預(yù)制混凝土模板在大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用研究

李林LI Lin；呂爾福LV Er-fu；吳永輝WU Yong-hui

（中國水利水電第四工程局有限公司第三分局，甘孜 626200）

0 引言

大壩工程的懸挑結(jié)構(gòu)施工一直是復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，要求在確保結(jié)構(gòu)安全和質(zhì)量的前提下，高效地完成施工過程。近年來，預(yù)制混凝土模板技術(shù)作為一項先進(jìn)的施工方法，逐漸在大壩工程中嶄露頭角。這項技術(shù)的應(yīng)用為解決大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)施工中的諸多問題提供了新的途徑，包括減少施工周期、降低施工成本、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和質(zhì)量。本文將對預(yù)制混凝土模板在大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討，以揭示其在大壩工程領(lǐng)域中的潛在優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

1 預(yù)制混凝土模板在大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)施工中的優(yōu)勢

1.1 保障混凝土澆筑穩(wěn)定性

預(yù)制混凝土模板在大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)施工中具有顯著的優(yōu)勢，其中之一是它能夠有效地保障混凝土澆筑的穩(wěn)定性。首先，預(yù)制混凝土模板由于在工廠環(huán)境下制造，具有高度的制造精度和質(zhì)量控制。這意味著每塊模板的尺寸、強(qiáng)度和質(zhì)量都能夠得到精確的控制，避免了傳統(tǒng)現(xiàn)場澆筑中可能出現(xiàn)的澆筑誤差和不均勻性，確保了整個懸挑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其次，預(yù)制混凝土模板的設(shè)計和制造可以根據(jù)工程需要進(jìn)行定制，以滿足大壩懸挑結(jié)構(gòu)的特殊要求。這種定制化的特點使得模板能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀和荷載要求，從而在施工過程中提供了更高的穩(wěn)定性和安全性。此外，由于模板通常采用高強(qiáng)度的混凝土材料制成，能夠承受較大的荷載，有效地減輕了施工過程中的風(fēng)險。

1.2 最大限度消除安全隱患

首先，預(yù)制混凝土模板提供了更高的施工質(zhì)量和一致性。由于這些模板在工廠環(huán)境中制造，可以更好地控制材料的質(zhì)量和施工工藝。這確保了每個模板都符合規(guī)格要求，減少了在施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)的變異性。懸挑結(jié)構(gòu)的施工對施工精度要求非常高，預(yù)制模板可以確保結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而減少了因質(zhì)量問題而引起的安全隱患。

其次，預(yù)制混凝土模板的使用減少了施工現(xiàn)場的人員和設(shè)備需求。在大壩懸挑結(jié)構(gòu)的施工中，通常需要大量的工人和重型機(jī)械設(shè)備。然而，通過使用預(yù)制模板，可以減少對施工現(xiàn)場的依賴，從而減少了與大型機(jī)械操作相關(guān)的安全風(fēng)險。此外，模板的預(yù)制還可以加快施工速度，減少施工現(xiàn)場的工期，降低潛在的風(fēng)險。

最后，預(yù)制混凝土模板有助于減少施工過程中的不安全工作條件。懸挑結(jié)構(gòu)的施工可能涉及到高空工作和懸挑施工，這些工作條件對工人來說可能非常危險。通過在工廠中生產(chǎn)模板，可以減少在危險高空工作環(huán)境下的工作時間，并減少工人的風(fēng)險。這有助于提供更安全的施工條件，減少意外事件的發(fā)生機(jī)會。

總之，預(yù)制混凝土模板的使用為大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)的施工提供了更高的質(zhì)量和安全性。通過降低質(zhì)量變異性、減少施工現(xiàn)場的人員和設(shè)備需求以及改善工作條件，這些模板幫助最大限度地減少潛在的安全隱患，確保工程的成功完成。

2 工程簡介

作為當(dāng)?shù)匾豁椫匾垂こ蹋媱澖ㄔO(shè)在干流的上游。本項目被歸類為Ⅳ等小型水利工程，具有關(guān)鍵的水源調(diào)配功能。這項工程主要包括一個重力式碾壓混凝土壩和庫區(qū)淹沒公路。具體而言，該重力式碾壓混凝土壩的總庫容達(dá)到了983 萬m3。壩體的建造采用碾壓混凝土技術(shù)，主要構(gòu)件包括壩身、開敞式溢流表孔、泄洪排沙底孔以及引水管道等。溢流表孔被布設(shè)在壩體的中部，分布在第7 號和第8 號壩段之間。這些溢流表孔以垂直方向布置，從壩右側(cè)0+160m 一直延伸到壩右側(cè)0+193m，總長度為33m。在這一壩段，共設(shè)有3 個溢流孔，其中單孔的凈寬度為7m，總的溢流寬度達(dá)到21m。溢流堰頂?shù)母叱虨?45m，而挑流鼻坎的高程為611m。在懸挑結(jié)構(gòu)的部分，采用了鋼筋混凝土預(yù)制模板進(jìn)行澆筑，以確保工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。這個工程的規(guī)模和設(shè)計旨在滿足當(dāng)?shù)氐乃Y源需求，同時強(qiáng)調(diào)工程的可持續(xù)性和對環(huán)境的友好性。

