大型豎井混凝土施工技術(shù)研究

張新宇

(1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國(guó)能建工程研究院水電施工設(shè)計(jì)研究所，湖北 宜昌 443002)

0 引言

在我國(guó)水利水電工程建設(shè)中，豎井是一種常見(jiàn)的水工建筑物結(jié)構(gòu)形式，例如大壩、廠房、升船機(jī)等工程中的吊物井、電梯井、樓梯井及門槽豎井，地下電站工程中的引水壓力管道豎井、通風(fēng)豎井、出線豎井、調(diào)壓井、阻尼井等。豎井結(jié)構(gòu)一般為矩形或圓形，具有深度大、孔口成型精度及外觀質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。

溪洛渡水電站左岸出線豎井深度達(dá)241.5 m，開(kāi)挖直徑達(dá)11.5 m，井筒部分設(shè)有電纜井、電梯井、通風(fēng)井等七個(gè)室，局部結(jié)構(gòu)及空間狹小、埋件及孔洞較多。三峽升船機(jī)電梯井尺寸為2.4 m×3.65 m，高146 m，精度控制要求極高。傳統(tǒng)的小鋼模板組拼、整體提升模板、液壓滑模等施工方法，存在模板安拆工作量大、形體質(zhì)量難以保證、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，難以有效保證大型豎井混凝土施工質(zhì)量和進(jìn)度。

本文針對(duì)水利水電工程中不同形式的豎井展開(kāi)研究，將液壓自升模板施工技術(shù)、豎井滑模襯砌施工技術(shù)和豎井滑模測(cè)量及偏移監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)集成，形成適用于大型豎井混凝土施工的成套技術(shù)。

1 液壓自升模板施工技術(shù)

1.1 研究背景

大壩、廠房、升船機(jī)等工程中通常設(shè)計(jì)有吊物井、電梯井、樓梯井及門槽豎井，豎井的空間往往比較狹窄，封閉性也較強(qiáng)，這種環(huán)境不利于施工。尤其是對(duì)于采用通常的散裝小鋼模板、木模板等組合散拼的方式，模板安裝、調(diào)節(jié)、混凝土澆筑、拆模以及模板板面清理等很不方便，施工效率低、施工進(jìn)度慢；施工質(zhì)量不易控制，導(dǎo)致混凝土外觀質(zhì)量差；同時(shí)由于沒(méi)有操作平臺(tái)，也影響安全生產(chǎn)。有些大型工程豎井采用了整體提升模板施工，該模板采用了可向豎井軸線中心回收的系統(tǒng)，但是整個(gè)模板系統(tǒng)仍然需要采用吊車吊裝就位，難以保證較好的位置精度，而且對(duì)于高度較大的豎井，吊裝施工非常不方便。為此，研究了豎井液壓自升模板及其施工方法、液壓爬升模板輔助調(diào)整方法、預(yù)埋錨錐精確定位方法等技術(shù)。

1.2 豎井液壓自升模板設(shè)計(jì)

豎井液壓自升模板主要由模板系統(tǒng)、爬升系統(tǒng)、工作平臺(tái)和錨固系統(tǒng)共4個(gè)部分組成。

根據(jù)水工建筑物結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，豎井模板主要表現(xiàn)為以下2種形式：塔柱薄壁結(jié)構(gòu)豎井液壓自升模板、壩體豎井液壓自升模板，分別如圖1和圖2所示。塔柱薄壁結(jié)構(gòu)豎井模板面板與塔柱薄壁墻體液壓自升模板面板之間設(shè)置了對(duì)拉拉桿，承受混凝土的側(cè)壓力；壩體豎(斜)井液壓自升模板通過(guò)模板系統(tǒng)設(shè)置的可調(diào)對(duì)撐桿件承受混凝土的載荷與側(cè)向壓力[1]，這幾種形式的豎井與液壓自升模板系統(tǒng)的配置大體上相同。

圖2 大壩豎井液壓自升模板

1.3 模板輔助調(diào)整方法

豎井模板采用液壓驅(qū)動(dòng)初步就位后，需采取人工調(diào)校的方法對(duì)其進(jìn)行精確調(diào)整定位，但整套模板重量大，因此，需要耗費(fèi)大量的人力和較長(zhǎng)的時(shí)間才能精確控制模板高度，達(dá)到精確定位的目的，同時(shí)也加大了高空作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，研究了液壓爬升模板輔助調(diào)整裝置及方法，通過(guò)在螺栓底座下方設(shè)置的輔助調(diào)整裝置，作業(yè)人員通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿使爬升模板上下運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到精確調(diào)校定位的目的[2]。該裝置對(duì)于木面板、鋼面板系統(tǒng)均適用，主要方法如下。

