彭培龍，陳 敏，劉 凡，劉文娟

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，624100)

1 工程概況

金沙江白鶴灘水電站共設(shè)計三條泄洪洞，自山至江側(cè)分別為1＃、2＃、3＃泄洪洞。每條泄洪洞由進(jìn)口漸變段、上平段、龍落尾段組成。泄洪洞龍落尾由渥奇曲線段、斜坡段和反弧段組成。渥奇曲線方式為Z＝X2/500＋0.015X，斜坡段為渥奇曲線與反弧之間的連接過渡段，反弧段位于斜坡段下游，反弧半徑為300m。

每條洞均布置3道摻氣設(shè)施，其中1＃和2＃泄洪洞摻氣設(shè)施分別位于渥奇曲線末端、斜坡段中部和反弧起點(diǎn)上游40m，3＃泄洪洞3道摻氣設(shè)施分別位于渥奇曲線末端、斜坡段中部和反弧末端；3道摻氣設(shè)施均為底摻氣＋側(cè)摻氣組合。側(cè)摻氣為突擴(kuò)型，兩側(cè)突擴(kuò)寬度0.35m，前兩道側(cè)摻氣較底摻氣后退0.8m，后一道側(cè)摻氣與底摻氣齊平。井側(cè)摻氣突擴(kuò)后，龍落尾洞身斷面尺寸為(15～16.5)m×18m(寬×高)城門洞型，直墻高14m。其中單條龍落尾襯砌在設(shè)計階段共布置有不少于11個變折點(diǎn)，7種不同襯砌尺寸[1]。具體結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 龍落尾結(jié)構(gòu)布置

2 洞室襯砌施工方法及工藝

白鶴灘泄洪洞過水速度高，平整度要求高，要求過流面全采用低坍落度混凝土施工，其混凝土澆筑施工方法尤為重要。結(jié)合溪洛渡、向家壩等大型水電站已建大斷面洞室襯砌施工經(jīng)驗，龍落尾泄洪洞混凝土施工總體方案為:先施工結(jié)構(gòu)線以外墊層混凝土，再施工結(jié)構(gòu)混凝土。結(jié)構(gòu)混凝土按照“先邊墻、再頂拱、后底板”的順序澆筑，邊墻及頂拱采用鋼模臺車襯砌，邊墻采用低坍落度混凝土，通過轉(zhuǎn)料系統(tǒng)入倉。頂拱為泵送混凝土，采用泵送入倉。底板采用低坍落度混凝土，通過利用長距離斜皮帶連續(xù)供料入倉，翻模工藝施工。本文主要針對邊墻襯砌臺車進(jìn)行論述。

3 臺車設(shè)計方法

3.1 隧洞襯砌臺車設(shè)計

3.1.1 研究背景簡述

根據(jù)國內(nèi)龍落尾段邊墻襯砌混凝土施工方法，總體歸集起來共有兩種施工工藝。

施工工藝一:通過平板自卸汽車＋集料斗＋長臂正鏟＋供料系統(tǒng)入倉，施工流程見圖2。該施工方法的優(yōu)點(diǎn)為能夠?qū)崿F(xiàn)低坍落度混凝土入倉，缺點(diǎn)為低坍落度混凝土不能夠連續(xù)入倉，且在頂部通過兩道傳輸皮帶進(jìn)行分料，混凝土施工程序復(fù)雜，在施工過程中容易出現(xiàn)事故故障，造成質(zhì)量缺陷，混凝土施工設(shè)備成本過高。

圖2 長臂正鏟施工方法

施工工藝二:通過混凝土罐車＋供料小車＋提升料斗＋卷揚(yáng)機(jī)＋下料皮帶入倉，施工工藝見圖3。該施工工藝優(yōu)點(diǎn)為能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土連續(xù)入倉，缺點(diǎn)為混凝土通過罐車運(yùn)輸，混凝土不屬于低坍落度混凝土，臺車抗傾覆風(fēng)險大[2]。

圖3 混凝土提升料斗施工方法

3.1.2 泄洪洞龍落尾結(jié)構(gòu)特征

龍落尾結(jié)構(gòu)特征見本文工程概況，此處不再贅述。泄洪洞龍落尾段襯砌混凝土施工具有以下難點(diǎn):

