沙沱升船机二期混凝土滑模设计与施工

2017-08-28耿克普宋远卓毛燕军

水力发电 2017年6期

关键词：支撑杆滑模桁架

冯伟,耿克普,宋远卓,毛燕军

(1.杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州310019;2.华电电力科学研究院,浙江杭州310030;3.杭州国电机械设计研究院有限公司,浙江杭州310030)

沙沱升船机二期混凝土滑模设计与施工

冯伟1,耿克普2,3,宋远卓2,3,毛燕军2,3

(1.杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州310019;2.华电电力科学研究院,浙江杭州310030;3.杭州国电机械设计研究院有限公司,浙江杭州310030)

沙沱升船机工程中的承船厢室轨道二期混凝土具有高落差、仓面小、对称分布等特点,针对这些特点本工程采用了施工速度快、机械化程度高的滑模施工技术,从滑模施工方案、模体设计、施工工艺等方面详细阐述了滑模施工在沙沱升船机工程中的应用。实践表明,滑模施工对于升船机工程中的承船厢室轨道二期混凝土施工适用性较强,既能节约工期又具有较好的经济效益。

升船机；承船厢室轨道；滑模施工；二期混凝土；高落差；沙沱水电站

1 工程概述

沙沱水电站工程采用碾压混凝土重力坝、左岸坝后式厂房、右岸垂直升船机布置方案。通航建筑物设计标准船型吨位为500 t级机动单驳。沙沱升船机为一级垂直升船机,采用钢丝绳卷扬全平衡垂直提升。沙沱升船机承船厢室轨道二期混凝土主要包括：承船厢导向装置二期混凝土(283～367 m高程)、对接锁定装置二期混凝土(282.5 ～367.5 m高程)、顶紧机构二期混凝土(282.5～367.5 m高程)。承船厢室轨道二期混凝土总量约为1 800 m3,其中导向轨道4条,对接锁定轨道4条,顶紧机构轨道2条。承船厢室对接及顶紧轨道二期混凝土断面为800 mm×800 mm,导向轨道二期混凝土断面为2 000 mm×1 090 mm,内有埋件。

承船厢室轨道二期混凝土施工存有高落差、仓面小、施工场地有限、周期长、立模繁琐、辅助耗材多等缺点,所以综合考虑各方面因素对承船厢室10条轨道二期混凝土回填施工采用滑模施工。

图1 沙沱升船机承船厢室轨道布置(单位：cm)

2 滑模施工方案

滑模施工具有施工速度快、机械化程度高、辅助耗材少、混凝土连续成型等优点,非常适合于承船厢室轨道等高落差、对称截面的混凝土工程施工。

(1)考虑到承船厢室轨道对称布置,如图1所示,图中一侧有5条轨道,因此滑模施工方案采用左右侧轨道同步滑升的方案进行,沿横向布置滑模架,通过滑模架将左右侧对称轨道的模板系统连接成一个整体,从而实现两条轨道同步滑升的目的。

(2)考虑到二期混凝土截面小,且内有精度要求较高的埋件,千斤顶及支撑杆布置较困难,因此不宜采用内爬式滑模施工。因此本工程中均采用外爬吊式滑模施工,支撑杆不埋置于混凝土中,可以循环利用。滑模利用穿心式液压千斤顶沿布置于滑模提升架四周的支撑杆爬升。

(3)为解决传统二期混凝土施工过程中混凝土入仓采用串筒下料时骨料分离严重的问题,本工程中针对高落差、仓面小等特点,采用了溜管+缓降器+串筒的入仓方式。

(4)滑模施工的一大特点是一旦开始滑升,便要求24小时不间断施工。且本工程中二期混凝土仓面较小,单位时间内混凝土需求量较小,这就对混凝土的供应提出了要求,为满足上述施工特点,采用小型混凝土计量拌和站生产的自拌混凝土进行浇筑。

(5)滑模架主体结构基本相同,只需根据埋件特点改变模板系统设计即可,因此本文主要以对接锁定轨道为例,介绍其滑模设计及施工工艺流程。

3 滑模设计

3.1 滑模模体结构设计

沙沱升船机滑模模体设计采用整体液压外爬式滑模施工方案。为保证施工安全性及施工质量,滑模为整体钢结构,滑模装置主要由模板、提升桁架、支撑杆、液压系统及辅助系统构成。

(1)模板。滑模模板系统根据二期混凝土体型进行设计,模板高1.5 m,并采用4 mm钢板加工成型,采用槽钢20号作为围圈,围圈与提升架之间通过焊接连接。在模板边与一期混凝土面相交区域沿高度方向设置丝杆调节自适应机构。利用该自适应机构主要实现两个功能：①确保滑模与一期混凝土表面接缝紧密,尽量避免漏浆现象；②避免在滑升过程中因一期混凝土体型偏差而产生卡滞现象。

