水电站引水隧洞斜井上下弯段混凝土衬砌装置

技术领域

本发明涉及水利工程混凝土施工技术领域，尤其涉及水电站引水隧洞斜井上下弯段混凝土衬砌装置。

背景技术

据统计，我国水能资源可开发装机容量约6.6亿kw，年发电量约3万亿kWh。我国抽水蓄能电站建设，自20世纪60年代后期开始起步，且建设规模较小；到20世纪80年代，随着在广东、华东、华北等东部地区一批大型抽水蓄能电站的建设，将我国抽水蓄能发展推向新的高度。截至2017年，我国抽水蓄能电站装机容量已居世界第一，在运规模2849万千瓦，在建规模达3871万千瓦。到2020年，运行总容量达4000万千瓦；到2025年达到9000万千瓦左右；常规的水电站与抽水蓄能电站前景广阔。

我国的水电站建设中，引水式电站占有相当的比例。引水隧洞，作为抽水蓄能电站充放水系统的部分，包括输水斜井及竖井。斜井斜直段和竖井垂直段，采用滑模技术已得到很好的应用，而斜井或竖井的上、下弯段混凝土快速衬砌技术一直没有得到很好的解决，成为水电站施工的一道技术难题。

传统的技术方法是，在加工厂制造弧带钉制曲面木模板、人工立模架设、浇筑混凝土。该技术，方法陈旧，施工时劳动强度大，施工工期长，成本费用大，安全风险高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中，水电站引水隧洞斜、竖井的上下弯段施工中，混凝土衬砌方法陈旧，施工时劳动强度大，工期长，成本费用大，安全风险高的问题，而提出的水电站引水隧洞斜井上下弯段混凝土衬砌装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

水电站引水隧洞斜井上下弯段混凝土衬砌装置，包括曲线针梁，所述曲线针梁的外表面滑动设置有曲体模板装置，所述曲线针梁的两端通过支撑结构与隧洞相连接；

所述曲线针梁的曲率与隧洞中心半径、曲率一致；所述曲线针梁的长度大于所述曲体模板装置的两倍以上。

优选的，所述曲线针梁采用方形钢桁架结构。

优选的，所述支撑结构在所述曲线针梁的两端各设置一组；其中一组所述支撑结构设置在已衬砌浇筑混凝土的洞壁上，另一组所述支撑结构设置在已开挖的隧洞岩壁上。

优选的，所述支撑结构由若干个千斤顶组成，若干个所述千斤顶设置在所述曲线针梁的上下左右四个侧面。

优选的，所述千斤顶的外表面转动连接有可调节丝杆，所述可调节丝杆的另一端与所述曲线针梁的外表面转动连接。

优选的，所述曲体模板装置由曲体模板块和模板台车组成，所述模板台车设置在所述曲线针梁的外表面滑动，所述曲体模板块通过千斤顶与所述模板台车相连接。

优选的，所述曲体模板块由四块拼接组成，所述曲体模板块在所述千斤顶的伸缩作用下可伸展、张开模板面，或收缩、脱模。

优选的，所述曲体模板装置的内侧面开设有贯穿至外侧的浇筑孔；所述浇筑孔靠近所述曲体模板装置安装状态下的最高点设置。

优选的，在所述曲线针梁移动方向的前端设置有第一卷扬机，所述第一卷扬机固定设置在已开挖的隧洞岩壁上，所述第一卷扬机通过绳索牵引所述曲线针梁。

优选的，所述曲线针梁位于移动方向的前端一侧设置有第二卷扬机，所述第二卷扬机通过绳索牵引所述曲体模板装置。

与现有技术相比，本发明提供了水电站引水隧洞斜井上下弯段混凝土衬砌装置，具备以下有益效果：

1、本发明，技术可靠、工厂化制造，隧洞内现场安装，施工工效高，进度快，成本低，大大降低工人劳动强度，并提高了施工中的机械化水平。

2、本发明，曲体模板装置套制于曲线针梁上，曲线针梁和曲体模板装置分别随第一卷扬机、第二卷扬机的机械牵引移动，能够实现短节段多循环使用；在上、下弯段半径一致时，翻身实现互用，进一步节约施工成本。

