复杂结构局部混凝土拆除施工技术

2015-12-06徐申飞石源源

湖南水利水电 2015年3期

徐申飞石源源

（中国水利水电第十一工程局有限公司郑州市 450001）

1 工程概述

涔天河水库扩建工程位于湘水支流潇水上游涔天河峡谷出口处，永州市江华瑶族自治县东田镇境内，下距江华县城12 km。工程是以灌溉、防洪、向湘江下游长株潭河段补水为主，兼顾发电、航运等综合利用的大型水利水电工程。水库正常蓄水位为313.0m，总库容为15.1亿m3。涔天河水库扩建工程为Ⅰ等大（Ⅰ）型水利水电枢纽工程，大坝、泄洪建筑物等为1级建筑物，电站厂房为3级建筑物。

本工程导流洞与永久泄洪建筑物2#泄洪洞相结合，全长921m，纵坡2%，采用出口挑流鼻坎消能。2014年5月11日水库水位达到250.5m（黄海、下同）时，导流洞出口流态出现异常，导流洞出口形成压力流，出现气爆现象，水库水位达到251.3m时，导流洞明渠侧墙顶部开始溢流。这将给导流洞运行带来安全隐患，需要采取有效的措施加以解决。

2 挑流鼻坎降坎设计

出口挑流鼻坎长28.76m，宽17.5m，溢流面高差7.5m，由两个1∶2.567反坡渐变三角体，中间夹个半径55m的渐变反弧段，横断面成“凹”字型，结构体系非常复杂。原挑流鼻坎结构见图1。为了彻底解决导流洞出口流态异常问题，设计开展了导流洞补充模型试验，对多个改造方案的洞口流态及下游冲刷情况进行了大量的分析研究工作，最终推荐“导流期降低挑流鼻坎”的处理方案，即：拆除挑坎部分混凝土，将挑流主鼻坎及左侧贴坎顶高程均降低至EL 227m。局部拆除后的挑流鼻坎体型见图2。

图1 原挑流鼻坎体型

图2 局部拆除后挑流鼻坎体型

导流洞挑坎拆除只进行中间反弧段和左侧三角体局部拆除，从EL 234.5高程拆除至EL 227.0。右侧为直立坡，左侧为1∶0.5坡度，底板为平面。拆除部位为钢筋混凝土，垂直水流面钢筋为Φ20的螺纹钢，顺水流方向为Φ16的螺纹钢，钢筋间排距均为20 cm，混凝土保护层厚10 cm，混凝土为C40HF抗冲耐磨混凝土，本次拆除的钢筋混凝土约为280m3，拆除部分与母体的接触面积约为150m2。

3 挑流鼻坎降坎拆除方案比选

3.1 施工重点和难点

（1）根据业主和设计提供的挑流鼻坎拆除窗口时间为2014年10月16日至2014年10月30日，即老坝放水时段，只有15天时间，工期紧，任务重。

（2）挑流鼻坎体型多变，结构复杂，钢筋密集，混凝土标号高，且母体进行局部拆除后要作为永久结构继续使用，施工难度大，质量要求高。

（3）导流洞施工期的最大流速为15m/s，挑流鼻坎进行降坎拆除后，接触面将作为过流面使用，对接触面平整度要求较高。

3.2 挑流鼻坎降坎拆除方案比选

根据挑流鼻坎降坎拆除施工的重点和难度，结本工程实际情况，拟定了3个方案进行比选。

（1）静态爆破剂拆除方案。

该方案首先采用混凝土切割机沿设计拆除线将母体和拆除体的连接钢筋割断，同时在拆除体表面采用混凝土切割机按50 cm间距进行纵横切割，将钢筋割断。然后采用手风钻按30 cm间排距，梅花形钻竖直孔，清孔后填入静态爆破剂进行爆破。该方案的优点就是无飞石、无振动、无噪音，对母体损害小。缺点是静态爆破剂受外界环境影响大，爆破效果不稳定，目前国内成功对大体积钢筋混凝土拆除的案例还没有，成功的把握不大，同时施工工期长，成本费用高。

（2）控制爆破拆除方案。

该方案首先采用混凝土切割机沿设计拆除线将母体和拆除体的连接钢筋割断。然后沿切割线布置竖直和水平预留孔进行预留爆破，最后在拆除体表面梅花形钻竖直孔，按控制爆破进行拆除。该方案的优点是施工工期短，成本较低，控制爆破拆除技术已是一项成熟施工工艺，可以进行有效的拆除。缺点是该工程只进行局部拆除，母体还将作为永久建筑物使用，爆破震动对母体的损害程度很难预测，接触面的平整很难满足过流面的质量要求。

（3）绳锯切割和控制爆破相结合拆除方案。

首先采用取芯钻在切割面设计特征点钻设威也孔，然后采用液压绳锯按照设计拆除面进行切割，最后在拆除体表面梅花形钻竖直孔，按控制爆破进行拆除。该方案的优点是绳锯切割后的接触面光滑、平整，能满足过流面的质量要求；先采用绳锯切割将拆除体与母体脱离后，再进行控制爆破可以大幅度降低爆破震动对母体损伤；工期能满足要求。缺点是施工成本较高。

