豎井整體液壓自爬模板的研發與應用

饒 昌 福，　周 振 興，　劉　超

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司，四川 成都　610091)

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豎井整體液壓自爬模板的研發與應用

饒 昌 福，周 振 興，劉超

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司，四川 成都610091)

介紹了專為錦屏一級水電站豎井混凝土施工研究、設計的、適用于復雜體型結構、可用于空間狹窄深井的液壓自動爬升模板情況，對類似工程的模板施工具有一定的參考價值。

豎井；液壓自爬；模板；研發；應用；錦屏一級水電站

1　概　述

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內的雅礱江干流上，為國家“十一五”規劃中的重點工程，是國家西部大開發和西電東送的重要標志性工程。電站由擋水、泄洪及消能、引水發電等建筑物組成，水庫總庫容為

77.6億m3，電站總裝機容量為360萬kW。電站混凝土雙曲拱壩壩頂高程1 885 m，最大壩高305 m,設置25條橫縫，將大壩分為26個壩段，橫縫間距為20～25 m，平均壩段寬度為22.6 m,是目前世界上已建、在建和設計中的最高混凝土雙曲拱壩。

錦屏一級水電站豎井位于大壩18#壩段，該豎井結構形式為異型結構，由樓梯井、電梯井、通風井及井間隔墻組成，井深約270多m，井內結構復雜，可用空間狹窄，空間跨度較大。由于業主要求工期提前，原有豎井的模板方案已不能滿足趕工計劃要求，而應用常規方案則有諸多問題需要解決，因此，多能模板公司應邀為該豎井研究設計和制造專用模板。

2　模板設計的技術要求

錦屏一級水電站拱壩壩體主要為C30(180 d)、C35(180 d)、C40(180 d)常態混凝土。模板設計的技術要求為:

(1)滿足豎井體型偏差要求，即平面定位中心線允許偏差+25 mm～0 mm、井全高(H)垂直度H/1 000且≤30 mm；

(2)能夠承受最快3 h澆筑一層(50 cm厚)的澆筑強度；

(3)混凝土澆筑升層高度為4.5 m，層間間歇7～10 d；

(4)既能自動爬升，又能整體吊裝；

(5)確保在各種工況下模板穩固、安全，操作方便、快捷；

(6)具有較好的通用性；

(7)部件標準化、系列化。

3　模板的基本構思及出現的問題

經與施工單位溝通，了解到按趕工計劃組織施工現場原配置的起吊設備在施工高峰期運力不足，此期間要求豎井模板能夠自行爬升至下一倉位施工，在起吊設備可用的情況下，豎井模板亦可由起吊設備整體提升至下一倉位施工。

為滿足模板設計的技術要求，豎井模板應能滿足4.5 m混凝土澆筑升層，在沒有起吊設備可用的情況下，能自行爬升至下一施工倉位。技術人員通過對有類似功能模板的比較、分析，認為采用帶液壓驅動機構的模板系統即豎井液壓自爬模板(以下簡稱模板)較為適宜，但其存在以下問題：

(1)與液壓滑模不同，液壓自動爬升模板一直是國內外模板界的前沿技術和重點研究課題，其技術含量高，系國內外一流模板企業的標志性產品。葛洲壩多能模板公司作為集團公司的模板研究所，多年來一直在關注、跟蹤、研究該類模板技術，但尚未掌握該類模板的設計、制造及使用等關鍵、核心技術。

(2)豎井為不規則的異型結構，井間有隔墻，結構轉角多，模板結構如何布置才能與之適應，且安全、穩固。

(3)混凝土單倉澆筑高度為4.5 m，模板如何加固并滿足豎井體型偏差要求且操作方便、快捷。

(4)如何安全、快捷地實現模板一次性連續爬升4.5 m。

(5)豎井結構不規則，液壓系統分配的外力將不均勻。如何實現液壓系統偏載工況下的同步。

4　模板的結構設計

經與施工單位溝通，明確了豎井樓層現澆板及豎井間的隔墻為后期施工，豎井自爬模板設計時不予考慮。

針對上述問題，結合豎井自爬模板的設計要求、模板的加工制造工藝、施工工藝等因素，經對多種模板方案進行比較后，確定在總體方案設計時合理地將豎井自爬模板設計為幾個面板結構基本相同或對稱、桁架結構相同或對稱且相對獨立的整體單元。模板爬升時，爬升系統驅動下桁架(爬升桁架)，帶動整個模板爬升。澆筑混凝土時，各單元的模板及上桁架(模板桁架)需連成整體，共同承擔施工荷載，其它工況下各單元既可以獨立施工作業，也可整體施工作業，相互之間的施工作業干擾小，且可同時多工作面施工作業，有效地化解了復雜體型結構給該模板結構布局設計及加工制造帶來的困難。豎井自爬模板平面見圖1。

