可移動式混凝土旋轉分料系統的設計與應用

倪 華 軍，李 軍 洪，余 旭 東

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站左岸共布置有8條引水隧洞，自上游至下游依次編號為①～⑧。引水隧洞由漸變段、上平段、漸縮段、上彎段、豎井段、下彎段及下平段組成。單條引水豎井深約176 m，含上下彎段及豎井段，其中豎井直段長104.5 m，豎井開挖斷面為Φ12.2 m的圓形斷面，壓力鋼管內徑為10.2 m。引水洞上彎、豎井、下彎、下平段為壓力鋼管鋼襯混凝土結構，管外回填C20素混凝土，混凝土回填厚度為1 m。

左岸引水隧洞采用的是單洞單機豎井式布置，隧洞所承受的水壓力高，設計最大內水壓力約為354 m。引水隧洞自上平段末端起全部采用鋼板襯砌，包括上彎段、豎井段、下彎段及下平段。①～⑥引水隧洞單條壓力鋼管共88節，管線長度為232.654 m，⑦～⑧引水隧洞單條壓力鋼管共89節，管線長度為235.654 m，8條引水隧洞壓力鋼管總節數為706節，管線總長度為1 867.234 m，工程總重量為19 279.7 t。

通常情況下，在進行小斷面(直徑≤6 m)壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工時，通過布設單趟溜管、在溜管下口采用一個三通分兩個下料點即能滿足混凝土布料要求。而對于諸如直徑在10 m以上的大斷面壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工，若豎井直段從引水上彎一個方向采取溜管入料，如只采用一個或兩個下料點勢必會造成壓力鋼管下料不均勻、側壓力大而引起壓力鋼管變形；混凝土料頭距離遠易造成冷縫，不能滿足混凝土澆筑質量要求。為解決施工中存在的技術問題，有必要設計一種由單點下料轉化為多點下料的可移動混凝土旋轉分料系統，且不增加混凝土施工作業的難度。筆者介紹了可移動式混凝土旋轉分料系統的設計方案。

2 可移動式混凝土旋轉分料系統設計方案

2.1 系統設計思路及要點

在設計之初，為解決豎井內多點對稱均勻下料問題，筆者收集了大量的工程資料。大多數情況下，引水豎井均采用鋼筋混凝土襯砌結構，且采用滑模施工方案[1]的較多，利用滑模自身平臺分料；而小型引水豎井采用鋼襯混凝土結構時僅采用單根溜管向兩側分料即能滿足入倉要求。

白鶴灘水電站左岸引水豎井為壓力鋼管襯砌混凝土結構，壓力鋼管直徑為10.2 m，深度達176 m，混凝土只能從引水上彎段下料。對于該類大斷面豎井鋼襯結構工程混凝土入倉無同類工程經驗可參考。項目部工程技術人員仔細推演了壓力管道豎井混凝土入倉過程，發現需要在溜管下部設置一個分料轉換系統使混凝土從壓力管道豎井溜管進入該分料系統后能夠均勻地分配到倉面的各個部位。同時，該系統應具有入料結構簡單、操作簡便、周轉使用、安全可靠等特點。

針對該分料轉換系統，技術人員采取頭腦風暴法[2]進行了多次研討，從功能、結構、安全性等方面進行了反復推敲，最終形成了設計方案，并將其命名為可移動式混凝土旋轉分料系統。該分料系統主要由以下三部分組成：底梁支撐系統、接料系統及旋轉分料系統。

2.2 系統設計

(1)底梁支撐系統。底梁支撐系統主要用于支撐接料系統、上部旋轉系統、混凝土等所有荷載并提供施工操作平臺，吊運方便。底梁支撐系統平放在壓力鋼管上管口，在底梁支撐系統底部設置防滑擋板，防滑擋板與壓力鋼管口布置一致，使用時，整體分料系統受混凝土下料沖擊時不得滑移。壓力鋼管口直徑為10.2 m，底梁長度要求必須大于10.2 m。同時，對底梁的基本要求就是滿足上部荷載。對于底梁，經過對鋼桁架結構、單工字鋼、工字鋼疊合梁方案進行比較后，最終決定底梁采用雙22#工字鋼疊合梁方案，即底梁采用4根22#工字鋼布置雙側支撐，單側支撐采用2個22#工字鋼疊合焊接而成。底梁尺寸：長×寬×高=10.5 m×2.4 m×0.44 m ，總重量約為4.1 t，最高處為5.64 m。

