超大直徑預應力礦井筒倉滑模施工技術

[摘要]以西山煤電集團西曲礦貯煤倉工程為例,介紹“超大直徑礦井筒倉中心井架環式平臺滑模施工技術”。針對礦井筒倉特點,結合現有滑模施工工藝進行了改進,既滿足礦井筒倉滑模施工操作需要,又能解決倉頂結構施工承重問題。對于30米以上超大直徑礦井筒倉滑模施工,具有明顯的技術優勢。

[關鍵詞]超大直徑 礦井筒倉 滑模施工 環式平臺 中心井架 預應力

中圖分類號:TU7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920130-03

西山煤電集團西曲礦貯煤倉工程,由圓形筒倉結構、倉上結構組成。煤倉內徑30米,總高73.8米,倉體儲煤高度54.73米,單倉儲煤能力為3萬噸。倉頂為鋼筋混凝土正截錐殼結構,筒倉漏斗以下壁厚為600㎜,漏斗以上壁厚為400㎜。倉內增設4個鋼筋混凝土預應力錨固柱,預應力鋼絞線成束狀布置,按包角180°環向鋪放?；炷翉姸鹊燃塁40。

這種超大直徑筒倉是近幾年來來為適應礦山建設發展的環保要求,出現的一種新型結構形式,具有直徑大、高度高、儲量大,倉壁為預應力結構等特點。

一、施工方案

筒倉漏斗以上采用液壓滑模施工,漏斗以下由于平臺多、砼量大,采用常規倒模方法施工。起滑位置設在漏斗上口200～300mm處,停滑位置設在倉壁頂端環梁底標高處,滑升總高度52.6m。

因為傳統的平行式操作平臺滑模工藝已不能滿足現有使用要求,針對礦井筒倉特點,結合現有的滑模工藝技術,提出了“超大直徑礦井筒倉中心井架環式平臺滑模技術”(以下簡稱中心井架滑模技術)。示意見圖1。

1-提升架2-托架3-中心井架4-輕型桁架5-鋼環梁(構造)6-鋼環梁(下)7-水平支撐8-“米”形水平撐9-圓形連接鋼板10-操作平臺11-中心千斤頂12-承重桿

圖1中心井架滑模示意圖

中心井架滑模技術工藝由模板系統、中心井架、操作平臺系統和液壓提升系統四部分組成。與傳統滑模技術相比,中心井架滑模技術做了很多改進,主要體現在如下幾點:

⑴操作平臺、中心井架和內環梁根據筒倉直徑的大小可進行工具式組合;⑵中心井架和操作平臺既考慮滑模施工操作,又重點解決倉頂錐殼混凝土結構施工需要;⑶大噸位千斤頂及承重鋼管在結構內、外的布置,保證了操作平臺布置的靈活性及滑模系統的整體穩定性;⑷改變了外模斜度,解決了表面水泥漿流墜問題。

輕型鋼桁架呈環向放射狀布置,操作平臺采用中心井架支撐,是本技術的核心內容。在設計施工中需要處理好以下三個難點部分。

二、設計施工難點

(一)中心井架

中心井架采用扣件式φ48×3.5mm鋼管腳手架搭設,作為內環梁的支撐結構,將操作平臺傳來的荷載向漏斗傳遞;倉頂錐殼結構施工時,作為模板支撐架,亦承受倉頂的施工荷載。其搭設參數根據筒倉直徑大小和上部結構荷載確定。

倉頂錐殼結構情況:梁最大截面600×1150mm,板厚150mm。為減小施工時的荷載,倉頂錐殼鋼筋混凝土分三段施工:斜墻為第一部分;錐殼梁第二部分,施工縫在板下20～30mm處;錐殼板第三部分。

本工程中心井架平面尺寸為15×15m,立桿縱、橫間距1m,步距1.2m,搭設高度52.6m,板下垂直面荷載3.75KN/m²,梁下線荷載24.25KN/m,內環梁線荷載達33.2KN/m,屬于典型的重荷載、超高模板支撐架體系。技術風險大,施工難度高,必須在構造上予以強化,并對承載力和穩定性進行復核。

