一种大坡度洞室衬砌低坍落度砼自动运输系统及施工方法与流程

本发明涉及洞室衬砌低坍落度施工技术领域，具体涉及一种大坡度洞室衬砌低坍落度砼自动运输系统及施工方法。

背景技术：

白鹤滩水电站泄洪洞工程主要包括3条泄洪洞，每条泄洪洞由进口渐变段、上平段、龙落尾段组成。龙落尾段由渥奇曲线段、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，1#和2#泄洪洞斜坡坡度1:4，3#泄洪洞斜坡坡度为1:3.72，反弧段位于斜坡段下游，反弧半径为300m。1#、2#泄洪洞反弧直接连接挑流鼻坎，3#泄洪洞受地形条件限制在反弧末端与鼻坎之间增加了一段下平段，下平段底坡8%，龙落尾掺气坎部位最大坡度达45度。

根据设计单位提出的技术标准要求泄洪洞龙落尾底板和边墙衬砌混凝土采用常态c9060w10f150混凝土浇筑，不允许泵送，入仓塌落度控制在5~8cm，流速29~50m/s。

泄洪洞龙落尾为高速水流流道，过流面要求光滑，不允许出现垂直升坎或跌坎。对混凝土过流面应进行打磨，龙落尾段过流表面不平整度控制在3mm以下。混凝土表面在1m范围内的凹凸值控制在2mm以下。

目前泄洪洞龙落尾段边墙混凝土施工主要包括两类，第一类采用液压正铲入仓，第二类采用提升料斗入仓。

第一类施工方法主要通过自卸汽车+集料斗+长臂正铲+皮带机分料进行入仓，该套入仓系统虽然实现了低坍落度混凝土连续入仓，但无法保证混凝土入仓强度及连续性，且该套设备成本高。

第二类主要通过卷扬机+边墙供料小车+提升料斗+吊罐+固定下料皮带进行入仓，该套系统实现了混凝土连续入仓，但未实现低坍落度混凝土入仓，且该套结构台车设计复杂，倾覆风险大，不利于龙落尾安全施工。

根据以往经验，我国水电工程泄洪洞龙落尾混凝土施工中，普遍采用泵送混凝土进行入仓，该施工方法浇筑混凝土时，因泵送混凝土水化热影响，容易造成混凝土出现问题裂缝。为此，因此必须发明一套运输系统，以保证实现龙落尾段低坍落度混凝土自动化运输实现混凝土浇入仓浇筑满足设计技术要求。

技术实现要素：

针对现有的泄洪洞龙落尾混凝土施工中的不足，本发明提供了大坡度洞室衬砌低坍落度砼自动运输系统，该运输系统有效解决了低坍落度混凝土在大型洞室坡度陡峭时的混凝土运输难题。通过该套系统能够提升高速水流区混凝土施工质量，有效减少混凝土温度裂缝的产生，同时该套系统的应用，开创了大型洞室混凝土连续入仓的技术空白。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种大坡度洞室衬砌低坍落度砼自动运输系统，它包括固定在泄洪洞上平段上的变频卷扬机，所述泄洪洞上平段设置在龙落尾段起始点之前的，所述龙落尾段起始点之后依次为渥奇曲线段、斜坡段、反弧段和下平段，并共同构成龙落尾；在整个龙落尾的底板衬砌上都铺设有小车轨道，所述小车轨道上布置有运料小车，所述运料小车通过卷扬钢丝绳与变频卷扬机的卷扬筒相连并驱动其沿着小车轨道移动；所述小车轨道上滑动配合有边墙衬砌台车，所述边墙衬砌台车的顶部铰接有自调角度垂直上料结构，所述自调角度垂直上料结构的另一端支撑在小车轨道上并与运料小车相连提供行走动力；所述边墙衬砌台车上布置有用于边墙衬砌混凝土浇筑的伸缩式水平皮带转料装置。

所述变频卷扬机采用非标定制变频卷扬机，其包括卷扬机本体，所述卷扬机本体上设置有高速端制动器和低速段制动器；所述卷扬机本体的卷扬筒上缠绕有卷扬钢丝绳并采用下出绳布置结构，所述变频卷扬机的主电机带有编码器与变频器组成闭环控制系统；在卷扬筒的卷筒轴头布置有多圈绝对值编码器；所述变频卷扬机采用plc控制器和人机界面程序交互控制，并使得变频卷扬机实现0~60m/min内的无极变频控制。