(2)接料系統。接料系統主要解決混凝土從豎井溜管底部順接至旋轉分料系統中心料斗內的難題，其主要起連接溜槽的作用。接料系統的荷載既要滿足混凝土自重和動荷要求，又要有效減少接料系統的自重，有效減少對底梁的負荷。接料系統的高度既要滿足混凝土流動坡比要求，又要滿足整個系統在轉移過程中洞內建筑限界尺寸要求，最終確定的方案為：接料系統最高處為4 m；另外，欄桿高度為1.2 m，溜槽坡比為17%。考慮到接料系統與底梁可簡單拆卸，故接料系統與底梁采用插銷連接與固定。接料支撐架尺寸：長×寬×高=4 m×1.2 m×4 m(2.8 m)，頂部布置溜槽、走道及欄桿，側面布置爬梯。

(3)旋轉分料系統。旋轉分料系統是解決混凝土多個下料點問題的關鍵結構。混凝土從中心位置通過旋轉系統可輻射360°施工范圍。技術人員充分考慮了混凝土流態和壓力鋼管外圍周長關系，經計算，壓力鋼管外圍周長為32 m，布置4個下料點，單個下料輻射8 m范圍。旋轉分料系統按照以中心旋轉270°即能滿足4個下料點的入倉要求設計。旋轉分料系統既要滿足混凝土流動坡比，又要有效控制旋轉分料系統中心料斗高度。最終確定的溜槽坡比為18%，分料旋轉系統中心高度為2.5 m，斜長為6 m，寬度為1 m。

(4)分料系統集成。可移動式混凝土旋轉分料系統包括裝配為一體的底梁、接料支撐架和分料旋轉系統。接料支撐架通過螺栓與底梁可拆卸連接，分料旋轉系統通過旋轉軸系統與底梁焊接連接；旋轉軸系統的底端焊接固定在底梁上；分料旋轉系統以旋轉軸系統為中心軸可沿旋轉軸系統呈360°水平旋轉；通過三個子系統合理集成，達到混凝土分料均勻入倉的目的。

3 分料系統在引水豎井鋼襯回填混凝土施工中的應用

3.1 引水豎井鋼襯回填混凝土的水平及垂直運輸

在進行引水豎井段鋼襯回填混凝土施工時，其混凝土的水平運輸系從拌合站采用混凝土攪拌運輸罐車運輸至引水上平洞。其豎井混凝土的垂直運輸[3]系采用罐車直卸至溜管料斗，混凝土經溜管至可移動式混凝土旋轉分料系統，再經移動分料槽和溜筒入倉。在豎井內沿著井壁布置一趟DN300溜管，單根溜管長度為6 m，溜管之間采用法蘭和螺栓連接。溜管間隔18 m設置一個H型緩沖器[4]。

3.2 溜管系統的安裝與拆除

豎井段混凝土溜管系統是混凝土入倉的關鍵系統，在安裝、使用和拆除過程中，應重點關注：(1)溜管的連接與井壁的固定牢固；(2)緩沖器的設計與布置合理；(3)溜管系統的耐磨損設計及維護；(4)溜管的安裝和拆除一定要安全、方便。

溜管和緩沖器的耐磨設計：在混凝土下料過程中，溜管連接處、轉彎處、緩沖器的底部和外側管壁磨損最大。針對此，首先應選用加厚型鋼管(壁厚不小于8 mm)制作溜管和緩沖器。針對磨損較大的部位采用在溜管內焊接耐磨鋼筋、管外綁焊一層鋼管后包裹一層橡膠皮或橡塑的方式進行處理。

豎井段溜管的安裝方式：在豎井段與上彎段相交處設置一個鋼平臺，主要用于溜管的下放與安裝，利用2×30 t橋機將其從上彎段吊運至鋼平臺處。另外布置兩臺5 t卷揚機牽引溜管，安裝一節溜管利用卷揚機向井內下放一節溜管，固定鋼繩，逐節與溜管吊耳鎖住，待豎井段溜管下放到位后再安裝上彎段與豎井連接段的溜管。溜管的臨時固定采用兩根鋼繩，最后利用2×30 t橋機載人吊籃分段采用拉筋將溜管和錨桿焊接固定。

豎井段溜管的拆除方式：根據豎井段鋼襯回填混凝土分段長度為18 m、每倉混凝土收倉面距離壓力鋼管口為1.2 m的具體情況，混凝土收倉后，首先吊離可移動式混凝土旋轉分料系統，再利用橋機拆除18 m溜管(6 m/根)，每次拆除溜管時保證溜管最下端有一個緩沖器，能夠有效控制混凝土離析現象[5]。