3、本发明，以钢代木，节约大量的木制模板使用，且可复用程度高，安全环保；整体行走就位的混凝土衬砌施工，与搭设支架木模板安拆施工相比，安全风险低。

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明技术可靠、工厂化制造，隧洞内现场安装，施工工效高，进度快，成本低，大大降低工人劳动强度，并提高了施工中的机械化水平；曲体模板装置套制于曲线针梁上，曲线针梁和曲体模板装置分别随第一卷扬机、第二卷扬机的机械牵引移动，能够实现短节段多循环使用；在上、下弯段半径一致时，翻身实现互用，进一步节约施工成本；以钢代木，节约大量的木制模板使用，且可复用程度高，安全环保；整体行走就位的混凝土衬砌施工，与搭设支架木模板安拆施工相比，安全风险低。

附图说明

图1为本发明的使用状态示意图；

图2为本发明位于下弯部的使用状态示意图；

图3为图2中A处的放大结构示意图；

图4为曲线针梁的结构示意图；

图5为曲体模板装置的部分剖视结构示意图；

图6为曲线针梁和曲体模板装置的部分剖视结构示意图；

图7为图4中B-B处的剖视结构示意图；

图8为图2中C-C处的剖视结构示意图；

图9为曲体模板装置的收缩状态结构示意图；

图10为本发明位于上弯部的使用状态结构示意图。

图中：1、曲线针梁；2、曲体模板装置；201、曲体模板块；202、模板台车；3、支撑结构；4、千斤顶；5、可调节丝杆；6、第一卷扬机；7、第二卷扬机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-10，水电站引水隧洞斜井上下弯段混凝土衬砌装置，包括曲线针梁1，曲线针梁1的外表面滑动设置有曲体模板装置2，曲线针梁1的两端通过支撑结构3与隧洞相连接。其中，曲线针梁1 的曲率与隧洞中心半径、曲率一致；两端的支撑结构3将曲线针梁1的轴线调整至于隧洞的轴线相重合；曲体模板装置2沿着曲线针梁1 进行滑动移动，完成不同位置的模板支撑与混凝土浇筑施工。

曲线针梁1的长度大于曲体模板装置2的两倍以上。优选的，将曲线针梁1的长度设置为曲体模板装置2的二至三倍之间。若曲线针梁1的长度设置过大，则将增加安装难度；同时，增加所需的制作材料消耗。通过，将曲线针梁1的长度设置大于曲体模板装置2的两倍以上，使得曲体模板装置2在完成一段浇筑的模板支撑后，可以在曲线针梁1上移动，至下一混凝土浇筑段进行模板支撑；提供曲线针梁 1与曲体模板装置2的相对移动支持。

曲线针梁1采用方形钢桁架结构；利用钢桁架结构的特征，拥有足够的支撑强度和较低的重量；同时，便于拆卸、组装。可在工厂内加工各个零部件后，在外部初步组装；运送至隧洞内，再进行最终组装；且，各部件加工操作简便，可复用性强；相对于传统的施工需要大量木板，节约环保。

支撑结构3在曲线针梁1的两端各设置一组。其中，一组支撑结构3设置在已衬砌浇筑混凝土的洞壁上；另一组支撑结构3设置在已开挖的隧洞岩壁上，即，曲线针梁1移动方向的前端。通过设置两个支撑结构3提供支撑作用，从两端将曲线针梁1撑起，中间部分的曲线针梁1构成曲体模板装置2的移动轨道；在支撑结构3安装中，精确调整位置，使得针梁轴线与隧洞轴线一致。

