彭培龙，陈 敏，刘 凡，刘文娟

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，624100)

1 工程概况

金沙江白鹤滩水电站共设计三条泄洪洞，自山至江侧分别为1＃、2＃、3＃泄洪洞。每条泄洪洞由进口渐变段、上平段、龙落尾段组成。泄洪洞龙落尾由渥奇曲线段、斜坡段和反弧段组成。渥奇曲线方式为Z＝X2/500＋0.015X，斜坡段为渥奇曲线与反弧之间的连接过渡段，反弧段位于斜坡段下游，反弧半径为300m。

每条洞均布置3道掺气设施，其中1＃和2＃泄洪洞掺气设施分别位于渥奇曲线末端、斜坡段中部和反弧起点上游40m，3＃泄洪洞3道掺气设施分别位于渥奇曲线末端、斜坡段中部和反弧末端；3道掺气设施均为底掺气＋侧掺气组合。侧掺气为突扩型，两侧突扩宽度0.35m，前两道侧掺气较底掺气后退0.8m，后一道侧掺气与底掺气齐平。井侧掺气突扩后，龙落尾洞身断面尺寸为(15～16.5)m×18m(宽×高)城门洞型，直墙高14m。其中单条龙落尾衬砌在设计阶段共布置有不少于11个变折点，7种不同衬砌尺寸[1]。具体结构详见图1。

图1 龙落尾结构布置

2 洞室衬砌施工方法及工艺

白鹤滩泄洪洞过水速度高，平整度要求高，要求过流面全采用低坍落度混凝土施工，其混凝土浇筑施工方法尤为重要。结合溪洛渡、向家坝等大型水电站已建大断面洞室衬砌施工经验，龙落尾泄洪洞混凝土施工总体方案为:先施工结构线以外垫层混凝土，再施工结构混凝土。结构混凝土按照“先边墙、再顶拱、后底板”的顺序浇筑，边墙及顶拱采用钢模台车衬砌，边墙采用低坍落度混凝土，通过转料系统入仓。顶拱为泵送混凝土，采用泵送入仓。底板采用低坍落度混凝土，通过利用长距离斜皮带连续供料入仓，翻模工艺施工。本文主要针对边墙衬砌台车进行论述。

3 台车设计方法

3.1 隧洞衬砌台车设计

3.1.1 研究背景简述

根据国内龙落尾段边墙衬砌混凝土施工方法，总体归集起来共有两种施工工艺。

施工工艺一:通过平板自卸汽车＋集料斗＋长臂正铲＋供料系统入仓，施工流程见图2。该施工方法的优点为能够实现低坍落度混凝土入仓，缺点为低坍落度混凝土不能够连续入仓，且在顶部通过两道传输皮带进行分料，混凝土施工程序复杂，在施工过程中容易出现事故故障，造成质量缺陷，混凝土施工设备成本过高。

图2 长臂正铲施工方法

施工工艺二:通过混凝土罐车＋供料小车＋提升料斗＋卷扬机＋下料皮带入仓，施工工艺见图3。该施工工艺优点为能够实现混凝土连续入仓，缺点为混凝土通过罐车运输，混凝土不属于低坍落度混凝土，台车抗倾覆风险大[2]。

图3 混凝土提升料斗施工方法

3.1.2 泄洪洞龙落尾结构特征

龙落尾结构特征见本文工程概况，此处不再赘述。泄洪洞龙落尾段衬砌混凝土施工具有以下难点:

(1)全洞为无压隧洞，泄洪流速高，龙落尾段为40m/s～50m/s；

(2)竖曲线复杂，每条龙落尾由渥奇曲线＋1∶4斜坡段＋半径300m的反弧段＋下平段；

(3)衬砌断面多变，龙落尾共设计有7种衬砌断面，不同的衬砌断面类型宽度和高度均不一致；

(4)边墙和底板采用高强(C9060)、低塌落度(5cm～8cm)混凝土；

(5)混凝土外观质量标准高，要求混凝土表面不平整度1.5m的靠尺不大于3mm；

(6)每道掺气坎均存在50m长的渐变段，其底板坡度与顶拱坡度不一致，为了实现掺气坎渐变段的顶拱采用台车浇筑，需将台车行走支撑轨道按照顶拱坡度进行拟合，这就导致台车运行坡度达到22.59°。

为了使龙落尾段混凝土浇筑体型和浇筑质量满足设计要求，同时保障大坡度情况下的施工安全，需对台车进行创新设计。故此“大坡度变断面液压行走式混凝土衬砌台车”设计成果应运而生。