(2)提升桁架。滑模模体沿通航建筑物纵向中心线对称布置,见图2。本次所使用的提升桁架为内外挑架施工平台,内提升桁架采用∠75×10角钢焊接组成,尺寸为16 m×1 m×1.5 m(长×宽×高),内提升桁架由主梁、环梁及斜撑组成。内提升桁架主梁为4条,每条主梁由2根8 m长角钢焊接而成。内提升桁架环梁为矩形并由4根角钢组成,间距为1 m,环梁主要用于连接4条主梁,从而形成提升桁架主体结构。环梁之间采用斜撑连接,以提高内提升桁架的刚度及整体稳定性。外提升桁架采用与内提升桁架相同的结构形式,外提升桁架尺寸为3.8 m×0.65 m×1.5 m(长×宽×高)。

(3)支撑杆。支撑杆是千斤顶运动的轨道,是滑模系统中主要的受力构件。本文中采用外爬式滑模施工,相当于将提升桁架通过4条支撑杆悬吊于承船厢室内,并最终通过支撑杆将全部荷载传递至主机房377 m高程平台,因此支撑杆的作用尤为重要。本文选用Φ48 mm×3.5 mm钢管作为支撑杆,支撑杆可重复利用,每节6 m,支撑杆之间通过螺纹连接。支撑杆通过主厂房377 m高程平台的钢丝绳孔下放,支撑杆在平台通过挡板与型钢焊接固定。

图2 对接锁定轨道滑模模体构造平面示意(单位：mm)

(4)液压系统。液压系统主要由YKT-36型液压控制台、HM-100型(10 t)液压穿心式千斤顶、油管及其他附件组成。对称布置4台HM-100型(10 t) 液压穿心式千斤顶,千斤顶通过20号槽钢与内提升桁架连接。

(5)输助系统。输助系统主要包括洒水养护、测量控制、辅助平台等。由于埋件已安装就位且已验收合格,所以二期混凝土的精度控制主要以埋件为基准进行,滑模装置沿埋件的轨道面进行滑升,并定期根据实际情况进行调整。在滑模滑升到一定高度时,在滑模体下部安装施工吊架,吊架为Φ20钢筋焊接而成,并在施工吊架上铺设竹条板,瓦工站在吊架平台上对表面作原浆抹光。

3.2 滑模计算

3.2.1 模板滑升速度V确定[1-2]

按支承杆无失稳可能,计算模板滑升速度

(1)

式中,V为模板滑升的速度,m/h；H为钢模板的高度,m；h0为每个混凝土浇筑厚度,m；a为混凝土浇筑后表面至模板上边缘距离,取0.1 m；t为混凝土达到出模强度所需时间,h,本工程中取4。

在本工程中,单块模板尺寸为1 500 mm×800 mm×4 mm(高×宽×厚),H=1.5 m,h0=0.2 m,代入式(1)可求得V=0.3 m/h。

3.2.2 模板及围圈计算

新浇混凝土对模板产生的侧压力标准值[3]

F2=γCH

(2)

F=min[F1,F2]

式中,F为新浇混凝土对模板产生的侧压力,kN/m2；γc为混凝土的容重,kN/m3,本工程为25；t0为新浇筑混凝土的初凝时间,h,本工程取4；β1为外加剂影响修正系数,本工程取为1；β2为坍落度影响修正系数,本工程取为1；V为混凝土的浇筑速度,m/h。

将上述数值代入式(2)可得F1=0.22×25×4×1×1×1.4=12.05 kN/m2,F2=25×1.4=35 kN/m2,取小值,则新浇混凝土对模板产生的侧压力F=F1=12.05 kN/m2,振捣混凝土产生的侧压力标准值F′=6 kN/m2。考虑荷载组合,作用于模板的荷载设计值F设=1.2×12.05+1.4×6=22.86 kN/m2。

模板及围圈的应力要求小于其允许应力,模板及围圈材质均为Q235钢,查相关规范可知其允许应力值为215 MPa。本文采用大型通用有限元数值计算软件ABAQUS作为分析工具,研究模板及围圈的应力状态及变形量。模型为单块模板,钢模板有3道20号槽钢作为围圈。在模板内侧添加荷载,并在每道围圈相应区域添加位移约束,以模拟其真实工况。

图3 模板应力云图

图4 围圈应力云图

图5 模板及围圈位移云图(放大100倍后)

图3、4分别为模板和围圈的应力云图。由图3、4可知,钢模板最大Mises应力为34.02 MPa,槽钢围圈最大Mises应力为35.54 MPa,均小于其允许应力215 MPa,说明钢模板及围圈工作状态正常,具有较高的安全储备。图5为放大100倍后的模板及围圈位移云图。由图5可知,模板及围圈最大变形量为0.3 mm,变形量在允许范围内。

3.2.3 滑模支承杆承载力计算[1-2]

根据经验公式计算滑升摩阻力G1,即

G1=kf0s

(3)

