南水北調(diào)中線工程大型渡槽重大技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用及前景分析

董必欽

南水北調(diào)中線工程全長1246km，跨越長江、黃河、淮河、海河四大流域，從河南境內(nèi)的丹江口水庫引水，利用120多m水頭落差，自流而下，流經(jīng)河南、河北、北京、天津四省(直轄市)，為20多座城市供水95億m3，受水面積達(dá)15萬km2。全線要跨越219條河流、44處鐵路，需要900座水工建筑物。為確保引水質(zhì)量，一般明渠難以實(shí)現(xiàn)，必須使用渡槽或隧洞。

大型渡槽施工裝備包括架設(shè)大型渡槽成套設(shè)備（提槽機(jī)、運(yùn)槽車、架槽機(jī)）和原位現(xiàn)澆大型渡槽造槽機(jī)，其設(shè)計(jì)制造屬于水利工程施工機(jī)械、液壓傳動和計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科交叉的科技領(lǐng)域。渡槽作為調(diào)水工程中主要建筑物之一，其施工質(zhì)量、施工安全及施工進(jìn)度將直接影響工程的建設(shè)。由于大型渡槽具有截面尺寸大、跨度長、噸位大等特點(diǎn)，再加上工程所處地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的施工工法已很難滿足工程需求，因此研發(fā)大型渡槽機(jī)械化施工新技術(shù)及其配套裝備成為世界性難題。

針對南水北調(diào)中線大型渡槽施工需求，鄭州新大方重工科技有限公司、華北水利水電學(xué)院等單位聯(lián)合研制了1200t渡槽架設(shè)成套技術(shù)及裝備、1600t U形渡槽造槽機(jī)、2500t矩形渡槽造槽機(jī)，分別用于河南省平頂山市的沙河、南陽市的湍河及新鄭市的雙洎河工程項(xiàng)目。

1200t渡槽架設(shè)成套裝備

在充分利用與優(yōu)化原有的900t級鐵路高架橋施工成套設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合南水北調(diào)中線工程的需求，對沙河梁式渡槽在制槽場內(nèi)進(jìn)行預(yù)制，并將預(yù)制好的渡槽通過提槽機(jī)轉(zhuǎn)入存槽廠。渡槽架設(shè)時，首先由提槽機(jī)將渡槽從存槽廠吊運(yùn)到運(yùn)槽車上，然后由運(yùn)槽車將渡槽運(yùn)至架槽機(jī)處，最后通過架槽機(jī)進(jìn)行渡槽的架設(shè)。

1200t渡槽架設(shè)成套裝備包括：ME1300型提槽機(jī)、DY1300型運(yùn)槽車和DF1300型架槽機(jī)。

1.ME1300型提槽機(jī)

該提槽機(jī)為門架式整體起重設(shè)備，由2個主梁上的4臺起升臺車共同抬吊一榀渡槽，完成渡槽在制槽場和工地跨線、跨墩、移線等位置的起吊、轉(zhuǎn)移，前兩榀渡槽架設(shè)以及為運(yùn)槽車裝槽等工作；同時還可以借助其他輔助吊具實(shí)現(xiàn)架槽機(jī)的拼裝、轉(zhuǎn)線及運(yùn)槽車的拼裝任務(wù)。

2.DY1300型運(yùn)槽車

DY1300型運(yùn)槽車是水利渡槽搬運(yùn)和架設(shè)全套裝備中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它在已架設(shè)好的渡槽（上面已預(yù)鋪好鋼軌）固定軌道上運(yùn)行，主要用于渡槽的搬運(yùn)施工，同時還兼有整體馱運(yùn)架槽機(jī)返回制槽場的功能。

兩個運(yùn)槽臺車在主結(jié)構(gòu)方面完全一致，區(qū)別在于運(yùn)槽臺車A的支撐梁上是兩個固定支撐點(diǎn)，以形成渡槽運(yùn)輸過程中的兩點(diǎn)。運(yùn)槽臺車B的支撐梁上是兩個串聯(lián)油路的支撐平衡油缸，以形成渡槽運(yùn)輸過程中的一點(diǎn)。這樣就可以保證渡槽運(yùn)輸過程的三點(diǎn)平衡。整臺設(shè)備由32個走行小車構(gòu)成，分別安裝在兩個運(yùn)槽臺車上。在運(yùn)槽時，兩個運(yùn)槽臺車通過臺車連系梁固定在一起，保持兩個臺車的固定軸距，當(dāng)需要運(yùn)槽臺車整體馱運(yùn)架槽機(jī)時，可以拆掉臺車連系梁。

ME1300型提槽機(jī)技術(shù)參數(shù)：

DY1300型運(yùn)槽車技術(shù)參數(shù)：

DF1300型架槽機(jī)技術(shù)參數(shù)：

3.DF1300型架槽機(jī)