1.構造設計

設計原則:通過構造設計,使中心井架接近或達到幾何不變體系,確保軸力較大部位的承載力和受變形約束能力,確保中心井架的整體剛度和穩定。

(1)設置具有強勁約束作用的水平剛性加強層。在井架頂部、底部(掃地桿位置)和中部每隔4.8～6米處設置,采用水平斜桿形式,局部地方采用水平剪刀撐且與立桿相連接。設置斜桿的框格數≥水平層框格數的1/3。

(2)在外立面整個長度和高度連續設置剪刀撐,剪刀撐傾角控制40～60°之間,斜桿與每相交立桿用旋轉扣件連接。

(3)對于受力較大的部位:內環梁兩側及梁下模板的立柱,采用雙立桿。雙立桿之間用扣件扣緊,中心距≤200mm,雙立桿按步距滿設雙向水平桿。

(4)立桿頂部裝設U型可調托撐,U型可調托撐上用[16槽鋼做主龍骨,50×100mm方木作次龍骨。為使荷載均勻分布到已作加密的一定寬度的架體上,梁下的方木應平行于梁軸線鋪放,梁下的方木應平行垂直于梁軸線鋪放,可調托撐至支架頂層橫桿的高度≤0.3米。

(5)為限制中心井架的整體側移,在井架的四個方向采用雙排腳手與已澆筑倉壁進行剛性連接。

(6)由于漏斗表面高低不平,所以立桿底部不在一個水平面上,為確保井架的穩定性和承載力,底部采取加密水平桿和增設斜桿辦法,每600mm設雙向水平桿將立桿聯系起來,漏斗上表面設一道水平加強層。

2.計算復核

中心井架承受的最大荷載為支撐倉頂錐殼梁時施工荷載,依據最不利原則,取用倉頂錐殼結構施工荷載及此時井架高度作為計算依據,進行井架承載力和穩定性計算。

(1)倉頂錐殼施工荷載傳力途徑:

(2)立桿穩定性

通過構造設計,中心井架整個體系接近“幾何不變桿系結構”,整體穩定可轉化為對長度為步距h的立桿穩定性驗算。第二部分錐殼梁施工時,內環梁周圍底層立桿所受軸向力最大,對其進行驗算。因井架在筒倉內搭設,不考慮風荷載組合。

①立桿豎向承載力設計值

腳手架結構及構配件自重標準值NG1k+NG2k=7.60kN;

立桿豎向荷載標準值(包括施工人員、模架自重和澆筑混凝土時的荷載)∑NQk=17.1kN;

單立桿豎向承載力:N=1.2(NG1k+NG2k)+1.4∑NQk=32.9kN。

②因市場供應鋼管壁厚在3.0～3.5mm之間,為安全起見計算時壁厚取3.0mm,即鋼管φ48×3的計算參數:截面面積A=424mm²,回轉半徑i=15.8

mm,抗壓強度設計值=205N/mm²。

立桿計算長度偏于安全取lo=kμh=1.155×1.50×1.2=2.079m〔式中計算長度附加系數k取1.155;腳手架的計算長度系數μ=1.50(因腳手架排數≥5,按兩步三跨考慮)〕;

長細比:λ=lo/i=2.079×1000/15.8=131.58,查JGJ130-2001附錄C表C得φ=0.386;

ΦAf=0.386×424×205=33551N=33.51kN。

③N=32.9kN≤φAf=33.51kN,單立桿穩定性滿足。

注:實際按雙立桿布置,據有關資料,承載力可增加15～20%;此時千斤頂承重鋼管亦參與工作,作為安全儲備,計算時未考慮。

(3)其它驗算

錐殼梁下荷載,通過梁下方木與槽鋼及頂層水平加強層分配到周圍立桿,槽鋼[16滿足要求;

內環梁下水平桿與立桿連接扣件采用雙直角扣件,抗滑承載力設計值=12kN,因內環梁下立桿為軸心受壓,滿足要求。

(二)承重桿

1.承重桿采用φ48×3.5mm鋼管,是千斤頂向上爬升的軌道,又是滑動模板裝置的承重支柱,承受著施工過程中的全部荷載。布置在結構體內、外,滑模最大脫空長度≤2.2m。倉壁外承重桿的穩定性,采用水平鋼管在縱橫方向與中心井架立桿相連,與中心井架連接構成幾何不變體系,既可確保立桿在x,y方向的穩定性,又可將承重桿上的荷載傳遞到周圍立桿上,從而保證承重桿穩定性。