3.1.3 泄洪洞龙落尾衬砌台车简介

钢模板混凝土衬砌隧道台车(简称台车)，是以液压驱动行走机构带动台车行走，利用液压油缸调整模板到位及收模的隧道混凝土成型的机器。它具有成本较低、结构可靠、操作方便、衬砌速度快、隧道成型面好等优点，广泛使用在电站、铁路及公路隧道中。本台车衬砌一个循环的工作长度为9m。

边墙台车主要由模板总成、皮带输送机、门架总成、行走机构、侧向螺旋千斤、门架螺旋千斤、液压系统、电气系统、侧向走道平台、液压操作平台、工作梯装置等多部分组成，详见图4。

图4 龙落尾液压自行台车及其附属设施

3.1.4 台车变断面功能

边墙钢模台车变断面结构设计。在台车顶部布设4个水平液压油缸，悬挑台车面板，通过伸缩移动，实现台车初步定位，通过台车立柱上的机械调节螺栓，精准定位台车面板，实现变断面混凝土衬砌功能，解决7种衬砌断面难题。

3.1.5 台车自行功能

该台车有四个独立的垂直与水平调节机构，可实现单套台车多断面及陡坡工况下安全运行。边墙钢模台车行走系统，采用同步液压系统进行驱动行走，同时具备在陡坡上行和下行功能。边墙钢模台车重心调整系统，采用同步液压垂直顶升系统，调整台车重心，确保台车安全顺利通过结构变折点。边墙钢模台车防滑装置，采用自起落防滑挂钩装置，有效防止台车在斜坡段下滑和倾覆。

3.2 隧洞台车相关安全验算

3.2.1 台车型钢轨道

型钢轨道梁设计为箱形截面，截面尺寸为宽550mm，高度350mm[3]，轨道跨度为2m。箱型梁轨道顶板采用30mm厚Q345钢板，底板采用20mm厚Q345钢板，两侧板采用15mm厚Q345钢板。为了增加轨道梁的整体刚度，每间隔50cm，设置一道14mm厚的中隔板，轨道梁与轨道梁之前之间通过4颗M24螺栓进行连接。

台车行走轨道采用70mm×70mm的Q345方钢，为整体构件。为约束台车下滑，在轨道梁顶部每隔50cm左右对称布置2个挂钩孔，孔净空尺寸为200mm×80mm。单根轨道与混凝土支墩之间通过8根M30高强螺栓进行连接、定位，具体结构详见图5。

图5 轨道断面

3.2.2 台车混凝土支墩

为了控制台车行走轨道梁安装精度，获得平顺过渡的台车行走路线，同时为了便于掺气坎渐变部位顶拱混凝土的浇筑，在轨道梁与岩面之间布置轨道支墩，支墩间距2m。轨道混凝土支墩采用钢筋混凝土结构，经过规范验算，混凝土强度为C40，配筋满足规范要求。为了防止混凝土支墩在承受轨道梁传递的荷载后与岩面发生滑动，在支墩内布置基础锚杆。

3.2.3 台车轨道梁抗弯刚度验算

(1)台车走行状态抗弯刚度验算

台车在走行状态下由于只考虑台车的自重，因此强度计算是按最重的边墙台车(200t)进行分析。

行走轮按四角双轮平行布置，轮径ϕ400，共四组八个车轮，每个车轮平均轮压约200÷8＝25t。台车在坡道(22.59°)上运行，后轮轮压较前轮大。假设行走轮刚好走行在轨道梁中部，此时轨道梁受力简图如图6所示。

图6 轨道行走时最不利受力验算结果

通过计算，安全系数为12.4，最大变形量为0.075mm，轨道梁的刚度、强度完全满足各台车走行状态下的要求。

(2)台车衬砌状态抗弯刚度验算

台车衬砌状态下，由于边墙台车的混凝土自重几乎全部承受在建基面上，因此边墙台车在衬砌状态下理论上仍只承受台车自重。而顶拱台车在衬砌状态下，由于混凝土自重几乎全部由台车承受，因此衬砌状态按顶拱台车进行校核。

顶拱混凝土厚度按正常衬砌状态1.75m(考虑超挖0.25m)进行计算。即混凝土厚度为最大开挖厚度1.75m，台车衬砌长度为9m，经计算顶拱混凝土自重W＝9×30.37×2.45≈670t。

即W总＝W混凝土自重＋160t(台车自重)＋15t(附属结构)＝845t。

正压力通过门架纵梁将力传递于轨道梁上，而单侧门架纵梁受力845/2＝422.5t。该力又通过5个支点传力于轨道梁上，中间3个支点承受的竖向压力比两端门架承受的压力大，两端的支点承受的力只相当于中间一个支点的力。因此，单个支点承受的最大载荷为422.5/4＝105.625t。