DF1300型架槽機(jī)由導(dǎo)梁、兩臺MDE325+325門式起重機(jī)、液壓和電控系統(tǒng)組成，下導(dǎo)梁安放在已預(yù)制好槽墩的支撐臺座上，由兩個形成門形的連系梁把兩個導(dǎo)梁連接在一起，形成剛性結(jié)構(gòu)，兩臺門式起重機(jī)的2個天車將運(yùn)送到的渡槽起吊，依靠大車走行機(jī)構(gòu)在下導(dǎo)梁上縱向移動到下一跨，天車橫向移動實(shí)現(xiàn)渡槽的橫向移位、安裝，單跨4個渡槽全部安裝完畢，在頂推油缸的作用下移動架槽機(jī)到下一跨。

1200t渡槽架設(shè)成套裝備，解決了大型預(yù)制渡槽提、運(yùn)、架的技術(shù)難題；自主研發(fā)的渡槽專用吊具采用雙層可調(diào)節(jié)剛架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了渡槽托底吊運(yùn)、三點(diǎn)平衡，解決了大型薄壁渡槽的安全吊運(yùn)技術(shù)難題；提槽機(jī)采用半剛性支腿結(jié)構(gòu)和半軸定位支撐的轉(zhuǎn)向裝置，順利實(shí)現(xiàn)提槽機(jī)的定點(diǎn)帶載90°轉(zhuǎn)向功能；運(yùn)槽車采用四軌三跨結(jié)構(gòu)，連系梁采用“元寶”形箱梁均衡結(jié)構(gòu)，既降低了輪壓，又確保了輪壓一致，同時降低了整套設(shè)備的工作高度，有效地解決了槽頂運(yùn)輸渡槽的安全技術(shù)難題；架槽機(jī)采用導(dǎo)梁開啟式后連系架結(jié)構(gòu)，既保證了運(yùn)槽車的喂槽，也減少了架槽機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸；提、運(yùn)、架裝備采用微電控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了渡槽精確對位吊裝。經(jīng)中國水利水電第四工程局有限公司在南水北調(diào)中線沙河渡槽工程中應(yīng)用，該設(shè)備具有操作方便、安全可靠、作業(yè)效率高、施工質(zhì)量易保證、經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著等特點(diǎn)，有良好的推廣和示范作用。

采用1200t提運(yùn)架成套渡槽施工設(shè)備的沙河項(xiàng)目已于2012年8月6日全面建成，這是中線工程中規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的控制性項(xiàng)目之一，全長11.93km，跨越3條河流，其中明渠長2.89km，建筑物長9.05km，是當(dāng)前世界上規(guī)模最大的渡槽工程。

1600t U形渡槽造槽機(jī)

南北水調(diào)中線一期總干渠工程湍河渡槽項(xiàng)目位于河南省鄧州市境內(nèi)。槽身為3槽并置的U形結(jié)構(gòu)，單跨40m，共18跨。是目前世界上單跨跨度和重量最大的U形渡槽。

造槽機(jī)外梁主支腿支撐于墩頂，支撐外主梁框架，外肋及外模安裝在外主梁下方形成渡槽外輪廓；內(nèi)梁支腿分別支撐于前方墩項(xiàng)及后方渡槽底，支撐內(nèi)梁，內(nèi)梁后半段安裝內(nèi)模系統(tǒng)形成渡槽內(nèi)腔輪廓。外梁外模系統(tǒng)及內(nèi)梁內(nèi)模系統(tǒng)配合形成一個可以縱向移動的U形渡槽制造平臺，完成U形渡槽的現(xiàn)澆施工。外模橫向旋轉(zhuǎn)開啟，外梁攜外模升高使其能夠通過橋墩，縱向前移過孔到達(dá)下一施工位，外梁攜外模降低，外模合龍，開始下一孔施工。如此循環(huán)作業(yè)，直至完成所有渡槽的槽身澆筑。

該設(shè)備采用內(nèi)外主梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)外模系統(tǒng)分別懸掛在內(nèi)外主梁上，外主梁過孔依托于內(nèi)梁，受力合理；外模采用整體同步旋轉(zhuǎn)打開的開模方式，效率高；外主梁采用上下雙層箱型梁框架結(jié)構(gòu)，剛度大，便于保證渡槽澆筑質(zhì)量和設(shè)備轉(zhuǎn)場運(yùn)輸；內(nèi)主梁為單梁，箱形結(jié)構(gòu)，兩跨布置，內(nèi)梁攜帶內(nèi)模系統(tǒng)整體開閉及過孔；設(shè)計(jì)了頂部帶托輥及吊掛移位裝置，下部帶油缸的支腿新結(jié)構(gòu)，保證了造槽機(jī)過孔走行平穩(wěn)，安全高效；模板的開啟與閉合采用全液壓系統(tǒng)控制，通過電液比例控制系統(tǒng)來保證多個油缸動作的一致性，確保模板在開啟和閉合時不受扭，整體性好，精確對位方便。