1.面板；2.柔性內角模；3.外角模；4.桁架；5.調節桿；6.豎圍檁圖1　豎井自爬模板平面示意圖

豎井自爬模板主要由面板系統、桁架系統、錨固系統、爬升系統、液壓系統、操作平臺系統等組成(圖2)。各系統相對獨立，需組裝成套使用。

4.1面板系統

面板系統主要由鋼面板、豎圍檁、S調節件、鉤頭螺栓、滑輪吊桿等組成。鋼面板由鋼板組焊成格構件，高度方向由2塊高度為1.5 m和一塊1.6 m的面板組成，各面板間用M16×45的螺栓連接，寬度方向根據豎井的平面尺寸合理分塊(圖1)。豎圍檁由槽鋼組焊而成，用鉤頭螺栓與面板連成單塊整體，經滑輪吊桿懸掛于上桁架。澆筑混凝土時，各單塊整體通過U形卡連成一體，通過調節桿將面板系統的受力傳于上桁架。操作調節桿可帶動面板系統前后移動，完成模板的安裝、拆除工序。

4.2桁架系統

桁架系統主要由上桁架和下桁架通過螺栓連接而成，各桁架由型材組焊而成，是整個自爬模板的骨架和重要的受力及傳力部件之一。桁架分為三個獨立的整體單元，爬升模板時，各單元獨立操作、互不影響。澆筑混凝土時，各單元間用調節桿連接，形成一個整體桁架，共同承擔施工荷載。上桁架主要為面板系統提供支撐及模板系統操作的空間。下桁架主要為整個模板系統提供結構支撐及爬升模板時的操作空間(圖1、2)。

下桁架設有結構尺寸偏差調節裝置，在混凝土結構尺寸出現偏差時，具有較大的偏差適應范圍。下桁架還設有水平觀測裝置，可隨時觀測液壓爬模的平衡狀況，方便液壓爬模的平衡控制。

4.3錨固系統

1.面板；2.豎圍檁；3.鉤頭螺栓；4.S調節件；5.滑輪吊桿；6.調節桿；7.上桁架；8.下桁架；9.工作平臺；10.懸桿；11.液壓站；12.錨固系統；13.懸掛座；14.爬架頭；15.上爬升盒；16.液壓油缸；17. 下爬升盒；18. 附墻支撐；19.爬軌；20.軌道支撐圖2　豎井自爬模板組裝示意圖(A—A剖視圖)

錨固系統主要由錨筋、定位錐、高強螺栓、懸掛座等組成，通過各部件自身螺紋組裝成整體成套使用，是重要受力及傳力部件之一。

4.4爬升系統

爬升系統主要由爬架頭、上爬升盒、下爬升盒、附墻支撐、軌道和軌道支撐組成。通過各部件組裝嵌套，組成可相互相對移動的機構，在液壓油缸的往返驅動下，機構各部件協同工作，實現模板和軌道的自動爬升。爬升系統是模板爬升工況時的重要受力及傳力部件。

4.5液壓系統

液壓系統主要由油箱、電動機、柱塞泵、溢流閥、壓力表、換向閥、分流器、同步分流器、液壓油缸、油管、油路接頭等組成。電動機通電后，帶動柱塞泵工作，使壓力油在換向閥的控制下、沿油路分別進入液壓油缸的有桿腔或無桿腔，驅使液壓油缸的往返運動，為模板的自動爬升提供液壓動力。液壓系統中設有同步分流、油缸行程終端誤差補償、油缸行程終端補油等功能，可確保在多油缸、偏載荷工況狀態下安全、同步、平穩、快速爬升。

4.6操作平臺系統

操作平臺系統主要由型鋼、鋼板網組成，共設四層，為工作人員提供安全的作業空間。

5　模板結構計算

5.1模板的荷載及傳遞路徑

5.1.1模板承受的主要荷載

(1)新澆混凝土的側壓力(以下簡稱側壓力)，其值為26.1 kN/m2。

(2)振搗混凝土對豎直模板的壓力(以下簡稱振搗力)，其值為4 kN/m2。

(3)施工人員和設備的荷載(以下簡稱人員設備荷載)，其值為2.5 kN/m2，按1.5層平臺考慮，人員設備荷載為152 kN。

(4)結構自重荷載(以下簡稱自重荷載)，其值為420 kN。

5.1.2模板承受荷載的傳遞路徑

這條傳力路徑是水平荷載的，將豎井四周的側壓力、振搗力經面板系統、調節桿傳給上桁架，對類似結構及受力工況有較多的成功工程經驗，可以直接借鑒使用，不需再作進一步的驗算。

5.2模板的力學模型及計算

考慮到下桁架(爬升架)在其它結構工程的通用性，將其力學模型簡化，取消了斜壓桿下端的水平連桿及豎直段壓桿，按簡化后的結構驗算更為安全。上橫桿為雙12槽鋼，立桿為雙16槽鋼，斜壓桿為雙10槽鋼，水平段壓桿為雙10槽鋼。將結構自重荷載和人員設備荷載共計572 kN均分到9榀桁架上，每榀桁架受力為63.6 kN，驗算時取100 kN線形均勻分布于下桁架的上橫桿。

