大型地下廠房混凝土施工澆筑技術(shù)研究

程志華

(葛洲壩集團(tuán)股份有限公司，湖北宜昌 443002)

1 概述

目前大型地下廠房施工項(xiàng)目很多，已建和在建的地下廠房有:拉西瓦、龍灘、小灣、水布埡、白蓮河、三峽、溪洛渡、向家壩、錦屏水電站等，每個(gè)廠房都設(shè)計(jì)有3臺(tái)以上機(jī)組，其中溪洛渡電站地下廠房是世界上最大的地下廠房，左右岸兩個(gè)廠房共裝18臺(tái)機(jī)組。目前我國水電工程和地下工程的規(guī)模與設(shè)計(jì)施工水平已經(jīng)居于世界領(lǐng)先水平。我國今后的大型電站項(xiàng)目多集中于云、貴、川、青等西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，西部多高山峽谷，幾乎每個(gè)電站都有地下廠房工程，而且相應(yīng)的地下工程也越來越大型化與復(fù)雜化。

由于施工管理與施工技術(shù)的進(jìn)步和提高，水電工程施工的速度也越來越快，而地下廠房的混凝土澆筑手段卻還依靠橋機(jī)加臥罐、泵送或溜槽，其輸送速度與技術(shù)水平已經(jīng)成為影響地下廠房施工進(jìn)度與成本的重要因素。筆者主要分析了大型地下廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)有澆筑手段的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種更合理、經(jīng)濟(jì)的大型地下廠房混凝土澆筑手段。

2 大型地下廠房結(jié)構(gòu)及混凝土施工特點(diǎn)

2.1 地下廠房是封閉結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)物間布置緊湊，難以布置大型混凝土施工設(shè)備

地下廠房主要是在巖體內(nèi)對(duì)巖石進(jìn)行開挖，以形成一個(gè)可以安裝多臺(tái)機(jī)組的狹長封閉結(jié)構(gòu)物。地下廠房中主廠房混凝土施工是地下廠房混凝土的主體，也是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。一般與主廠房相連接的結(jié)構(gòu)物主要有引水洞、尾水洞、安裝間、母線洞及主變室等(不同的工程有所不同)，上游引水洞與主廠房機(jī)組蝸殼進(jìn)水口相接;尾水洞與主廠房機(jī)組肘管相接;發(fā)電機(jī)層與母線洞和主變室相通;安裝間一般設(shè)在主廠房一端。若地下廠房安裝機(jī)組較多，則在主廠房左右兩端分別設(shè)有主安裝間和副安裝間。與主廠房相連接的這些結(jié)構(gòu)物亦均為洞室結(jié)構(gòu)，且與其緊湊布置。在這些布置緊湊、狹長封閉的結(jié)構(gòu)中難以布置大型的起吊設(shè)備進(jìn)行廠房混凝土施工。

2.2 地下廠房混凝土結(jié)構(gòu)難以布置長久施工通道

地下廠房施工時(shí)，不同時(shí)段布置不同的施工道路，對(duì)相應(yīng)的施工部位干擾較大，且使用時(shí)段均很短。一般進(jìn)入主廠房的道路共計(jì)四條:

①上游引水施工支洞未封堵前，可使用引水洞的施工支洞，經(jīng)引水洞進(jìn)入地下廠房。

②下游利用尾水管施工通道可以進(jìn)入地下廠房肘管部位。

③利用進(jìn)入廠房安裝間的通道，通過安裝間進(jìn)入地下廠房。

④利用主變室、母線洞的施工通道，通過主變室、母線洞進(jìn)入地下廠房。

其中道路①、②分別與引水洞、尾水洞施工相干擾，且其只能在廠房底部混凝土施工初期使用。道路③是進(jìn)入廠房的永久道路，但由于安裝間既是金結(jié)埋件拼裝吊裝場(chǎng)地，又是作為土建施工的取料平臺(tái)，金結(jié)與土建施工干擾大，協(xié)調(diào)難度大。道路④與主變室和母線洞混凝土相干擾，若合理安排工期，加強(qiáng)混凝土施工內(nèi)部協(xié)調(diào)，可以作為向主廠房輸送混凝土的一條通道，但與主廠房混凝土施工部位高差大，須配有合適的輸料布料設(shè)備。由此可知，主廠房混凝土施工難以布置長久道路，且使用協(xié)調(diào)難度大，受使用時(shí)段限制。