1600t U形渡槽造槽機(jī)技術(shù)參數(shù)：

2500t矩形渡槽造槽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

采用1600t U形渡槽裝備的湍河項(xiàng)目已經(jīng)順利完成，全長1030m，有18跨，至此，世界上總體規(guī)模最大的U形渡槽湍河主體工程圓滿收官，榮獲各方好評：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，施工工藝先進(jìn)，設(shè)備史無前例。

2500t矩形渡槽造槽機(jī)

雙洎河渡槽全長810m，其中梁式渡槽長600m，設(shè)計(jì)為后張法預(yù)應(yīng)力矩形渡槽，槽身為2聯(lián)4孔。雙洎河渡槽高8.9m，單跨長30m，單跨總重約2500t，是目前世界上單跨最重的引水渡槽。造槽機(jī)外梁14號支腿支撐于墩項(xiàng)，支撐外主梁框架，外主梁框架側(cè)面安裝挑梁，外肋及外模吊掛在挑梁上形成渡槽側(cè)面輪廓；底模鉸接掛在外肋下方；內(nèi)梁支腿分別支撐于前方墩頂及后方渡槽底，內(nèi)梁支腿支撐內(nèi)梁，內(nèi)梁一跨長，側(cè)面安裝內(nèi)模系統(tǒng)形成渡槽內(nèi)腔輪廓。外梁外模系統(tǒng)及內(nèi)梁內(nèi)模系統(tǒng)配合形成一個可以縱向移動的渡槽制造平臺，完成渡槽的現(xiàn)澆施工。底模旋轉(zhuǎn)開啟，外模橫移開啟，使得底模能夠通過槽墩，外梁攜外?？v向前移過孔到達(dá)下一施工位，側(cè)模橫移合龍，底模旋轉(zhuǎn)合龍，開始下一孔施工，如此循環(huán)作業(yè)，直至完成所有渡槽的槽身澆筑。

該設(shè)備采用內(nèi)外主梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)外模系統(tǒng)分別懸掛在內(nèi)外主梁上，各自獨(dú)立完成過孔，便于操控；利用豎向吊桿穿過渡槽中間腹板，連接造槽機(jī)外梁連系梁與底模橫梁，提高了整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的縱向、橫向剛度，保證澆筑渡槽的幾何精度；首創(chuàng)了外模先旋轉(zhuǎn)再平移的開模方式，通過電液比例控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模板的開啟與閉合，保證多個油缸動作的一致性，確保整體模架在開啟和閉合時不受扭，整體性好，精確對位方便。經(jīng)中國水利水電第四工程局有限公司在南水北調(diào)中線雙洎河渡槽工程中實(shí)際應(yīng)用，整機(jī)操控方便，安全可靠，作業(yè)效率高，施工質(zhì)量容易保證，便于工程管理，具有節(jié)省人力、物力及財(cái)力的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。

采用2500t矩形渡槽裝備的雙洎河項(xiàng)目，全長81m，梁式渡槽長600m，槽高8.9m，寬16.75m，單跨長30m，單跨總重達(dá)2500t，是當(dāng)前世界上單跨最重的“引水橋”。

大型水利渡槽設(shè)備在南水北調(diào)中線沙河渡槽、雙洎河渡槽和湍河渡槽等三個控制性工程中成功應(yīng)用，很好地滿足了工程施工需求，并獲得了1.3億元的經(jīng)濟(jì)收入。采用該研究成果在沙河、湍河及雙洎河渡槽工程中施工，與滿堂支架法相比可節(jié)省資金約5.3億元，且整個施工過程不受河灘軟弱地基、河水的影響，經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益顯著，可完全替代傳統(tǒng)的滿堂支架施工。該項(xiàng)目已獲得國家發(fā)明專利2項(xiàng)、實(shí)用新型專利7項(xiàng)，并榮獲河南省2013年科技進(jìn)步一等獎。

大型水利渡槽設(shè)備的研制，依托南水北調(diào)中線工程建設(shè)需求，緊密結(jié)合項(xiàng)目實(shí)情、地情和民情，解決了大型渡槽機(jī)械化施工的技術(shù)難題，也帶動了大型渡槽施工技術(shù)與裝備的進(jìn)步。研究成果填補(bǔ)了國內(nèi)大型渡槽施工裝備的空白，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了國家重大技術(shù)裝備的自主化、本地化、產(chǎn)業(yè)化和市場化。大型渡槽施工技術(shù)具有很好的推廣應(yīng)用前景，國內(nèi)市場需求良好。