1)木面板豎井模板系統(tǒng)輔助調(diào)整裝置

爬架系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)M30定位錐即錨固裝置固定在已澆筑的混凝土墻面上，爬架系統(tǒng)的爬架鋼梁上滑動(dòng)安裝有多個(gè)連接爬升模板的專用螺栓底座。當(dāng)液壓爬升模板在液壓驅(qū)動(dòng)下初步就位后，驅(qū)動(dòng)爬升模板低于設(shè)計(jì)位置0～20 cm時(shí)即為初步就位。

將整個(gè)輔助調(diào)整裝置安裝在各個(gè)專用螺栓底座的下部，采用扳手等工具旋轉(zhuǎn)支撐螺桿頂升專用螺栓底座，即可使液壓爬升模板上下移動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)爬架系統(tǒng)的精確調(diào)校，當(dāng)符合要求后采用多個(gè)專用螺栓將爬升模板與爬架鋼梁連接固定。

2)鋼面板模板系統(tǒng)輔助調(diào)整裝置

豎井模板通過(guò)多個(gè)M30定位錐固定在已澆筑的混凝土墻面上，當(dāng)液壓爬升模板在液壓驅(qū)動(dòng)下初步就位后，采用扳手等工具旋轉(zhuǎn)支撐螺桿頂升(或下降)S型連接件上部橫向伸出端，即可使液壓爬升模板上下移動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)模板系統(tǒng)的精確調(diào)校。

1.4 預(yù)埋錨錐精確定位技術(shù)

豎井模板通過(guò)預(yù)埋錨錐及螺栓錨固系統(tǒng)固定在混凝土壁面上，模板錨錐的精度要求非常高，埋設(shè)位置、間距等允許偏差均不得大于2 mm。傳統(tǒng)的預(yù)埋錨錐施工中，采取在模板面板上直接開(kāi)孔后，將錨錐穿入孔內(nèi)并將其固定在模板面板上，這種施工方法不僅損害了模板的完好性，而且需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間多次調(diào)校預(yù)埋錨錐的位置才能達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，研發(fā)了預(yù)埋錨錐精確定位方法，通過(guò)預(yù)埋定位鋼板的方式實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)預(yù)埋錨錐精確定位施工；然后使用與預(yù)埋錨錐配套的專用螺栓，即可將豎井模板與錨固系統(tǒng)固定，從而使豎井液壓模板安裝固定混凝土壁面上。采用該方法既降低了施工難度，也加快了施工進(jìn)度，提高了生產(chǎn)效率。

2 豎井滑模襯砌施工技術(shù)

地下電站工程中豎井襯砌混凝土通常采用滑模施工，由于豎井具有斷面尺寸大、垂直高差大、操作空間狹窄、施工環(huán)境差、結(jié)構(gòu)體型質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，存在滑模安裝及拆除風(fēng)險(xiǎn)高，混凝土下料系統(tǒng)布置難度大、防離析及分料要求高，滑模偏移監(jiān)測(cè)依賴人工拉尺量測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確影響滑模運(yùn)行和施工質(zhì)量等難題。為此，針對(duì)深豎井襯砌施工開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)，研制了豎井襯砌施工專用設(shè)施，包括可拆卸輻條式新型滑模、大落差混凝土澆筑用緩沖器、深豎井混凝土澆筑用分料裝置、旋轉(zhuǎn)式混凝土溜槽等成套裝備。

2.1 可拆卸輻條式滑模的設(shè)計(jì)

可拆卸輻條式滑模結(jié)構(gòu)自上而下分別由分料防護(hù)平臺(tái)、滑升平臺(tái)、下部抹面掛平臺(tái)以及液壓爬升系統(tǒng)等部分組成，如圖3所示。

1)分料防護(hù)平臺(tái)

上部分料防護(hù)平臺(tái)主要作為滑模施工的混凝土入倉(cāng)的受料平臺(tái)及滑升防護(hù)平臺(tái)。混凝土通過(guò)溜管垂直輸送至施工作業(yè)面上部，然后通過(guò)分料平臺(tái)和十組反吊溜槽完成混凝土的入倉(cāng)；分料平臺(tái)還作為臨時(shí)材料的轉(zhuǎn)運(yùn)及存放平臺(tái)，由于平臺(tái)空間有限，臨時(shí)存放材料的數(shù)量應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行控制，確?；＿\(yùn)行安全。

