斜趾板帷幕灌漿鉆孔臺車設計研究

邵 偉, 楊 洋, 張 強

(四川足木足河流域水電開發有限公司,四川 成都 610041)

1 概 述

巴拉水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,壩高140.00 m,壩頂寬10.0 m,長286.5 m,其防滲體系由混凝土面板、趾板和帷幕灌漿構成。壩址區域地層巖性為花崗巖,根據前期勘探孔揭示出來的地質條件推測,趾板附近河床巖體在基巖面以下36.0～70.0 m內巖體透水率一般為3～5 Lu;左岸巖體在100.0～120.0 m內巖體透水率一般為3～10 Lu;右岸與左岸基本相同,大于10 Lu的中等透水帶底界埋深一般為100.0～105.0 m。壩基巖體小于3 Lu的相對隔水層埋深較大,河床基巖面以下一般為70.0～80.0 m,左岸一般達115.0～120.0 m,右岸為120.0～125.0 m。根據設計要求,帷幕灌漿質量合格標準為≤3 Lu,采用雙排帷幕,主副帷幕排距2.0 m,主、副帷幕孔間距2.0 m,分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三序孔施灌,斜趾板段帷幕灌漿孔深最深達141.0 m。斜趾板段帷幕灌漿分三序施灌,孔深較大,段次較多,工程量大。為滿足斜趾板帷幕灌漿施工工期要求,避免鉆機在頻繁移動工況下帶來的安全風險,確保帷幕灌漿孔鉆孔質量,提出了斜趾板帷幕灌漿鉆孔臺車的設計方案[1-2]。

2 技術參數擬定

帷幕灌漿鉆孔鉆機采用XY-2B地質鉆機,鉆孔臺車的設計,擬定了鉆孔臺車、行走和提升系統和荷載等技術參數。

2.1 鉆孔臺車的制作

鉆孔臺車采用[14、[16 a槽鋼焊接制作,左岸斜趾板臺車最大高度1.7 m、寬3.75 m、長3.0 m,呈三角形;右岸斜趾板臺車最大高度2.0 m、寬3.75 m、長3.0 m,呈三角形,下部置于軌道上,平臺頂面根據不同坡比采用墊片將鉆機調整呈水平狀態。平臺頂面操作平臺采用滿鋪5 cm厚木馬道板。平臺所有臨空面設置安全護欄和擋腳板,護欄高1.2 m,并掛密目網封閉,擋腳板高20 cm。設置爬梯,便于人員上下,梯步采用架管和角鋼加工制作。

臺車底部置于軌道上,安裝3組定制滾輪,必要時可在滾輪兩側安裝鋼板,防止臺車脫軌。臺車運行到位后,采用“雙保險”(鎖定卡、Φ22 mm保險副繩)對臺車進行鎖定,Φ22 mm保險副繩固定于專用地錨上(3φ25圓鋼,錨入混凝土(基巖)內1.0 m、外露0.2 m),臺車鎖定時須將副繩繃直,確保副繩處于受力狀態。

2.2 行走及提升系統

臺車行走軌道采用24 kg/m鋼軌,間距1.75 m。軌道大面緊貼趾板混凝土,局部變坡比部位可適當加高。趾板轉彎部位軌道設置成弧形,便于臺車行走。按每2.0 m設置φ25錨筋將軌道固定(交錯布置),錨筋入混凝土30 cm,外露10 cm,外露端與軌道焊接固定。鉆孔臺車示意圖見圖1。

圖1 鉆孔臺車示意圖

牽引系統采用10 t電動葫蘆牽引。每個鉆孔臺車牽引及設置2個鎖定錨固點(牽引及鎖定主繩、保險副繩各一個)。錨點直接利用固結灌漿孔或重新鉆孔安裝錨筋,錨筋采用3φ25圓鋼(L=1.2m,入混凝土(巖)1.0 m,外露20 cm),注0.5∶1水泥漿,且注漿飽滿。外露端頭焊接短鋼筋成十字架,防止鋼繩或葫蘆掛鉤滑脫。

