沙沱升船機二期混凝土滑模設計與施工

馮 偉,耿克普,宋遠卓,毛燕軍

(1.杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州310019;2.華電電力科學研究院,浙江杭州310030;3.杭州國電機械設計研究院有限公司,浙江杭州310030)

沙沱升船機二期混凝土滑模設計與施工

馮 偉1,耿克普2,3,宋遠卓2,3,毛燕軍2,3

(1.杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州310019;2.華電電力科學研究院,浙江杭州310030;3.杭州國電機械設計研究院有限公司,浙江杭州310030)

沙沱升船機工程中的承船廂室軌道二期混凝土具有高落差、倉面小、對稱分布等特點,針對這些特點本工程采用了施工速度快、機械化程度高的滑模施工技術,從滑模施工方案、模體設計、施工工藝等方面詳細闡述了滑模施工在沙沱升船機工程中的應用。實踐表明,滑模施工對于升船機工程中的承船廂室軌道二期混凝土施工適用性較強,既能節約工期又具有較好的經濟效益。

升船機；承船廂室軌道；滑模施工；二期混凝土；高落差；沙沱水電站

1 工程概述

沙沱水電站工程采用碾壓混凝土重力壩、左岸壩后式廠房、右岸垂直升船機布置方案。通航建筑物設計標準船型噸位為500 t級機動單駁。沙沱升船機為一級垂直升船機,采用鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升。沙沱升船機承船廂室軌道二期混凝土主要包括：承船廂導向裝置二期混凝土(283～367 m高程)、對接鎖定裝置二期混凝土(282.5 ～367.5 m高程)、頂緊機構二期混凝土(282.5～367.5 m高程)。承船廂室軌道二期混凝土總量約為1 800 m3,其中導向軌道4條,對接鎖定軌道4條,頂緊機構軌道2條。承船廂室對接及頂緊軌道二期混凝土斷面為800 mm×800 mm,導向軌道二期混凝土斷面為2 000 mm×1 090 mm,內有埋件。

承船廂室軌道二期混凝土施工存有高落差、倉面小、施工場地有限、周期長、立模繁瑣、輔助耗材多等缺點,所以綜合考慮各方面因素對承船廂室10條軌道二期混凝土回填施工采用滑模施工。

圖1 沙沱升船機承船廂室軌道布置(單位：cm)

2 滑模施工方案

滑模施工具有施工速度快、機械化程度高、輔助耗材少、混凝土連續成型等優點,非常適合于承船廂室軌道等高落差、對稱截面的混凝土工程施工。

(1)考慮到承船廂室軌道對稱布置,如圖1所示,圖中一側有5條軌道,因此滑模施工方案采用左右側軌道同步滑升的方案進行,沿橫向布置滑模架,通過滑模架將左右側對稱軌道的模板系統連接成一個整體,從而實現兩條軌道同步滑升的目的。

(2)考慮到二期混凝土截面小,且內有精度要求較高的埋件,千斤頂及支撐桿布置較困難,因此不宜采用內爬式滑模施工。因此本工程中均采用外爬吊式滑模施工,支撐桿不埋置于混凝土中,可以循環利用。滑模利用穿心式液壓千斤頂沿布置于滑模提升架四周的支撐桿爬升。

(3)為解決傳統二期混凝土施工過程中混凝土入倉采用串筒下料時骨料分離嚴重的問題,本工程中針對高落差、倉面小等特點,采用了溜管+緩降器+串筒的入倉方式。

(4)滑模施工的一大特點是一旦開始滑升,便要求24小時不間斷施工。且本工程中二期混凝土倉面較小,單位時間內混凝土需求量較小,這就對混凝土的供應提出了要求,為滿足上述施工特點,采用小型混凝土計量拌和站生產的自拌混凝土進行澆筑。

(5)滑模架主體結構基本相同,只需根據埋件特點改變模板系統設計即可,因此本文主要以對接鎖定軌道為例,介紹其滑模設計及施工工藝流程。

3 滑模設計

3.1 滑模模體結構設計

沙沱升船機滑模模體設計采用整體液壓外爬式滑模施工方案。為保證施工安全性及施工質量,滑模為整體鋼結構,滑模裝置主要由模板、提升桁架、支撐桿、液壓系統及輔助系統構成。

