大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術

孟雙全

（1.中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國能建工程研究院水電施工設計研究所，湖北 宜昌 443002）

0 引言

目前，國內大斷面多格型深豎井混凝土主要采用的傳統施工方法具有以下3個方面的不足：①傳統滑升垂直度和體型只能定期進行測量，過程嚴重影響襯砌連續性，對工期影響較大；②滑模襯砌施工材料及人員的垂直提升較慢，且安全系數較低；③滑模主平臺空間狹小，人員及設備空間利用率較低，供料分料系統單一，同時對豎井襯砌工期影響較大。

傳統滑模施工方法不適用于具有復雜結構、數百米深度、大直徑的深豎井工程。本文依托白鶴灘水電站右岸出線豎井混凝土施工工程（以下簡稱“該工程”），通過優化結構布局，改造載人、載物提升系統，采用實時監控系統和物料雙供等創新手段，研究得到了大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術。

1 施工難點分析

白鶴灘水電站右岸出線豎井上段835.0～1 139.3 m高程范圍襯砌直徑13 m，高度304.3 m；襯砌最小厚度75 cm，最大厚度185 cm。豎井內通過現澆墻劃分為排風井、電纜井、樓梯間、電梯間、送風井、前室和氣體絕緣線路井共7個區域。

該工程工期緊張，工程質量要求高，同時要保證襯砌施工全過程處于安全、穩定、快速、優質的可控狀態，經分析，施工難點主要包括以下4個方面：①目前國內多采用傳統滑模施工，滑模主平臺往往采用的是下掛式結構，現場綁扎鋼筋及其他作業均在平臺下部進行，下部空間狹小，活動空間受限，且由于井圈環向鋼筋長度較大，鋼筋就位存在很大難度；②滑模由液壓泵站控制50多個千斤頂進行爬升，很難保證每個油缸運行完全一致，且加上材料人員變動以及結構重心不在圓心上，使得滑模在滑升過程中可能會出現跑偏、傾斜、自身旋轉等問題；③傳統滑模體型控制通常采用測量儀器定期觀測的形式，無法實現全過程監控；④滑模施工與常規混凝土施工區別較大，若發生下料系統堵管停倉，對成本及工期影響較大。因此，如何保證豎井供料系統的運行順利也是需要研究解決的難點。

在現場復雜的環境下，若要實現全過程監控，滑模的連續施工與其垂直度及體型控制精度測量之間的矛盾尤為突出，具體體現在：①在不間斷施工前提下，測量設備無法正常進入施工作業面；②測量頻率過密會影響施工進度，而測量頻率較少又不能保證控制在允許誤差范圍內；③傳統測量受周圍空間及人員操作影響，偶然誤差不可避免，不可控影響因素較多。這些問題若不能得到解決，將直接影響豎井襯砌施工質量和工期。

針對該工程的施工難點，從滑模運行姿態監控、豎井物料快速供應技術、滑模結構優化這三個方面改進傳統施工方法，形成大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術。

2 滑模運行姿態監控

滑升垂直度和體型控制采用滑模姿態實時監控系統。該系統具有監測支架結構簡單、軟件穩定可靠、監測精度高、抗干擾能力強和低成本等優點。

2.1 滑模姿態實時監控應用

滑模姿態實時監控系統包括激光器支架監測系統、電子水平儀監測系統、單片機模塊化數據采集系統、控制器局域網絡（controller area network，CAN）總線網絡數據傳輸系統、基于微處理器（advanced RISC machine，ARM）的中心控制器和監測界面軟件。

滑模姿態實時監控布設安裝。采用膨脹螺栓將型鋼三角支架固定于豎井井壁，發射器保護罩焊接固定于型鋼三角支架上部，在型鋼三角支架上部安裝井口激光發射器，如圖1所示。將懸挑型鋼平臺焊接固定于滑模主平臺，安裝激光靶和監測攝像頭去，如圖2所示，其中，激光靶采用激光靶保護罩進行安全防護，如圖3所示。在滑模主平臺上部布置9個電子水平儀，如圖4所示，電子水平儀通過焊接的形式，剛性連接于滑模平臺，星形分布在主平臺上，監測數據通過MSP430單片機采集。由MSP430單片機采集的數據通過CAN通訊總線傳遞給ARM中心監控器；ARM中心監控器將采集到的各監測終端數據運算后顯示在監測界面軟件，管理人員通過軟件終端實現實時監測。

圖1 豎井井口激光發射裝置圖

圖2 滑模主平臺激光顯示裝置圖

圖3 滑模激光靶界面

圖4 滑模主平臺電子水平儀布置圖

以垂直度偏移監測方法為例：通過分布在平臺上的9個監測模塊上激光點的位置，實時反映當前滑模位置垂直度情況，當激光點超出預設范圍，系統對平臺傾斜做報警和預警，管理人員就可以利用監控系統及時進行滑模姿態調整，以保證混凝土體型質量和避免發生停滑，從而保證滑模施工過程持續監控。

2.2 可視化顯示及大數據應用

該系統使用高級別的操作系統作為底層支持，將監測結果、報警信息及具體參數顯示給管理者。通過標準的高清多媒體接口（high definition multimedia interface，HDMI）顯示接口可以將監測信息顯示到監控平板、電腦顯示器、監控電視中，使用場景靈活方便。界面設計通過不同顏色代表當前傳感器狀態，通過具體數據值顯示傾斜角度和偏移情況；通過對全局傳感器的計算和加權，得出診斷性提示或警告，包括平臺傾斜報警、異常報警等。滑模監控終端軟件主界面如圖5所示，滑模垂直度監測子界面如圖6所示。