3 設計計算

本次計算選擇不利工況[3-4],即右岸斜趾板最陡峭處(坡度1∶1.438)進行計算。

3.1 提升系統受力計算

鉆孔臺車提升系統受力計算分別計算荷載、鋼絲繩破斷拉力、10 t葫蘆額定提升力和錨筋錨固力。

3.1.1 荷載計算

鉆孔臺車采用10 t葫蘆牽引移動,運行時,臺車上按照最多放置1臺XY-2B地質鉆機、141.0 m鉆桿及必要的工器具棚考慮,不考慮施工人員。

根據臺車各類材料用量計算,臺車自重荷載按0.8 t×10 N/kg=8 kN考慮,臺車上的木板及防護設施自重荷載按150 kg/m2考慮,(7.5×150)×10/1 000=11.25,鉆機、鉆桿及工器具棚自重荷載按(1 200+7×141+150)×10/1 000=23.37 kN考慮,則葫蘆牽引總荷載為:(8+11.25+23.37)×cos55.2=24.32 kN。

3.1.2 鋼絲繩破斷拉力計算

根據《重要用途鋼絲繩》[5],牽引鋼絲繩選用Φ22 mm,6×37S+IWR型鋼絲繩,公稱抗拉強度1770 MPa。根據經驗公式,鋼絲繩的破斷拉力按下式進行計算:

鋼絲繩破斷力:查表,Fg=305 kN(GB 8918-2006表11);

鋼絲繩的允許破斷力:

[Fg]=a×Fg÷k=0.82×305÷5=50.02 kN

(1)

式中a為鋼絲繩之間的換算系數(折減系數),a取0.82;k為鋼絲繩的使用安全系數,k取5。

載重作用下鋼絲繩的牽引力(滑動摩擦系數,鋼與鋼取μ=0.15):

F牽=24.32+μ×24.32×cos55.2°=26.40 kN≤50.02 kN,滿足要求。

3.1.3 10 t葫蘆額定提升力計算

按《水電水利工程施工卷揚機提升系統安全技術規范》[6],根據以上計算,鋼絲繩的牽引力F牽=26.40 kN<10 t×10 N/kg =100 kN(10 t葫蘆的額定提升力),由于提升系統布設在大壩斜趾板混凝土面,涉及斜坡面的設備及人員安全,風險較大,所以在提升系統的選型上加大安全系數K=2.0,可知選取額定提升力為10 t的葫蘆符合要求。

3.1.4 錨筋錨固力計算

本文錨固計算按《建筑邊坡工程技術規范》[7],相關計算如下:

(1)按錨固體表面與周圍巖體間的粘結強度計算,所得到的錨桿軸向拉力標準值為:

Nak=laCfrbk/K

(2)

式中la為錨固端長度,設為1.0 m;C為錨固體截面周長,3φ25圓鋼取0.20 m;frbk為巖層與錨固體極限粘結強度標準值,按軟巖石取360 kPa(GB 50330-2013表8.2.3-2);K為錨桿錨固體抗拔安全系數,取2.0(GB 50330-2013表8.2.3-1)。

則,Nak=1.0×0.20×360/2=36.0 kN

(2)按錨筋與錨固砂漿間的粘結力來計算,確定的錨桿軸向拉力標準值為:

Nak=laCfb/K

(3)

式中la為錨固端長度,設為1.0 m;C為錨固體截面周長,3φ25圓鋼取0.2 m;fb為鋼筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值,按M25水泥漿強度等級取值2.10 MPa(GB 50330-2013表8.2.4);K為錨桿錨固體抗拔安全系數,取2.0(GB 50330-2013表8.2.3-1)。

則,Nak=1.0×0.20×2 100/2=210.0 kN

從偏于安全考慮,按上述計算值取小值,3φ25圓鋼,錨固長度1.0 m,巖石條件按Ⅳ2類巖石考慮。錨固力Nak=36.0 kN>F牽=26.4 kN,滿足要求。

錨筋所受剪力偏安全考慮取26.4 kN,3φ25圓鋼抗剪能力設計值取抗拉能力的0.6倍,fv=0.6fy=0.6×300=180 N/mm2。

N=fvA=180 N/mm2×3.14×(25/2)2×3=264.94 kN

根據以上計算,錨筋所受剪力遠小于其承載力,抗剪強度滿足要求。

3.2 鉆孔臺車受力計算

鉆孔臺車受力計算首先確定荷載參數,利用Midas GEN 2017軟件建立三維模型,根據簡化模型分別計算臺車結構整體、頂部橫梁、側面三家框架承載力和后方框架承載力。