(1)模板。滑模模板系統根據二期混凝土體型進行設計,模板高1.5 m,并采用4 mm鋼板加工成型,采用槽鋼20號作為圍圈,圍圈與提升架之間通過焊接連接。在模板邊與一期混凝土面相交區域沿高度方向設置絲桿調節自適應機構。利用該自適應機構主要實現兩個功能：①確保滑模與一期混凝土表面接縫緊密,盡量避免漏漿現象；②避免在滑升過程中因一期混凝土體型偏差而產生卡滯現象。

(2)提升桁架。滑模模體沿通航建筑物縱向中心線對稱布置,見圖2。本次所使用的提升桁架為內外挑架施工平臺,內提升桁架采用∠75×10角鋼焊接組成,尺寸為16 m×1 m×1.5 m(長×寬×高),內提升桁架由主梁、環梁及斜撐組成。內提升桁架主梁為4條,每條主梁由2根8 m長角鋼焊接而成。內提升桁架環梁為矩形并由4根角鋼組成,間距為1 m,環梁主要用于連接4條主梁,從而形成提升桁架主體結構。環梁之間采用斜撐連接,以提高內提升桁架的剛度及整體穩定性。外提升桁架采用與內提升桁架相同的結構形式,外提升桁架尺寸為3.8 m×0.65 m×1.5 m(長×寬×高)。

(3)支撐桿。支撐桿是千斤頂運動的軌道,是滑模系統中主要的受力構件。本文中采用外爬式滑模施工,相當于將提升桁架通過4條支撐桿懸吊于承船廂室內,并最終通過支撐桿將全部荷載傳遞至主機房377 m高程平臺,因此支撐桿的作用尤為重要。本文選用Φ48 mm×3.5 mm鋼管作為支撐桿,支撐桿可重復利用,每節6 m,支撐桿之間通過螺紋連接。支撐桿通過主廠房377 m高程平臺的鋼絲繩孔下放,支撐桿在平臺通過擋板與型鋼焊接固定。

圖2 對接鎖定軌道滑模模體構造平面示意(單位：mm)

(4)液壓系統。液壓系統主要由YKT-36型液壓控制臺、HM-100型(10 t)液壓穿心式千斤頂、油管及其他附件組成。對稱布置4臺HM-100型(10 t) 液壓穿心式千斤頂,千斤頂通過20號槽鋼與內提升桁架連接。

(5)輸助系統。輸助系統主要包括灑水養護、測量控制、輔助平臺等。由于埋件已安裝就位且已驗收合格,所以二期混凝土的精度控制主要以埋件為基準進行,滑模裝置沿埋件的軌道面進行滑升,并定期根據實際情況進行調整。在滑模滑升到一定高度時,在滑模體下部安裝施工吊架,吊架為Φ20鋼筋焊接而成,并在施工吊架上鋪設竹條板,瓦工站在吊架平臺上對表面作原漿抹光。

3.2 滑模計算

3.2.1 模板滑升速度V確定[1-2]

按支承桿無失穩可能,計算模板滑升速度

(1)

式中,V為模板滑升的速度,m/h；H為鋼模板的高度,m；h0為每個混凝土澆筑厚度,m；a為混凝土澆筑后表面至模板上邊緣距離,取0.1 m；t為混凝土達到出模強度所需時間,h,本工程中取4。

在本工程中,單塊模板尺寸為1 500 mm×800 mm×4 mm(高×寬×厚),H=1.5 m,h0=0.2 m,代入式(1)可求得V=0.3 m/h。

3.2.2 模板及圍圈計算

新澆混凝土對模板產生的側壓力標準值[3]

F2=γCH

(2)

F=min[F1,F2]

式中,F為新澆混凝土對模板產生的側壓力,kN/m2；γc為混凝土的容重,kN/m3,本工程為25；t0為新澆筑混凝土的初凝時間,h,本工程取4；β1為外加劑影響修正系數,本工程取為1；β2為坍落度影響修正系數,本工程取為1；V為混凝土的澆筑速度,m/h。