圖5 滑模監控終端軟件主界面圖

圖6 滑模垂直度監測子界面圖

監測點傳感器控制、數模轉換通訊信息封裝都在單片機中完成，作為信息交互的節點，采用了具有高可靠性工業級的單片機，單片機模塊數據采樣頻率小于1 s/次，可以24 h連續工作，不間斷持續監測，CAN總線差分信號傳輸，不間斷通過總線與上位機交換信息，反饋數據量巨大，配備立體聲接口用于聲光警報，實現智能管控。

2.3 應用效果

行業首創的滑模姿態實時監控系統解決了滑模滑升過程中垂直度和體型控制數據測量問題，實現了管理人員通過掌上APP即可隨時了解滑升過程中的傾斜、偏移情況，操作人員可以隨時根據數據信息快速進行對比、校核及糾偏，保證體型誤差控制在設計范圍內，即：監測精度達到1 mm，角度精度達到0.01°，監測頻率小于1 s/次。

3 豎井物料快速供應

3.1 雙卷揚筒吊籃系統

載人吊籃、載物大吊盤相配合的吊籃系統，能同時進行人、物的上下運輸，互不干擾。吊籃采用高效的無級變速卷揚系統，輔以雙卷筒、雙繩系機構等一系列保護措施，同時研制了“一種深豎井吊籃防晃動裝置”[1]和“豎井吊籃制動停靠裝置”[2]兩項實用新型專利，大幅提高了施工效率、降低了安全風險；吊籃系統懸掛于高架門機上，通過行走輪配合軌道實現位移，滿足多個豎井的施工需求。

3.2 雙線供料系統

雙線供料系統由兩條供料溜管（DN300）和自制防沖擊緩沖器組成。其中，自制防沖擊緩沖器每隔12 m設置1個，兩鋼管間設置15 cm高擋坎，利用首次澆筑時堆積的混凝土形成斜坡面，減輕對緩沖器底部的沖擊，減少了溜管修補工程量，即使修補也不占用直線工期；同時，極大保證混凝土不出現骨料分離，大幅提高澆筑質量，雙線供料系統及緩沖器的結構，如圖7～圖8所示。

圖7 雙線供料系統結構

圖8 緩沖器設計圖

采用雙線供系統有效解決了混凝土堵管、破管及骨料分離嚴重，溜管修復工程量大及修復時間長、分料操作困難等問題，實現供料不間斷。修復溜管不耽誤襯砌工期，且修復量大幅減小。分料平臺與儲料斗等構架合并優化，下接分料盤，又是連接混凝土溜管和滑模的通道，從而大幅提高了施工效率。

4 滑模結構升級優化

4.1 混凝土分料與平臺支撐二合一

360°無死角分料盤和8根定向固定溜槽組成連續分料系統。該系統可由1人操作分料盤頂部旋轉盤，將混凝土料流向8個固定溜槽實現分料；同時這8根溜槽將滑模上部平臺分為上下兩部分，上部進行鋼筋加工，材料堆放周轉，下部進行混凝土施工等，結構如圖9所示。

圖9 滑模分料滑槽

分料平臺與儲料斗等構架合并優化，既是分料盤，又是連接混凝土溜管和滑模的通道，同時也是鋼筋和周轉材料的臨時堆放平臺，輔以雙供料管將大幅提升空間利用率及施工效率。

4.2 凸起過橋結構與滑槽的結合

主平臺結構為雙背[20a槽鋼在隔墻和井壁位置凸起形成過橋式結構，上接分料平臺，下連提升架，鋪上花紋鋼板形成共3層作業平臺，平臺互不干擾，解決了滑模結構占壓空間大和施工空間狹小等問題，實現了作業人員操作空間與綁扎鋼筋平臺的合并，同時又可容納各個機具，如圖10～圖12所示。優化改造后，主平臺上可布置液壓系統、鋼筋電焊機等機具，同時也可以臨時堆放待綁軋的鋼筋，還可以作為千斤頂維護、混凝土平倉振搗以及鋼筋綁扎焊接的平臺。

圖10 常規滑模與優化后的主平臺結構對比圖

圖11 滑模系統整體剖面圖

圖12 過橋式提升架

滑模面板采用6 mm厚鋼板做邊框和筋板，各小井的尖角部位模板設計為圓弧形，＜90°的角按R100 mm作圓角，≥90°的角按R50 mm作圓角，使模板組裝后單個井呈現上大下小的形式，以減小提升阻力，便于滑動，滿足滑模提升要求。

5 結語

通過研究和應用大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術，提高了白鶴灘水電站右岸出線豎井滑模監測頻率和精度，保證了施工過程連續可控，大數據反饋及報警機制大幅度減少了人員投入。該技術確保了物料安全可靠的供應，也極大程度上保證了各工序的連貫性，使右岸出現豎井在保證質量安全前提下提前完成混凝土澆筑，為后續金屬結構安裝留足了時間。

大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術雖然從根本上解決了傳統豎井施工存在的問題，但是該技術前期需購置設備，以及滑模結構、載人載物系統優化改造都需投入一定的資金，因此，不適用于小斷面淺豎井。