高落差涵洞事故门井筒加固施工技术

马 军,艾克拜尔◦买买提

(新疆水利厅头屯河流域管理处,新疆 昌吉 831100)

为改变头屯河水库涵洞压力段长期无法检修的局面,在涵洞进口增建了高进水塔作为事故检修门井,在水库低水位检修和事故发生时可以闭门。增加事故检修门以后,水库高水位运行时,改变了原涵洞压力段及闸井事故门井筒的运行状态,即在事故检修门关闭时,原事故门井筒内无水,外有水压力和坝体土压力,井筒结构需重新加固。事故门井筒总高45m,筒身段34 m,井筒横截面尺寸为4 m×4 m,加固范围在高程957.50～987.50m,共30m。在原井筒井壁老混凝土上,采用锚筋和钢筋混凝土进行衬砌加固[1],属高空作业,作业空间处于涵洞过流面以上四周封闭的悬空空间,施工作业平面狭窄,混凝土浇筑施工难度大。本加固工程主要完成锚杆安装1378根,混凝土凿毛471 m2,混凝土浇筑171.3 m3,钢筋制作安装23.34 t。

1 施工方案

在施工方案上首先考虑施工安全和质量,采用自下而上的顺序分层进行施工,脚手架搭设、混凝土面凿毛、砂浆锚杆植入、结合面清洗等工序按每3 m高度控制;钢筋制作安装、模板制作安装、混凝土浇筑等工序按每2m高度控制,往复循环直至设计高程987.50m。在高程957.00m处安装一个能够承载一定高度脚手架的施工作业平台,此平台牢固地和井壁四周锚固在一起,同时要解决好施工人员和混凝土等材料的垂直输运问题[2],施工布置见图1。

2 施工主要内容及工序

施工主要内容有:工作平台安装、升降机安装、脚手架搭设、混凝土面凿毛、砂浆锚杆植入、混凝土浇筑等。

施工工序为:施工准备→工作平台安装→升降机安装→脚手架搭设→混凝土面凿毛→植入砂浆锚杆→结合面清洗→水泥净浆喷涂→钢筋及模板制作安装→混凝土浇筑→拆模→养护→脚手架拆除。

3 主要施工方法及技术措施

3.1 工作平台制作安装

图1 涵洞事故门井筒加固施工布置

工作平台面积为3.96m×3.96m,四边由槽钢焊制,中间纵横梁由角钢焊制,平台面板由4cm厚木板拼装加固成一体。在井筒上口底板4角处安装4个电动提升机(底座与底板锚固在一起),作为工作平台垂直提升的牵引动力,形成4m×4 m的提升控制面。4个电动提升机提升钢缆分别与工作平台四角的吊耳连接在一起(施工人员手持有线控制器,根据需要随时操控按钮控制工作平台在井筒的任何位置),先将工作平台由人工从场外移至井筒上口处,配合电动提升机下放工作平台(竖面朝下)至井口下1 m处,调节电动提升机使工作平台竖面变至水平面,施工人员系安全缆绳乘工作平台由电动提升机下降至井筒内956.00m高程位置。人工将井筒高程957.00m位置处的井壁混凝土水平凿进20cm深,水平布置8根0.2m长25号槽钢,槽钢与井壁原混凝土内钢筋焊接牢固,靠近垂直运输面不加锚槽钢,由此作为工作平台的落脚点[3]。然后将工作平台升至高程957.00m处,将工作平台的四边槽钢框架与井壁已焊接锚固好的25号槽钢焊接牢固,工作平台安装完成,与下部涵洞过水空间隔开封闭,井筒加固施工不受涵洞过水影响,高空施工作业有了基础平台。

3.2 升降机制作安装

在涵洞事故门井筒上口处制作安装2台升降机。升降机用25号槽钢焊制成钢笼,施工人员所乘升降机尺寸为1m(长)×0.5m(宽)×1.85m(高),钢笼上部遮板封闭,防坠物,保证人员安全[4]。材料运输升降机尺寸为0.8m(长)×0.5m(宽)×1.85m(高),可供200kg材料运输,钢笼上部敞口,利于长尺寸材料运输。利用原涵洞事故门卷扬启闭机的钢缆作为升降机的牵引吊缆,钢缆与升降机顶部吊耳连接。在升降机进出口处制作钢围栏保证施工作业安全,施工人员手持有线控制器,根据需要可随时分别操控2台升降机在井筒内进行上下垂直运动或停留[5]。

3.3 脚手架搭设

脚手架用5m长的钢架杆在工作平台上竖向用脚手架扣连接,横向间距1 m用短钢架杆与四边钢架杆连接,横向钢架杆上面铺设木板或竹夹板形成工作面供施工人员方便施工,随施工高度需要,一层一层往上搭设直至混凝土最高浇筑高程987.50m。在搭设过程中,每2m高度脚手架水平杆与井壁锚杆焊接牢固,脚手架与井壁之间留足混凝土浇筑空间(约0.6 m)[6]。

