积石峡水电站导流洞交叉段平顶扭面拱衬砌模板及支撑设计

吴晓斌，柳晓龙，巨金星

（中国水利水电第四工程局有限公司第一分局，青海 西宁 810006）

积石峡水电站导流洞洞身总长660.087 m，底坡0.458 9%，以19.9°夹角与中孔泄洪洞在中0＋235.39处相交结合，结合段长442.937 m，交叉段设计长度45.486 m，其顶拱形式为导流洞和中孔泄洪洞两个城门形顶拱相切形成的平顶扭面拱。最大开挖宽度28.4 m，最大开挖高度20.59 m。交叉段顶拱设计混凝土衬砌厚度1.5 m，加上塌方等超高，实际混凝土最大衬砌厚度为3.2 m。衬砌后中孔泄洪洞中心线处最大高度为17.43 m，导流洞中心线处为15.18 m。该部位体形复杂，断面多变，施工场地狭窄，交通布置困难，高差大，施工质量要求高。

1 支撑系统设计思路

根据交叉段施工特点和特殊性，交叉段模板及支撑系统设计时应满足以下要求：①施工场地狭窄，交叉段顶拱施工时必须满足通车要求；②顶拱部位岩石存在泥岩夹层和裂隙面，开挖过程因塌方造成超挖，最大超挖2.1 m，支撑系统必须满足一次衬砌的强度要求；③施工过程中，顶拱空间较小，吊车难以施展，因此顶拱各部件施工必须满足人工操作要求；④支撑量大，尽量考虑重复利用；⑤满足外观质量和文明施工要求。

根据以上要求，参考设计单位意见，交叉段顶拱模板及支撑系统实际操作时按混凝土平均衬砌厚度2.6 m设计。施工方案为采用底部钢管支柱支撑桁架梁平台、平台上搭设碗扣脚手架支撑顶部模板的方法。即底部支撑为钢管立柱，钢管立柱顶部采用 40c双支工字钢作找平纵梁；纵梁顶部铺设桁架，桁架间距60 cm；桁架顶部铺设20 cm×20 cm方木，方木顶部搭设WDJ碗扣架支撑8找平槽钢，找平槽钢上铺设模板排架；模板采用50 mm×100 mm方木，在方木表面贴1.5 cm厚的胶合板。

2 支撑系统布置

（1）支撑钢管立柱。根据现场情况，中孔及导流洞侧必须保证施工期间畅通，因此采用钢管立柱支撑的方法。根据计算，立柱采用直径500 mm，壁厚8～12 mm的钢管，立柱高8.2 m，钢管横向间距5 m，满足通车要求。钢管纵向排距为3 m，纵向用角钢相互连接。为满足立柱自身稳定及支撑顶部结构需要，钢管焊接底座和顶部托撑钢板。由于钢管支柱是最终承力构件，布置必须满足中孔及导流洞两侧通车要求。按照以上要求，现场布置时，原则上中孔侧两排立柱平行于中孔中心线、导流洞侧两排立柱平行于导流洞中心线布置。从上游至下游共布置13排立柱，沿中孔轴线方向1～9排排距3 m，9～13排排距1.675 m。按垂直于中孔泄洪洞轴线的断面，由上游向下游柱的排列为1～4排4根柱、5～9排3根柱、10～13排2根柱，共计39根立柱。

（2）支撑纵梁。由于钢管柱间距较大，根据顶部荷载计算，支撑纵梁采用双肢45a工字钢。

（3）桁架梁。由于跨度较大，横向支撑梁体形相对较大，若加工成整体受力条件较好且节省材料，但不易吊装。因此，从施工方便角度考虑，横向支撑梁加工成单长3 m的桁架单体。桁架单体由3 m×0.25 m钢架和1.5 m×0.25 m钢架组合而成，拆装灵活。根据受力计算，主桁架最大跨度6.5 m，垂直于中心线，沿中孔方向排列，间距60 cm。