將上述數值代入式(2)可得F1=0.22×25×4×1×1×1.4=12.05 kN/m2,F2=25×1.4=35 kN/m2,取小值,則新澆混凝土對模板產生的側壓力F=F1=12.05 kN/m2,振搗混凝土產生的側壓力標準值F′=6 kN/m2。考慮荷載組合,作用于模板的荷載設計值F設=1.2×12.05+1.4×6=22.86 kN/m2。

模板及圍圈的應力要求小于其允許應力,模板及圍圈材質均為Q235鋼,查相關規范可知其允許應力值為215 MPa。本文采用大型通用有限元數值計算軟件ABAQUS作為分析工具,研究模板及圍圈的應力狀態及變形量。模型為單塊模板,鋼模板有3道20號槽鋼作為圍圈。在模板內側添加荷載,并在每道圍圈相應區域添加位移約束,以模擬其真實工況。

圖3 模板應力云圖

圖4 圍圈應力云圖

圖5 模板及圍圈位移云圖(放大100倍后)

圖3、4分別為模板和圍圈的應力云圖。由圖3、4可知,鋼模板最大Mises應力為34.02 MPa,槽鋼圍圈最大Mises應力為35.54 MPa,均小于其允許應力215 MPa,說明鋼模板及圍圈工作狀態正常,具有較高的安全儲備。圖5為放大100倍后的模板及圍圈位移云圖。由圖5可知,模板及圍圈最大變形量為0.3 mm,變形量在允許范圍內。

3.2.3 滑模支承桿承載力計算[1-2]

根據經驗公式計算滑升摩阻力G1,即

G1=kf0s

(3)

式中,k為附加影響系數,取k=1.5；f0為摩擦系數,一般對鋼模板取2 kN/m2；s為模板面積。

計算滑膜荷載：①滑升摩阻力。本工程s=1.5×0.8×8=9.6 m2,則G1=1.5×2×9.6=28.8 kN。②滑模結構自重G2=5 t=50 kN。③計算施工荷載。按照5人,每人質量75 kg考慮,人員的重量T1=3.75 kN。取相關施工設備的重量T2=10 kN。考慮1.3倍的不均衡系數和1.2倍的動力荷載系數,則施工荷載G3=(T1+T2)×1.3×1.2=21.45 kN。綜上,滑模模體受到的豎向總荷載W=G1+G2+G3=100.25 kN。

采用Φ48 mm×3.5 mm鋼管作為支撐桿,其允許承載力為

(4)

式中,P0為支撐桿允許承載力,kN；α為工作條件系數,取0.7～1,本工程為整體剛性平臺取0.7；K為安全系數,取值不小于2,本工程中取2；L為支撐桿長度,m,當支承桿在結構體內時,L取千斤頂下卡頭到澆筑混凝土表面的距離,當支承桿在結構體外時,L取千斤頂下卡頭到模板下口第1個橫向支撐扣件節點的距離,本工程取1.7m。本工程P0=34.73 kN。

計算液壓提升系統所需千斤頂和支承桿的最小數量,nmin=W/P0=100.25/34.73=2.89,根據滑模結構具體情況取千斤頂4臺,支撐桿4根,對稱布置,能夠滿足施工強度,確保滑模工作狀態可靠。

4 滑模施工

4.1 混凝土入倉方案

承船廂室軌道二期混凝土施工過程中最大的困難就是混凝土澆筑的高落差,本工程中最大落差達96 m。混凝土澆筑過程中落差過大,容易引起混凝土離析,從而導致混凝土成型后有蜂窩、麻面、強度不足等質量問題。解決混凝土高落差垂直運輸問題,能夠滿足滑模施工工藝需要是本工程的關鍵問題。在本工程中采用溜管+緩降器+串筒混凝土垂直運輸方案。