(1)全洞為無壓隧洞，泄洪流速高，龍落尾段為40m/s～50m/s；

(2)豎曲線復(fù)雜，每條龍落尾由渥奇曲線＋1∶4斜坡段＋半徑300m的反弧段＋下平段；

(3)襯砌斷面多變，龍落尾共設(shè)計有7種襯砌斷面，不同的襯砌斷面類型寬度和高度均不一致；

(4)邊墻和底板采用高強(qiáng)(C9060)、低塌落度(5cm～8cm)混凝土；

(5)混凝土外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高，要求混凝土表面不平整度1.5m的靠尺不大于3mm；

(6)每道摻氣坎均存在50m長的漸變段，其底板坡度與頂拱坡度不一致，為了實(shí)現(xiàn)摻氣坎漸變段的頂拱采用臺車澆筑，需將臺車行走支撐軌道按照頂拱坡度進(jìn)行擬合，這就導(dǎo)致臺車運(yùn)行坡度達(dá)到22.59°。

為了使龍落尾段混凝土澆筑體型和澆筑質(zhì)量滿足設(shè)計要求，同時保障大坡度情況下的施工安全，需對臺車進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。故此“大坡度變斷面液壓行走式混凝土襯砌臺車”設(shè)計成果應(yīng)運(yùn)而生。

3.1.3 泄洪洞龍落尾襯砌臺車簡介

鋼模板混凝土襯砌隧道臺車(簡稱臺車)，是以液壓驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)帶動臺車行走，利用液壓油缸調(diào)整模板到位及收模的隧道混凝土成型的機(jī)器。它具有成本較低、結(jié)構(gòu)可靠、操作方便、襯砌速度快、隧道成型面好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電站、鐵路及公路隧道中。本臺車襯砌一個循環(huán)的工作長度為9m。

邊墻臺車主要由模板總成、皮帶輸送機(jī)、門架總成、行走機(jī)構(gòu)、側(cè)向螺旋千斤、門架螺旋千斤、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、側(cè)向走道平臺、液壓操作平臺、工作梯裝置等多部分組成，詳見圖4。

圖4 龍落尾液壓自行臺車及其附屬設(shè)施

3.1.4 臺車變斷面功能

邊墻鋼模臺車變斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計。在臺車頂部布設(shè)4個水平液壓油缸，懸挑臺車面板，通過伸縮移動，實(shí)現(xiàn)臺車初步定位，通過臺車立柱上的機(jī)械調(diào)節(jié)螺栓，精準(zhǔn)定位臺車面板，實(shí)現(xiàn)變斷面混凝土襯砌功能，解決7種襯砌斷面難題。

3.1.5 臺車自行功能

該臺車有四個獨(dú)立的垂直與水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單套臺車多斷面及陡坡工況下安全運(yùn)行。邊墻鋼模臺車行走系統(tǒng)，采用同步液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動行走，同時具備在陡坡上行和下行功能。邊墻鋼模臺車重心調(diào)整系統(tǒng)，采用同步液壓垂直頂升系統(tǒng)，調(diào)整臺車重心，確保臺車安全順利通過結(jié)構(gòu)變折點(diǎn)。邊墻鋼模臺車防滑裝置，采用自起落防滑掛鉤裝置，有效防止臺車在斜坡段下滑和傾覆。

3.2 隧洞臺車相關(guān)安全驗算

3.2.1 臺車型鋼軌道

型鋼軌道梁設(shè)計為箱形截面，截面尺寸為寬550mm，高度350mm[3]，軌道跨度為2m。箱型梁軌道頂板采用30mm厚Q345鋼板，底板采用20mm厚Q345鋼板，兩側(cè)板采用15mm厚Q345鋼板。為了增加軌道梁的整體剛度，每間隔50cm，設(shè)置一道14mm厚的中隔板，軌道梁與軌道梁之前之間通過4顆M24螺栓進(jìn)行連接。