所述变频卷扬机的高速端制动器采用双液压抱闸制动器，所述低速段制动器采用钳盘液压制动器，在变频卷扬机上设置有断绳保护器和钢丝绳应力计；所述编码器通过测量单位时间内出绳数，控制运料小车速率；所述变频卷扬机的控制采用就地操作和远程操作，两操作站功能相同，就地站输入上停止位数据具有优先权，远程站输入下停止位和减少节距有优先权；运行过程中，两操作站都具备上升和下降微调功能，下降不到位时，在下边的远程站可以点动微调下降与上升，并且自动把微调后的位置自动修正到plc控制器；所述就地站和远程站之间的通讯采用光纤通信。

所述斜坡段的不同高程位置依次设置有一号掺气坎、二号掺气坎和三号掺气坎，所述一号掺气坎、二号掺气坎和三号掺气坎所在位置的小车轨道的倾角不大于19.5°。

所述运料小车采用plc控制的智能运料小车，所述运料小车包括车架体，在车架体的顶部支撑有顶部框架，所述顶部框架上支撑安装有料斗，在车架体的底部支撑安装有上游行走车轮和下游行走车轮，所述上游行走车轮上安装有上游车轮编码器，所述运料小车上设置有断绳机械检测系统、小车车轮制动系统、小车轨道制动系统、小车与卷扬机互锁装置、手动安全装置和蓄电池报警装置；所述上游车轮编码器通过测控运料小车单位时间内车轮旋转次数，测定运料小车运行速率，若出现超速现象，则编码器把信号反馈给电磁阀，电磁阀控制液压系统泄油，使小车轨道制动系统及小车车轮制动系统动作，同时通过小车plc控制器把制动信号反馈给变频卷扬机，控制小车与卷扬机互锁装置动作实现互锁。

所述断绳机械检测系统设置在变频卷扬机的卷扬钢丝绳与运料小车上的牵引点之间，所述断绳机械检测系统通过测控卷扬钢丝绳受力及位移变化，检测卷扬钢丝绳是否发生断裂，若在运行过程中，卷扬钢丝绳处于紧绷状态中，把行程开关一致处于开启状态，检测到卷扬钢丝绳出现异常情况时，则断绳机械检测系统，立即把行程开关进行关闭，行程开关关闭电磁阀，电磁阀控制液压系统泄油，弹簧片立即对运料小车进行制动，同时立即把信号通过plc控制器传输给变频卷扬机及小车车轮制动系统，起到制动效果；

所述小车车轮制动系统为抱轨装置，通过液压系统，当需要制动时，电磁阀关闭，液压泄油，蝶形弹簧发生位移变化，制动器抱紧车轮保证车轮停止转动，通过车轮与钢轨之间的摩擦产生的摩擦力，提供运料小车制动力；

所述小车轨道制动系统为抱轨道装置，通过液压系统，控制蝶形弹簧变形，抱紧轨道，通过摩擦片与轨道之间产生摩擦力，提供运料小车制动力；

所述小车与卷扬机互锁装置通过卷扬机plc控制器、送料小车plc控制器通过无线通讯网络联接运料小车及卷扬机控制系统，起到同时锁定的状态；

所述手动安全装置采用手动开关，并通过无线网络信号及plc控制系统，控制卷扬机及运料小车的制动；

所述蓄电池报警装置与运料小车的电源系统相连，在电源系统电量低于20%时，蓄电池报警装置进行报警。

所述自调角度垂直上料结构采用桁架结构并采用多节拼装而成，所述桁架结构整体沿边墙衬砌台车转动并与运料小车保持同柜。

所述边墙衬砌台车包括衬砌台车车架，所述衬砌台车车架通过液压伸缩机构支撑在液压同步驱动轮的顶部，所述液压同步驱动轮与小车轨道相配合行走。

所述伸缩式水平皮带转料装置包括用于混凝土输送的水平旋转皮带机，所述水平旋转皮带机的滑轮位置设置有竖向调节油缸；所述竖向调节油缸的行程至少2m。

采用所述自动运输系统进行大坡度洞室衬砌低坍落度砼的施工方法，总体施工原则为：混凝土施工顺序从下游至上游；它包括以下步骤：

步骤一，将5~8cm低坍落度混凝土采用改制自卸汽车进行运输至龙落尾卸料点；

步骤二，将改制自卸汽车上的混凝土卸料至运料小车；

步骤三，运料小车通过变频卷扬机提供动力，并沿着小车轨道进行行走；

步骤四，运料小车运输混凝土料至自调角度垂直上料结构，进行卸料，自调角度垂直上料结构皮带运转进行上料；

步骤五，自调角度垂直上料结构将混凝土输送到边墙衬砌台车顶部的伸缩式水平皮带转料装置，通过伸缩式水平皮带转料装置实现两侧分料入仓，进而实现衬砌的浇筑；

步骤六，待一个仓面浇筑完成之后，继续进行下一个仓面的浇筑，直到整个龙落尾的衬砌浇筑，边墙衬砌台车适用于龙落尾7种不同断面。

本发明有如下有益效果：

1、通过以上施工方法，解决了大坡度洞室衬砌低坍落度砼自动运输难题，大量节约设备及人工成本，对类似工程施工也具有较大的推广应用价值。

2、通过采用本发明的变频卷扬机，其采用变频控制，能够根据需要实现无极调速，进而保证了卷扬机的工作简化为一键启动→5米内慢速→5米后加速→60m/min匀速→仓位前10m减速→停车→自动完成。

