整體式縱向滑模棧橋在水工隧洞中的應用

【摘要】以滇中引水楚雄段大轉彎隧洞為工程依托，在闡述棧橋結構組成、工作原理、工藝流程及操作要點等基礎上，開展整體式液壓縱向滑模棧橋在水工隧洞中的應用研究。得到主要結論：（1）棧橋施工可改善底板襯砌混凝土外觀質量，有效避免空洞和裂縫缺陷，蜂窩麻面缺陷降低43%，表面平整度提高68%；（2）棧橋施工能夠縮短施工周期，每個施工循環工期可提高4h，IV級圍巖施工進度提升62.5%，V級圍巖施工進度提升1倍；（3）棧橋可實現模板定位安裝和脫模，有效降低人員施工數量，每模施工可減少2人。

【關鍵詞】輸水隧洞； 縱向滑模； 棧橋施工； 工藝工裝； 底板襯砌

【中圖分類號】U455.3+9【文獻標志碼】B

［定稿日期］2022-11-04

［作者簡介］伍闖（1991—），男，專科， 助理工程師，研究方向為隧道與地下工程。

0 引言

輸水隧洞中，仰拱、底板襯砌混凝土的施工質量，尤其是表面平整度，一直是工程管控重點、難點。目前常用普通仰拱棧橋的施工方法，大多存在施工質量難以滿足設計要求的情形［1］，究其原因，仰拱襯砌配套工藝工裝是其中的重要一環。

仰拱襯砌配套工藝工裝是影響隧洞仰拱施工質量、進度、成本的關鍵因素［2-5］。針對仰拱施工裝備方面，一些學者作了有益探索，如趙廣平［5］研究的仰拱新型組合弧形鋼模板，克服了仰拱施工工序多以及仰拱與邊墻基礎不能一次澆筑等施工問題；蘇輝［7］在黃土隧道中應用長仰拱棧橋配置仰拱模板和混凝土搗固整平裝置，有效減少立模時間；韓賀庚等［8］以蒙華鐵路隧道為依托，介紹了隧道施工機械化配套情況及自行式仰拱長棧橋相較于簡易仰拱棧橋的優點；邊鵬飛等［9］以滬昆客運專線梁坡隧道為依托，研制的全自動液壓棧橋式仰拱移動模板一體機能有效提高了工效并保證施工質量。林立文［10］對液壓移動仰拱棧橋施工技術進行研究，并提出后續改進的研究方向。但是，上述已有的案例多以交通隧道為實施依托；而結合到輸水隧洞具有特殊的永久過流要求，其對仰拱棧橋機械化施工的需求更加迫切，故開展整體式液壓縱向滑模棧橋在水工隧洞的應用研究將具有良好的工程價值。

綜上，本文研究以滇中引水楚雄段大轉彎隧洞為工程依托，依據仰拱施工要求，開展整體式液壓縱向滑模棧橋在水工隧洞的應用研究，在重點闡述裝備結構組成、工作原理、工藝流程以及操作要點等基礎上，通過分析施工質量和進度，對整體式液壓縱向滑模棧橋的應用效果進行評價。

1 工程概況

滇中引水工程是中國西南地區規模最大、投資最多的水資源配置工程。本文以滇中引水工程楚雄段大轉彎隧洞中間段（CX54+445.817～CX75+208.817）為依托，該段全長為20 763 m，隧洞斷面形式為“馬蹄形”，凈空尺寸為8.42 m×9.13 m，埋深主要在50～200 m之間，最大埋深為347 m。隧洞主要穿越地層為“滇中紅層”中的侏羅系和白堊系地層，圍巖類別主要以Ⅳ、Ⅴ類為主，地層巖性主要為泥巖、粉砂質泥巖、泥灰巖、泥質粉砂巖及砂巖等。沿線以斷層構造發育為主，共穿越37條斷層及破碎帶，地下水類型主要為基巖裂隙水，水位埋深一般在20～100 m之間（圖1）。