2.3 地下廠房施工程序復(fù)雜，金結(jié)埋件多，混凝土施工與金結(jié)施工相互干擾大

地下廠房施工包含廠房混凝土施工、水輪機(jī)組埋件施工、公用輔助設(shè)備安裝及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程等，施工項(xiàng)目多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、專業(yè)面廣，各部位、各專業(yè)施工相互關(guān)聯(lián)、相互制約，施工程序復(fù)雜。金結(jié)、機(jī)電埋件大，且與土建施工交叉施工多，如肘管、錐管、蝸殼等部位存在土建與金結(jié)多次交面，交叉作業(yè)，互相影響等問題，混凝土施工難度大。

2.4 主廠房混凝土施工質(zhì)量要求高，混凝土澆筑難度大

主廠房肘管、錐管、蝸殼周邊混凝土體積大，溫控要求高;肘管、蝸殼底部以及座環(huán)陰角部位混凝土必須澆筑密實(shí)，同時(shí)，混凝土澆筑中須防止金結(jié)埋件移位。但由于地下廠房肘管、蝸殼、座環(huán)等部位金結(jié)埋件較多，鋼筋多，施工空間相對(duì)狹小，尤其肘管底部和蝸殼、座環(huán)底部及其陰角部位空間更狹小，施工難度大，混凝土澆筑密實(shí)難度更大。同時(shí)，由于地下廠房無法布置大型混凝土澆筑設(shè)備，對(duì)于相對(duì)較大面積的倉位，混凝土入倉強(qiáng)度很難達(dá)到，若增加泵機(jī)澆筑泵送混凝土，將增加混凝土溫控壓力，增加施工成本;若采用其它輔助手段，由于混凝土輸送通道受到限制，很難確保混凝土澆筑質(zhì)量。

3 目前大型地下廠房混凝土澆筑的主要手段及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前地下廠房使用的混凝土澆筑手段主要有泵機(jī)、橋機(jī)掛吊罐、沿上游墻壁架設(shè)供料皮帶配溜槽、母線洞供料皮帶配固定布料皮帶以及天泵等五種方案，每種澆筑手段各有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體如下。

3.1 泵機(jī)澆筑混凝土方案

優(yōu)點(diǎn):布置方便靈活，適用主廠房混凝土澆筑的任何部位。

缺點(diǎn):混凝土澆筑過程中，布料不方便，需拆裝泵管，從而影響混凝土的入倉強(qiáng)度;按照已施工項(xiàng)目情況，泵機(jī)實(shí)際最大澆筑強(qiáng)度在30 m3/h左右，很難再提高其混凝土的澆筑強(qiáng)度。由于泵機(jī)要澆筑泵送混凝土，且泵機(jī)、攪拌車租賃費(fèi)用較高，同時(shí)，泵送混凝土水泥含量較高，水化熱較大，溫控難度大，從而增加了施工成本。另外，為確保澆筑泵送混凝土施工人員的安全，需搭設(shè)操作平臺(tái)，進(jìn)而增加了施工工序和施工成本。

3.2 橋機(jī)掛吊罐澆筑混凝土方案

優(yōu)點(diǎn):可以根據(jù)結(jié)構(gòu)需要澆筑任何級(jí)配混凝土，布料方便簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn):在有限的空間內(nèi)，橋機(jī)運(yùn)行速度較慢，入倉強(qiáng)度不高;根據(jù)已施工項(xiàng)目情況，橋機(jī)澆筑入倉強(qiáng)度一般為每小時(shí)3～4罐混凝土。一般橋機(jī)的取料點(diǎn)在主副安裝間，而此時(shí)金結(jié)構(gòu)件在安裝間拼裝，干擾較大;若在主廠房內(nèi)其它位置設(shè)置取料點(diǎn)，則需搭設(shè)較大的取料平臺(tái)，而取料平臺(tái)要占?jí)菏┕げ课唬绊憘}位施工，因此，橋機(jī)的取料點(diǎn)也受到限制。

3.3 沿上游墻壁安裝供料皮帶與溜槽配套澆筑方案

優(yōu)點(diǎn):可以澆筑常態(tài)混凝土，降低混凝土中的水泥用量，減少水化熱，降低溫控難度，降低混凝土原材料成本。

缺點(diǎn):在主廠房巖壁墻上架設(shè)供料皮帶難度大，需要打設(shè)很多錨桿，工程量較大，且供料皮帶在每臺(tái)機(jī)組位置卸料裝置較笨重。由于與供料皮帶配套的溜槽卸料范圍有限，為滿足澆筑需要需搭設(shè)的溜槽較多，且倉內(nèi)埋件較多，空間相對(duì)較小，對(duì)主廠房施工影響較大。