3.4 井壁混凝土凿毛

为保证新老混凝土获得良好的结合面,将原混凝土表面破碎、老化、空蚀、裂纹和脱落的混凝土彻底清除,露出新鲜混凝土,并清除浮渣和碎块。原井壁混凝土凿毛施工采用风镐和电钻,凿毛达到要求后用钢刷和压力管水随刷随清洗达到验收要求。

3.5 砂浆锚杆植入

3.5.1 材料

a.砂浆锚杆布置形式:高程957.50～978.50m范围采用Ⅱ级钢筋直径20mm的插筋,伸入原井壁40cm;高程978.50～987.50m范围采用Ⅱ级钢筋直径18mm的插筋,伸入原井壁35cm。

b.水泥砂浆采用高抗硫酸盐硅酸盐水泥。

c.水泥砂浆强度等级不得低于20mPa,掺入UEA型膨胀剂及早强剂等,UEA膨胀剂的掺入量为水泥质量的10%。砂浆配合比:水泥与沙之比(质量比)为1∶1.5;水灰比为 0.40。施工时通过试验选择合适的配合比,使浆液的稠度及流动性满足浆液既不会从锚杆中自动流出,又不易堵塞注浆管的要求。

d.砂子采用中、细沙,最大粒径不超过2.5mm。

3.5.2 植入砂浆锚杆施工流程

在施工前先进行现场工艺试验,然后确定采用“先注浆后安装锚杆”程序施工,施工工艺流程:施工准备→钻孔→清孔→注入水泥砂浆→插入锚杆→验收。

a.钻孔。注浆锚杆的钻孔孔径大于锚杆直径,钻头直径大于锚杆直径15mm以上。

b.清孔。采用高压水清孔。

c.注浆后插入锚杆。在注浆端部加工一直径略小于锚孔的活塞(用橡胶类材料),使之与注浆管固定为一整体,将注浆管送入孔底,然后退回5～10cm开始注浆,随着注浆的进行,通过有压的浆液将注浆管缓慢推出孔外。为防止堵管,将注浆管端头管口锯成45°坡口,注浆时孔内必须是干孔,用高压风吹孔,注浆管通过注浆压力缓慢推出孔外,一般不能人为拔出。

3.6 水泥净浆喷涂和测量放样

井壁清洗干净后,施工人员用毛刷在凿面上均匀喷涂水泥净浆覆盖至整个浇筑面上。水泥净浆表面微干后,根据施工详图,用水准仪、钢卷尺、测绳进行测量放线,确定结构物边线、混凝土面高程,并定出钢筋绑扎和立模边线,做好标记。

3.7 钢筋及模板制作安装

3.7.1 钢筋制作安装

钢筋运入工地时,每批60 t钢筋抽检一次,合格后进行加工。钢筋在加工厂按设计要求制作,分类编号,通过升降机运送至工作仓面。根据测量放线标记,焊接钢筋样架。按照配筋施工详图,核实钢筋的数量、型号等,按由低到高、由内向外的原则,人工进行钢筋绑扎和焊接。钢筋接头错开焊接,同一截面处的接头数不超过总钢筋数的50%[7]。为保证垂直输送混凝土时钢筋骨架不变形及固定模板,把已插入井壁锚固好的锚杆与钢筋网绑扎在一起。为保证混凝土保护层的厚度,在钢筋与模板之间设置强度不低于结构设计强度的混凝土垫块,垫块埋设铁丝并与钢筋扎紧,垫块相互错开,分散布置。为保证钢筋位置准确,钢筋安装均采用架立筋辅助定位。钢筋接头采用绑扎接头。

3.7.2 模板制作安装

采用镜面模板,施工时对模板进行检查,发现损坏或变形立即修补、校正或更换。模板表面涂刷水溶性脱模剂。上下层混凝土模板接缝处用双面胶带等进行堵塞,防止漏浆。模板加固采用方木及钢架杆,方木纵向布置间距20cm,贴紧模板,横向钢杆间距40cm,为避免模板位移,于模板内布置钢筋支撑。浇筑前用高压风、水冲洗仓面。

3.8 混凝土浇筑

3.8.1 混凝土配合比

水泥采用新疆屯河生产的42.5R普通硅酸盐水泥,采用C25F200W6二级配混凝土,掺25%的Ⅱ级粉煤灰和25%的矿渣粉,含气量5.7%,水胶比0.4,坍落度57mm,含砂率29%,各材料用量见表1。

表1 每立方米混凝土各项材料用量 kg

3.8.2 混凝土拌制

采用HZS-60型拌和设备建立混凝土拌和站,配料机为磁铁式自动计量装置,料斗为JS-1000型,用JS-2000自动计量强制式搅拌机拌制混凝土。混凝土配料机与搅拌机配合使用,理论生产能力为25～30m3/h。水泥、粉煤灰、矿渣粉、外加剂采用人工上料,其中砂、石骨料使用ZL30装载机上料至配料机。严格按照设计配合比并采用质量法配置混凝土,混凝土搅拌时间不少于3 min,在机口每4 h检测一次混凝土拌和物的坍落度,每2 h检测一次含气量[8]。