2.接頭采用絲扣連接:承重桿兩端車外絲長30mm(外絲),中間用圓鋼φ48連接,圓鋼兩端車內絲長20mm,采用人工扳手裝拆。

3.為防止承重桿接頭量過于集中而削弱滑模結構的支撐能力,相鄰接頭相互錯開,使同一標高上的接頭率不大于25%。底層加工長度分為4種:2.5m,3.5m,4.5m,5.5m,標準層承重桿長度統一為3m。承重桿軸線與千斤頂軸線一致,允許度偏差2‰。

4.承重桿設計承載力計算:

PO=α·f·φ·An

式中:PO—φ48×3.5鋼管的支撐承載力(N)

F—支撐桿鋼材強度設計值,取205N/mm²

An—支撐桿的截面積為489mm²

Α—工作條件系數,取0.7

Φ—中心受壓桿件的穩定系數,由桿的長細比λ值,查表得到φ(結構體內φ=0.829,結構體外φ=0.775)。(λ=(μL1)/r式中:μ—長度系數,取0.75。L1:支撐桿計算長度(mm)。在結構體內時,為千斤頂下卡頭到澆筑混凝土上表面的距離,取1470mm;在結構體外時為千斤頂下卡頭到模板下口第一個橫向支撐桿扣件節點的距離,取1200mm。r:回轉半徑,取15.8mm)。

承重桿在結構體內時PO=58.2kN;在結構體外時PO=54.4kN,滿足使用要求。

(三)內環梁

內環梁為半徑R=6.7m的圓形鋼梁2[16,作為操作平臺和中心井架聯系樞紐,將操作平臺系統與中心井架構成一體。

1.內環梁計算復核

內環梁作為操作平臺的一端支撐點,將鋼桁架的一端支座荷載傳遞到中心井架上。梁上設20臺千斤頂,均勻放置48榀桁架(中心間距438mm),見圖2?？赊D化成n=20支座上的圓弧梁,上部作用均布荷載q=33.2KN/m,據《建筑結構靜力計算手冊》:

最大剪力Vmax=3.14Rq/n=3.14×6.7×33.2/20=34.9KN;

在二支座間的跨中彎矩M={〔3.14/(n·sinα)〕-1｝qR2={(3.14·sin9°)/20-1｝×33.2×6.72=5.39KN·m;

支座彎矩M={(3.14·ctgα)/n-1｝qR2={(3.14·ctg9°)/20-1｝×33.2×6.72=-1.30KN·m;

最大扭矩T={3.14·sinφ/(20sinα)-φ｝×qR2={3.14·sin7.63°/(20sin9°)-0.133｝×qR2=0.38KN·m(支柱軸線與最大扭矩截面間的中心角φ=7.63°/0.133)。

經計算,2[16槽鋼滿足要求。

2.構造

(1)為保證中心井架部位桁架的整體性,在圓形環梁部位的桁架頂部增加一道圓形橫梁槽鋼2[16(構造設計),見圖1。

(2)兩個槽鋼[16之間選用-20鋼板(長、寬均為208mm)連接,使2[16形成一體,均勻受力,見圖2。

三、滑模機具組裝及施工工藝

(一)滑模機具組裝

按施工方案進行組裝。

1.組裝順序

定位放線→立提升架→裝內外圍檁及安裝中心井架→掛內、外模板→裝內托架、外挑架→安放輕型鋼桁架→裝水平、垂直支撐→鋪內、外操作平臺→裝安全設施→裝液壓提升系統→調試→插支承桿。

2.組裝方法

(1)定位放線:在漏斗上口平面放出中心線,在倉壁上放出內外模板邊線、標高控制線、提升架的定位線以及中心井架立桿控制線等。(2)模板系統組裝。模板系統包括滑升模板注釋①、圍圈、提升架和附屬配件等。

①外模采用5mm厚冷軋鋼板,每@300mm設置-50×5的扁鋼帶,以增加模板抗變形能力,模板之間采用螺栓連接;內模采用普通55型組合小鋼模板,以P1512為主,配少量P2012,用于調整模板模數。為了防止混凝土在澆筑時的外濺,外模板上端比內模板應高出50mm,下端比內模板高出30mm。