（4）碗扣式脚手架。由于支撑平台与顶拱高差较大，制作桁架或二次立柱支撑均不便于施工，因此选用了拆装灵活、简便轻巧、安全且可重复利用的WDJ碗扣式满堂红脚手架施工方案。采用断面20 cm×20 cm的方木整体抄平后，作为立杆点支撑，脚手架按立杆间距60 cm×60 cm铺设，立杆基本由1.5、2.4、3.0 m几种长度组合形成，结合可调托撑及顶杆的调节来满足因洞截面渐变的模板支撑要求。碗扣脚手架沿中孔方向以及顶拱断面方向均呈阶梯形布置。

（5）模板排架。由于交叉段顶拱沿洞轴线及垂直洞轴线方向均渐变，且由高到低，因此，模板排架沿两个方向均呈台阶状布置。顶模排架按设计体形分断面加工，同一台阶上各排架尺寸逐渐减小，断面间距60 cm，与底部钢管支撑相对应。排架质量最大一榀为240 kg，满足人工搬运需要。排架均采用 50 mm角铁加工，材料类型少，加工制作非常方便。

（6）模板。采用5 cm×10 cm木方做模板，表面贴1.5 cm厚胶合板作为面层。木方与钢桁架间用10 cm×10 cm找弧木完成找弧。

3 支撑系统结构计算

根据结构分析，现场施工荷载（混凝土、钢筋自重及活荷载）的传递顺序为：模板→排架→找平槽钢→WDJ碗扣架→20 cm×20 cm方木→桁架梁→找平工字钢纵梁→钢管支柱。

根据荷载计算分析结果，分别对模板、排架、WDJ碗扣架、方木、桁架梁、找平纵梁及钢管立柱进行受力计算（计算过程略），支撑系统所选用的各种材料能满足刚度、强度及稳定性要求。

4 模板及支撑系统施工

（1）钢管立柱及钢牛腿支撑。安装时，按照支撑系统平面图，放线对点，确定钢管柱准确位置，要求偏差在±2 cm范围内。以中孔泄洪洞轴线为参照基线，逐一安装钢管立柱，要求立柱垂直偏差小于±5 mm。每根立柱就位时，利用边墙拉杆及钢管支撑等方式进行调整，就位后，在纵向按规定设立剪刀撑将相邻钢管柱互相连接；垂直于轴线方向在不影响通车的前提下设横向连接杆。为保证安装基面平整，在钢管柱底部垫一层厚2 cm的EPE卷材或胶皮，最大限度地减小立柱柱脚加工偏差。

（2）双肢工字钢纵梁。工字钢纵梁承接桁架梁下传的力，将力传递给钢管支柱。钢管柱上工字钢梁为双肢，并排放置。工字钢梁吊装完后，接头部位按图纸要求用钢板平整连接，工字钢接头部位尽量放置在立柱顶端，不满足时，将接头错开布置，每跨内接头不超过1个。然后抄平梁顶平面，要求高差小于±5 mm。为保证相互之间对缝摆放以及整体稳定，将工字钢上下两面用钢带或钢筋点焊成一体，间距1.5 m。工字钢与立柱及钢牛腿连接部位存在间隙的，采用不同厚度的钢板垫实，焊接牢靠。

（3）桁架梁。桁架梁为预留交通洞过梁，顶部铺设20 cm×20 cm方木，通过自身将上部荷载下传至工字钢纵向支撑梁。桁架梁设计为工具式，由桁架、销轴、保险卡销组成；单体桁架尺寸300 cm×150 cm，由12号槽钢和钢板组焊而成，桁架之间采用子母扣连接方式，拆装灵活。桁架梁单节长度3 m，安装时在底板上将2～3节拼装成一整体，采用吊车吊装到位。相邻桁架梁连接均采用φ48 mm的销轴和卡销锁住。桁架梁调整就位后，上下两面顺水流方向相互间采用钢筋连接固定。