3.2.1 荷載參數

3.2.1.1 恒荷載參數

根據《建筑施工扣件式鋼管教手架安全技術規范》[8]規定取值:

鉆孔臺車結構自重:按Q235鋼計入。

腳手板鋪設層數:1。

腳手板類別:竹串片腳手板/木腳手板。

腳手板自重標準值(kN/m2):0.35。

腳手板上其他構件自重(kN/m2):0.55。

欄桿類別:Φ48.3×3.6鋼管。

欄桿擋腳板自重標準值(kN/m2):0.17。

安全設施與安全網(kN/m2):0.01。

3.2.1.2 活荷載參數

鉆孔臺車采用10 t葫蘆牽引移動,臺車運行期間承受的荷載主要為臺車自重、臺車上放置的鉆機、鉆桿重量以及腳手板和防護設施重量等。

根據設計圖紙,斜趾板帷幕灌漿孔最深141.0 m。運行時,臺車上按照最多放置1臺XY-2B地質鉆機,141.0 m鉆桿考慮。

根據臺車各類材料用量計算,主要包括的活荷載情況如下:

(1)鉆機、鉆桿及工器具棚自重荷載按(1 200+7×141+150)×10/1 000=23.37 kN考慮,模型中取24 kN,并按集中力平均分配給臨近的四根上層梁。

(2)施工期間鉆孔臺車上按照最多放置1臺XY-2B地質鉆機、141.0 m鉆桿、一個工器具棚,同時配備3名作業人員考慮。

3.2.2 模型建立

Midas GEN 2017是一款建筑結構分析與設計軟件。軟件具有強大的圖形結果自動生成功能,圖形結果可以形象地分析確認表格結果。具有人性化的操作界面,并且采用了卓越的計算機顯示技術,是建筑領域通用結構分析及優化設計系統。鉆孔臺車模型見圖2。

圖2 鉆孔臺車模型圖

3.2.3 臺車結構荷載參數

根據3.2.1荷載參數,經模型模擬,可得出以下荷載作用參數:

(1)臺車結構欄桿擋板荷載作用均勻分布,為0.2 kN/m;

(2)臺車結構腳手板及上部其他構件自重作用均勻分布,為0.9 kN/m2;

(3)鉆機、鉆桿及工具自重作用按集中力作用在上層梁格考慮,為6 kN;

(4)臺車結構腳手板上活荷載作用均勻分布,為3 kN/m2。

3.2.4 臺車結構整體受力分析

Midas GEN提供了各種工況組合,以下分析采用glCB2組合,即:1.3D+1.5(L),作為研究的主要組合,現對臺車結構的整體受力的內力和變形做出以下分析。

圖3為臺車結構整體位移等值線圖,從圖中可知,臺車結構位移變形最大處發生在臺車前部橫梁中部,這是由于鉆孔鉆進荷載作用在前部,導致該處有較大位移,其最大位移值為2.19 mm,撓度比約為0.09%,在容許撓度比范圍內,滿足要求。

圖3 臺車結構整體位移等值線圖(單位:mm)

(2)梁單元上最大的組合應力是判斷鋼梁上是否有超過構件屈服強度的一個很重要的指標,圖4給出了臺車結構各主要梁單元上的最大組合應力,從圖中可以看出,整個臺車結構中最大的組合應力出現在定制滑輪上部的縱梁上,該梁為開口向上的[16 a號槽鋼,由于此處存在彎曲應力、剪應力和局壓應力的共同作用,所以出現了相對較大的組合應力值,達到了201.2 kN/m2,幾乎接近于Q235鋼的強度設計值,所以,在施工過程中可以在此處設置加勁肋或者做局部加強處理,并在施工過程中留意觀察這些滑輪處的變形和受力狀態。其他構件都有足夠的強度富余。

