特大型断面斜井滑模混凝土施工技术
陈芝焕
(中国水利水电第十四工程局,云南昆明 650041)
摘 要:特大断面斜井滑模是一项新型斜洞衬砌混凝土施工技术。文章主要介绍龙滩水电站地下厂房系统工程引水斜井滑模施工的技术和施工方法,包括滑模的安装技术、独特的滑模牵引技术、混凝土施工技术和工艺方法、斜井混凝土施工安全技术等,为以后的同类型斜井衬砌混凝土施工提供借鉴。
关键词:特大断面;混凝土施工;斜井滑模;滑模安装;工艺方法
中图分类号:U455•91 文献标识码: B 文章编号:1006-3951(2007)01-0078-05
1 概述
龙滩水电站是红水河梯级开发中的骨干工程,位于广西壮族自治区天峨县境内的红水河上。工程以发电为主,兼有防洪、航运等综合效益。本工程为Ⅰ等工程,工程规模为大(Ⅰ)型。工程枢纽由碾压混凝土重力坝、泄洪建筑物、左岸地下引水发电系统、右岸通航建筑物等几大部分构成。工程按正常蓄水位高程400 m设计,初期按高程375 m建设,电站装机容量为4 900 MW(后期6 300 MW)。
引水隧洞是左岸地下引水发电系统工程(Ⅳ标)的主要组成建筑物之一。电站进水口布置在左岸,采用一字形坝式进水口,进水口间距25 m,进水口底板采用二级台阶式布置,其中①~⑦号进水口中心线高程为311.00 m,⑧、⑨号进水口中心线高程为321.00 m,引水隧洞采用单机单管的引水方式,包含有上平段、上弯段、斜井段(⑦~⑨号引水洞为竖井段)、下弯段及下平段,下平段中心线高程为215.00m。引水洞为开挖直径11.40~13.30 m的圆形断面,一期支护后的断面直径为11.20~13.0 m,衬砌后直径为10.0 m。其中引水斜井与水平面夹角为55°,开挖直径11.40 m的圆形断面,一期支护后断面直径为11.20 m,混凝土衬砌后直径为10.0 m。
其主要特点是衬砌厚度小、滑升长度较长、工期紧、施工难度大。施工中引水斜井④⑤⑥采用了滑模进行混凝土浇筑。每条引水斜井的设计长度均为85.96 m,上部有12 m为钢衬段。考虑到滑模混凝土与钢衬混凝土的过渡,实际用滑模进行衬砌混凝土施工的斜井段长度为73.46 m。
2 斜井滑模结构及工作原理
2.1 斜井滑模结构
引水斜井全断面滑模主要由以下几部分组成:行走系统(包括轨道和行走轮组)、牵引系统、模板组、中梁、上平台、主平台、悬挂平台、尾部平台等,整个滑模系统总重量(包含中梁)为36.7 t。
滑模牵引系统主要由牵引支架梁、钢绞线、液压爬升千斤顶(型号为TSD40,其参数见表1)和油泵组成。牵引支架梁采用4根Ⅰ63a工字钢(2根为一组)加工而成,工字钢两端固定在井壁的钢筋混凝土基础上(工字钢两端与钢筋混凝土基础上的预埋钢板进行焊接连接)。整个系统共布置4组、每组4根Φ15.3 mm的1860级高强度低松弛无粘结钢绞线(经过计算,钢绞线的抗拉强度完全满足滑模运行的需要),两端分别与工字钢和滑模中梁进行联接(钢绞线与两端的联接均采用预应力锚具进行锚固)。斜井滑模牵引布置见图1。
传统工艺的斜井滑模牵引系统上锚固端一般采用布置在上弯的预应力锚索进行固定。考虑到本工程的特殊性,该斜井滑模牵引系统上锚固端采用支架钢梁(4根Ⅰ63工字钢)固定,但施工难度较预应力锚索大。支架钢梁的刚度和强度验算如下:
(1)牵引支架梁刚度验算:根据《水工建筑物滑模施工技术规范》,牵引支架梁上所受总荷载包括滑模体自重为367 kN,平台板重量为90 m²×2.5kN/m²=225 kN,平台上堆放材料和设备重量按100kN计,模板与混凝土间的摩阻力为42 m²×2.5kN/m²=105 kN,混凝土对滑模体的侧压力为24 kN,倾倒混凝土时产生的冲击力为2.0 kN,即:
(2)牵引钢绞线强度验算。由上述牵引支架梁刚度验算的条件可知,每组钢绞线上承受的拉力为205.25 kN。根据《水工建筑物滑模施工技术规范》的要求,牵引钢绞线的承载能力为总荷载的5~8倍,在这里选5倍,则有:
F牵=5Pl=5×205.25=1 026.25 kN
因每组钢绞线由4根15.3 mm的1860级高强度低松弛无粘结钢绞线组成,其最小破断力为260.7kN,则:
F断=4×260.7=1 042.8 kN>F牵
故选用的钢绞线能满足滑模运行牵引力的要求。
滑模行走系统主要由轨道、行走轮组(包括前后行走轮组)等组成,在滑模安装和初次滑行时,用前后外行走轮组。待滑模滑升一定的距离后,后行走轮组行走至混凝土面上时,前行走轮组不变,后行走轮组改为内行走轮组。外行走轮组的轨道中心线间距为5 300 mm,内行走轮组的轨道中心线间距为4 289 mm。
2.2 滑模工作原理
斜井滑模的滑升是利用液压滑升系统进行。该系统一端固定于布置在上弯段的牵引支架上,采用预应力锚具进行固定;另一端(含有液压爬升千斤顶)固定在中梁上,中间通过钢绞线连接。当混凝土的强度具备滑升条件时,启动液压系统,利用液压千斤顶在钢绞线上的爬行从而带动滑模一起向上运动。
3 斜井滑模混凝土施工
3.1 施工程序
引水斜井混凝土施工程序为:滑模安装→各项施工准备工作(包括供水、供电系统的布置,混凝土输送系统敷设,材料准备,运料小车及卷扬机安装,钢筋制作等)→起滑段钢筋绑扎→下堵头模板安装(包括止水)→混凝土浇筑→滑模初次滑升→滑模调整→正常滑升→钢筋绑扎(循环)……→滑模浇筑完毕→滑模拆除。
3.2 施工工艺及方法
为了保证斜井滑模的安装与拆除,引水斜井滑模混凝土浇筑是在其下部洞段(包括下平段和下弯段)衬砌混凝土未施工的条件下进行的,这样就能给滑模安装与拆除提供足够的空间。由于引水斜井与水平面夹角为55°,因此滑模下部形式为三角块,而且下部三角块也是利用滑模进行滑升施工,施工的难度比较大,施工中应根据现场实际情况及时调整初次滑升时的滑升速度。
滑模混凝土施工具有很高的连续性要求,必须做好充分的施工准备,以保证混凝土施工的顺利进行。滑模制作安装和滑升操作又是整个滑模施工的关键所在,必须引起足够重视,保证斜井的衬砌体型和混凝土表面质量。斜井滑模施工布置详见图2。
3.2.1 斜井滑模安装