目前國內施工采用的棧橋主要為“液壓自行式仰拱棧橋”和簡易加工棧橋，仰拱及底板混凝土施工采用簡易鋼模板或木模板，并通過施工機械牽引輔助棧橋移動。因此，只能應用于單工序施工，各工序交叉作業頻繁，工效較低，且外觀質量較差，底板襯砌混凝土極易出現氣泡、泛砂、蜂窩麻面及不密實等問題。混凝土施工質量不能滿足輸水隧洞的過流要求。滇中引水工程仰拱、底板混凝土施工，采用“整體式液壓縱向滑模棧橋”和“仰拱、底板液壓自行式棧橋+環向滑模”兩種工裝，但在仰拱、底板圓弧段至邊墻內角點位置，混凝土的外觀質量問題依然突出。基于此，大轉彎隧洞采用“整體式液壓縱向滑模棧橋”進行仰拱和底板的混凝土施工。施工工藝相對簡單，工效較快，施工質量較好，具有較強的操作性（圖2）。

2 整體式液壓縱向滑模棧橋施工工作原理

2.1 整體式液壓縱向滑模棧橋結構

整體式液壓縱向滑模棧橋由滑模小車、主橋、前后引橋、縱向滑模、行走系統及電控液壓平衡系統構成。其中，電控液壓系統可控制棧橋整體自動縱向前進及液壓橫向移動，棧橋行走速度為8 m/min。有效工作長度為24 m，即12 m混凝土施工空間+12 m鋼筋施工空間，混凝土施工空間配置長度為6 m的縱向滑膜，縱向滑軌行程13 m。同時，棧橋可攜帶縱向滑模整體抬高10～15 cm。棧橋尺寸為長×寬×高=47.8 m×5.6 m×3.5 m。棧橋設計額定載荷60 t，允許通過車輛寬度為3.4 m（圖3）。

2.2 工作原理

2.2.1 行走系統

首先，主橋通過前支架支腿將載荷傳遞于仰拱、底板墊層，后端支撐于仰拱、底板填充面（圖4），自動走行裝置懸掛于主橋前端。然后，通過頂升油缸提升前引橋，升降機構收縮，使自動走行裝置支撐于墊層面上，并將主橋托起，前支架支腿脫離于開挖面。此時自動走行裝置（驅動機構、傳感系統、牽引鏈條、滑軌）輔助使主橋前移。在前移過程中，前支架、前引橋和后引橋始終脫離地面（圖4、圖5）。

2.2.2 滑模定位系統

棧橋通過多功能液壓小車牽引滑模沿縱向移動、提升，實現模板定位安裝和脫模提升。當主支腿接觸于地面，將夾緊裝置退到最大位置，通過橫向液壓油缸伸縮頂推，縱向滑模實現左右橫向移動定位（圖6）。

2.2.3 混凝土澆筑縱滑系統

底板兩側矮邊墻模板固定，滑模可縱向自由滑動，矮邊墻與圓弧段交接處采用縱向滑軌過渡，并安裝有耐磨橡膠墊片以防止機械磨損。縱向滑模長度為5.7～6.0 m，仰拱、底板分倉澆筑長度為12 m，縱向滑軌行程13 m，滑模可整體抬高10～15 cm。仰拱、底板混凝土澆筑時，縱向滑模定位在與上一倉的搭接端，布料依次從隧道中線窗口向兩側邊墻窗口進行鋪攤，過程中加強振搗，待搭接端混凝土布滿后，啟動走行裝置的驅動機構，運動并帶動滑模沿縱向導軌向前移動6 m依次進行澆筑。此外，滑模滑動和人工收面同時進行，以保證底板襯砌混凝土的外觀質量。當模板滑至關模一端時，待矮邊墻兩側混凝土初凝后，整體提升滑模模板，完成澆筑（圖7、圖8）。

3 整體式液壓縱向滑模棧橋施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

縱向滑模棧橋凈跨大，可同時滿足12 m底拱混凝凝土澆筑及12 m鋼筋綁扎施工，縮短施工周期、提高生產效率。采用整體式液壓縱向滑模棧橋進行底板施工的工藝流程如圖9所示。