2)滑升平臺(tái)

滑升平臺(tái)采用型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作，主要由L型提升架、輻射梁、中心鼓圈、環(huán)梁、圍圈、斜拉桿、定型鋼模板和各連接件組成；定型鋼模板高度為1.2 m，寬度為0.6 m，通過(guò)圍圈和挑梁與提升架聯(lián)接?；脚_(tái)及防護(hù)平臺(tái)均采用5分板滿鋪封閉后，滑升平臺(tái)作為滑模施工主平臺(tái)，用于施工期間的部分小型設(shè)備(如電焊機(jī))和鋼筋安裝的作業(yè)平臺(tái)，以及布置整套滑模的液壓操作系統(tǒng)。

3)下部抹面掛平臺(tái)

提升架下部設(shè)計(jì)有80 m寬環(huán)形反吊抹面平臺(tái)，作為滑模施工的混凝土抹面操作平臺(tái)，平臺(tái)走道采用5分板進(jìn)行滿鋪。

4)液壓爬升系統(tǒng)

液壓滑升系統(tǒng)主要由24根鋼管爬桿、24臺(tái)QYD-100型液壓千斤頂及液壓控制臺(tái)等組成，為滑模爬升提供足夠的動(dòng)力。其中，鋼管爬桿由φ48 mm×3.5 mm鋼管加工而成，焊接接高，單根長(zhǎng)度為6.0 m。

2.2 提升系統(tǒng)布置

根據(jù)道豎井段整體規(guī)劃，結(jié)合豎井混凝土施工特點(diǎn)，主要采用10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)提升φ9.5 m大吊盤作前期準(zhǔn)備工作，5 t雙卷?yè)P(yáng)機(jī)提升小吊籃作為作業(yè)人員和材料上、下井。

在豎井開(kāi)挖階段已經(jīng)形成了10 t、5 t、3 t三套卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)，10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)配φ28 mm鋼絲繩提升大吊盤(φ9.5 m圓形)，5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)配φ18 mm鋼絲繩提升小吊籃，3 t卷?yè)P(yáng)機(jī)配φ12 mm鋼絲繩吊配重塊。豎井混凝土施工期間主要沿用原有系統(tǒng)，新增一臺(tái)5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)配φ18 mm鋼絲繩，與原有5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)前后高低布置，組成雙卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)。豎井滑模布置如圖4所示，10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)提升大吊盤用作前期基巖面的清理及下料系統(tǒng)的安裝，完成后大吊盤下放到下彎段排架上，作為滑模安裝平臺(tái)使用，在豎井施工完成后，大吊盤吊起作為灌漿施工平臺(tái)和后期上彎段支撐平臺(tái)的作業(yè)平臺(tái)，上彎段支撐平臺(tái)封閉后下放到下彎段進(jìn)行拆除。

圖4 豎井滑模布置圖

小吊籃長(zhǎng)、寬、高的設(shè)計(jì)尺寸為2.0 m、1.4 m、2.0 m，主要采用[12槽鋼焊接框架，下部1.2 m高的四周用1 mm白鐵皮圈封，側(cè)面設(shè)一扇0.75 m×1.2 m的活動(dòng)門，四角設(shè)吊鉤(φ32 mm圓鋼)。由于鋼筋材料為6 m左右，為防止鋼筋外翻，在小吊籃上的三面用[10槽鋼焊接1.0 m高鋼筋支架，另一面在距離吊籃底部約30 cm高位置留30 cm×30 cm的鋼筋卸料口。

2.3 鋼平臺(tái)布置

為了滿足作業(yè)人員、施工材料下井，需要在壓力管道上彎段搭設(shè)施工鋼平臺(tái)及梯道，作為提升系統(tǒng)和上彎段之間的連接通道。鋼平臺(tái)按均布荷載值為1 000 kg/m2設(shè)計(jì)，布置在上彎段末端，主梁及斜撐為I20a工字鋼，臨墻側(cè)通過(guò)錨筋固定在混凝土基座上，其中，錨筋采用φ25 mm螺紋鋼，長(zhǎng)2.0 m，入巖1.5 m。次梁為[10槽鋼，間距60 cm；平臺(tái)鋪板為δ=10 mm花紋鋼板或經(jīng)過(guò)防滑處理的普通鋼板；周邊護(hù)欄封閉，高1.2 m，采用φ48 mm鋼管焊制。鋼平臺(tái)與上彎段設(shè)置1.0 m寬的鋼爬梯人行梯道。