首先按滑模安装的要求做天锚、地锚,沿引水下平洞两侧布设10 t卷扬机1台、5 t卷扬机1台、2 t卷扬机1台,下平段两侧洞壁布置5 t 9 m手拉葫芦2个,下弯段处布设8根锚杆(Φ25,入岩2.0 m)做安装中梁用,每4根一组,牵引力不低于40 t,待一切完毕后,利用平台车或吊车安装天锚、地锚的导向滑轮,形成滑模安装起吊系统后再进行滑模安装,各部件的安装顺序如下:①滑模中梁倒运安装;②滑模中梁前后支腿安装;③各平台梁、柱安装;④模板安装、液压系统安装、钢绞线安装,模板上的液压爬升千斤顶应在模板安装结束并调整好位置后再行安装,要求位置准确。钢绞线安装时应从下向上安装,通过模板上的液压爬升装置,用人工牵引使之固定在上部锚固装置上;⑤滑模就位、调试。滑模起滑前,必须将4台液压千斤顶调整到隧洞径向的同一断面上,保证千斤顶工作的统一性和一致性。
3.2.2 施工准备
引水斜井滑模混凝土施工前的准备工作包括建基面的检查清理、轨道安装和校核、水电系统的布置、滑模就位和调整、滑模滑升起始段的钢筋安装、混凝土输送系统安装、材料运输系统安装等。另外在滑模起滑前还应做好各种故障发生的处理措施和应急预案,保证在发生各种故障后及时进行处理,确保混凝土的施工质量及施工安全。
(1)建基面准备。在引水斜井滑模安装前,采用全站仪对整条斜井进行一次全面系统的欠挖情况检查,全面掌握超欠挖情况。如有欠挖必须进行处理,采取静爆剂多孔小药量爆破挖除,并经复检和验收合格后方可进行滑模安装。
(2)轨道安装。其顺序为:①轨道插筋布置的起始位置从下弯段开始至上弯段末端,位于每条轨道中心的两侧,其纵向间距为100 cm,横向间距为20cm,插筋长度为80 cm,入岩深度50 cm,外露30 cm。
插筋采用手风钻进行钻孔,人工灌注水泥浆和插入钢筋;②插筋施工完毕后即可进行轨道安装工作,采用全站仪准确定出轨道中心线和轨顶高程后,即可进行轨道安装。轨道中心线间距为5 300 mm,其误差不得大于10 mm。前行轨道由Ⅰ18a工字钢分段制作,每段长度为3~6 m,现场安装轨道,端头联接采用夹板焊缝连接。斜井直线段轨道需浇筑混凝土基础,其型式尺寸见图3;③后行走轨道中心线间距为4 289 mm,轨道采用[16槽钢加工而成,共加工4根,每侧各2根,在滑模滑升过程中交替敷设在已浇筑成型混凝土面上;④轨道安装时需保证位置准确及轨道无扭曲现象,方能使滑模台车顺利运行,保证斜井体形尺寸满足设计要求。
(3)滑模就位。滑模在安装完毕且经过检查验收合格后,运行至起滑位置进行就位,并进行适当加固,施工操作平台搭设及相关辅助设施的准备完毕后,即可进入下一步施工工序。
(4)起滑段钢筋安装。斜井起滑段的钢筋安装在滑模调整就位后进行绑扎,即对滑模模板下边缘至前行走轮组之间的约6.2 m段钢筋进行绑扎。钢筋加工根据设计图纸、施工规范及实际需要进行,一般环向钢筋的长度可控制在6 m,并采用直螺纹接头进行连接。钢筋安装采用Φ25钢筋作架立筋,并焊接固定在系统锚杆或插筋上。
(5)起始端部模板安装。起始端部堵头模板用30 mm厚木板现场进行拼装,背管采用48钢管(加工成圆弧形),支撑系统均采用Φ12拉筋与锚杆或插筋间进行焊接连接的内拉方式为主。堵头模板可在混凝土浇筑过程中安装,靠近内侧的堵头模板应离混凝土设计线5~10 mm,以便台车滑出不会与堵头模产生磨擦,以免对混凝土产生扰动。
