新型浮力自平衡式全斷面襯砌臺車在暗涵施工中的應用研究

李華

（黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000）

1 工程概況

南水北調中線京石段應急供水工程（北京段）西四環(huán)暗涵設計流量為30m3/s，加大流量為35m3/s，本標段全長1857.893m，為雙線隧洞。采用淺埋暗挖法施工，暗涵為外徑ф5200mm、內徑ф4000mm的圓形，其初期支護為300mm厚C30噴射鋼筋混凝土，二次模注結構為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，以減少結構防水的薄弱環(huán)節(jié)。為了在施工技術上有所突破，設備方面，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造、工作原理及施工工藝。

2 浮力自平衡式臺車施工技術

2.1 浮力計算原理

浮力自平衡式模板臺車借鑒了盾構管片的結構形式，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。銷柱的抽出時機應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，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

本臺車特點是重量輕，結構簡單。臺車自帶模板拆裝設備，能夠實現(xiàn)半機械化操作，具有拆裝速度快，安全性能高的優(yōu)點。在局部進行模板的拼、拆工作，每次拼裝的構件重量相對比較小，所以對已施工完的防水板及鋼筋的保護工作十分有利。

2.2 構造

（1）主體結構為環(huán)狀散拼模板：按二襯的設計要求每次澆筑10m計，故鋼模板設計成每倉10.7m（其中有一環(huán)是嵌在已澆注二次襯砌內），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）模板在初襯結構中的定位：依靠安裝在每環(huán)模板上面的抗浮力可調整、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。銷柱結構見圖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：機械臂），該機械臂可繞軸作360°旋轉。轉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。該機械臂轉盤的驅動馬達使用了外制動器，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)之數(shù)內。它的功能是封堵端面，固定環(huán)向橡膠止水帶，利用12點絲杠千斤頂頂住初襯結構，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)模內施以“水”字型支撐，該支撐桿使用Ф80水煤管，節(jié)點處鎖緊，以提高支撐桿的穩(wěn)定性，環(huán)模內共設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。為進一步保證排氣順暢，在兩側縱向止水帶上方，對應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包實。澆筑時以該管出漿，并達到一定的封拱壓力，作為撤除該管的抽拔時機。

（8）預留環(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，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。鋼筋驗收完畢之后，開始進行模板拆裝。

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，模板由后端機械臂拆掉后進行打磨，打磨后用模板運送滑車送到臺車前機械臂下進行安裝，每一環(huán)模板安裝都和前一環(huán)用螺栓進行安裝，同時也進行了定位。隨著每環(huán)模板的安裝，臺車就前進一環(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，商混液面達到端封觀測孔時即關閉觀測孔。適當加壓、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)濟效果、質量及施工安全分析

3.1 經(jīng)濟效益比較

（1）設備造價：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，所以施工過程當中的安全性較高。

[1]南水北調中線干線工程建管局，南水北調中線干線工程京石段應急供水工程（北京段）西四環(huán)暗涵淺埋暗挖施工技術導則（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