3、通过上述的小车轨道能够提供运料小车和边墙衬砌台车行走的轨道，进而保证了施工的正常进行。

4、通过上述的运料小车能够配合变频卷扬机实现混凝土在洞室内部的运输，进而保证了后续浇筑的正常进行。

5、通过自调角度垂直上料结构能够用于混凝土的顶部水平输送，而且能够通过角度的改变实现了不同端面高度的边墙衬砌的连续浇筑施工。

6、通过上述的边墙衬砌台车变断面结构设计采用水平液压伸缩系统，实现台车变断面混凝土衬砌功能。

7、通过上述的中部送料平台能够与自调角度垂直上料结构对接，进而通过水平旋转皮带的移动和伸缩功能实现两侧边墙混凝土浇筑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1本发明整体结构示意图。

图2本发明图1中变频卷扬机局部放大图。

图3本发明运料小车结构图。

图4本发明自调角度垂直上料结构结构图。

图5本发明边墙衬砌台车结构图。

图中：变频卷扬机1、泄洪洞上平段2、龙落尾段起始点3、渥奇曲线段4、底板衬砌5、小车轨道6、一号掺气坎7、运料小车8、自调角度垂直上料结构9、伸缩式水平皮带转料装置10、边墙衬砌台车11、二号掺气坎12、中部送料平台13、斜坡段14、三号掺气坎15、顶拱衬砌线16、反弧段17、下平段18、龙落尾段终点19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-5，一种大坡度洞室衬砌低坍落度砼自动运输系统，它包括固定在泄洪洞上平段2上的变频卷扬机1，所述泄洪洞上平段2设置在龙落尾段起始点3之前的，所述龙落尾段起始点3之后依次为渥奇曲线段4、斜坡段15、反弧段18和下平段19，并共同构成龙落尾；在整个龙落尾的底板衬砌5上都铺设有小车轨道6，所述小车轨道6上布置有运料小车9，所述运料小车9通过卷扬钢丝绳与变频卷扬机1的卷扬筒相连并驱动其沿着小车轨道6移动；所述小车轨道6上滑动配合有边墙衬砌台车12，所述边墙衬砌台车12的顶部铰接有自调角度垂直上料结构10，所述自调角度垂直上料结构10的另一端支撑在小车轨道6上并与运料小车9相连提供行走动力；所述边墙衬砌台车12上布置有用于边墙衬砌混凝土浇筑的伸缩式水平皮带转料装置11。通过上述的砼自动运输系统有效解决了低坍落度混凝土在大型洞室坡度陡峭时的混凝土运输难题。通过该套系统能够提升高速水流区混凝土施工质量，有效减少混凝土温度裂缝的产生，同时该套系统的应用，开创了大型洞室混凝土连续入仓的技术空白。在工作过程中，通过变频卷扬机1带动运料小车9沿着小车轨道6行走，进而将待浇筑的混凝土运输到自调角度垂直上料结构10，再通过自调角度垂直上料结构10将其输送到伸缩式水平皮带转料装置11，通过伸缩式水平皮带转料装置11将其输送到衬砌边墙，再进行边墙的浇筑。

进一步的，所述变频卷扬机1采用非标定制变频卷扬机，其包括卷扬机本体101，所述卷扬机本体101上设置有高速端制动器105和低速段制动器102；所述卷扬机本体101的卷扬筒104上缠绕有卷扬钢丝绳103并采用下出绳布置结构，所述变频卷扬机1的主电机带有编码器与变频器组成闭环控制系统；在卷扬筒104的卷筒轴头布置有多圈绝对值编码器；所述变频卷扬机1采用plc控制器和人机界面程序交互控制，并使得变频卷扬机1实现0~60m/min内的无极变频控制。

