南水北调隧洞二衬全圆针梁台车抗浮设计改进

南水北调隧洞二衬全圆针梁台车抗浮设计改进

王敬杨璠

（北京市朝阳水利工程公司，北京，100026）

【摘要】针对以往工程中全圆台车在浇筑过程的上浮问题，在针梁台车结构设计时就对台车抗浮性能进行细致计算，经过实际浇筑检验，本台车抗浮装置有效的解决了台车上浮问题，可为以后类似项目提供可靠的经验。

【关键词】隧洞衬砌；全圆针梁台车；上浮问题；设计改进

北京市南水北调配套工程东干渠一标位于北京市朝阳区，在上清桥东至仰山桥西之间北五环附近，桩号0+000～3+974.39，单线DN4600mm输水隧洞，主要内容有盾构隧洞和二次衬砌，以及配套的排气阀井、盾构始发兼接收井、盾构接收井、排空阀井和二衬施工竖井。隧洞采用复合式衬砌施工，一衬采用盾构法施工，C50W10混凝土管片厚300mm；二衬采用全圆钢模台车现浇管涵防水混凝土，C35W10F150厚400mm，隧洞成型内径φ4600mm，一、二衬之间铺设连续防水板。本工程隧洞二衬施工所用台车是中铁隧道集团隧道设备制造有限公司生产的可拆装全圆针梁式钢模衬砌台车(可由12.2m拆改为7.7m)，该全圆针梁模板台车适用于圆形隧洞砼衬砌施工，具有电动自行、全液压收支模定位功能。隧洞结构断面见图1-1所示。

一、二衬施工特点

1.1工程要求

1.1.1、南水北调工程作为一项跨世纪水利工程，设计要求混凝土面无抹灰直接过水。因此要求混凝土成型尺寸、相对位置精确，表面光洁平整，为清水混凝土工艺，对模板台车细部构造提出了较高要求。

1.1.2、为避让桥基，暗涵有2处“S”转弯段，转弯段X方向位移6.23m，Y方向位移2.03m，施工要求模板台车能够分节通过。

1.1.3、全圆断面的模板台车整体浇筑时，浮力非常大，对支撑体系提出较高的要求。

前两项要求通过采用不同的模板台车规格设计和提高模板加工工艺可以实现，但第3项要求中的全圆模板台车的上浮问题是一直未能圆满解决的问题，浮力问题是设计和施工共同的难点，规范上也没有明确的公式可参考。而针梁式全圆断面的台车和普通的地铁隧道台车又不一样，普通地铁台车在高度上是分次浇注，凝固后的下层混凝土对台车已不产生浮力，仅是二次浇注的两侧混凝土对台车产生一定的侧压力和上浮力，力量相对较小。而针梁式全圆断面的台车在浇筑时，相当于整体浸在液态混凝土中，其上浮力很大。

图1-1隧洞断面示意图

二、全圆针梁台车抗浮结构

针梁台车由模板、滑架、针梁、支撑悬挂、行走、平移、抗浮机构以及液压、电气系统九部分组成。

2.1针梁

针梁是台车主要的承重构件，必须有足够的强度和刚度（该台车整体受力分析由北方交通大学检算合格）。为了运输和洞内安装的需要，把针梁做成分体式的短针梁，采用销接方法使其成为一个整体。短针梁采用型钢组焊而成。针梁上下两面设有四条轨道，以便滑架带模板方便运行。

2.2抗浮装置

本工程在台车设计时针对上浮问题的专门进行了设计改进。一是在模板两端的针梁上设有可移动、能调整的强大抗浮梁2个；二是在中部模板顶部利用砼灌注口或检查孔设有抗浮支撑靴２处，其顶端为丝杠螺母副，高度可调，以满足不同安装高度需要；三是在边模通梁两端各设抗倾丝杠。通过以上三种措施作用，可使整体台车牢固地固定于隧道中央。

三、台车抗浮验算

3.1台车结构组成

（1）台车设计纵向模板长度为12.20m，砼衬砌厚度为400mm。

（2）台车为全圆针梁式模板台车，面板厚度为10mm，弧形拱板14mm。

（3）模板内角钢∠90×56×6，筋板：δ8×200。

（4）模板及连接板之间利用Φ23定位销定位，M18螺栓连接。

图1抗浮装置纵断面图

（1）端部抗浮支撑靴2个，浇筑过程中全程支撑；

（2）中部抗浮支撑靴2个，浇筑顶拱以下时支撑，液面到顶拱后收回。

图2抗浮装置横断面图

3.2混凝土施工中的抗浮验算

3.2.1浮力计算

为解决浮力问题，经多方咨询，采用了系数折减法、液体类比法、侧压力类比法等多种方式计算。其中液体类比法为混凝土浮力的上限，它将混凝土完全按液态情况考虑，假设在浇注过程中不考虑混凝土初凝的有利因素，采用此法计算出的值比较保守。

