整體滑模技術在調壓井混凝土施工中的應用

張 昆,楊社亞，張 睿,嚴海波,于 沖,趙 倩

(1.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州，450001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概況

津巴布韋卡里巴南岸水電站擴機工程位于津巴布韋和贊比亞兩國交界處的卡里巴水庫南岸，擴容裝機容量為2×150 MW。埋藏式尾水調壓井位于擴機地下廠房下游側24 m，圍巖類別以Ⅱ類為主。采用“2機1井1洞”的布置方案，阻抗式調壓，設4套檢修閘門。調壓井總高68 m，襯砌后直徑24 m，屬大直徑滑模施工，除井筒襯砌外，另有3個異形閘墩(2個啞鈴型閘墩+1個共用中墩)一起滑升，采用井壁與多閘墩同步滑升施工技術，同步滑升總高度41 m。混凝土強度采用美標H30，坍落度160～180 mm，流動性好，凝結時間滿足施工需要。調壓井整體滑模混凝土三維結構如圖1所示。

2 滑模設計與制作

2.1 模體結構系統

滑模設計參照國家標準[1]和水工建筑物滑模標準[2]中的相關要求，根據數據形式及特點，整個模體結構系統包括模板、主平臺、液壓提升系統、輔助系統等，結構設計平面如圖2、3所示。

2.1.1模板系統

模板系統包括模板和圍圈。全套滑模模板采用P3015和P2015鋼模板拼裝而成，用14號槽鋼作為加勁肋圍圈，并與主桁架焊接固定。為減少摩擦阻力和粘結力，模板進行相應處理，設計成上大下小，模板錐度按5 mm控制，按上大下小原則拼裝。

圖1 整體滑模襯砌三維結構圖

圖2 滑模組合模體結構平面圖

圖3 滑模體三維圖

2.1.2操作平臺系統

平臺承受工作、物料以及分料平臺等全部荷載，也是整個施工作業的主要工作場所。采用角鋼∠80×80×6/Q235A制作成雙層桁架，兩層之間用斜撐連接，桁架間距為6°由中間向四周發射均勻分布，桁架之上滿鋪5 cm厚鋪板。

2.1.3液壓提升系統

滑模液壓提升系統包括提升架、支撐桿、千斤頂、操作臺及油管路等。利用槽鋼和鋼板焊接成“F”型提升架，千斤頂穿過支撐桿固定在提升架上。支撐桿選用?48 mm鋼管，單根長3 m，采用絲桿連接，每根支撐桿對應一個千斤頂，整個荷載將通過提升架傳遞給支撐桿。管路分主油管、分油管和支油管，通過液壓操作臺連接至千斤頂，形成完整的液壓提升控制系統。每套油路設計均有止油閥，分組快捷、調整方便，以達到控制偏移及糾偏的目的[3]。

2.1.4輔助系統

輔助系統主要包括測量檢測系統、輔助平臺。

中心測量控制主要用重錘線控制，在井口梁上掛重錘線進行觀測，沿井筒布置了3處，以觀察施工過程中模體的水平位移。水平測量利用水準管原理，在模體上布置透明膠管，充水固定在模體上進行水平度觀測，每滑升3 m再通過千斤頂進行校核，形成完整的偏移檢測系統。

輔助平臺以滿足修面、閘門槽鑿毛以及養護施工為原則，寬度90 cm，設于滑模最底層，沿混凝土結構體四周布置，用?20 mm鋼筋焊接固定在桁架梁上，上鋪3 cm厚馬道板，周圍設置安全護欄，便于行人安全。輔助平臺與主平臺用鋼梯連接。

2.2 滑模相關的附屬系統

2.2.1混凝土輸送下料系統

(1) 豎直方向采用雙管下料布局。井筒直徑大，在上游和下游各布置1套“泵送/料斗+多級緩沖溜管+多溜槽分流”的入倉系統，上井口平臺設置下料斗，溜管直徑DN200，沿井筒壁連接敷設形成下料管路，在溜管底部設置“H”型緩降器，溜管管路末端通過主溜槽將混凝土輸送到分溜槽入倉。

(2) 入倉管控及布料分區?？紤]到泵送入倉較慢，2個溜管入倉分流區間并不均勻。經實踐表明，泵送溜管入倉區域為井筒下游半圓，上游的溜管覆蓋井筒的上游半圓及中間閘墩的區域。為施工方便，上、下游溜槽均采用了多層、多方位布置，以保證混凝土入倉的均勻。利用腳手架固定溜槽，溜槽側面有檢修通道，在溜管與溜槽交接處設有操作平臺[4]。

2.2.2卷揚機系統布設

(1) 吊物卷揚機布置。吊物卷揚機固定于調壓井高程416.00 m上游邊角處，起重荷載50 kN(揚程65 m)，天錨起吊點設于頂拱。井筒高程416.00 m四周設置封閉防護欄。滑模施工材料運輸從支洞到達調壓井底部起吊，起吊物通過吊物孔進入滑模平臺。