2.4 下料系統(tǒng)布置

根據(jù)壓力管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，下料系統(tǒng)由上部滑槽和下部溜管組成，以減少堵管概率。

供料點(diǎn)設(shè)在上彎段起點(diǎn)位置附近，鋼平臺(tái)以上至供料點(diǎn)設(shè)置溜槽，并布置于上彎段人行鋼爬梯旁邊，方便清理控制，溜槽末端設(shè)置受料斗。其中，受料斗上鋪設(shè)φ10＠5×5 cm網(wǎng)格鋼筋形成過(guò)濾網(wǎng)，防止超徑石塊進(jìn)入溜管，發(fā)生堵管。

鋼平臺(tái)以下至滑模分料平臺(tái)間沿巖壁布置φ200 mm溜管，每條豎井布置一趟溜管，溜管每隔15 m設(shè)置一個(gè)大落差混凝土澆筑用緩沖器。其中，首節(jié)緩沖器安裝位置距離溜管上口距離不大于9 m，并在末端出料口設(shè)彎頭作為緩沖。

對(duì)于直徑較大的豎井，混凝土經(jīng)溜管到達(dá)滑模上部后，采用研制的深豎井混凝土澆筑用分料裝置，如圖5所示，將混凝土均勻分至倉(cāng)位[3]。

對(duì)于直徑較小的豎井，混凝土經(jīng)溜管到達(dá)滑模上部后，采用研制的旋轉(zhuǎn)式混凝土溜槽，如圖6所示，將混凝土均勻分至倉(cāng)位[4]。

圖6 旋轉(zhuǎn)式混凝土溜槽

3 豎井滑模測(cè)量及偏移監(jiān)測(cè)技術(shù)

在豎井滑模操作平臺(tái)上設(shè)置方孔，方孔上鑲嵌有鏤空刻度盤，三組重錘鋼絲線裝置穿過(guò)方孔，讀取垂直鋼絲偏離鏤空刻度盤中心點(diǎn)的刻度，監(jiān)測(cè)豎井滑模的偏移值。采用光電測(cè)距豎直傳高方法，準(zhǔn)確測(cè)量模板的高程，快速檢測(cè)模板頂口的水平度。采用激光垂準(zhǔn)儀采集建筑物完工后的形體數(shù)據(jù)[5]，滑模測(cè)量及偏移監(jiān)測(cè)裝置如圖7所示。

圖7 滑模測(cè)量及偏移監(jiān)測(cè)裝置

在豎井井口處設(shè)置三套重錘鋼絲線裝置，作為滑模形體測(cè)量控制的基準(zhǔn)線，采用全站儀、小棱鏡、重錘線相配合的測(cè)量方法，取得測(cè)站精確坐標(biāo)，從而檢測(cè)模板的平面坐標(biāo)，保證了豎井在不同高程面上測(cè)量控制點(diǎn)平面坐標(biāo)的統(tǒng)一，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法中控制點(diǎn)隨滑模爬升多次傳遞而造成較大的測(cè)量誤差等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

大型豎井混凝土施工技術(shù)已應(yīng)用于三峽、向家壩、溪洛渡、烏東德等大型水電工程。三峽升船機(jī)、向家壩升船機(jī)工程電梯豎井混凝土軸線、垂直度、截面、平整度等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)95.7%以上，超聲波檢測(cè)合格率100%，優(yōu)良率達(dá)95.3%，結(jié)構(gòu)形體精度、混凝土澆筑質(zhì)量?jī)?yōu)良。三峽、溪洛渡等水電站地下工程的豎井混凝土工程形體合格率達(dá)98%，優(yōu)良率達(dá)92%；按平面位置誤差小于±2 cm、高程位置誤差小于±2 cm進(jìn)行評(píng)估，埋件定位的合格率在100%。大型豎井混凝土施工技術(shù)的成功應(yīng)用，保證了豎井混凝土施工質(zhì)量，同時(shí)降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率，在大型豎井施工過(guò)程中積累了有益經(jīng)驗(yàn)。