該工程的重力式碾壓混凝土壩是整個工程的核心部分，需要確保壩體的牢固性和穩(wěn)定性。由于壩的高度和規(guī)模較大，施工過程需要嚴(yán)格控制混凝土的質(zhì)量和壩體的壓實，以防止壩體發(fā)生裂縫或變形。其次，溢流表孔的建設(shè)需要精確的布置和澆筑，以確保溢流的順暢和穩(wěn)定。在壩體上游的開敞式溢流表孔的施工需要考慮壩段的坡度和高差，以便實現(xiàn)有效的溢流控制。泄洪排沙底孔的建設(shè)需要精確的位置和尺寸控制，以確保在需要時可以有效地泄洪和排砂。這需要在施工中采用準(zhǔn)確的測量和施工技術(shù)。以上施工難點需要嚴(yán)格遵循工程設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，采用高質(zhì)量的建筑材料和先進(jìn)的施工技術(shù)。此外，施工過程中還需要密切監(jiān)測工程的進(jìn)展，及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，確保工程的安全性和可靠性。

2.1 懸挑模板結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力驗算

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

①在溢流壩段的總長度為33m 的區(qū)域，我們采用了3m 長度的模板。每層需要安裝11 塊模板，而每塊模板的長度為2.99m。這些懸挑模板是采用C25 鋼筋混凝土預(yù)制板制成的，每塊模板的尺寸為1.6m×2.99m×0.12m。這些模板包括C12 熱軋帶肋鋼筋的配筋，間距為10cm，而鋼筋的端頭通過角鋼點焊連接固定。

②為了增強(qiáng)模板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在混凝土板的外側(cè)四周埋設(shè)了12 號角鋼作為包邊。同時，在其中的一側(cè)短邊埋設(shè)了12 號角鋼接縫。接縫處的角鋼的一半埋入混凝土內(nèi)并與鋼筋網(wǎng)焊接牢固，而另一半則露出5cm，用作上層模板的支撐。這些露出的角鋼會永久性外露，并經(jīng)過防銹漆處理以提高耐用性。

③內(nèi)部的預(yù)制模板預(yù)埋了φ12 熱軋光圓錨筋。這些錨筋固定在板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)上，長度為30cm，間距為0.7m。錨筋的外露部分與拉錨筋雙面焊接，并連接在預(yù)埋的20a工字鋼上。此外，預(yù)制板內(nèi)還預(yù)埋了4 個φ12 熱軋光圓吊環(huán)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力。更多詳細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)可參考圖1。

圖1 懸挑模板結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖2 模板安裝結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 模板受力驗算

矩與剪力分析：首先，需要分析懸挑模板的受力情況。懸挑模板在混凝土澆筑過程中承受彎矩和剪力。彎矩可以通過公式M=P×L 計算，其中M 代表彎矩，P 是作用在模板上的荷載，L 是懸挑長度。剪力可以通過公式V=P 計算，其中V 代表剪力。

荷載計算：懸挑模板的荷載主要包括混凝土的自重和澆筑混凝土的重量。混凝土的自重可以通過公式Wc=Vc×γc計算，其中Wc代表混凝土的自重，Vc是混凝土體積，γc是混凝土的密度。澆筑混凝土的重量可以通過公式Wp=Vp×γp計算，其中Wp代表澆筑混凝土的重量，Vp是澆筑混凝土的體積，γp是澆筑混凝土的密度。

撓度分析：懸挑模板的撓度是另一個關(guān)鍵的考慮因素。撓度可以通過公式δ=（5/384）×（P×L3）/（E×I）計算，其中δ 代表撓度，P 是荷載，L 是懸挑長度，E 是彈性模量，I是截面慣性矩。

抗彎和抗剪驗算：最后，需要對懸挑模板的截面尺寸和材料強(qiáng)度進(jìn)行抗彎和抗剪驗算。抗彎驗算可以使用公式σ=M×c/I，其中σ 代表應(yīng)力，M 是彎矩，c 是截面的最大離心距離，I 是截面慣性矩。抗剪驗算可以使用公式τ=V×Av/（b×d），其中τ 代表剪應(yīng)力，V 是剪力，Av 是縱向鋼筋的截面積，b 是截面寬度，d 是截面高度。