(2) 人員垂直交通卷揚機布置。搭載施工人員的卷揚機(30 kN-45 m)布置在支洞內，在井口井壁設置支撐架。卷繩通過支撐架吊起吊籠，吊籠四角用鋼絲繩穿孔固定于滑模主平臺上，并設置防墜落保護器。

3 滑模荷載計算及驗算

3.1 計算荷載

(1) 恒載(DL)：自重

滑模桁架梁的角鋼規格為∠80×80×6/Q235A，輸入鋼材的容重和重力加速度，由程序自行計算鋼結構的自重。馬道板木板荷載為0.4 kN/m2。

(2) 施工平臺均布活荷載標準值(LL1)：

1) 根據DL 5077-1997《水工建筑物荷載設計規范》第15.2.1條無設備區的操作荷載按均布活荷載考慮，其標準值3～4 kN/m2。

2) 根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》第15.2.1條，多層住宅樓梯的均布活荷載標準值為2 kN/m2；其他樓梯的均布活荷載標準值為3.5 kN/m2。第5.3.1條，上人屋面的均布活荷載標準值為2 kN/m2。

3) 滑模體施工荷載見表1所示。

表1 模體荷載計算表

滑模平臺的面積為393.63 m2，因此,單位面積的施工荷載為0.53 kN/m2。

綜上所述，考慮相關規范的要求、施工平臺和抹面平臺實際的荷載以及活荷載分項系數的安全裕度，滑模施工平臺均布活荷載的標準取3 kN/m2，并考慮1.4的活荷載分項系數。

(3) 新澆混凝土對模板側壓力(LL2)

混凝土振搗荷載為2 kN/m2，混凝土沖擊荷載為2 kN/m2。

計算假定模板底部一定高度的混凝土不再對模板產生側壓力，同時將上部側壓力變化曲線簡化為直線變化的等效梯形分布，根據《路橋施工計算手冊》[5]，其有關尺寸按照下式確定：

h′為等效梯形上底的高度，取h的一半，m；h為新澆筑混凝土側壓力作用高度(一般取0.65H，低溫取0.70H)，m；H為模板高度，1.2 m；P為混凝土側壓力計算最大值，P=γh/2，kN/m2；γ為混凝土容重，25 kN/m3。

計算中側壓力取最大值，為LL2=2+2+P=2+2+9.75=13.75 kN/m2

3.3 分析工況

采用SAP2000有限元分析軟件，自動生成荷載工況組合見表2。

表2 荷載組合及分析工況表

3.4 模型及假定

(1) 鋼材采用線彈性材料。

(2) 爬桿千金頂部位取為鉸接約束，滑模下部與周邊混凝土接觸部位取為水平法向約束。

(3) 模型的離散化:計算中對鋼模板和平臺馬道板采用殼單元進行模擬，桁架梁采用梁單元進行模擬。經離散后三維有限元模型中殼單元共8 800個，桁架梁單元共1 571個，桁架梁強度、梁撓度計算結果分別見圖4、5所示。

圖4 桁架梁結構的應力/強度比值云圖

3.5 計算結果

(1) 圖4中，桁架梁結構絕大多數桿件的應力/強度比值在0.5以內，應力/強度比值較大的桿件主要分布在調壓井圓心受力最大處，量值在0.5～0.9，這與結構力學的概念認識是一致的。

(2) 圖5中，桁架梁撓度最大的部位位于調壓井圓心偏向下游側，量值5.2 mm。根據GB 50017-2003《鋼結構設計規范》規定，主梁或桁架撓度限值為L/400，本工程限值為8000/400=20 mm >5.2 mm，滿足要求。

圖5 桁架梁撓度分布云圖 單位：mm

(3) 通過三維有限元計算，桁架梁完全滿足規范及設計要求，且具有一定的安全度，可保證在施工期安全可靠運行。

3.6 現場施工最不利因素考慮及驗算

根據模體結構設計及分析，滑模體荷載分為阻力、模體結構自重及施工荷載等，相關計算過程見表3。

表3 模體荷載計算表

支撐桿采用?48 mm，壁厚3.5 mm的無縫鋼管，支撐桿承載力按歐拉公式計算結果見表4。

模體共布置49根支撐桿，則支撐桿的整體承載力為P=49P1=49×31.58=1547.2 kN>1. 2G=1.2×1246.7=1496.04 kN，支撐桿滿足荷載要求。

每根支撐桿對應一個10 t穿心千斤頂，考慮千斤頂承載力折減系數0.5，則單個千斤頂承載力為5 t>支撐桿承載力P1=π2/EI/L2/Kc/100=31.58 kN，千斤頂提升力也滿足要求。

表4 支撐桿承載力計算表

4 滑模體系的組裝

4.1 千斤頂布置

井筒一周布置29臺千斤頂，閘墩采取6+8+6=20臺千斤頂布置，合計49臺，滑升動力裝置為YKT-36型自動調平液壓控制臺，滑模體三維見圖3所示。

4.2 模體組裝

(1) 組裝前準備好滑模所需的原材料、機具和設備，組裝過程中利用全站儀進行精準定位。

(2) 采用由中間向四周擴散的組裝方式，先閘墩連成整體，輻射至井壁。

(3) 模板采用鋼模板拼裝，用圍圈固定模板，通過桁架梁、加強筋、鋪板連成整體形成主平臺?！癋”型提升架與圍圈和桁架梁焊接，千斤頂固定于提升架上，千斤頂通過支撐桿滑升，液壓控制臺控制高壓油液通過主油管、分油管、和支油管到各個千斤頂，是整個滑模裝置的動力源和控制中心。