圖4 臺車結構各主要梁單元組合應力圖(單位:kN/m2)

3.2.5 臺車頂部橫梁受力分析

臺車頂部橫梁和縱梁可分別按照簡支梁或連續梁進行強度和撓度計算,按照其上承受的荷載為均布荷載,按《建筑結構靜力計算手冊(第二版)》[9]計算其最大彎矩和變形。

I16工字鋼材料參數為慣性矩Ix=1 130 cm4,橫截面積Ax=26.1 cm2,截面模量Wx=141 cm3,回轉半徑ix=6.58 cm,單位重量20.5 kg/m。

本模型直接采用有限元計算結果進行分析各個主要梁單元的受力。

(1)根據模型模擬中臺車結構坡前橫梁位移等值線圖得出,臺車結構坡前橫梁位移最大撓度為2.192 mm。

橫梁的最大撓度小于2 000/250=8 mm,滿足要求。

(2)根據模型模擬中臺車結構坡前橫梁內力圖得出,臺車結構坡前橫梁 最大彎矩Mqmax=3.2 kN·m;

σ=Mqmax/W=3.2×106/(141×103)=22.7 N/mm2。

橫梁的計算強度小于215 N/mm2,滿足要求。

3.2.6 臺車側面三角框架承載力分析

臺車側面為三角形鋼架,其位移、變形、應力和內力均可以從模擬結果中得到,主要成果如下:

(1)根據模型模擬中臺車結構側面鋼架位移等值線圖得出,最大撓度v=0.983 mm,由《鋼結構設計規范》[10]附錄C,表C.0.4-1得出其容許擾度為[v]=l/250。

v=0.983 mm≤[v]=l/250=2 415/250=9.66 mm,滿足撓度要求。

(2)根據模型模擬中臺車結構側面鋼架各梁單元內力圖得出,彎矩最大值為3.2×106N·mm,軸力為11.2 kN。

δ=Mmax/Wx+N/A=3.2×106/152 000+

11.2×103/2 930=25 N/mm2<215 N/mm2

故強度滿足要求。

3.2.7 臺車后方框架承載力分析

孔臺車模型圖臺車后方為一桁架,其位移、變形、應力和內力均可以從模擬結果中得到。

(1)根據模型模擬中臺車結構后方桁架位移等值線圖得出,最大位移為0.962 mm。

(2)根據模型模擬中臺車結構后方桁架各梁單元組合應力圖得出,最大組合應力值為25.6 kN/m2。

該桁架在靜力工作狀態下,無論位移還是應力量級都較小,處于安全狀態。

4 計算結果分析

通過上述設計計算分析,結果如下:

(1)根據3.1設計參數和受力計算,在最大施工荷載下,鉆孔臺車提升系統受力穩定,滿足安全運行要求。

(2)根據3.2三維模型簡化模型、模擬計算和結果分析可知,鉆孔臺車在繩卡固定安裝好之后的施工階段,臺車結構整體受力、頂部橫梁受力、側面三角框架承載和后方框架承載力及其撓度均處于安全狀態。

5 結 論

本文基于巴拉水電站混凝土面板堆石壩建設工期需求,通過理論計算的方式提出了一種帷幕灌漿鉆孔臺車的設計方案,目前已在巴拉水電站斜趾板帷幕灌漿中應用,快速、高效、低耗的進行帷幕灌漿鉆孔施工,加快帷幕灌漿施工進度,得出以下結論:

(1)該鉆孔臺車結構安全可靠,提升系統切實可行,類似項目可根據工程實際情況,參考本文的研究理念,自行設計不同工況下的鉆孔臺車。

(2)鉆孔臺車在投入使用前,應編制操作規章,以便于指導現場施工。同時須注意,應定期對提升系統進行檢查,臺車行走前應將人員撤離,不管在任何工況下,牽引都必須處于“雙保險”狀態下以確保安全。

(3)帷幕灌漿作業包含鉆孔、灌漿和封孔作業,本文僅從斜趾板帷幕灌漿鉆孔工序單方面考慮加快帷幕灌漿施工進度,在具備條件時,或可從集不同工序于一體進行研究。