針梁式全圓模板臺車在海底引水隧洞工程襯砌施工中的創新應用

陳啟偉，王亞利，張 建

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南鄭州 450001;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009;3.濟源市華泰測繪有限公司，河南濟源 459000;4.中鐵隧道股份有限公司臺山核電站取水隧洞項目部，廣東臺山 529200)

0 引言

隨著國家水利基礎設施建設投入的不斷增大和社會經濟的不斷發展，取水隧洞工程的建設取得了長足的進步［1－2］，二次襯砌作為取水隧洞盾構工程普遍采用的方法，是用混凝土現場澆筑而成的，作為初次襯砌的補強、防腐、防滲、減糙、修正和校正中心線偏離等所采取的工程措施［3－4］。取水隧洞工程普遍采用的全圓二次襯砌臺車有針梁式和穿行式2種，目前國內針梁式全圓模板臺車工程施工應用案例也不少。陳廷康［5］和林鵬遠［6］介紹了全圓針梁式模板臺車結構設計和單臺臺車的施工工藝;丁善鋒等［7］總結了臺車在引水隧洞轉彎段的襯砌應用;袁平順［8］介紹了大壩樞紐工程"V"形峽谷巖體卸荷下導流洞針梁式全圓混凝土襯砌施工控制的應用;張俊英［9］總結了襯砌臺車抗浮結構設計的方法;結合新疆波波娜水電站工程，宋金波［10］介紹了用于該工程臺車的構造、安裝、操作流程及應用效果;熊亮等［11］針對波波娜水電站工程采用2套臺車單向長距離同步襯砌，總結了“一跳兩夾”襯砌澆筑方法。截至目前，還沒有針對3臺臺車單向同步襯砌的研究及施工應用。因此，本文重點針對海底取水隧洞襯砌施工對針梁式全圓模板臺車結構構造、安全快速及3臺連續跳板的先進施工工藝方法進行探討。

1 工程概況

臺山核電站位于廣東省臺山市赤溪鎮腰古村的腰古咀，距臺山市44.5 km，東面為黃茅海，其余3面環山，東南約5 km處為大襟島。隧洞主要位于海域，近岸處多為基巖出露(大襟島)及人工堆積塊石(陸地側)。離岸較遠部位，屬于濱海地貌，地形高程一般為－2.0 m～－4.5 m，水深為0.8 m～4.8 m，由西北向東南逐漸變深，在東南靠近大襟島近岸變淺［12］。工程鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 臺山核電站取水隧洞工程鳥瞰圖Fig.1 An aerial view of intake tunnel of Taishan Nuclear Power Plant

核電站1#和2#機組取水隧洞穿越大襟島與廠區明渠之間海域，為2條平行的輸水隧洞，隧洞中心間距29.2 m，盾構區間隧洞單線總長8 119 m。其中:1#隧洞4 061 m，2#隧洞4 058 m。隧洞兩側部分巖石段采用鉆爆法施工，其余段落采用盾構法。隧洞內徑7.3 m，外徑8.7 m，最大埋深55.75 m，采用盾構管片初次襯砌和鋼筋混凝土二次襯砌復合支護結構。盾構掘進過程中進行初次襯砌，管片外徑8.7 m，內徑7.9 m，厚0.4 m;盾構掘進貫通后再進行二次襯砌，襯砌外徑7.9 m，內徑7.3 m，厚0.3 m，混凝土等級C40，鋼筋采用φ16@200雙層布置，二次襯砌斷面布置如圖2所示。

圖2 二次襯砌斷面及鋼筋布置圖Fig.2 Layout of steel bars and cross-section of secondary lining

2 二次襯砌總體施工方法及流程

二次襯砌施工在隧洞初次襯砌完成后開始進行，施工方向從大襟島側按照倒退法施工步驟向陸域側(臺山核電站)進行，施工材料供應從陸域側向大襟島側進行運輸，單線隧洞二次襯砌施工長度為4 330.6 m(含鉆爆法施工段)，采用3臺12 m長針梁式全圓模板臺車襯砌施工。二次襯砌隧洞內施工平面布局示意圖如圖3所示。圖3中臺車每循環澆筑約12 m，鋼筋綁扎臺車2臺之間相隔一板(12 m)，鋼筋綁扎臺車與襯砌臺車之間相隔3板(36 m)，襯砌臺車2臺之間相隔3板(36 m)，即輸送泵與最遠的襯砌臺車距離在210 m左右。二次襯砌每個循環的總施工流程如圖4所示。