通過這些公式的分析，可以評估懸挑模板的結(jié)構(gòu)安全性，確保其能夠承受混凝土澆筑期間的荷載并滿足工程要求。需要注意的是，具體的計算和驗算需要根據(jù)懸挑模板的實際參數(shù)和工程要求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

2.2 預(yù)制混凝土模板在大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)施工方法

2.2.1 模板預(yù)制

模板預(yù)制工作是在專用的預(yù)制場地進(jìn)行的，使用3m×3m 的鋼模板進(jìn)行拼接，以確保模板的平整度符合要求。在進(jìn)行混凝土澆筑之前，會施加脫模劑，以方便后續(xù)的脫模工作，減少混凝土與模板之間的黏附。鋼筋、預(yù)埋角鋼和吊環(huán)將在專業(yè)加工廠進(jìn)行成型，然后使用10 噸載重的卡車運輸?shù)筋A(yù)制場地進(jìn)行安裝。采用標(biāo)準(zhǔn)化的鋼模板可以確保模板的尺寸和形狀準(zhǔn)確無誤。

混凝土采用C25 標(biāo)號，在混凝土拌和站進(jìn)行中央拌制，然后由10m3混凝土攪拌運輸車運送到預(yù)制場地。在預(yù)制場地，使用平板振搗機(jī)對混凝土進(jìn)行振搗，以確保混凝土的均勻性和致密性。此外，對混凝土表面進(jìn)行拉毛處理，以提高表面的質(zhì)量。這些措施有助于確保預(yù)制模板的質(zhì)量和性能。

混凝土澆筑完成后，及時采用土工布覆蓋并進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，持續(xù)養(yǎng)護(hù)28 天。這個養(yǎng)護(hù)期間非常關(guān)鍵，可以確保混凝土獲得足夠的強(qiáng)度。一旦懸挑模板的強(qiáng)度達(dá)到了預(yù)定的75%，就可以進(jìn)行移動和堆存，而在達(dá)到100%的強(qiáng)度時，模板可以進(jìn)行調(diào)運和安裝。這種施工方法具有一定的優(yōu)勢，包括精確的預(yù)制、嚴(yán)格的混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)措施，以確保懸挑模板的質(zhì)量和性能。通過精心的計劃和實施，可以保證懸挑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，同時提高施工效率。

2.2.2 模板安裝

一旦預(yù)制混凝土模板的強(qiáng)度達(dá)到100%，采用40 噸平板車進(jìn)行運輸。在運輸過程中，采用方木進(jìn)行牢固的固定，以避免模板的移動和損壞。這些步驟對于確保模板在運輸和安裝過程中保持完好至關(guān)重要。安裝程序按照下層混凝土澆筑完成后，才進(jìn)行上一層模板的安裝，這個順序確保了底層混凝土已經(jīng)達(dá)到足夠的強(qiáng)度，以支撐上一層模板的安裝。此外，任何不合格的模板都不允許進(jìn)場安裝，以確保施工質(zhì)量和工程安全。每塊模板的重量達(dá)到4.8 噸，需要使用25 噸吊車進(jìn)行安裝，并需要工作人員進(jìn)行精確的協(xié)同操作。一旦模板被吊裝到位，就使用φ12 光圓拉錨筋進(jìn)行焊接，將其連接到吊環(huán)，并將吊環(huán)固定在事先預(yù)埋在壩體內(nèi)的工字鋼上。這一步確保了模板的牢固固定和連接。此外，全站儀用于檢查和校正安裝位置，以確保模板的平整度滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求。模板采用預(yù)埋工字鋼進(jìn)行拉錨固定，這些工字鋼插入到下層壩體內(nèi)0.5m，并在頂部露出0.1m，上下層工字鋼之間采用C16 熱軋帶肋鋼筋進(jìn)行焊接連接。預(yù)制模板與工字鋼之間同樣采用φ12 光圓拉錨筋進(jìn)行焊接。工字鋼的布置間距為1.43m，距離預(yù)制模板底部1m，這一設(shè)計確保了整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和連接的可靠性。

2.2.3 混凝土澆筑

在混凝土澆筑前，必須確保混凝土材料的質(zhì)量和配比是合適的。混凝土是由水泥、骨料、砂、水和摻合料等成分組成的，它們的比例和質(zhì)量決定了混凝土的強(qiáng)度和耐久性。通過混凝土試塊的試驗和質(zhì)量控制，確保混凝土的配比符合工程要求，以防止后續(xù)的結(jié)構(gòu)問題。