(6)混凝土输送系统及材料运输系统安装。①斜井内混凝土的输送采用溜管,在轨道基础混凝土面上轨道外侧紧贴岩面布置各一趟200溜管(见图4)。为防止混凝土产生骨料分离,溜管安装时在靠近滑模的尾部设置一个缓降器,可随滑模的向上滑升进行移设,溜管利用钢筋焊接固定于轨道混凝土面上。为扩大混凝土入仓面积,混凝土浇筑时利用滑模的上平台作为分料平台,利用溜槽向洞周分料,根据需要设置4~6个溜槽下料点。当入仓下料点垂直高度大于2 m时,应加挂溜筒以减小混凝土骨料分离。②斜井内的材料采用运料小车进行运输(运料小车采用型钢进行制作,其行走轮的中心线间距同滑模行走轮组)。运料小车通过布置在上弯段洞口的5 t慢速卷扬机在斜井滑模轨道上运行,上弯部分的轨道可在斜井滑模轨道的基础上向上延伸,并采用型钢和钢筋进行临时加固。
3.2.3 滑模混凝土施工
(1)斜井滑模施工工作面在具备以下条件后方可滑升模板:①混凝土强度达到0.2~0.3 MPa时;②检查模板与围岩周围有无联接情况,起滑前必须断开;③检查爬升液压系统和行走系统是否正常。在同时满足上述条件的情况下,方可滑升模板。
(2)滑模混凝土施工运行原则。模板滑升应遵循“多动少滑”的原则。即采用相对较多的滑升次数和较小的滑升距离,每次滑升间隔时间控制在60~90 min,防止间隔时间过长导致滑升阻力增大。
(3)滑模运行中的钢筋运输及安装。钢筋运输采用运料小车通过卷扬机运至上平台,再通过人工转移至安装部位。在滑模运行过程中的钢筋安装部位应限制在前行走轮组和模板上缘之间约5 m的范围,根据滑模的滑升速度不间断的进行钢筋安装。
(4)混凝土运输。为进一步满足滑模混凝土施工的连续性、快速性及均匀性的特点,本工程混凝土运输方式主要采用溜管和溜槽联合运输方式,并采用全断面旋转分料装置直接入仓。该方式极大的减轻了施工人员的劳动强度,具有很高的推广价值。
(5)混凝土浇筑与滑升。考虑到混凝土入仓方式采用溜管和溜槽,其塌落度以控制在12~16 cm为宜。浇筑方法为:①仓面验收之后,先用2~3 m³水泥砂浆辅设缝面。混凝土入仓时,应按先低后高方式进行铺设,使混凝土面均匀上升,每次浇筑高度以20~30 cm为宜,两侧边墙及顶拱的混凝土应均衡上升,下料时应及时分料,严禁局部堆积过高;②下料时对混凝土的塌落度应严格控制,对塌落度过大或过小的混凝土应及时进行调整,既要保证混凝土输送不堵塞,又不至于塌落度过大而延长起滑时间;③振捣选用软轴式振捣器,振捣时应避免振捣棒接触至止水片、钢筋、模板,对有止水的地方应适当延长振捣时间。振捣棒的插入深度,在振捣第一层混凝土时,以振捣器头部不碰到基岩或老混凝土面,其相距以不超过5 cm为宜;振捣上层混凝土时,则应插入下层混凝土5 cm左右,使上下两层结合良好。振捣时间以混凝土不再显著下沉、水分和气泡不再逸出并开始泛浆为准。振捣器的插入间距控制在振捣器有效作用半径1.5倍以内。当混凝土强度达到0.2~0.3 MPa时,模板即可进行滑升。滑升时利用安装在中梁上的4只液压爬升器进行爬升牵引。液压爬升千斤顶的最大行程为100 mm,故每次滑升距离可控制在50~100 mm,并将每次滑升间隔控制在60 min以内,以防止时间过长导致滑升阻力过大,同时又能使出模后能方便地抹面。滑升过程中,应有滑模施工经验丰富的专人观察和分析混凝土表面情况,以确定合适的滑升速度和滑升时间。