3.3 可移動式混凝土旋轉分料系統的安裝與拆除

可移動式混凝土旋轉分料系統在加工場內制作并將底梁和旋轉分料系統組裝完成。采用9 m長的平板汽車將其轉運至引水上彎段橋機底部，再將接料平臺與底梁組裝完成。利用2×30 t橋機整體將移動分料系統吊運至豎井段壓力鋼管上口，并與溜管下料口對應就位。為確保移動分料系統吊運安全，移動分料系統整體采用鋼繩與卡環臨時固定。安裝就位時，施工人員根據底梁的限位裝置將底梁與壓力鋼管上口嚴密接觸。安裝就位后，拆除移動分料系統臨時固定的鋼繩，將接料平臺與溜管下料口采用活動溜管順接固定，再將旋轉分料系統活動支撐至壓力鋼管口，沿著管口將旋轉分料系統下料口移動至倉內溜筒下料點并做臨時固定，防止下料時旋轉分料系統移動。

在混凝土澆筑完成一倉后，清理移動分料系統溜槽、料斗內的混凝土雜物，將溜管下料口的活動溜管撤離接料平臺，旋轉分料系統端頭并將其移動至與底梁平行，采用鋼繩與卡環將旋轉分料系統、接料平臺進行臨時固定，再采用橋機將其吊離豎井段施工面至引水上彎段。在引水上彎段將接料平臺與底梁拆離，采用平板汽車分別將其轉運至接料平臺和底梁(旋轉分料系統)至下一個豎井施工面。

4 可移動式旋轉分料系統具有的特點和優勢

可移動式混凝土旋轉分料系統以旋轉軸為中心，覆蓋四周多個混凝土下料點。混凝土從溜管入料經接料支撐架上的溜槽流入料斗后，再到旋轉分料系統上的溜槽，由一個下料點轉化為多個下料點。該系統在壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工中得到了有效應用，其特點及優勢如下：

(1)接料支撐架通過螺栓與底梁呈可拆卸連接，分料旋轉系統通過旋轉軸系統與底梁焊接連接；旋轉軸系統底端焊接固定于底梁上，使用時，將接料支撐架與底梁通過螺栓連接為一體；轉運時，將接料支撐架與底梁螺栓松開分別運輸，使分料系統安拆簡便、易于轉運，無需搭設臨時溜槽排架和多通道溜槽，進而提高了施工效率，增強了實用性。

(2)旋轉分料系統由分料支撐架、料斗、移動式溜槽及焊接于分料支撐架斜面頂部的花紋鋼板構成，在整個移動過程中，只需將底梁吊運至豎井內壓力鋼管的指定部位，完成分料旋轉系統的裝配即可，無需借助其他支撐平臺；只需利用分料旋轉系統自身的剛性及活動支撐部分的支撐作用，即可實現整個旋轉分料系統獨立運轉的功能，使用更為方便。

(3)所設計的旋轉軸系統有效地利用了旋轉軸系統的軸承旋轉原理，在移動過程中，只需人工推動分料旋轉系統、調整下料點位置即可完成多點下料作業，操作簡便，安全可靠。

(4)可移動式混凝土旋轉分料系統在澆筑完一倉后，即可將其吊運至其他澆筑工作面使用，轉運簡便，周轉使用率高。

(5)采用2×30 t橋機將可移動式旋轉分料系統吊運至豎井內壓力鋼管上就位后，橋機即可松鉤。該系統使用過程中無需提升系統懸吊，僅依靠壓力鋼管上口支撐，使用更為方便。

(6)旋轉軸系統底端焊接固定于底梁上，旋轉分料系統上的分料支撐架與旋轉軸系統上的Φ159鋼管套筒外壁焊接固定，使底梁與分料旋轉系統間接地構成剛性主體，在旋轉移動過程中，無需借助其它支點，簡化了多點下料固有的結構復雜性。

5 結 語

在白鶴灘水電站左岸壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工過程中，施工局成功地設計、制造并應用了一種可移動式混凝土旋轉分料系統，該系統既能滿足大斷面豎井混凝土多點下料和對稱均勻入倉的要求，又能取得操作簡便、施工成本低的效果。該可移動式混凝土旋轉分料系統是從傳統固定式分料溜槽基礎上進行創新和升華研制的。該系統的研制與應用，為豎井工程和圓筒體結構工程混凝土入倉提供了全新的施工方法和工藝，達到了施工安全可靠、質量保障、作業高效、成本節約的效果，對類似工程混凝土施工具有積極的推廣價值。