3 針梁式全圓模板臺車

針梁式全圓模板臺車是以電力驅動、鋼繩牽引方式帶動臺車行走，利用液壓千斤頂和螺旋千斤頂調整模板到位及卸落模的隧道全圓一次成型混凝土施工設備。臺車模架立模動力:液壓驅動、操作與控制、電動液壓、模板上帶有附著式振搗器。兩側模板設置灌注口，臺車拱頂設置3個灌注口。具有制造成本低、結構可靠、操作方便、襯砌速度快、線條平順、光潔度好等優點。

3.1 臺車構造

臺車由針梁、模板、框梁、支撐懸掛、行走裝置、抗浮裝置、電器液壓系統以及混凝土振動系統等部分組成。臺車構造如圖5和圖6所示。

3.1.1 針梁

針梁全長27 882 mm，寬2 500 mm，高2 600 mm。為了運輸和洞內安裝的需要，把針梁分成6段(其中2塊梁身中段最大外形尺寸13 200 mm×2 600 mm×284 mm，4塊梁身前/后段最大外形尺寸7 191 mm×2 600 mm×284 mm)，各小段之間采用φ80 mm柱銷連成整體。經過檢算，針梁承重后最大撓度小于50 mm(f＜1/540)，滿足使用要求。

圖3 隧洞內二次襯砌施工平面示意圖Fig.3 Plan of construction of secondary lining inside the tunnel

3.1.2 模板

模板全長11 940 mm，共分為6環，每環1 990 mm。模板從斷面上看共分5塊，其中底模2塊，邊模2塊，頂模1塊。底模固定于框梁下部，左右邊模采用軸銷連接在底模上緣。頂模一側鉸接于邊模上緣，而另一側栓接于另一邊模上緣，5塊模板組成整圓并形成一個整體。模板面板采用10 mm鋼板，拱板采用12 mm鋼板，模板環與環之間采用φ23 mm定位銷以及M16×50螺栓緊固，頂模與邊模連接板采用φ30 mm定位銷與M22×60螺栓固定。為使模板整體性強，在模板內側設有模板通梁。

3.1.3 框梁

框梁內有針梁，外有懸掛裝置，用于支撐模板。由卷揚機拖動框梁帶動模板完成移模任務?？蛄翰捎貌垆摻M焊與螺栓連接成整體?？蛄簝葌壬舷略O有48個雙輪緣輪組，用于減輕移模阻力，便于移動。

3.1.4 支撐懸掛裝置

臺車的支撐分為2部分和2種形式。2部分為模板支撐和針梁支撐，2種形式是液壓支撐和絲桿支撐。模板支撐采用液壓油缸支撐就位和拆模，絲杠支撐作為模板固定和受力支撐，故在支模就位完畢，所有支撐絲杠必須扭緊到位。針梁支撐采用強大的液壓油缸來完成，為了保證其標高的準確性，在主油缸上裝有液壓鎖。針梁前后設有支撐靴與巖層相接觸，并設有抗傾斜裝置，使其穩定的支撐著模板臺車。為了方便對中就位，在前后支撐油缸之間設有平移油缸，對臺車左右對中起微調作用。

3.1.5 臺車行走裝置

臺車行走裝置是靠針梁中的一臺電動卷揚機的滾筒上循環鋼絲繩來實現。卷揚機固定于針梁上，滾筒鋼絲繩兩端固定在框梁兩側。電動卷揚機旋轉時使得針梁和模板框梁產生相對運動而完成行走任務。

3.1.6 抗浮裝置

臺車在灌注混凝土時，產生的浮力不能忽視。故在模板兩端設有可前后移動的抗浮梁，并在模板中部適當位置設有4個抗浮支撐。為了防止下沉，在針梁底部靠近模板適當位置設有強大支撐，增加針梁的支點，減小跨度及針梁變形。為了使臺車能夠穩定在隧洞中央，模板通梁兩端還設有絲杠支撐與巖層相抵。

