定倉(cāng)面處等待就位，襯砌施工輔助設(shè)施沿用開挖階段所用的通風(fēng)、用水、排水、供電等設(shè)施，基本能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

2)軌道基礎(chǔ)安裝

當(dāng)仰拱混凝土澆筑完畢并達(dá)到一定強(qiáng)度后，安裝鋼模臺(tái)車行走軌道基礎(chǔ)，軌道基礎(chǔ)通過(guò)弧形底板中心定位孔對(duì)中放置在已澆筑完成的弧形仰拱面上，調(diào)整基礎(chǔ)角度使其與隧道軸線方向垂直，軌道基礎(chǔ)按一定間距鋪展開來(lái)，再在兩側(cè)支撐平臺(tái)上安裝軌道，供鋼模臺(tái)車行走。

3)鋼模臺(tái)車就位

鋼模臺(tái)車單元模塊間采用焊接方式組合成一臺(tái)完整的鋼模臺(tái)車，鋼模臺(tái)車頂升就位后安裝卡軌器，防止臺(tái)車移動(dòng)，然后啟動(dòng)液壓頂升系統(tǒng)進(jìn)行立模，按照測(cè)定的高程先立頂模，后立側(cè)模，最后安裝絲桿進(jìn)行橫向支撐，確保混凝土澆筑過(guò)程中模板不變形。

4)混凝土澆筑

混凝土澆筑采用雙鋼模臺(tái)車間隔跳倉(cāng)法澆筑，其中，一輛臺(tái)車需領(lǐng)先1 ～2 個(gè)襯砌段長(zhǎng)度，混凝土采用平板車運(yùn)輸，泵送方式入倉(cāng)，澆筑過(guò)程中應(yīng)始終保持兩側(cè)倉(cāng)面均勻平行上升，高差不大于400 mm，通過(guò)安裝在臺(tái)車上的附著式振搗器進(jìn)行振搗，確保混凝土澆筑密實(shí)。

5)脫模養(yǎng)護(hù)

當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到脫模要求后，放松液壓頂升系統(tǒng)，收回模板，延伸鋼模臺(tái)車軌道基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)械方式牽引至下一倉(cāng)位，如此循環(huán)往復(fù)，直至完成全部混凝土襯砌施工。

5.2 曲線段隧道襯砌施工方法

曲線段隧道襯砌常用的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼模臺(tái)車“以直代曲”的方法，或組合模板襯砌施工的方法進(jìn)行。其中，組合模板的施工效率低、人工投入較多、且模板的施工質(zhì)量難以保證，經(jīng)常采用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼模臺(tái)車“以直代曲”的方法進(jìn)行襯砌施工。標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼模臺(tái)車會(huì)受到隧洞的轉(zhuǎn)彎半徑、洞徑等因素影響，臺(tái)車長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)一方面會(huì)影響臺(tái)車通行，另一方面會(huì)過(guò)度侵占二襯結(jié)構(gòu)面，影響隧洞整體質(zhì)量和使用效果。

該隧洞項(xiàng)目采用2 臺(tái)4 m 長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)單元臺(tái)車進(jìn)行流水作業(yè)襯砌施工，主要施工方法基本同直線段，僅需在澆筑前對(duì)鋼模臺(tái)車縱向進(jìn)行模塊分解，放松臺(tái)車單元之間的連接螺栓，將多余的單元模塊轉(zhuǎn)移至直線段或洞外。該隧洞項(xiàng)目4 m 長(zhǎng)臺(tái)車在曲線段襯砌施工時(shí)，基本不侵占二襯結(jié)構(gòu)面尺寸，滿足施工要求。

5.3 施工注意事項(xiàng)

該隧洞項(xiàng)目采用的組合式鋼模臺(tái)車進(jìn)行襯砌施工時(shí)，應(yīng)特別注意以下事項(xiàng)：

1)根據(jù)隧洞斷面尺寸、曲線信息等合理選擇臺(tái)車的單元節(jié)長(zhǎng)度，以確保臺(tái)車的順利進(jìn)出和曲線段澆筑時(shí)結(jié)構(gòu)面侵占問(wèn)題。

2)采用合理的螺栓連接形式，確保單元之間的整體剛度，防止在混凝土澆筑過(guò)程中臺(tái)車連接部位出現(xiàn)斷裂和漏漿。

3)該隧洞項(xiàng)目采用的鋼模臺(tái)車長(zhǎng)度較長(zhǎng)，應(yīng)合理安排施工組織順序和作業(yè)方法，混凝土澆筑采用自下而上的順序進(jìn)行，兩側(cè)側(cè)墻混凝土澆筑面的高差應(yīng)控制在0.5 m 以內(nèi)，防止出現(xiàn)冷縫。

6 應(yīng)用效果

根據(jù)單元臺(tái)車模塊組合，該隧洞項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用的臺(tái)車長(zhǎng)度為4 m、16 m、24 m 和32 m 四種類型，其中，4 m 長(zhǎng)的鋼模臺(tái)車應(yīng)用在曲線段施工，其他長(zhǎng)度的臺(tái)車應(yīng)用在直線段施工。通過(guò)雙鋼模臺(tái)車間隔跳倉(cāng)澆筑作業(yè)，16 m 長(zhǎng)雙鋼模臺(tái)車月實(shí)際施工進(jìn)尺達(dá)460 m，24 m 長(zhǎng)雙鋼模臺(tái)車月實(shí)際施工進(jìn)尺為540 m，32 m 長(zhǎng)雙鋼模臺(tái)車月實(shí)際施工進(jìn)尺為650 m，大幅提高了混凝土襯砌施工效率。針對(duì)長(zhǎng)隧道多工作面同時(shí)作業(yè)，采用不同長(zhǎng)度的臺(tái)車進(jìn)行澆筑，能夠有效保障工程施工進(jìn)度，有利于各工作面間的臺(tái)車調(diào)配，減少臺(tái)車配置數(shù)量，節(jié)約施工成本。

7 結(jié)語(yǔ)

采用組合式鋼模臺(tái)車在長(zhǎng)距離隧道混凝土襯砌施工時(shí)，可以最大程度地節(jié)約鋼模臺(tái)車的配置數(shù)量，同時(shí)解決了隧道曲線段鋼模臺(tái)車就位難度大、就位后因轉(zhuǎn)角大造成襯砌混凝土結(jié)構(gòu)尺寸改變等問(wèn)題。同時(shí)單元組合式鋼模臺(tái)車可以根據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)自由組合成不同長(zhǎng)度使用，便于多工作面之間的施工調(diào)配，提高施工效率，降低施工成本，在后續(xù)類似工程可以推廣使用。

針對(duì)該隧洞項(xiàng)目特點(diǎn)，實(shí)際采用的單元模塊組合長(zhǎng)度最大為32 m。當(dāng)組合長(zhǎng)度更大時(shí)，臺(tái)車行走的摩阻力大小、單次澆筑混凝土方量、配套的混凝土拌合、運(yùn)輸、泵送、振搗等設(shè)施也會(huì)增加，施工難度和施工成本也會(huì)相應(yīng)增大，后續(xù)需要進(jìn)一步研究和探索實(shí)際最優(yōu)的單元組合模塊數(shù)量。