3.2 施工要點

3.2.1 施工準備

首先對棧橋進行安裝并對設備進行測試及驗收。然后進行測量放樣、鋼筋綁扎及止水安裝，驗收后可進行下道工序施工（圖10、圖11）。

3.2.2 棧橋就位安裝

首先，棧橋通過傳動裝置（行走滑輪、行走后輪）移動至混凝土施工區前端（靠掌子面側），底板滑模調整至指定位置，并通過兩側液壓系統將邊模支撐到位。模板安裝完成后進行初檢和復檢，檢查中線、高程、斷面和凈空尺寸（圖12～圖16）。

3.2.3 底板混凝土澆筑

底板混凝土施工一次性澆筑完成（12 m），且不留施工縫。總體澆筑順序為“先下后上、先后端后前端”，即針對6 m澆筑段而言，底板混凝土澆筑順序為先澆筑底板底部混凝土、再澆筑兩側邊墻混凝土；針對1倉（12 m）澆筑段，應先澆筑標高較低一側，后澆筑標高較高一側。底板混凝土澆筑流程如圖17所示。

圖18為底板襯砌澆筑順序示意，由圖可知，采用縱向滑模棧橋進行底板混凝土澆筑施工，具體實施過程包括：施工準備—1區域底板澆筑—2區域底板澆筑—3區域邊墻澆筑—4區域邊墻澆筑。此外，澆筑混凝土過程中，嚴格控制混凝土入倉的塌落度及和易性，通過混凝土斜線分層的澆筑方式，滑動模板與人工收面同時進行，保證混凝土質量。

首先將模板滑動至待澆筑混凝土一側（2區域），先澆筑1區域底板底部，采用溜槽將混凝土由棧橋中部倉位放入底板底部。

待1區域底板基本澆筑完成后，改為由3區域邊墻位置進行下料，并從3區域邊墻底部空隙處對底板底部和邊墻交接處進行振搗，保證底板底部和邊墻交接處混凝土振搗密實且無空洞。

待1區域底板及邊墻第一層混凝土澆筑完成后，人工將底板混凝土初步形成弧形，將滑模由2區域移動至1區域，移動過程中，對模板所至位置處的底板混凝土持續振搗，保證混凝土氣泡完全排出。

將滑模滑動至1區域后，開始澆筑3區域邊墻位置混凝土，每當澆筑一層邊墻混凝土時采用“快插慢拔”進行振搗，插點均勻排列、逐點移動、順序進行、不得遺漏，保證均勻振實。

待1區域邊墻混凝土完成澆筑后，開始澆筑2區域位置混凝土，澆筑過程中順序同1區域相同，1、2區域交接處混凝土澆筑完成后，達到移動模板條件時，開始移動滑模，在移動滑模過程中，由人工對1區域表面進行收面處理，為保證混凝土表面平整度要求，人工收面次數不少于4次。

3.2.4 施工縫處理及脫模養護

施工縫處理，二襯澆筑混凝土前應將矮邊墻施工縫表面鑿毛，要求鑿除表面乳皮和浮漿。并沿水流方向鑿毛，并用水清洗干凈。邊墻混凝土強度滿足要求時，方可拆模，并對混凝土進行養護。

4 整體式液壓縱向滑模棧橋應用效果分析

4.1 整體式液壓縱向滑模棧橋施工特點

棧橋前引橋可滿足臺階法、全斷面等各類工法施工，同時適應于各類巖層地質結構。底拱滑模棧橋凈跨大，同時滿足12 m底拱混凝土澆筑及12 m鋼筋綁扎施工，縮短施工周期、提高生產效率。此外，液壓棧橋配備多功能液壓小車牽引縱向滑模移動，有利于模板定位、刷油等工作，操作簡單，有效地降低了工人勞動強度。并且在混凝土澆筑過程中，布料攤鋪與人工收面同時進行，縱向滑模為人工收面提供操作平臺，實現人機協同作業，有效保證混凝土外觀質量。

4.2 施工質量分析

圖19為底板襯砌混凝土外觀質量對比，由圖可知，采用整體式液壓縱向滑模棧橋施工的底板襯砌混凝土表面光滑，無氣泡、泛砂、蜂窩麻面、及空腔不密實等外觀質量問題，可滿足輸水隧洞的過流要求（表1）。