3.2 臺車主要技術參數

模板臺車主要技術參數如表1所示。

表1 模板臺車主要技術參數Table 1 Main technical parameters of formwork jumbo

4 模板臺車關鍵施工工藝和技術

4.1 鋼筋綁扎臺車及定位

鋼筋綁扎、定位采用3臺長12 m簡易鋼筋綁扎臺車(如圖7所示)進行施工作業，臺車行走軌道設在橫立的工字鋼上，行走采用人工推動臺車，臺車采用型鋼加工，作業平臺上鋪設2 m長人行踏板。鋼筋綁扎、定位工序分為:植筋施工、外層鋼筋安裝、內層鋼筋安裝，每臺臺車完成一個安裝工序，3個工序之間采用超前施工作業，按照每板12 m施工，各工序之間至少超前1板以上，這樣既能填補各個工序之間的時間差，也確保了流水線作業，達到縮短總工期的目標。

圖7 鋼筋綁扎臺車Fig.7 Steel bar binding trolley

4.2 模板臺車抗浮及定位

臺車抗浮機構，前抗浮支撐在管片上，后抗浮只能支撐在上一環襯砌好的混凝土上。因此，需要等上一環混凝土達到一定強度才能進行下一個襯砌循環。

臺車定位由專業測量人員確定臺車中心線與設計隧洞中線是否吻合，高程是否符合設計要求。定位順序是:先定高程、后定中線。臺車定位前先對臺車模板表面涂刷脫模劑(涂模板漆)，以利于混凝土脫模。

臺車定位主要由各伸縮油缸動作完成對接、中線、水平定位。模板主要由連接銷、鎖定螺栓(桿)完成鎖定。臺車走行軌道要適應臺車定位要求，軌道偏差范圍若超限，就必須對軌道進行調整，定位時要求該兩項指標控制在±5 mm之間。

臺車定位完成并達到精度要求后對模板進行緊固鎖定，鎖緊上部與下部所有抗浮絲桿以及頂部的抗浮液壓千斤頂，以確保灌注混凝土時模板不移動。

4.3 模板臺車施工工藝及注意事項

根據核電業主的要求和施工組織設計1#隧洞二次襯砌，二次襯砌施工工期緊(工期179 d)，指標高。根據施工需要使用3臺模板臺車一次性灌注整體模板進行連續跳打襯砌，采用跳板施工，模板臺車施工工藝流程圖和跳板施工示意圖分別如圖8和圖9所示。連續跳打二次襯砌施工是流水線作業，任何臺車出現故障或任何材料供應環節出現滯后等問題均能影響施工計劃，因此施工需注意如下事項。

1)加強臺車及其施工輔助設備和易損部件配備配件的日常保養。

2)混凝土攪拌系統及運輸系統超前考慮，攪拌能力及運輸能力要做好計劃，確保連續作業。

3)考慮到鋼筋超前施工，混凝土泵送車又須在鋼筋前面，故泵車的泵送能力要達到水平距離150～210 m，同時做好泵送管路的日常清理及疏通。

4.4 堵頭封堵

堵頭板采用5 cm厚木板，按臺車弧度加工，每塊長1 m，寬為20～30 cm不等，堵頭板必須安裝直順，加固牢固，確保不跑模、不爆模，堵頭板按臺車弧度扇形布置，為方便鋼模臺車堵頭處的安裝、拆模，在每段襯砌的端頭預留2排內層主筋不綁扎，等上一組脫模之后再進行綁扎焊接。

4.5 混凝土澆筑及振搗

1)混凝土采用80型電動式混凝土輸送泵進行輸送，長距離泵送對各工序要求嚴格，故混凝土須按施工配合比進行生產，并及時運送到施工作業面。

2)混凝土灌注前檢查臺車的定位、鎖定、脫模劑、堵頭固定、密封情況，確認無誤后方可進行灌注作業。

3)混凝土灌注順序:底拱—邊墻—拱頂。澆筑時須按臺車預留窗口分層灌注，應對稱、分層、連續施工，每層厚度控制在30 cm以下，邊灌注邊振搗密實，確?；炷羶葘嵧饷?。