具体的，支撑结构3由若干个千斤顶4组成，若干个千斤顶4设置在曲线针梁1的上下左右四个侧面，提供稳固支撑。因，曲线针梁 1与隧洞内壁都为弧面结构，在千斤顶4的安装过程中，需要设置垫块，以便于稳定安装。优选的，在曲线针梁1的下侧至少设置两个千斤顶4为一组，提高不少于两个支撑点，以拥有更好的稳定性。

进一步的，千斤顶4的外表面转动连接有可调节丝杆5，可调节丝杆5的另一端与曲线针梁1的外表面转动连接；一个千斤顶4至少搭配设置两个可调节丝杆5。通过设置的可调节丝杆5，拥有更高精度的调节范围；且，进一步提高支撑的稳定性。可调节丝杆5与曲线针梁1、千斤顶4的转动连接方式，可采用在千斤顶4的外表面、曲线针梁1的外表面，分别固定连接开孔的连接板；在连接板内插接转轴，转轴穿透可调节丝杆5，将可调节丝杆5与连接板转动连接在一起。优选的，在可调节丝杆5一端的两侧对称设置两个连接板，增加强度及稳定性。

曲体模板装置2由曲体模板块201和模板台车202组成，模板台车202设置在曲线针梁1的外表面滑动，曲体模板块201通过千斤顶 4与模板台车202相连接。模板台车202采用钢桁架结构，套接安装在曲线针梁1的外表面。对于滑动形式，可在曲线针梁1的外表面设置滑轨，模板台车202设置相应的移动轮，在滑轨上涂黄油润滑，减少摩擦力；模板台车202以曲线针梁1为轨道进行滑动移动。在滑动到设置位置后，将模板台车202的位置锁定。

其中，曲体模板块201由四块拼接组成；曲体模板块201在千斤顶4的伸缩作用下可伸展、张开模板面，或收缩、脱模；张开状态下，曲体模板块201与隧洞衬砌结构面一致。

具体的，曲体模板块201的弧度曲率与隧洞曲率设计一致；且，上下两块与左右两块伸缩时错位设置。

其中的一种曲体模板块201设置方式为，将上下两块曲体模板块 201的左右两个断面设置为垂直面；在张开模板面时，先伸展左右两块曲体模板块201，之后伸展上下两块曲体模板块201；在收缩模板面时，先收回上下两块曲体模板块201，再收回左右两块曲体模板块 201。同理，也可设置上下两块曲体模板块201的两个断面为水平面等其他的形式，实现伸缩时错位设置。

在曲体模板装置2的内侧面，开设有贯穿至外侧的浇筑孔。浇筑孔靠近曲体模板装置2安装状态下的最高点进行设置；以便于在曲体模板装置2安装到位后，从浇筑孔向内输送混凝土；靠近最高点的位置可一次性完成浇筑。

同时，也可以设置在曲体模板装置2的不同高程位置，设置若干个浇筑孔，由下至上逐层进行浇筑；在完成一层浇筑，进入下一层浇筑前，封堵该层的浇筑孔。设置为多个浇筑孔，可进一步提高浇筑的密实度及浇筑效果。

在曲线针梁1移动方向的前端设置有第一卷扬机6，第一卷扬机 6固定设置在已开挖的隧洞岩壁上；第一卷扬机6通过绳索牵引曲线针梁1进行移动。

曲线针梁1位于移动方向的前端一侧设置有第二卷扬机7，第二卷扬机7通过绳索牵引曲体模板装置2进行移动。

具体的使用中，在一段隧洞混凝土衬砌浇筑完成，并达到一定强度后，曲体模板块201与模板台车202之间的千斤顶4回缩，进行脱模。脱模后，第二卷扬机7牵引曲体模板装置2在曲线针梁1上向前行走，实现曲体模板装置2从一个混凝土浇筑段，移动到下一个混凝土浇筑段。当隧洞第二混凝土仓位浇筑完成后，缩回曲线针梁1两端的支撑结构3，保持曲体模板装置2的展开状态；使用设置在隧洞衬砌前端的第一卷扬机6，牵引曲线针梁1向前移动，移动中调整与隧洞轴线保持一致。在移动大于一个混凝土衬砌段的距离后，伸出支撑结构3与隧洞相固定；之后，再移动曲体模板装置2。往复循环，完成整个弯段的混凝土衬砌。