混凝土澆筑的工藝和方法至關(guān)重要。這包括混凝土輸送、均勻分布、振實、抹平和養(yǎng)護(hù)等過程。使用合適的澆筑工具和設(shè)備，確保混凝土在澆筑時能夠均勻分布在模板內(nèi)，同時使用振搗器來振實混凝土，以排除氣泡并提高混凝土的致密性。養(yǎng)護(hù)工程的養(yǎng)護(hù)過程也非常重要，通常需要持續(xù)保持濕潤環(huán)境，以確保混凝土逐漸獲得足夠的強(qiáng)度。混凝土攪拌運輸車或其他相關(guān)設(shè)備將混凝土運輸至工作面后，按照攤鋪厚度為50cm 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土澆筑。在澆筑過程中，采用φ100 插入式振搗器進(jìn)行振搗操作。這一步驟有助于排除混凝土中的空氣泡泡，提高混凝土的致密性和均勻性。一旦本層混凝土澆筑完成，混凝土需要經(jīng)過一段時間的固化和養(yǎng)護(hù)，以確保混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa 以上。一旦混凝土達(dá)到了這一強(qiáng)度要求，就可以進(jìn)行下一層混凝土的施工。這個等待時間通常是必要的，以確保混凝土在繼續(xù)施工之前具備足夠的強(qiáng)度和耐久性，以支撐上層結(jié)構(gòu)的負(fù)荷和要求。

混凝土澆筑過程中需要控制溫度和環(huán)境因素，以避免裂縫和混凝土強(qiáng)度降低。這包括在高溫天氣中采取降溫措施，如遮陰和灑水，以減少混凝土的溫度升高。在寒冷天氣中，需要采取保溫措施，以確保混凝土充分凝固和養(yǎng)護(hù)。此外，需要防止雨水或其他外部因素對混凝土的不利影響，以保持澆筑過程的穩(wěn)定性。

2.3 工程經(jīng)濟(jì)性分析

2.3.1 節(jié)省造價

在工程的溢流壩段，當(dāng)進(jìn)行懸挑部位混凝土澆筑時，有兩種施工方法可供選擇：一是采用滿堂支撐架，二是采用預(yù)制混凝土模板。選擇滿堂支撐架的總費用將達(dá)到12.7萬元。然而，如果我們決定采用預(yù)制混凝土模板施工，需要預(yù)制77 塊尺寸為3m×1.6m×0.12m 的鋼筋混凝土模板，總費用為7.5 萬元。這意味著采用預(yù)制混凝土模板施工可以實現(xiàn)5.2 萬元的費用節(jié)省。這種經(jīng)濟(jì)方式的選擇對于工程管理具有顯著的優(yōu)勢，不僅能夠降低施工成本，還加快了工程進(jìn)度，減少了潛在的工程風(fēng)險。因此，選擇在工程的溢流壩段懸挑部位采用預(yù)制混凝土模板是一種經(jīng)濟(jì)、可行的選擇，有助于實現(xiàn)成本控制、確保工程質(zhì)量和加快施工進(jìn)度。

2.3.2 節(jié)省工期

在傳統(tǒng)的施工方式中，為了搭設(shè)滿堂架和加固懸挑部位的模板，需要等待壩體達(dá)到懸挑部位所需的高程。這過程需要耗費大量的時間和資源，包括搭設(shè)平均高度為28m的滿堂架、總計約6800m3的支撐結(jié)構(gòu)以及370m3的鋼模板。然而，如果我們選擇采用預(yù)制混凝土懸挑模板的施工方法，可以顯著地縮短工程的工期，減少搭設(shè)滿堂架和鋼模板所需的時間。通過采用預(yù)制混凝土懸挑模板的施工方式，我們能夠節(jié)省長達(dá)28 天的滿堂架和鋼模板搭設(shè)時間。這種方法的優(yōu)勢在于，預(yù)制混凝土模板的快速安裝和使用不僅加快了施工進(jìn)度，還降低了工程的復(fù)雜性，大幅提高了施工效率。這種高效的施工方式不僅可以節(jié)省時間，還能夠有效地降低工程成本，確保工程的順利進(jìn)行。

3 結(jié)束語

綜上所述，預(yù)制混凝土模板在大壩工程懸挑結(jié)構(gòu)的施工中展現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢。這種先進(jìn)的施工方法不僅可以提高工程的效率和質(zhì)量，還能夠降低施工過程中的風(fēng)險和成本。通過充分利用預(yù)制混凝土模板技術(shù)，能夠更好地滿足大壩工程中懸挑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜需求，同時為未來的工程提供了可行的解決方案。在不斷的研究和改進(jìn)中，預(yù)制混凝土模板技術(shù)有望在大壩工程領(lǐng)域取得更多的成就，為工程施工帶來更多的創(chuàng)新和便利。