4)混凝土灌注后采用振搗器輔以人工攤鋪，灌注過程中應加強振搗工作，附著式振搗器和插入式振搗器并用，以確?；炷敛宦v，避免出現蜂窩、麻面等混凝土表面質量問題。灌注過程中如遇到堵管現象應立即采取措施疏通管路，以求盡快恢復泵送。當因故間歇時，宜每隔10 min轉動混凝土輸送泵料斗中的混凝土。常溫下混凝土間斷時間不宜大于2 h，若超過即進行徹底清洗管路。

5)混凝土澆筑完成后，滿足設計要求脫模強度和時間后進行脫模。

5 臺車施工中存在的問題及解決措施

5.1 模板變形及應對措施

臺車在襯砌施工過程中，模板會發生不同程度變形。3臺臺車頂模第1和第6塊都發生過變形，分析變形是為了防止臺車上浮，臺車定位好后在臺車兩端的頂模與管片之間支撐了一個槽鋼，臺車的浮力造成了頂模的變形。一臺臺車頂模第4塊變形嚴重，原因是灌注時由于堵管，疏通管道時間過長，導致再繼續泵送混凝土時，灌注口處混凝土初凝，再次灌注的混凝土無法向四周擴散，結果造成頂模被打塌下來。另一臺臺車底模變形，分析原因有2點:一是模板兩端搭接在已襯砌的混凝土上，定位時脫模油缸(定位油缸)過頂;二是混凝土灌注好后整個底模緊貼在混凝土上，脫模時脫模油缸向上拉扯所致。針對上述模板變形問題，制定了模板的維修保養措施，確定了維修流程:清渣除銹—板面維修—模板尺寸校核—板肋維修—驗收噴漆—堆碼。按照流程對每一塊變形的模板的每一道工藝進行詳細的維修和質量驗收，合格的模板再次應用。

5.2 針梁軌道變形及應對措施

臺車在定位的時候，主要是靠針梁向上起升帶動行走輪、框梁及模板整體起升定位，當頂模部分緊貼混凝土面時，繼續向上起升就造成了軌道梁的變形。為解決軌道變形制定了維修流程:割除軌道梁上平面(分段割除)—焊接T型梁—T型梁與軌道梁對接—焊接軌道。具體維修過程及應對措施如圖10所示。

圖10 模板臺車針梁軌道變形及解決措施圖Fig.10 Deformation of needle beams of formwork jumbos and its countermeasures

6 海底隧洞臺車襯砌施工與常規襯砌的不同點及應用效果評述

臺山核電站海底引水隧洞工程與常規隧道工程襯砌施工的不同之處主要體現在以下4個方面:

1)施工材料運輸只能單向運送。因隧洞進水口大襟島側無淡水、無供電、無碼頭，不滿足建筑物資供應的諸多條件，所有施工材料只能從陸域側經隧洞有軌運輸至施工位置。

2)隧洞襯砌施工只能采用單向倒退法從大襟島側向陸域側施工。常規隧道襯砌可采用從隧道中間向兩端組織2個工作面同時進行施工，總結出了3臺臺車單向同步連續跳打的臺車施工方法。

3)施工工序組織要井然有序。3臺車單向同步連續跳打作業，任何一個臺車、一個環節出現問題影響全局施工。

4)自然條件影響襯砌施工。核電站海域地處多臺風、多暴雨及中華白海豚國家自然保護區，地理位置十分偏僻，為隧洞施工帶來諸多不便。

臺山核電取水隧洞工程具有基巖孤石不良地質段距離長、出洞端頭斷層破碎帶影響大、長距離海底盾構掘進、上千次帶壓進艙換刀等不利因素，施工難度很大。1#取水隧洞二次襯砌施工總距離4 330.6 m，月平均施工721.8 m，2012年8月完成792 m，取得大斷面取水隧洞二次襯砌施工的優異成績;2012年9月18日施工完畢，歷時6個月，工期滿足了核電業主的要求和施工組織的計劃安排。目前，2#隧洞盾構已拆機完畢，臺車正在組裝，通過總結1#隧洞襯砌施工的經驗和設備存在的不足，臺車將在2#隧洞襯砌施工中發揮優勢，取得更好的成績。