进一步的，所述变频卷扬机1的高速端制动器105采用双液压抱闸制动器，所述低速段制动器102采用钳盘液压制动器，在变频卷扬机1上设置有断绳保护器和钢丝绳应力计；所述编码器通过测量单位时间内出绳数，控制运料小车9速率；所述变频卷扬机1的控制采用就地操作和远程操作，两操作站功能相同，就地站输入上停止位数据具有优先权，远程站输入下停止位和减少节距有优先权；运行过程中，两操作站都具备上升和下降微调功能，下降不到位时，在下边的远程站可以点动微调下降与上升，并且自动把微调后的位置自动修正到plc控制器；所述就地站和远程站之间的通讯采用光纤通信。

进一步的，在本实施例中，变频卷扬机1选用jk12卷扬机，额定拉力fc=120kn，额定速度vc=0~60m/min，卷筒容绳量l=500m，钢丝绳直径36mm，公称拉力1870mpa，卷筒直径1300mm，两层绳，基准层直径d=1408mm，减速机速比i=71，卷筒转矩tc=84480n*m。高速端制动器，安全系数3.6倍，型号ywz400/125，制动盘直径1650mm，低速段制动器，安全系数3.15倍，型号sbd250。重载电机频率50hz，轻载通过变频器调整电机频率60hz，电机功率160kw。卷扬机使用频率按照m8级别进行设计，出绳方向下出绳。

卷扬机牵引运料小车及物料重25t，最大运行坡度21°，额定速度0~60m/min，可根据现场需求可实现无极调速。卷扬机工作简化：一键启动→5米内慢速→5米后加速→60m/min匀速→仓位前10m减速→停车→自动完成。

通过在卷筒轴头设有多圈绝对值编码器，保证任何状态下台车位置准确。

由于接地站和远程站距离太远，防止信号衰减和电磁干扰，就地站和远程站之间采用光纤通信，保证通讯数据的实时准确和可靠。

为保证卷扬机智能化，控制系统具备变频功能0~60m/min、plc智能电器信号互动及系统操作、起重量限制器超载控制、液晶显示功能可视化等功能。

卷扬机设置编码器，编码器通过测量单位时间内出绳数，控制运料小车速率，卷扬机本身设置双制动，同时设置断绳保护器、钢丝绳应力计等。

进一步的，所述斜坡段15的不同高程位置依次设置有一号掺气坎7、二号掺气坎13和三号掺气坎16，所述一号掺气坎7、二号掺气坎13和三号掺气坎16所在位置的小车轨道6的倾角不大于19.5°。

由于龙落尾在设计阶段，掺气坎部位形成1：1斜坡，最大倾角45度，而倾角越大，所受混凝土斜向重力分力越大，为保证小车运料安全，综合分析，在掺气坎部位坡度进行优化调整，轨道按照最大倾角19.5度设计。

进一步的，所述运料小车9采用plc控制的智能运料小车，所述运料小车9包括车架体902，在车架体902的顶部支撑有顶部框架901，所述顶部框架901上支撑安装有料斗903，在车架体902的底部支撑安装有上游行走车轮905和下游行走车轮904，所述上游行走车轮905上安装有上游车轮编码器，所述运料小车9上设置有断绳机械检测系统、小车车轮制动系统、小车轨道制动系统、小车与卷扬机互锁装置、手动安全装置和蓄电池报警装置；所述上游车轮编码器通过测控运料小车单位时间内车轮旋转次数，测定运料小车运行速率，若出现超速现象，则编码器把信号反馈给电磁阀，电磁阀控制液压系统泄油，使小车轨道制动系统及小车车轮制动系统动作，同时通过小车plc控制器把制动信号反馈给变频卷扬机1，控制小车与卷扬机互锁装置动作实现互锁。

在本实施例中，所述运料小车9顶面框架结构尺寸为4m×4m，上游侧高度2.95m，下游侧高度3.6m，小车框架内料斗，顶口长度×宽度=3.8m×3.8m，低口长度×宽度=1.1m×0.4m，料斗高度1.7m，料斗容积为10.1m³，小车车轮中心距3.26m，重量约10t包含相关配件重量。

进一步的，所述断绳机械检测系统设置在变频卷扬机1的卷扬钢丝绳103与运料小车9上的牵引点之间，所述断绳机械检测系统通过测控卷扬钢丝绳103受力及位移变化，检测卷扬钢丝绳103是否发生断裂，若在运行过程中，卷扬钢丝绳103处于紧绷状态中，把行程开关一致处于开启状态，检测到卷扬钢丝绳103出现异常情况时，则断绳机械检测系统，立即把行程开关进行关闭，行程开关关闭电磁阀，电磁阀控制液压系统泄油，弹簧片立即对运料小车9进行制动，同时立即把信号通过plc控制器传输给变频卷扬机1及小车车轮制动系统，起到制动效果；