经过进度、安全、质量和经济综合比较后，挑流鼻坎降坎拆除决定采用绳锯切割和控制爆破相结合的方法进行拆除。

4 混凝土拆除施工

4.1 施工程序

导流洞出口挑流鼻坎降坎施工程序见图3。

图3 挑流鼻坎降坎施工程序框图

4.2 施工准备

（1）施工供风。

在现场配置2台20m3移动油动空压机，供钻爆用风。

（2）施工供水。

在下游河道布置1台1吋潜水泵直接抽取河水，供绳锯设备冷却使用。

（3）施工用电。

切割设备、钻孔设备和供、排水设备和照明等，用电负荷约160 kW。从施工支洞出口处1 000 kVA变压器接线。

（4）施工道路布置。

利用导流洞挑流鼻坎施工道路，作为降坎施工拆除施工道路，同时利用石渣在挑流鼻坎下游出口回填一个4.0m宽的作业平台。

（5）导流洞内积水排除。

4.3 混凝土切割施工

（1）切割施工工艺流程。

施工准备→测量放线→威也孔钻设→绳锯切割。

（2）施工准备。

①接通水电，做好照明、用水等工作。

②对施工人员进行安全技术交底，组织施工人员熟悉现场情况。

③向监理部上报特种人员上岗证，并对进场设备进行报验。

（3）测量放线。

采用全站仪将设计拆除轮廓线和将威也孔的钻孔位置放在建筑物实体上，并用红油漆标识。

（4）威也孔钻孔。

根据挑流鼻坎的复杂体型结构，将拆除体切割成反弧段和反坡三角体两块，为便于绳锯穿线，在分割交点位置钻威也孔。孔径Φ80mm，采用MOD.MQ-405B金刚石钻机钻孔。为确保钻孔精度，将取芯钻采用膨胀螺栓固定在混凝土面上，开钻前采用全站仪校正取芯钻机架设位置和钻设角度。钻孔完成后再采用全站仪检查威也孔的进口和出口偏差。威也孔的布置见图4。

图4 挑流鼻坎降切割分区图

（5）绳锯切割。

本次拆除部位为异形结构，挑坎部位为渐变反弧，长5.9m，左侧为渐变反坡三角体，长20m。根据拆除体的体型，分为5个面进行切割，切割成反弧段和反坡三角体两块。采用德国进口的混凝土钻切设备“塞迪玛WS-450H”全液压切割机进行无损静力切割，切割面划分见图4。首先进行1#和2#两个水平面的切割，水平面切割过程中每隔2.0m插入1个钢楔子，防止切割完成后脱离体下沉，挤压切割绳；同时让脱离体与母体之间形成一定的空隙，减小控制爆破对母体的冲击。水平面切割完成后，进行3#和4#两竖直切割面的切割。最后进行5#斜面切割。切割设备架设在混凝土面采用进行切割，滑轨、导向轮采用膨胀螺丝固定。

4.4 控制爆破拆除

根据拆除体的体型特征，爆破拆除分两个区进行，首先进行反弧段的爆破，然后进行反坡三角体的爆破。钻孔采用TY28手风钻，炸药选用2#岩石炸药，非电微差毫米雷管引爆，电雷管起爆。采用孔外延时，簇并联起爆网络。

（1）单响药量计算。

爆破拆除在母体上进行，重点是减小爆破震动对母体的损害。查《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL 378-2007）表D.0.3-1爆破质点震动安全允许标准。按照新浇大体积混凝土龄期（7~28）d，质点振动安全允许速度值为（7.0~12.0）cm/s。取12.0 cm/s进行试算。试算公式：

式中V——质点振动速度；

W——爆破装药量；

D——爆破区药量分布的几何中心至观测点或建筑物、防护目标的距离；

K——与场地地质条件、岩性特性、爆破条件以及爆破区与观测点或建筑物、防护目标等有关的常数。

经试算单响药量为4.0 kg。

（2）爆破参数选择。

根据《水利水电工程施工组织设计手册》第2册进行爆破参数选择。

最小抵抗线W值查表4-4-97，按照大体积混凝土取值，取W=60 cm。

炮孔间距a及排距b确定，查表4-4-98，按照钢筋混凝土取值，取a=90 cm；取b=80 cm。采用梅花型布孔。

爆破孔孔底至保留体的距离E不小于最小抵抗线W。取E=W=60 cm。

（3）单孔爆破药量计算。

临空面一排孔的药量计算：q=KWaH；多排炮孔布置中间各排炮孔的药量计算：q=KabH。

式中q——单孔装药量（g/孔）；

K——单位用药量（g/m3）；

W——最小抵抗线（m）；

a——炮孔间距（m）；

b——炮孔排距（m）；

H——爆破拆除高度（m）。

（4）装药结构设计。

根据拆除结构形式及钢筋的分布形式，为取得较好的爆破效果，爆破孔钻孔方向垂直于混凝土面，根据孔深的变化采取分层装药，孔深在1.5m以内装药不分层，孔深（1.5~3.0）m的孔分两层装药，孔深（3.0~5.0）m的分三层装药。相邻两层药包的中心间距大于0.3倍的孔深，小于1.5倍的最小抵抗线。炮孔堵塞采用黄泥，长度大于0.75的最小抵抗线。分层装药药包采用导爆索串联，非电毫秒雷管起爆。

5 实施效果

导流洞挑流鼻坎于2015年10月16日开始进行施工，10月22日完成混凝土切割任务，使拆除体与母体顺利脱离。10月24日在反弧段进行生产性爆破实验。震动监测点布置见图5，震动监测设备显示最大震速v=11.44 cm/s,在规范允许范围之内。爆破最大震速见图6，爆破后的混凝土块体适中，便于反铲清理；经检查在距离挑流鼻坎10m处的变形缝没有发生位移；渣料清理后母体切割面光滑、平整，没发现爆破损害的痕迹，满足过流面的质量要求。经综合分析所选取的爆破参数和降坎总体方案合理、实用。10月28日完成了剩余部位的拆除，比预期提前了2天。达到了预定的进度、质量和安全等各项目标。挑流鼻坎降坎后的效果见图7。