經有限元結構分析軟件運算得知：

(1)最大變形發生在上橫桿的中部，其值為

0.6 mm<2.86 mm=2 860(結構跨度)/1 000。

(2)結構的最大應力比為0.54<0.9。

(3)支座反力：

①鉸支座的水平力為23.1 kN(拉力)，豎直力為50 kN(向上)，均為錨固系統需要提供的力，現有的技術手段完全能夠滿足要求。

②滑移支座的水平力為9.7 kN(壓力)。

經驗算得知該結構是安全、可靠的。

6　模板運行試驗

為了解所設計的豎井自爬模板運行情況，驗證設計的可行性及可靠性，我們按照設計方案試制了一套自爬模板，先后在加工廠內模擬現場的工況進行了液壓系統同步性試驗和自爬模板負載試驗。試驗結果表明所試制的模板基本達到了預期的設計要求，但也存在一些缺陷，從而為自爬模板最終的設計定型和制訂自爬模板操作技術規程提供了寶貴的資料。

6.1模板液壓系統同步性試驗

為驗證模板液壓系統負載工作時的同步性，根據不同的荷載，油缸布置分為兩種工況，每種工況試驗兩次，測得試驗數據四組。

(1)工況一。

試驗荷載為3 t，荷載及油缸布置位置見圖3。六個油缸同步動作，在油缸頂升50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm處，分別測量六個油缸活塞桿伸出的長度并據此檢驗油缸的同步性。該工況試驗兩次，測得數據兩組，每組30個數據，兩組數據的最大同步誤差分別為5 mm和9 mm，平均同步誤差分別為4.2 mm和7.8 mm。

圖3　荷載、油缸平面分布示意圖

(2)工況二。

試驗荷載為4.5 t，荷載及油缸布置位置見圖4。六個油缸同步動作，在油缸頂升50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm處分別測量六個油缸活塞桿伸出的長度并據此檢驗油缸的同步性。該工況試驗兩次，測得數據兩組，每組30個數據，兩組數據的最大同步誤差分別為11 mm和10 mm，平均同步誤差分別為7.2 mm和6.2 mm。

圖4　荷載、油缸平面分布示意圖

試驗情況表明模板液壓系統負載工作時同步性較好，滿足同步性偏差小于10 mm的設計要求。

6.2模板負載試驗

為方便試驗，專門設計加工了一套試驗架。考慮到試驗場地空間有限，設定每倉爬升高度為2 m,爬架爬升兩個升層共4 m，軌道爬升一個升層2 m，分5 t、10 t、15 t、20 t四個負載級別進行爬升試驗。試驗用負載重物采用車間鋼板邊角料制備，按照鋼板規格的大小統一分類，將分好類的鋼板按照2 t或2.5 t一包(以下簡稱鋼板包)打包堆放，并將重量醒目標識備用。根據試驗需要用廠房內的橋吊將鋼板包吊入負重箱并按要求擺放。

在試驗中，需要重復第2～4步，安裝懸吊平臺后，下一次負載試驗時需撤除，實際試驗工程中將懸吊平臺簡化為一層，安裝在附墻支撐處爬架剪撐上。

負重試驗共進行了5 t、10 t、20 t三個級別，整個試驗過程歷時1.5 d，試驗過程較為順利。試驗過程中試驗架及爬升系統各部分工作正常、協調，整個系統達到設計要求。

7　現場應用情況

豎井自爬模板于2010年1～ 6月完成了產品設計、試制、廠內模擬工況荷載試驗、產品設計調整、定型工作，2010年7月開始正式投入生產， 2010年12月投入現場使用，截止2012年12月豎井施工高度達240多m，模板爬升高度達240多m，共計50多倉。經現場使用驗證，該模板結構布局科學、合理、安全、可靠，操作簡單、方便、快捷，爬升平穩、快速，每次升層爬升平均用時1.5 h，混凝土外觀平順、光潔，達到了該模板研發的預期目標。

8　結　語

豎井自爬模板的成功研發和應用，首次解決了模板適用于復雜體型結構深井(約270 m)、可用空間狹窄、大跨度、偏荷載、多油缸同步爬升、短行程油缸大爬升高度、油缸行程誤差修正、爬升安全自鎖、快速拆裝等關鍵技術。這些關鍵技術在業內鮮有記錄，部分尚屬首創。該模板技術含量高，適用范圍廣，實用性、通用性強，能顯著降低工程費用，縮短工期，其市場前景廣闊，經濟效益、社會效益顯著。該模板的成功研發與應用為豎向高度大、復雜體型結構構筑物的混凝土快速施工提供了一套全新的模板技術。首次在錦屏一級水電站使用即引起了業內許多專家及施工單位的關注并贏得高度評價。

(責任編輯：李燕輝)

2016-05-20

TV7;TV53+6

B

1001-2184(2016)04-0052-05

饒昌福(1968-)，男，湖北新洲人，分公司總工程師，教授級高級工程師，從事土木工程技術與管理工作；

周振興(1982-)，男，江蘇泰州人，分公司副總工程師，工程師，從事機電及自控技術與管理工作；

劉超(1983-)，男，湖北十堰人，分公司副總工程師，工程師，從事土木工程技術與管理工作.