进一步的，所述小车车轮制动系统为抱轨装置，通过液压系统，当需要制动时，电磁阀关闭，液压泄油，蝶形弹簧发生位移变化，制动器抱紧车轮保证车轮停止转动，通过车轮与钢轨之间的摩擦产生的摩擦力，提供运料小车制动力；起到减速效果。

进一步的，所述小车轨道制动系统为抱轨道装置，通过液压系统，控制蝶形弹簧变形，抱紧轨道，通过摩擦片与轨道之间产生摩擦力，提供运料小车制动力；起到减速效果。本方案单片摩擦片可产生90kn的制动力，而单辆小车共有两套制动系统，共可产生制动力为360kn。

进一步的，所述小车与卷扬机互锁装置通过卷扬机plc控制器、送料小车plc控制器通过无线通讯网络联接运料小车及卷扬机控制系统，起到同时锁定的状态；

进一步的，所述手动安全装置采用手动开关，并通过无线网络信号及plc控制系统，控制卷扬机及运料小车的制动；

进一步的，所述蓄电池报警装置与运料小车的电源系统相连，在电源系统电量低于20%时，蓄电池报警装置进行报警。之所以采用蓄电池报警装置，是因为送料小车电源系统主要为蓄电池供电，为减少送料小车重量，采用锂电池，电池容量大于180ah，充电输入电源未ac220v-50hz，若在施工过程中，蓄电池能源不足时，会导致电磁阀失效，导致送料小车无法运行，为保证该异常情况出现，需专门设计蓄电池报警装置，当电量低于20%时，供电系统进行报警，保证施工过程安全。

进一步的，所述自调角度垂直上料结构10采用桁架结构并采用多节拼装而成，所述桁架结构整体沿边墙衬砌台车12转动并与运料小车9保持同柜。

本实施例中，自调角度垂直上料结构10长度45m，共分为3节，每节15m。上部与边墙衬砌台车12之间通过销结，相接部位可360度旋转，底部与运料小车轨道同轨，行走主要通过运料小车和边墙衬砌台车配合，且该上料系统可根据不同坡度（直线长度不变，角度变化），自行调节角度，保证边墙混凝土连续上料。

进一步的，所述边墙衬砌台车12包括衬砌台车车架1201，所述衬砌台车车架1201通过液压伸缩机构1202支撑在液压同步驱动轮1203的顶部，所述液压同步驱动轮1203与小车轨道6相配合行走。边墙钢模台车变断面结构设计采用水平液压伸缩系统，实现台车变断面混凝土衬砌功能。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。

进一步的，所述伸缩式水平皮带转料装置11包括用于混凝土输送的水平旋转皮带机1101，所述水平旋转皮带机1101的滑轮位置设置有竖向调节油缸1102；所述竖向调节油缸1102的行程至少2m。

其中混凝土通过自调角度垂直上料结构10转运至边墙衬砌台车12上的伸缩式水平皮带转料装置11，通过伸缩式水平皮带转料装置11的移动并配合伸缩功能实现两侧边墙混凝土浇筑，同时由于龙落尾坡度在不同位置均发生变化，为保证水平皮带在施工过程中处于水平状态，需在滑轮位置增设竖向油缸，竖向油缸行程1100mm，保证在施工过程中水平送料皮带均处于水平状态，设计阶段为保证两边伸缩能够实现混凝土入仓，龙落尾混凝土衬砌后最大净空尺寸16.5m，伸缩行程至少（16.5m-12.5m）/2=2m，为保证伸缩功能，行程按照2.5m进行生产制造。

实施例2：

采用所述自动运输系统进行大坡度洞室衬砌低坍落度砼的施工方法，总体施工原则为：混凝土施工顺序从下游至上游；它包括以下步骤：

步骤一，将5~8cm低坍落度混凝土采用改制自卸汽车进行运输至龙落尾卸料点；

步骤二，将改制自卸汽车上的混凝土卸料至运料小车9；

步骤三，运料小车9通过变频卷扬机1提供动力，并沿着小车轨道进行行走；

步骤四，运料小车9运输混凝土料至自调角度垂直上料结构10，进行卸料，自调角度垂直上料结构10皮带运转进行上料；

步骤五，自调角度垂直上料结构10将混凝土输送到边墙衬砌台车12顶部的伸缩式水平皮带转料装置11，通过伸缩式水平皮带转料装置11实现两侧分料入仓，进而实现衬砌的浇筑；

步骤六，待一个仓面浇筑完成之后，继续进行下一个仓面的浇筑，直到整个龙落尾的衬砌浇筑，边墙衬砌台车12适用于龙落尾7种不同断面。