3.4 母線洞供料皮帶與倉面固定布料皮帶相配套澆筑方案(圖1)

圖1 母線洞供料皮帶配固定布料皮帶方案圖

優(yōu)點(diǎn):可以澆筑常態(tài)混凝土，降低混凝土中的水泥用量，減少混凝土水化熱，降低溫控難度;從母線洞供料還可減少與安裝間的施工干擾。

缺點(diǎn):固定式布料皮帶由于受主廠房空間限制，其長度有限，布料范圍較小，很難發(fā)揮其效用。另外，主廠房肘管混凝土澆筑期間，布料皮帶基座可以布置在機(jī)組兩側(cè)巖墩上，但其覆蓋范圍最大只能覆蓋兩臺(tái)機(jī)組的各一半，使整個(gè)機(jī)組備倉澆筑受到影響;蝸殼二期混凝土澆筑期間，固定布料皮帶基座一般需埋進(jìn)混凝土內(nèi)，從而增加了加工基座的工程量，若根據(jù)倉位結(jié)構(gòu)不埋進(jìn)混凝土內(nèi)，則需占?jí)簜}位，且布料范圍也受到影響。

3.5 天泵澆筑混凝土方案

優(yōu)點(diǎn):混凝土布料方便，混凝土入倉強(qiáng)度相對(duì)較高，入倉強(qiáng)度可達(dá)50～60 m3/h。

缺點(diǎn):施工布置受限，一般將其布置在安裝間，用于澆筑安裝間附近的倉位，對(duì)安裝間金結(jié)埋件拼裝干擾較大;其澆筑的泵送混凝土水泥含量較高，水化熱大，增加了溫控難度;另外，其租賃費(fèi)用較高。

4 拐臂布料皮帶系統(tǒng)澆筑地下廠房混凝土施工方案

通過對(duì)地下電站廠房現(xiàn)有混凝土澆筑手段的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析可知，若需要加快地下廠房混凝土澆筑速度，必須加強(qiáng)其澆筑手段創(chuàng)新。根據(jù)地下廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們提出了一種采用橋機(jī)掛設(shè)拐臂皮帶澆筑地下廠房混凝土方案(圖2)。其工作原理為:

拐臂布料皮帶機(jī)由內(nèi)外相互銜接的布料皮帶組成。內(nèi)皮帶機(jī)機(jī)尾安裝于母線洞上游洞口的回轉(zhuǎn)支撐上，前端使用巖壁上設(shè)置的錨固點(diǎn)懸掛鋼絲繩斜拉，可以通過卷揚(yáng)改變斜拉鋼絲繩的長度，進(jìn)而改變內(nèi)皮帶機(jī)的仰俯角度。將外皮帶機(jī)尾掛在內(nèi)皮帶機(jī)頭部位的回轉(zhuǎn)支撐盤底部，前端由橋機(jī)吊鉤牽引，橋機(jī)吊鉤升降可改變外皮帶的仰俯角度，橋機(jī)大車與小車運(yùn)動(dòng)可以使拐臂布料皮帶屈折伸縮擺動(dòng)，以滿足覆蓋區(qū)域混凝土輸送布料要求。

圖2 地下廠房拐臂布料皮帶三維布置圖

對(duì)于該設(shè)備系統(tǒng)，我部已進(jìn)行設(shè)計(jì)研究并制造且已應(yīng)用到了溪洛渡水電站地下廠房混凝土澆筑，其可以覆蓋三臺(tái)機(jī)組澆筑范圍，并具有輸送混凝土料能力強(qiáng)、布料簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，是地下廠房大體積混凝土澆筑的一種理想施工手段，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

通過以上對(duì)地下廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)有澆筑手段進(jìn)行分析可知，除因結(jié)構(gòu)陰角部位澆筑混凝土要求需配置1～2臺(tái)混凝土泵機(jī)澆筑外，地下廠房混凝土采用拐臂布料皮帶系統(tǒng)澆筑是地下廠房混凝土快速、經(jīng)濟(jì)適用的最佳手段。