7 結論與討論

臺山核電取水隧洞工程采用的針梁式全圓模板具有制造成本低、結構可靠、操作方便、襯砌速度快、上浮可控性好、混凝土澆筑振搗密實和表面線條平順光潔等優點。經過1#隧洞襯砌施工效果可看出襯砌完成的混凝土密實、無蜂窩等現象發生，臺車襯砌完成后平均上浮控制在40 mm以內，滿足了GB 50446—2008《盾構法隧道施工與驗收規范》水下隧道軸線高差允許范圍±150 mm的要求，杜絕了上浮帶來的質量隱患，與其他類型臺車相比，施工工序更加合理，施工干擾范圍明顯縮小，施工質量及進度明顯提高。通過施工應用，提出臺車設計及施工方面的以下建議:

1)臺車設計時為防止底模上浮和變形，建議增加通梁和絲桿壓住底模。

2)施工脫模時，原設計的脫模油缸效果不明顯，建議增加2個支腿和2根脫模油缸。

［1］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］ 王夢恕.21世紀我國隧道及地下空間發展的探討［J］.鐵道科學與工程學報，2004(1):7－9.(WANG Mengshu.Development of tunnel and underground space in 21th century in China［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2004(1):7 －9.(in Chinese))

［3］ 楊嗣信.建筑工程模板施工手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［4］ 中國建筑工業出版社.建筑施工手冊［M］.4版.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［5］ 陳廷康.全斷面針梁式鋼模臺車在瑪依納水電站隧洞混凝土襯砌施工中的應用［J］.四川水力發電，2011，30(4):56 － 58，164.(CHEN Tingkang.Use of full-section steel form jumbo of needle-beam type in tunnel concrete lining construction at Mainak hydropower station［J］.Sichuan Water Power，2011，30(4):56 －58，164.(in Chinese))

［6］ 林鵬遠.針梁式全圓模板臺車在南水北調暗涵工程中的應用［J］.隧道建設，2011，31(S2):54 － 56.(LIN Pengyuan.Application of Needle-type full-circular formwork jumbo in buried culvert of South-to-North water diversion project［J］.Tunnel Construction，2011，31(S2):54 － 56.(in Chinese))

［7］ 丁善鋒，賈廣輝.全圓針梁臺車在坪頭水電站引水隧洞轉彎段的應用［J］.水電站設計，2012，28(2):107－108，114.

［8］ 袁平順.全圓針梁臺車在高摩贊大壩樞紐工程導流洞混凝土施工中的應用［J］.四川水力發電，2009，28(6):11 －13，162.(YUAN Pingshun.Use of whole circle steel form carrier in concrete construction in diversion tunnel at Gomal Zam Dam project［J］.Sichuan Water Power，2009，28(6):11 －13，162.(in Chinese))

［9］ 張俊英.隧洞襯砌全圓針梁臺車抗浮結構設計［J］.水利水電技術，2012(12):48 －51.(ZHANG Junying.Design of anti-uplift structure of full circle needle beam formwork trolley for tunnel lining［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2012(12):48 －51.(in Chinese))

［10］ 宋金波.全圓針梁式混凝土襯砌鋼模臺車在波波娜水電站中的應用［J］.水利建設與管理，2009(11):32－34.

［11］ 熊亮，謝延強，劉釗.全圓針梁式鋼模臺車在水工長隧洞襯砌施工中的創新應用［J］.甘肅水利水電術，2012(12):56－58.

［12］ 陳啟偉.臺山核電取水隧洞工程泥水處理技術的應用［J］.隧道建設，2011，31(1):130 －137.(CHEN Qiwei Application of slurry treatment technology in construction of intake tunnel of Taishan nuclear power station［J］.Tunnel Construction，2011，31(1):130 －137.(in Chinese))