②提升架將模板系統和操作平臺系統連成一體,將其全部荷載傳給千斤頂和支撐桿。提升架采用雙橫梁、雙立柱式開字架,橫梁采用[14,立柱采用2[8。橫梁和立柱之間采用螺栓連接。

③圍圈把模板與提升架聯系在一起,保證模板所構成的幾何形狀及尺寸。圍圈采用[12,布置在提升架的兩側,沿模板高度設上下兩道,間距以模板受混凝土側壓力和振動沖擊力時變形最小為原則,距模板上口250mm,距模板下口350mm,圍圈的連接采用等效剛度的型鋼螺栓連接。提升架豎立時中心對準倉壁中心,立柱垂直度、橫梁水平度不大于1mm。

(3)操作平臺系統組裝。操作平臺系統包括環式中心井架環式內操作平臺注釋②、外操作平臺和下輔助操作平臺。

①中心井架環式內操作平臺由中心井架配合48榀輕鋼桁架(每榀長8.4m,高0.8m)搭設,桁架徑向環形布置。一端安裝在托架上(與倉壁提升架對應布置),一端安裝在中心井架內環梁上。

通過上下水平支撐(在桁架兩端各1/3處)和垂直支撐∠63×6連接,保證了桁架的側向穩定性,將操作平臺連成剛性整體。

②外操作平臺為挑架式三角形桁架,用角鋼∠45×5制作;下輔助操作平臺為吊腳手架,供檢查倉體混凝土質量和修飾、調整和拆除模板、引設軸線、高程等操作之用。下輔助操作平臺為吊腳手架,懸掛在提升架外側立柱和三角挑架上。

(4)液壓提升系統組裝。液壓提升系統是承擔全部滑升模板裝置、設備及施工荷載向上滑升的動力裝置。由承重桿、液壓千斤頂、液壓控制臺和油路等部分組成。

液壓提升以單倉為系統進行布置,每倉設一臺HY-56型液壓控制臺。千斤頂采用大噸位GYD-60型,油路采用分級布置,倉壁周圈和中心各設一組分油器(一級)。其中倉壁周圈54臺千斤頂設9組分油器(二級),每組供6臺千斤頂(三級);倉中心16臺千斤頂設3組分油器(二級),其中兩組各供5臺千斤頂、一組供6臺千斤頂(三級)。

組裝后進行千斤頂流量調整、密封性試驗和整體空載試車(不少于3次)。待全面檢查無誤后,插入支撐桿。

承重桿接頭必須打磨平整,以保證能順利通過千斤頂。

(5)中心井架。安裝圍圈的同時進行中心井架部位內環梁定位、安裝。安裝前,在將中心井架最上層橫桿調平,找平、就位后將接頭部位扣接牢固。然后開始布置環梁上的千斤頂(承重桿不得與腳手架立管位置重合),使其均勻的布置在環梁上。

立柱垂直度偏差≤1/500,必須采用對接扣件,不允許用搭接接頭,保證立柱接頭垂直受力、不彎曲。對接接頭在平面內應錯開布置,同一平面內≤25%;在豎向,同一步高內錯開距離≥500mm。

節點處各扣件采用測力矩扳手擰緊,使其扭力矩保持在45～60KN·m。

(二)施工工藝

1.工藝流程。倉壁鋼筋綁扎→布置預應力筋→澆灌砼→初升→正?；＝Y束→預應力筋張拉→倉頂錐殼施工→模具拆除。

2.倉壁鋼筋綁扎。倉壁配筋設計為雙層,立筋在內,環筋在外。施工時立筋采用直螺紋套筒連接,環筋采用綁扎搭接。為防止環筋接頭蹦出砼表面,每個環筋接頭應綁扎牢固,或用電焊點焊不少于3處。

3.預應力筋施工。無粘接預應力鋼絞線束狀布置,兩端張拉,每束為7φ15.4鋼絞線。從筒倉漏斗上口開始布置,從下到上間距分別為330mm、400mm、500mm和1000mm。在倉壁內呈水平布置,鋼絞線中心線與倉壁外皮距離為150mm。