(6)滑模的控制及纠偏措施如下:①滑模采取多动少滑的原则,技术员经常检查中梁及模板组相对于中心线是否有偏移,始终控制好中梁及模板组不发生偏移是保证混凝土衬砌体型的关键,必须作为一件重要工作来做。滑升过程中采用塑料管自制的滑模水平观察器经常检查模板面是否水平,每滑升一次检查一次,吊垂球检查模板中心是否偏离了底板轨道中心线,确保滑模不偏移。若发生偏移,应及时进行调整,纠偏用爬升器及手拉葫芦联合进行;②在混凝土浇筑过程中,滑模每滑升5.0 m,由测量队系统的检查一次已成型混凝土的断面体型和轴线偏差,确保隧洞各参数符合设计要求;③在中梁不动的状态下始终用2只5 t手动葫芦将中梁与底板轨道及插筋相连,防止中梁前端向上翘起;④保证轨道不发生位移,如轨道间距产生位移,及时采取措施进行校正,防止行走轮组跳轨;⑤模板制作安装的精度是斜井全断面滑模施工的关键,必须确保精心制作和安装。模板滑升时,应指派专人经常检测模板及牵引系统的情况,出现问题及时向班长和技术员报告,认真分析其原因并找出对应的处理措施;⑥混凝土浇筑过程中须保证下料均匀,两侧高差最大不得大于40 cm。当下料原因导致模板出现偏移时,可适当改变入仓顺序并借助于手动葫芦对模板进行调整。
(7)滑模停滑处理原则。滑模停滑包括正常停滑及特殊情况下的停滑。正常停滑指滑模滑升至预定桩号停滑,特殊情况下的停滑包括出现故障及其他因素引起的停滑。停滑后,在混凝土达到脱模强度时,将模板全部脱离混凝土面,防止模体与混凝土粘在一起,并清理好模板上的混凝土,涂刷脱模剂。因特殊情况造成的停滑,混凝土面按施工缝要求处理。
(8)抹面与养护。①模板滑升后应及时进行抹面,滑后拉裂、坍塌部位,要仔细处理,多压几遍,保证接触良好。②待初次滑升段混凝土达到一定强度后,采用洒水养护方式进行混凝土养护。距滑模底部2 m以外的混凝土应随时进行洒水养护,每2 h洒水1次,该工作贯穿整个斜井滑模浇筑全过程,并在滑模混凝土浇筑结束后还应持续一段时间,确保混凝土表面不出现或少出现裂缝。③夏季施工,允许最高混凝土入仓浇筑温度为25℃,混凝土在拌合厂内应采取降温措施,保证出机口温度在18℃左右,冬季混凝土的浇筑温度不得低于5℃,对浇筑后的混凝土面及时做好保温措施。
4 结语
(1)龙滩水电站引水斜井滑模为当前国内同类型滑模中断面最大的一种,技术含量很高,其施工工艺具有很高的技术要求。常规的施工方法是在下弯段和下三角体混凝土施工完成后再进行斜井滑模混凝土施工,但在龙滩水电站引水斜井施工中是在下弯段和下三角体混凝土未施工的情况下,先进行斜井滑模混凝土施工,且下三角体混凝土也利用滑模一起浇筑成型,具有较好的借鉴作用。
(2)本工程采用的滑模牵引方式,混凝土运输和入仓方式及混凝土配合比等均是当前比较先进的施工工艺,为以后滑模施工提供了经验。考虑到施工成本及施工工期方面的影响,该项施工技术在长度大于30 m的斜井中值得推广应用。虽然此项施工技术的前期准备工作时间较长,并需要布置大量的辅助设施,但是,此滑模滑升速度快、施工质量好、混凝土表面光滑、一般不需要二次表面处理等优点。
(3)施工中考虑到上部钢衬安装的节点工期,将斜井和下弯段混凝土的施工顺序进行倒置,这样无疑增加了下弯段混凝土的施工难度,建议在以后的同类工程施工当中,施工顺序还是按正常顺序进行施工比较合理。
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