（4）方木枕梁。采用断面20 cm×20 cm的方木，安装前必须进行挑选和刨平，有断裂、不直、基面不平整等缺陷的坚决不能使用。方木枕梁起支承碗扣架的作用，沿中孔泄洪洞纵向铺设，横向间距60 cm，与碗扣架间距对应。

（5）碗扣架安装。碗扣脚手架满堂红搭设，按60 cm×60 cm间距布置碗扣立杆和横杆。为便于施工，沿中孔泄洪洞轴线方向将碗扣架分成7个台阶，同时横向也按台阶布置，同一个台阶的碗扣架高度相同，而模板排架尺寸是渐变的。碗扣架运至施工现场后，按规格分类堆放，检查各杆件，对因运输或堆放原因造成较大弯曲的必须及时调直。在铺设完方木后，按钢管布置点位，对应安装碗扣架立杆。安装基本方式为：从上游向下游安装，间距均为60 cm；每安装4根立杆就必须安装一层横杆拉接固定。碗扣架下托撑应具有一定的调节量，方便顶部高程控制。由中孔向导流洞方向搭设脚手架，每安装10排纵横方向安装一次剪刀撑，提高稳定性和整体刚度。

（6）模板排架安装。模板支撑为钢排架，排架与模板方木之间采用100 mm×100 mm方木进行横向找弧和纵向找坡。排架根据断面不同分型号进行加工，左右方向按A、B、C、D、E编号，顺水流采用数字编号，从1～53，共53个断面。排架单榀最大质量240 kg，满足顶部人工操作的要求。排架沿垂直于中孔泄洪洞轴线方向布设，间距为60 cm。排架与碗扣架之间用8号槽钢找平。碗扣架安装完成后，在碗扣顶杆上端安装可调上托撑，可调托撑的调节范围应该满足模板排架在装拆过程的需要。同一台阶上排架就位后相互之间采用钢筋上下连接两道，以便使排架成为整体。排架就位后，面层方木铺设以前，应对排架顶部找弧方木拉线进行修整，保证面层方木与找弧方木紧密接触。

（7）模板安装。模板采用50 mm×100 mm木方现场拼装；面层采用15 mm厚的木胶合板。方木宽面朝下，中孔泄洪洞一侧沿中孔中心线方向铺设，导流洞一侧沿导流洞轴线方向铺设，沿断面方向净间距不大于5 m，方木可6 m通长布设，接头部位错开。中间三角区为平顶扭面，应将方木截短，以便体形平顺过度，同时保证方木与排架接触密实。胶合板拼接部位必须严密，接缝位置必须布置有方木。铺设完成后派专人逐层检查，保证各层相接部位均连接可靠，没有脱空。

5 模板及支撑系统拆除

根据2007年3月截流的目标，交叉段模板拆除必须提前进行，因此交叉段混凝土浇筑必须采用早强混凝土。根据前期早强混凝土配合比试验，拆模控制时间在7～10 d。具体拆模时间根据交叉段顶拱浇筑的同期混凝土试块强度确定。模板及支撑系统拆除时从上游至下游，从上层至下层逐层进行。拆除过程中需有专人指挥。

6 结语

积石峡水电站交叉段施工存在工期紧、质量要求高、结构体形变化大、干扰因素多等问题。通过衬砌模板和支撑结构的合理设计与施工，成功地克服了施工中的各种问题，缩短了工期，最大程度地减小了中孔泄洪洞及导流洞之间的施工干扰，及时有效地完成了衬砌施工，使交叉段大跨度洞室施工得到了安全保障。同时，施工方法简单易行，多数构件均按人工可操作设计，解决了大型机械设备洞内难以施展的问题。另外，底部钢管支撑、桁架梁、碗扣脚手架周转利用价值非常高，有效地节约了成本。积石峡工程导流洞和中孔泄洪洞交叉段大跨度平顶扭面相交拱混凝土衬砌模板及支撑结构设计可为今后类似工程施工提供参考。