鋼絞線布置時,從一端向另一端單根進行,采取多人同時作業,每穿完7根用膠帶綁成一束,并用事先制作的鋼筋骨架定位,鋼筋骨架在倉壁中的間距約1.5～2m。每束鋼絞線呈水平狀態,單根應基本順直,不能扭絞,兩端預留外伸長度應大致相等。待混凝土達到設計強度后分圈張拉預應力筋,每圈采用4臺千斤頂同步張拉。

4.混凝土施工。

(1)初升。第一次澆筑砼,先澆筑同強度減半石砼約100mm厚,并判斷最底層砼強度達到0.2～0.4Mpa時進行初升。將全部千斤頂同時緩慢提升2～4個行程(約50～100mm),然后對滑模裝置和砼出模的狀態進行全面檢查和處理后,即可轉入正?；?。

(2)混凝土澆筑。分層對稱澆筑,每層厚300～400mm。每提升一次澆筑一次,以后循環往復進行,并做好混凝土的振搗與養護工作。

(3)正?；?。每次提升10～12個行程(約250～300mm),與鋼筋綁扎、預應力筋布置、砼澆筑穿插進行。兩次提升時間間隔不超過2h,當氣溫較高時,可增加1～2次中間提升(1～2個行程),以減少砼與模板間的摩阻力。

提升間隙可進行鋼筋綁扎、直螺紋套筒連接和無粘接預應力鋼絞線布置等工作。

(4)滑模結束。當模板滑升到距離倉壁頂端標高1m左右時,就正式進入滑模結束階段。此時應放慢滑升速度,并對倉壁周圈進行找平找正,使最后一層砼均勻交圈,保證倉壁頂部標高及位置準確。

(5)倉頂錐殼鋼筋混凝土施工時,為保證中心井架均衡受載,采用從中部開始、向兩邊均勻對稱的澆筑方法,避免誘發過大水平力作用,增加附加豎向軸力。

四、施工中出現問題及處理

1.筒倉外表面水泥漿流墜,造成混凝土外觀質量缺陷。將外模鋼板斜度由技術規程中的2～5‰變為0～2‰,斜度減小,摩阻力略微增大,抵消了鋼板代替組合小鋼模摩阻力減小部分。

2.操作平臺剛度小、穩定性差,可能造成倉壁結構變形、偏中和半徑偏差。在操作平臺中心增設“米”字型連接鋼支撐:倉中心設圓形連接板,利用角鋼將輻射形桁架與其連接,同時連接板中心增加一臺千斤頂和支承桿。筒倉滑升時,先關閉該千斤頂的油路,派專人監測中心部位的滑升標高,一旦出現鍋底情況,即刻打開該千斤頂油路,關閉其他千斤頂,使其滑升到與周圈布置的千斤頂同樣標高,再繼續照常施工。

3.中心井架施工超載,穩定性差。嚴格控制實際施工荷載不超過設計荷載,在施工中設專人對施工荷載進行監控;倉頂混凝土澆筑開始后,在確保安全的前提下,派人檢查井架及其支承情況,發現有下沉、松動和變形情況時,及時予以解決。

五、結束語

超大直徑礦井筒倉中心井架環式平臺滑模施工技術具有適應性強,操作簡單,勞動強度低,施工速度快,質量高等優點。既解決了滑模施工的操作需要和倉頂結構施工支撐問題,又大大縮短了工期,保證了礦山建設的施工質量和安全。適用于20米以上筒倉滑模施工,尤其對30米以上超大直徑筒倉具有明顯的技術優勢,有很好的推廣應用前景。

注釋:

①滑升模板:注冊國家實用新型專利,專利號:ZL 2006 2 0128174.7.

②中心井架環式平臺,注冊國家實用新型專利,專利號:ZL 2007 2 0138242.2.

參考文獻:

[1]鄧文芳,《礦井建設技術與管理》,中國礦業大學出版社,1998.

[2]中國建筑科學研究院,《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ130-2001),北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]杜榮軍,《建筑施工腳手架實用手冊》,北京:中國建筑工業出版社,1994.

作者簡介:

付漢江,山西焦煤西山金信建筑有限公司董事長、總經理,碩士學歷,高級工程師。