臺車行走軌道采用70mm×70mm的Q345方鋼，為整體構(gòu)件。為約束臺車下滑，在軌道梁頂部每隔50cm左右對稱布置2個掛鉤孔，孔凈空尺寸為200mm×80mm。單根軌道與混凝土支墩之間通過8根M30高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接、定位，具體結(jié)構(gòu)詳見圖5。

圖5 軌道斷面

3.2.2 臺車混凝土支墩

為了控制臺車行走軌道梁安裝精度，獲得平順過渡的臺車行走路線，同時為了便于摻氣坎漸變部位頂拱混凝土的澆筑，在軌道梁與巖面之間布置軌道支墩，支墩間距2m。軌道混凝土支墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)過規(guī)范驗算，混凝土強(qiáng)度為C40，配筋滿足規(guī)范要求。為了防止混凝土支墩在承受軌道梁傳遞的荷載后與巖面發(fā)生滑動，在支墩內(nèi)布置基礎(chǔ)錨桿。

3.2.3 臺車軌道梁抗彎剛度驗算

(1)臺車走行狀態(tài)抗彎剛度驗算

臺車在走行狀態(tài)下由于只考慮臺車的自重，因此強(qiáng)度計算是按最重的邊墻臺車(200t)進(jìn)行分析。

行走輪按四角雙輪平行布置，輪徑?400，共四組八個車輪，每個車輪平均輪壓約200÷8＝25t。臺車在坡道(22.59°)上運(yùn)行，后輪輪壓較前輪大。假設(shè)行走輪剛好走行在軌道梁中部，此時軌道梁受力簡圖如圖6所示。

圖6 軌道行走時最不利受力驗算結(jié)果

通過計算，安全系數(shù)為12.4，最大變形量為0.075mm，軌道梁的剛度、強(qiáng)度完全滿足各臺車走行狀態(tài)下的要求。

(2)臺車襯砌狀態(tài)抗彎剛度驗算

臺車襯砌狀態(tài)下，由于邊墻臺車的混凝土自重幾乎全部承受在建基面上，因此邊墻臺車在襯砌狀態(tài)下理論上仍只承受臺車自重。而頂拱臺車在襯砌狀態(tài)下，由于混凝土自重幾乎全部由臺車承受，因此襯砌狀態(tài)按頂拱臺車進(jìn)行校核。

頂拱混凝土厚度按正常襯砌狀態(tài)1.75m(考慮超挖0.25m)進(jìn)行計算。即混凝土厚度為最大開挖厚度1.75m，臺車襯砌長度為9m，經(jīng)計算頂拱混凝土自重W＝9×30.37×2.45≈670t。

即W總＝W混凝土自重＋160t(臺車自重)＋15t(附屬結(jié)構(gòu))＝845t。

正壓力通過門架縱梁將力傳遞于軌道梁上，而單側(cè)門架縱梁受力845/2＝422.5t。該力又通過5個支點(diǎn)傳力于軌道梁上，中間3個支點(diǎn)承受的豎向壓力比兩端門架承受的壓力大，兩端的支點(diǎn)承受的力只相當(dāng)于中間一個支點(diǎn)的力。因此，單個支點(diǎn)承受的最大載荷為422.5/4＝105.625t。

假設(shè)行走輪剛好支撐在軌道梁中部(最危險情況)，那么軌道梁受力簡圖及計算見圖7。

圖7 襯砌狀態(tài)下軌道梁受力分析

通過計算，安全系數(shù)為3.6，最大變形量為0.26mm，可以看出軌道梁的剛度、強(qiáng)度滿足要求。

(3)臺車軌道行走掛鉤擠壓強(qiáng)度驗算

對于軌道梁掛鉤部位局部擠壓強(qiáng)度的計算，需考慮臺車行走工況及頂拱襯砌兩種工況。襯砌臺車的行走是通過4組油缸交替作用實(shí)現(xiàn)，行走過程中同時受力的僅一組油缸(2個)，而給液壓油缸行走支座反力的主要依靠掛鉤來實(shí)現(xiàn)[4]。因此，掛鉤與軌道梁頂板接觸部位的擠壓強(qiáng)度要滿足設(shè)計要求，計算過程如下:

W下滑分力＝200t(臺車自重)×sin22.59(最大傾角)＝72.82t

W摩擦力＝200t(臺車自重)×cos22.59(最大傾角)×0.02(摩擦系數(shù))＝3.7t

單個油缸所需提供的動力為(72.82＋3.7)/2＝38.26t，由于每個液壓制作通過2個掛鉤與軌道連接，因此，單個掛鉤處的集中力為38.26/2＝19.13t。

根據(jù)擠壓強(qiáng)度計算公式:σc＝P/(dδ)≤[σc]。

式中:P——軸向載荷N，P＝19.13×104N；δ——軌道上鋼板厚度，δ＝30mm；d——掛鉤和方形插銷厚度，d＝60mm；[σc]——鉸耳板的承壓許用，[σc]＝335MPa。

所以軌道梁掛鉤部位擠壓強(qiáng)度滿足要求。

(4)預(yù)埋螺栓安全性驗算

軌道預(yù)埋螺栓的作用，是利用高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力使軌道壓板與軌道梁底板之間產(chǎn)生抗滑摩擦力，從而限制軌道與混凝土支墩之間產(chǎn)生相對滑動。

摩擦型連接中的抗剪連接，一個高強(qiáng)度螺栓的受剪承載力設(shè)計值按下式計算:

式中:Nvb——高強(qiáng)螺栓受剪承載力設(shè)計值；

K——系數(shù)，普通鋼筋構(gòu)取0.9，冷彎薄壁型鋼構(gòu)件取0.8；

N——傳力摩擦面數(shù)目，本工程為1個；

μ——摩擦面的抗滑移系數(shù)，按照規(guī)范取最小值0.3；

P——高強(qiáng)螺栓的預(yù)應(yīng)力，按照規(guī)范10.9級M30螺栓取值為355kN。

襯砌臺車最大下滑分力為頂拱在摻氣坎部位澆筑時，即W下滑分力＝(670＋160＋15)×sin22.59＝324.6t，而臺車在進(jìn)行頂拱澆筑時共有5跨軌道共同受力，即有11個支墩，88個預(yù)埋螺栓共同受力。因此螺栓所提供的抗滑約束力為9.6t×88＝844.8t>324.6t，抗滑能力滿足要求。

3.2.4 臺車軌道系統(tǒng)抗傾覆驗算

臺車龍落尾段襯砌不僅要滿足有足夠的強(qiáng)度及剛度，還要保證在坡道上走行時不發(fā)生傾覆，臺車走行時通過的最大縱坡為1∶2.4(22.59°)，在最大坡道上走行時不發(fā)生傾覆，則在其它坡度上走行也不會發(fā)生傾覆。

如果臺車要發(fā)生傾覆，即臺車?yán)@下部行走輪的銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，通過3D模型找出臺車中心，見圖8。

圖8 臺車重心位置

支架、分料槽、縱向皮帶輸送機(jī)、橫向皮帶輸送機(jī)按200t考慮，臺車上存放工具及其他附加重量按15t考慮，重量合計為215t。

臺車自重、提升卷揚(yáng)機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)產(chǎn)生的傾覆力矩為:F傾＝W1×5.709m；臺車在坡道上的自重而產(chǎn)生的抗傾覆力矩為:F抗＝W2×6.4m。F抗—F傾＝7.99×106N·m。通過上述分析可知，臺車的抗傾覆力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傾覆力矩，因此，臺車在坡道上運(yùn)行過程中不可能發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過該臺車的研究實(shí)現(xiàn)了泄洪洞龍落尾段邊墻低坍落度混凝土入倉，并同時滿足現(xiàn)場施工質(zhì)量、安全的要求，并具有以下創(chuàng)新點(diǎn):全部采用同步液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動行走，具備在陡坡上行和下行功能；采用同步液壓垂直頂升系統(tǒng)，調(diào)整臺車中心，確保臺車安全順利通過結(jié)構(gòu)變折點(diǎn)。采用水平液壓伸縮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)臺車變斷面混凝土襯砌功能[5]；采用自起落防滑掛鉤裝置，有效防止臺車在斜坡段下滑和傾覆；采用液壓角度調(diào)整操作平臺，保證不同坡度下作業(yè)安全，最終實(shí)現(xiàn)襯砌混凝土達(dá)到鏡面混凝土效果。