水泥浆容量18kg/N，混凝土容重25kg/m³。

模板长度12.2米，模板外形圆半径为2.32米。

浮力F＝πR²γ＝3.14×2.32²×18=304.21kN/m

经计算总浮力为304.21×12=3650.52KN，折合372.5t，扣除台车结构自重63t后约310t，如考虑混凝土初凝的有利因素，初步推断浮力大小在200～300t之间，为保证安全，抗浮支撑按300t设计。

3.2.2构件抗压计算

承受浮力169.2×3×1.4＝710KN，每个千斤顶应能承受236KN内力。

热镀锌无缝钢管，截面：89×4.5

强度验算：

轴压力N=236KN

由最大板厚4.5mm得截面抗拉抗压抗弯强度设计值f＝215Mpa

计算得强度应力为197.557Mpa，满足要求

（下转第26页）

（上接第16页）

此外，I100立柱承受浮力169.2×1.5×1.4/2＝177.66kN

强度验算：

轴压力N=177.66KN

由最大板厚7.6mm得截面抗拉抗压抗弯强度设计值f＝215Mpa

计算得强度应力为124.238Mpa，满足要求

3.2.3台车抗浮支撑与混凝土接触面压力计算

台车总浮力大约为372.5t，台车自重63t。

支撑系统受力：

台车支撑系统为D=0.16m圆形支撑2个，0.93×0.25m弧形支撑2个，总支撑面积为0.405mm²。

首仓二衬混凝土受压力值为：(372.5-63)×9.8=3033kN

支撑系统平均压强为3033&pide;405=7.49Mpa＜25Mpa（设计强度）

满足要求。其它仓位因可提供端部摩擦，受力相对小一些，更能满足要求。

3.2.3浮力测试试验

为了优化台车结构设计、指导以后二衬施工，在第一台台车混凝土浇注工艺基本稳定后，进行了现场浮力测试。

测试条件为：现场为商品混凝土，实测坍落度为260mm，入模温度20℃，加缓凝剂，浇筑速度约为1m/h。

通过测试，对浮力测试结果进行分析后，结论如下：

1）浮力最大值为1962KN，没有超过前期计算估值，也说明抗浮设计安全度较大。

2）混凝土浇筑高度位于约3/4圆时，浮力最大。此后虽有下降，但下降速度非常缓慢。

3）浇注中下部混凝土振捣对浮力影响非常大，从测试结果可知：在模板高度约0.5m处的2排附着式振捣器分别振捣了约2.5分钟，浮力在5分钟内增加了大约30t。但当浇注完成20分钟以后，模板高度约2m处的附着式振捣器再分别振捣时，浮力仅增加了约2t。说明下部混凝土初凝后对上浮影响减弱。

四、抗浮效果

经过391仓的二衬混凝土浇筑结果统计，台车上浮最小值3mm，最大值8mm，满足设计及规范要求（≤10mm）。此台车的抗浮结构设计改进圆满完成任务。

五、与以往工程台车抗浮效果对比

本工程采用的改装新式针梁台车，与西四环暗涵二衬台车相比：此类台车改进了上浮措施，增加抗浮支撑数量和抗浮接触面积，保证浇筑过程稳固，同时台车自身的重量加大，用于抵抗部分上浮力。其次抗浮支撑的形式也完全按照隧洞顶面弧度设计，使之与支撑面充分接触，达到受力均匀的效果。

本项目采用全圆针梁台车模板支护、自密实混凝土浇筑结合的形式施工，在全国建筑行业施工案例很少，成功的施工经验和技术文件更是甚少。通过对全圆针梁台车的抗浮设计改进，使台车稳定性和安全性都明显提高，现场生产也表现出了新式台车的操作简单，运行安全，支立快捷的特点，并且有效克服浇筑过程中的台车上浮引起的变形和偏移。

参考文献：

[1]中铁十二局集团有限公司和北京翔鲲水务建设有限公司联合体，《北京市南水北调配套工程东干渠一标隧洞二衬施工专项方案》，2013年10月；

[2]胡志勇，全圆针梁模板台车施工引水隧洞衬砌的简》，《山西建筑》，2011,37(1)；

[3]顾学建，针梁式模板台车在全圆隧道施工中抗浮措施的应用，《城市建设理论研究》，2012,(5)。

[4]陈斌、左艳智，CB取水隧道二次衬砌模板台车应用技术总结，《建筑工程技术与设计》，2015,(7)。

[5]吴锦龙、徐红霞、肖乾，全圆针梁台车结构设计与校核，《机械》2014,(5)。