3.8.3 混凝土运输及入仓

将长5m、直径200mm、厚1mm的轻质铁皮管在地面上两头焊接法兰,共5节管,管与管之间的法兰用螺栓上紧。在井筒上口紧挨井壁地板的适宜位置凿一直径40cm的孔洞,用木板围护作为混凝土入料口,铁皮管用安全绳系好从孔洞往下放。离浇筑层最近的铁皮管末端和长4m、直径200mm的钢丝软胶管连接,软胶管方便在浇筑仓面上方来回移动控制混凝土入仓量和高度,铁皮管和软胶管共同组成混凝土输料管。为保证铁皮管在垂直运输混凝土时不来回摆动,在铁皮管靠近井壁适宜位置上用铁卡把铁皮管固定在井壁上,并在井筒上口地板适宜位置用两条安全绳固定好。随着浇筑层上升,随时解开安全绳提升一段铁皮管来保证对浇筑高度的控制。

混凝土拌制好后,用一辆4 t自卸车运送至工作闸井门口处,人工用手推车转运至入料口。浇筑时,先输送一定数量的水泥砂浆润滑铁管,在仓面底部形成垫层,稀释铁皮管里发生离析的砂石骨料。开始输送时,先慢后快,再匀速入料。当输送混凝土出现堵塞时(容易在软胶管折弯处堵塞),停止入料,用木槌敲击等办法,查明堵塞部位,将混凝土击松后,卸完管内混凝土,排除堵塞,再接好软胶管继续输送混凝土。

3.9 混凝土振捣、拆模及养护

采用ZX-30和ZX-50型插入式振捣器振捣。每层铺浆厚度不超过50cm,振动棒间距为250～300mm,振动时间不小于30 s,混凝土捣实至表面呈现浮浆和不再出现气泡为止,从而保证振捣效果。

混凝土浇筑完成后,待混凝土强度达到设计强度的70%时拆模。拆模时轻敲轻放。拆模后,对混凝土进行洒水养护,局部边角用喷雾器洒水,以利于混凝土表面长时间保持湿润状态,直至养护龄期。

4 施工质量控制

本次涵洞闸井事故门井筒加固施工中,新老混凝土之间的结合是质量控制要点。采取了以下处理措施:

a.用电锤钻凿除原井壁老混凝土表面碳化层、质地疏松层以及裂缝、孔洞等局部缺陷部位,露出新鲜完整的混凝土。为确保施工质量,用钢丝刷刷毛后,用高压水冲洗。

b.在水平方向或垂直方向的插筋位置按设计图纸严格放线,做好钻孔标记。用电锤钻钻孔,孔径比插筋直径大4～8mm,孔深比设计的插筋锚固长度略深。钻孔遇到原涵洞内钢筋时可稍偏移绕过。灌注锚固材料前,对钻孔用清水冲洗干净。从钻孔底部开始灌注锚固材料,以确保钻孔完全填充。灌注锚固材料采用膨胀砂浆,增加插筋与老混凝土之间的黏结强度。在植入钢筋时使一些浆液溢出,24 h内不准触动锚固筋。植入的锚固筋与新的钢筋网焊接,保证共同受力。

c.井壁采用净浆喷涂。水泥净浆的配合比根据试验结果严格控制。水泥净浆采用涂刷的方法进行施工,由专业人员操作,以保证施工质量。水泥净浆厚度控制在3mm以上,施工单位设专人负责施工质量管理和控制。

d.选择低温时间浇筑混凝土,减少新老混凝土的温差应力,浇筑后加强混凝土养护。

5 施工质量验收评定

涵洞事故门井筒加固工程共分为14个单元工程,经现场实际检测评定,合格率100%;其中12个单元工程为优良,优良率85.7%,工程质量优良[9-11]。

6 结 语

涵洞事故门井筒加固工程在施工方案上首先要考虑施工安全,在45m高的封闭悬空空间,制作安装了一个能够承载一定高度脚手架的施工作业平台,并在此基础上搭设脚手架,解决了高空垂直施工作业问题;制作安装了升降机,解决了施工人员和材料在井筒内垂直输运问题。在施工中采取了有效的措施解决了新老混凝土结合的问题。在以后的工程实践中,可进一步优化施工方案和施工技术,不断完善和发展此技术在类似工程中的应用。

[1]GB50367—2006 混凝土结构加固设计规范[S].

[2]SL303—2004 水利水电工程施工组织设计规范[S].

[3]JGJl45—2004 混凝土结构后锚固技术规程[S].

[4]SL399—2007水利水电工程土建施工安全技术规程[S].

[5]SL401—2007 水利水电工程施工作业人员安全操作规程[S].

[6]SL400—2007 水利水电工程金属结构与机电设备安装安全技术规程[S].

[7]DL/T5169—2002 水工混凝土钢筋施工规范[S].

[8]SL352—2006 水工混凝土施工规范[S].

[9]GB50204—2002 混凝土结构工程施工质量验收规范[S].

[10]SL223—2008 水利水电建设工程验收规程[S].

[11]SL176—2007水利水电工程施工质量检验与评定规程[S].