(4) 主平臺滑升2 m左右后開始組裝輔助盤。

(5) 安裝混凝土入倉系統。

5 滑?；c糾偏

5.1 滑模滑升

5.1.1滑升階段

滑?；殖跏蓟?、正?；屯瓿苫?個階段[6]。

(1) 初始滑升：模體試滑(空滑)調整后進入初滑階段，一般首次澆筑分4層進行，先澆筑前2層約60～70 cm高時，可進行初次試滑3～5 cm，再澆筑第3、4層，每次滑升后均要檢查并確定滑模時間，并對整個滑模體系進行全面檢查和調整。

(2) 正?；合到y性強，一方面可控制混凝土下料速度、分層澆筑厚度、混凝土凝固時間，澆筑速度應與滑升速度相適應；另一方面鋼筋綁扎的進度應適當超前于滑模的提升進度，避免出現混凝土澆筑等待鋼筋安裝時間。滑升時根據混凝土表面的狀態時刻調整滑升速度，以達到與現場施工進度相適應的目的?；Ｊ┕がF場如圖6所示。

圖6 滑模施工現場圖

(3) 完成滑升：在高程416.00 m滑模收尾階段，混凝土澆筑結束后模板繼續空滑上升，直至與混凝土完全脫開為止。

圖7 調壓井內部結構圖

5.1.2滑升各工序銜接

(1) 鋼筋工程：① 鋼筋在平臺規范堆放；② 鋼筋接頭錯開，按規定布置；③ 采用多隊伍、分區域進行鋼筋安裝。

(2) 混凝土工程：① 協調好拌合站供料、混凝土罐車機械情況，及時溜槽清理，入倉均勻分布，平倉振搗等一系列程序；② 每層厚度控制在30 cm；③ 每層平倉完成后，均勻振搗，滑升過程中嚴禁振搗。

(3) 預留孔洞與埋件處理：滑升過程中通過高程控制，當滑至連系梁底端時開始對預留孔洞進行施工準備，四周封快易收口網并用鋼筋架起，澆筑后形成無需鑿毛的孔洞；埋件采用提前測量定位預埋方案，滑升至埋件位置時進行檢查、調整，滑升后復查。

(4) 表面修復與養護：輔助盤人員進行每次滑模后的混凝土檢查和修復；閘門槽二期施工區域及時進行鑿毛；采用噴水花管對混凝土進行養護。

5.3 糾偏措施

滑模施工過程中，利用線錘和水準管進行糾偏控制，吊垂線以滑模模板襯砌邊緣為控制點，來校準滑模體的垂直度，同時作為混凝土保護層厚度控制的參照。水準管固定在模板上，通過水準管對滑模水平度進行校核；對孤立的中墩采用移動式水準管，通過支撐桿上的控制點進行水平度控制，每班至少各進行1次糾偏監測[7]。

模體體系龐大，施工作業面廣，施工工序多，每次滑升控制在5～10 cm行程內，提升過程中按“慢滑升，多校核，勤糾偏”原則進行。糾偏措施為：通過液壓操作控制系統，根據“一閥專用，一管多能”的管控特點，關閉提升偏高側所有千斤頂專用專控閥門，開啟提升偏低側千斤頂液壓油路通道，利用部分或個別千斤頂提升趕超其他較高高程的千斤頂。糾偏時按漸變、多次循環進行，通過點動進油閥的方法緩慢糾偏，每次點動后及時檢查。

5.4 滑模拆除

模體拆除前利用高程408.00 m安全平臺搭設腳手架，然后按模體組裝的逆過程逐步拆除，利用卷揚機吊至洞口運出，整個拆卸過程安全可靠，拆除的材料運回倉庫，分類后再利用。

6 結 論

(1)在混凝土澆筑前，因根據實際情況，進行混凝土配合比和混凝土脫模強度試驗，確定適宜的滑升速度，并在初滑階段進行驗證，得出其實可行的脫模時間和滑升速度。

(2)在滑模施工過程中，全部滑模施工前后持續了24 d，滑模高度41 m，單日最大滑升速度為3.8 m，與支架立模法相比，縮短了施工工期21 d，保證了施工安全和質量。

(3)滑模體合理利用角鋼、架子管、馬道板、安全網、鋼模板等現有材料，實現了施工材料的循環利用，降低了施工成本。

(4)大直徑滑?？紤]因素多，千斤頂總數達49個，可通過合理的均勻入倉同步滑升，并利用多舉措監測與糾偏，保證了結構質量。

井壁與多閘室同步整體滑升技術成功應用調壓井混凝土施工，縮短了施工工期，節省了材料，外觀質量優良，安全可靠，具有較好的推廣和應用價值。