4.3 施工進度分析

按照施工工藝流程規范化底板襯砌混凝土施工，有效的保證了施工的工序時間、施工進度和混凝土澆筑質量。表2為全幅模板棧橋與整體式液壓縱向滑模棧橋施工功效對比，由表可知，采用整體式液壓縱向滑模棧橋施工相較于常規施工方法，施工進度有顯著提高，每個施工循環可節約施工時間4 h。尤其是圍巖等級越差時，施工進度的提升越明顯，V級圍巖時，施工進度可提高1倍（表3）。

4.4 施工效益分析

在大轉彎隧洞采用整體式縱向滑模棧橋施工可規避混凝土超耗量達0.5×20763=1038.15 m3（表4），可節省修補缺陷的材料費為336×1730=581280元，可節省人工費為600×1730=1038000元（表5）。由此可以看出，整體式縱向滑模棧橋施工具有較好的經濟效益。

5 結論

（1）整體式液壓縱向滑模棧橋施工能夠改善底板襯砌混凝土外觀質量，有效避免空洞和裂縫缺陷，蜂窩麻面缺陷降低43%，表面平整度提高68%，每延米規避超耗量為0.5 m3。

（2）棧橋凈跨大，可同時滿足12 m仰拱、底板襯砌混凝土澆筑和鋼筋綁扎，優化了施工工序，使襯砌閉合時間縮短，有利于結構的安全。并且縮短施工周期，提高施工效率，每個施工循環工期可提高4 h，IV級圍巖施工進度提升62.5%，V級圍巖施工進度提升1倍。

（3）棧橋通過多功能液壓小車牽引滑模沿縱向移動、提升，實現模板定位安裝和脫模，有效降低人員施工數量，每模施工可減少2人，提高了機械化施工水平，現場的文明施工形象好。

（4）混凝土施工簡便，底拱混凝土澆筑過程中，布料攤鋪與人工收面同時進行，縱向滑模模板也為人工收面提供操作平臺，提高了人工與機械協同作業水平。

（5）整體式縱向滑模棧橋施工具有較好的經濟效益，施工可規避混凝土超耗量達1 038.15 m3，可節省修補缺陷的材料費約為58萬元，節省人工費約為103.8萬元。

參考文獻

［1］ 周廷浩.客運專線鐵路長大隧道仰拱襯砌采用簡易棧橋施工技術及經濟分析［J］.鐵道標準設計，2009（4）：82-85.

［2］ 薛江松，李金鵬.高速鐵路隧道仰拱全工序履帶式棧橋設計與應用［J］.隧道建設（中英文），2018，38（8）：1397-1404.

［3］ 吳明友.鐵路隧道仰拱設計施工關鍵技術分析［J］.鐵道標準設計，2010（12）：75-78.

［4］ 楊忠，蔣宗全，朱秀軍，等.仰拱棧橋在鐵路隧道施工中的運用［J］.鐵道建筑，2010（12）：30-33.

［5］ 趙廣平.新型組合弧形鋼模板在高速鐵路隧道仰拱整幅施工中的應用［J］.隧道建設，2010，30（6）：706-711.

［6］ 張龍，高菊茹，張博.鐵路隧道仰拱襯砌施工技術研究綜述［J］.現代隧道技術，2019，56（S1）：164-171.

［7］ 蘇輝.長仰拱棧橋在黃土隧道施工中的應用［J］.隧道建設（中英文），2017，37（S2）：192-197.

［8］ 韓賀庚，申志軍，皮圣.蒙華鐵路隧道工程施工技術要點及機械化配套［J］.隧道建設（中英文），2017，37（12）：1564-1570.

［9］ 邊鵬飛，任浩，王善高.全自動液壓棧橋式仰拱移動模架一體機施工技術研究［J］.隧道建設（中英文），2018，38（S2）：345-350.

［10］ 林立文.液壓移動仰拱棧橋施工技術研究［J］.公路，2020，65（8）：424-427.