4.1.1 混凝土垂直運輸系統布置

由于本工程中為2條對稱軌道同步滑升,因此一次需布置2條供料線,每條軌道對應一條供料線,每條供料線均由集料斗、溜管、緩降器及串筒組成。具體做法是：在377 m高程平臺預留的承船廂鋼絲繩孔布置1個集料斗,下部用Φ159溜管接引至澆筑高程,每隔一段距離安裝一個緩降器。混凝土在自由落體下降過程中,在緩降器內降低了向下沖擊力并在緩降器內再次強制拌和。如此經過幾個緩降器可將混凝土送至滑模模板內,實現混凝土入倉。在每條供料線的集料斗上方布置提升架,并在提升架上方固定滑輪,卷揚機鋼絲繩通過滑輪轉向后通過鋼絲繩孔下放。利用卷揚機進行溜管、支撐桿及滑模提升桁架的拆除。整個系統布置簡單方便,可操作性強,系統布置見圖6。

圖6 混凝土供料線布置示意

4.1.2 技術參數

在主機房377m高程平臺對稱布置2個混凝土集料平臺,每個集料平臺的容積約為0.5 m3。由混凝土運輸車分別卸料至2個集料平臺,再由人工鏟運至集料斗,這樣有利于控制進料口的喂料速度,進而保證混凝土均勻連續下落,避免混凝土流速過大使溜管、緩降器和模板受到沖擊而破壞。

溜管采用Φ159 mm×5 mm鋼管加工,為便于現場施工,溜管每節6 m, 溜管與溜管、溜管與緩降器之間通過法蘭盤利用M16的螺栓連接。

本工程中所用緩降器根據My-box改造而成,混凝土緩降器在高落差混凝土澆筑工藝中應用廣泛,其主要作用是在混凝土下落過程中對利用混凝土自重對混凝土起到緩降和重新拌合的作用,防止混凝土骨料分離現象,提高混凝土的和易性,見圖7。每18 m左右溜管設置1個緩降器。當接近倉面時通過掛串筒方式實現混凝土入倉,串筒每節約1 m,因此可根據實際需要調節所需串筒數量,靈活性較強,且串筒之間通過掛鉤及掛環實現柔性連接,方便于供料線在同一條軌道兩倉面之間來回移動。

圖7 緩降器結構示意(單位：mm)

4.1.3 使用效果

沙沱升船機承船廂室軌道全部二期混凝土均采用此類混凝土垂直運輸方案,有效保證了混凝土的施工質量。施工過程中發生過2次堵管事件,經分析原因均是由于混凝土骨料中含有部分超徑石。截止目前,承船廂室軌道二期混凝土已全部澆筑完成,有效保證了項目工期按期完成。此方案操作性強、成本低、效率高,且能滿足本工程滑模施工對混凝土供應的連續性、高落差及小倉面等要求,與升船機工程承船廂室軌道二期混凝土滑模施工工藝配合應用,具有廣闊的應用前景,對其他類似工程施工有一定借鑒價值。

4.2 滑模混凝土澆筑

根據工程經驗此工程中混凝土的坍落度控制為5～7 cm,水泥優先選用425號普通水泥,碎石最大粒徑為40 mm,砂為中砂。混凝土每次澆筑20 cm,每次滑升間隔時間宜控制在1～2 h,若時間長易產生拉裂現象,時間短則出模強度未到會出現塌方現象,所以要掌握混凝土的初、終凝時間及氣溫情況,嚴格控制每層混凝土的澆搗時間。混凝土的養護為澆水養護。各倉面混凝土應對稱均衡澆灌。正常滑升階段的混凝土澆筑,每次模板提升前,宜將混凝土澆筑至模板上口下50～100 mm處。

4.3 滑模滑升[6- 8]

(1)試滑。平臺組裝好后要進行試滑升,檢查整個系統下沉與否。滑模試滑主要用于檢驗滑模裝置和混凝土凝結狀態。脫模的混凝土用手指按壓有輕微的指印且不粘手,滑升過程中有沙沙聲,說明即已具備滑升條件。當模板滑升至200～300 mm高度后,應稍作停頓。