假设行走轮刚好支撑在轨道梁中部(最危险情况)，那么轨道梁受力简图及计算见图7。

图7 衬砌状态下轨道梁受力分析

通过计算，安全系数为3.6，最大变形量为0.26mm，可以看出轨道梁的刚度、强度满足要求。

(3)台车轨道行走挂钩挤压强度验算

对于轨道梁挂钩部位局部挤压强度的计算，需考虑台车行走工况及顶拱衬砌两种工况。衬砌台车的行走是通过4组油缸交替作用实现，行走过程中同时受力的仅一组油缸(2个)，而给液压油缸行走支座反力的主要依靠挂钩来实现[4]。因此，挂钩与轨道梁顶板接触部位的挤压强度要满足设计要求，计算过程如下:

W下滑分力＝200t(台车自重)×sin22.59(最大倾角)＝72.82t

W摩擦力＝200t(台车自重)×cos22.59(最大倾角)×0.02(摩擦系数)＝3.7t

单个油缸所需提供的动力为(72.82＋3.7)/2＝38.26t，由于每个液压制作通过2个挂钩与轨道连接，因此，单个挂钩处的集中力为38.26/2＝19.13t。

根据挤压强度计算公式:σc＝P/(dδ)≤[σc]。

式中:P——轴向载荷N，P＝19.13×104N；δ——轨道上钢板厚度，δ＝30mm；d——挂钩和方形插销厚度，d＝60mm；[σc]——铰耳板的承压许用，[σc]＝335MPa。

所以轨道梁挂钩部位挤压强度满足要求。

(4)预埋螺栓安全性验算

轨道预埋螺栓的作用，是利用高强螺栓的预紧力使轨道压板与轨道梁底板之间产生抗滑摩擦力，从而限制轨道与混凝土支墩之间产生相对滑动。

摩擦型连接中的抗剪连接，一个高强度螺栓的受剪承载力设计值按下式计算:

式中:Nvb——高强螺栓受剪承载力设计值；

K——系数，普通钢筋构取0.9，冷弯薄壁型钢构件取0.8；

N——传力摩擦面数目，本工程为1个；

μ——摩擦面的抗滑移系数，按照规范取最小值0.3；

P——高强螺栓的预应力，按照规范10.9级M30螺栓取值为355kN。

衬砌台车最大下滑分力为顶拱在掺气坎部位浇筑时，即W下滑分力＝(670＋160＋15)×sin22.59＝324.6t，而台车在进行顶拱浇筑时共有5跨轨道共同受力，即有11个支墩，88个预埋螺栓共同受力。因此螺栓所提供的抗滑约束力为9.6t×88＝844.8t>324.6t，抗滑能力满足要求。

3.2.4 台车轨道系统抗倾覆验算

台车龙落尾段衬砌不仅要满足有足够的强度及刚度，还要保证在坡道上走行时不发生倾覆，台车走行时通过的最大纵坡为1∶2.4(22.59°)，在最大坡道上走行时不发生倾覆，则在其它坡度上走行也不会发生倾覆。

如果台车要发生倾覆，即台车绕下部行走轮的销轴进行转动，通过3D模型找出台车中心，见图8。

图8 台车重心位置

支架、分料槽、纵向皮带输送机、横向皮带输送机按200t考虑，台车上存放工具及其他附加重量按15t考虑，重量合计为215t。

台车自重、提升卷扬机、卷扬机产生的倾覆力矩为:F倾＝W1×5.709m；台车在坡道上的自重而产生的抗倾覆力矩为:F抗＝W2×6.4m。F抗—F倾＝7.99×106N·m。通过上述分析可知，台车的抗倾覆力矩远远大于倾覆力矩，因此，台车在坡道上运行过程中不可能发生倾覆现象。

4 结语

通过该台车的研究实现了泄洪洞龙落尾段边墙低坍落度混凝土入仓，并同时满足现场施工质量、安全的要求，并具有以下创新点:全部采用同步液压系统进行驱动行走，具备在陡坡上行和下行功能；采用同步液压垂直顶升系统，调整台车中心，确保台车安全顺利通过结构变折点。采用水平液压伸缩系统，实现台车变断面混凝土衬砌功能[5]；采用自起落防滑挂钩装置，有效防止台车在斜坡段下滑和倾覆；采用液压角度调整操作平台，保证不同坡度下作业安全，最终实现衬砌混凝土达到镜面混凝土效果。