请参阅图1，左右画面分别展示了位于下弯部和上弯部的使用状态示意图。对于，引水隧洞斜、竖井的上、下弯段，直径及其转弯半径一致时，曲线针梁1与曲体模板装置2翻转180度，并相应的调整第一卷扬机6和第二卷扬机7的安装位置，即可互用。

在具体施工中，先根据隧洞的形状、尺寸，设计曲线针梁1与曲体模板装置2；水电站引水隧洞斜、竖井的上、下弯段类似于半径与隧洞一致的充满气的圆形轮胎的一部分，曲线针梁1为中心较小的曲体结构，曲体模板装置2套接在曲线针梁1外，为较大的曲体结构。设计完成后，在工厂内加工，并根据各零件尺寸，进行初步组装；运送至施工现场后，进行最终组装。在进行曲线针梁1的安装前，先进行隧洞弯段的钢筋绑扎施工。钢筋绑扎完毕后，操作人员在隧洞内，先固定安装好第一卷扬机6；牵引安装中的曲线针梁1，提供向前、向上的拉力。在曲线针梁1组装完成后，安装位于移动方向前端的支撑结构3在已开挖的隧洞岩壁上，安装位于后端的支撑结构3在已衬砌浇筑混凝土的洞壁上，并调整至曲线针梁1与隧洞轴线一致。之后，将曲体模板装置2安装在曲线针梁1上，并通过第二卷扬机7调整曲体模板装置2的位置。在位置确定后，伸展开曲体模板装置2进行支撑；并，采用厚木板将模板两端进行拉顶式封闭加固，防止浇筑混凝土时溢出。之后，通过设置的浇筑孔，送入混凝土，完成浇筑；实行先底部后中部，再顶部的浇筑程序。在浇筑中，可采用在浇筑口安装混凝土浇筑冲天管，以便于泵送混凝土入仓；并，在冲天管位于模板内侧的一端设置手动关闭闸阀，利于混凝土浇筑完成后，拆除泵管时及时关闭冲天孔，防止刚刚浇筑入仓的混凝土流出。

本发明，提出的水电站圆形引水隧洞斜、竖井的上、下弯段混凝土衬砌用曲线针梁1、曲体模板装置2，以及使用该装置的混凝土衬砌施工方法，成功解决了多年来困扰水电施工技术的难题；本装置及施工方法，技术可靠、工厂化制造，隧洞内现场安装，进度快、成本低、大大降低工人劳动强度，安全风险低；并提高了施工中的机械化水平。

本发明，采用方形钢结构桁架曲线针梁1，与引水圆形隧洞斜、竖井上、下弯段的轴线半径一致，实现在施工中的位置移动；曲体模板装置2设计制造为空间曲体结构，即部分同半径的圆环体，半径与斜、竖井上、下弯段的半径、曲率一致，类似于充满气的圆形轮胎体的部分，与隧洞内壁相匹配；曲体模板装置2套制于曲线针梁1上，曲线针梁1和曲体模板装置2分别随第一卷扬机6、第二卷扬机7的机械牵引移动，实现衬砌模板的支撑、移动。

本发明，采用钢制的曲线针梁1、曲体模板装置2，以钢代木，节约大量的木制模板使用，且可复用程度高，安全环保；工厂化制作，现场安装，施工工效高、进度快；曲线针梁1搭配曲体模板装置2，能够实现短节段多循环使用；在上、下弯段半径一致时，翻身实现互用，进一步节约施工成本；整体行走就位的混凝土衬砌施工，与搭设支架木模板安拆施工相比，安全风险低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。