(2)始滑。始滑時由于需澆滿整個1.5 m高模板內混凝土量較大,宜分層澆搗,每次澆搗高度為200 mm左右,設專人指揮,澆好一圈后循環澆筑混凝土,當下層混凝土強度達到0.1～0.3 MPa,且整體澆筑高度達到0.8 m以上時即提升1～2個行程,循環澆搗混凝土至模板頂部時進入正常的滑升階段。始滑階段應根據水泥品種、標號及初凝終凝時間確定初次提升時間。初次的速度不宜過快,當滑升至30 cm時應對整個平臺系統進度全面檢查。

(3)正常滑升階段。正常滑升階段每小時滑升約30 cm,每次滑升間隔時間為1～2 h。在滑升過程中,操作平臺應保持水平。

4.4 滑模糾偏

在滑模滑升過程中,由于提升架受荷載不均或千斤頂不同步,滑模模體會產生傾斜。因此在滑模滑升過程中,應隨時對模體進行檢查,發現偏差應及時進行糾偏。本工程中主要利用千斤頂自身糾偏,即發生偏差時關閉部分千斤頂,然后滑升一定的行程,再打開全部千斤頂滑升一定的行程,反復數次最終達到設計要求。

4.5 滑模拆除

隨著模體的滑升,根據實際情況,利用377 m高程平臺布置的卷揚機對支撐桿及溜管進行拆除。滑模模體滑升完畢整體脫模后,用卷揚機懸吊提升桁架,然后拆除剩余的串桶、溜管和支撐桿,最后進行提升桁架的拆除。拆除提升桁架時,先拆除兩側的外提升桁架,并通過卷揚機下放至承船廂室底板另一工作面待用,最后用施工橋機將中間段滑模架吊出并移位至下一工作面。

5 效益分析

采用滑模施工有如下優勢：

(1)節約材料。如采用常規施工方案,需搭設大量的鋼管腳手架,并需要較多的鋼模板及相應加固材料。

(2)施工過程簡單,安全可靠。整個過程便于標準化施工,且施工主要在操作平臺上進行,施工作業面安全防護到位,安全風險可控。

(3)此滑模施工過程所需人員為26人左右,分2班作業,且滑模模體材料、支撐桿、溜管等材料均可以重復利用,經濟效益好。

(4)滑模施工的速度為7 m/d,且為2條軌道同步滑升,10條軌道總工期為70 d,相對于固定模板施工而言,節約工期約1個月。

6 結 語

滑模施工方案能夠適用沙沱升船機工程中承船廂室軌道二期混凝土施工特點,施工質量能滿足設計要求。且施工方案操作性強、成體低、經濟效益好、工期短,對于類似工程條件下的混凝土施工具有一定的借鑒價值與指導意義。

[1]GB 50113—2005滑動模板施工技術規范[S].

[2]DL/T 5400—2007水工建筑物滑動模板施工技術規范[S].

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(責任編輯王 琪)

DesignandConstructionofSlipFormfortheSecondPhaseConcreteofShatuoShipLift

FENG Wei1, GENG Kepu2,3, SONG Yuanzhuo2,3, MAO Yanjun2,3
(1. Hangzhou Metro Group Co., Ltd., Hangzhou 310019, Zhejiang, China; 2. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, Zhejiang, China;3. Hangzhou State Power Machinery Research & Design Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, Zhejiang, China)

The second phase concrete construction for the pathway of ship chamber in Shatuo ship lift is characterized by high drop, small placement surface and symmetric distribution, so the slip-form construction with fast construction speed and high level of mechanization is adopted in this project. The application of slip-form construction in Shatuo ship lift is elaborated from construction scheme, body design of slip form and construction technology. It is proved by practice that the slip-form construction exerts strong applicability on the second phase concrete construction which not only saves construction period, but also brings enormous economic benefit．

ship lift; pathway of ship chamber; slip-form construction; second phase concrete; high drop; Shatuo hydropower Station

2016- 05- 25

國家自然科學基金資助項目(51574223)

馮偉(1988—),男,山東濟寧人,碩士,主要從事建設工程項目管理工作．

TV691；TU755.2

：A

：0559- 9342(2017)06- 0070- 06