式中,k为附加影响系数,取k=1.5；f0为摩擦系数,一般对钢模板取2 kN/m2；s为模板面积。

计算滑膜荷载：①滑升摩阻力。本工程s=1.5×0.8×8=9.6 m2,则G1=1.5×2×9.6=28.8 kN。②滑模结构自重G2=5 t=50 kN。③计算施工荷载。按照5人,每人质量75 kg考虑,人员的重量T1=3.75 kN。取相关施工设备的重量T2=10 kN。考虑1.3倍的不均衡系数和1.2倍的动力荷载系数,则施工荷载G3=(T1+T2)×1.3×1.2=21.45 kN。综上,滑模模体受到的竖向总荷载W=G1+G2+G3=100.25 kN。

采用Φ48 mm×3.5 mm钢管作为支撑杆,其允许承载力为

(4)

式中,P0为支撑杆允许承载力,kN；α为工作条件系数,取0.7～1,本工程为整体刚性平台取0.7；K为安全系数,取值不小于2,本工程中取2；L为支撑杆长度,m,当支承杆在结构体内时,L取千斤顶下卡头到浇筑混凝土表面的距离,当支承杆在结构体外时,L取千斤顶下卡头到模板下口第1个横向支撑扣件节点的距离,本工程取1.7m。本工程P0=34.73 kN。

计算液压提升系统所需千斤顶和支承杆的最小数量,nmin=W/P0=100.25/34.73=2.89,根据滑模结构具体情况取千斤顶4台,支撑杆4根,对称布置,能够满足施工强度,确保滑模工作状态可靠。

4 滑模施工

4.1 混凝土入仓方案

承船厢室轨道二期混凝土施工过程中最大的困难就是混凝土浇筑的高落差,本工程中最大落差达96 m。混凝土浇筑过程中落差过大,容易引起混凝土离析,从而导致混凝土成型后有蜂窝、麻面、强度不足等质量问题。解决混凝土高落差垂直运输问题,能够满足滑模施工工艺需要是本工程的关键问题。在本工程中采用溜管+缓降器+串筒混凝土垂直运输方案。

4.1.1 混凝土垂直运输系统布置

由于本工程中为2条对称轨道同步滑升,因此一次需布置2条供料线,每条轨道对应一条供料线,每条供料线均由集料斗、溜管、缓降器及串筒组成。具体做法是：在377 m高程平台预留的承船厢钢丝绳孔布置1个集料斗,下部用Φ159溜管接引至浇筑高程,每隔一段距离安装一个缓降器。混凝土在自由落体下降过程中,在缓降器内降低了向下冲击力并在缓降器内再次强制拌和。如此经过几个缓降器可将混凝土送至滑模模板内,实现混凝土入仓。在每条供料线的集料斗上方布置提升架,并在提升架上方固定滑轮,卷扬机钢丝绳通过滑轮转向后通过钢丝绳孔下放。利用卷扬机进行溜管、支撑杆及滑模提升桁架的拆除。整个系统布置简单方便,可操作性强,系统布置见图6。

图6 混凝土供料线布置示意

4.1.2 技术参数

在主机房377m高程平台对称布置2个混凝土集料平台,每个集料平台的容积约为0.5 m3。由混凝土运输车分别卸料至2个集料平台,再由人工铲运至集料斗,这样有利于控制进料口的喂料速度,进而保证混凝土均匀连续下落,避免混凝土流速过大使溜管、缓降器和模板受到冲击而破坏。

溜管采用Φ159 mm×5 mm钢管加工,为便于现场施工,溜管每节6 m, 溜管与溜管、溜管与缓降器之间通过法兰盘利用M16的螺栓连接。

本工程中所用缓降器根据My-box改造而成,混凝土缓降器在高落差混凝土浇筑工艺中应用广泛,其主要作用是在混凝土下落过程中对利用混凝土自重对混凝土起到缓降和重新拌合的作用,防止混凝土骨料分离现象,提高混凝土的和易性,见图7。每18 m左右溜管设置1个缓降器。当接近仓面时通过挂串筒方式实现混凝土入仓,串筒每节约1 m,因此可根据实际需要调节所需串筒数量,灵活性较强,且串筒之间通过挂钩及挂环实现柔性连接,方便于供料线在同一条轨道两仓面之间来回移动。

图7 缓降器结构示意(单位：mm)

4.1.3 使用效果

沙沱升船机承船厢室轨道全部二期混凝土均采用此类混凝土垂直运输方案,有效保证了混凝土的施工质量。施工过程中发生过2次堵管事件,经分析原因均是由于混凝土骨料中含有部分超径石。截止目前,承船厢室轨道二期混凝土已全部浇筑完成,有效保证了项目工期按期完成。此方案操作性强、成本低、效率高,且能满足本工程滑模施工对混凝土供应的连续性、高落差及小仓面等要求,与升船机工程承船厢室轨道二期混凝土滑模施工工艺配合应用,具有广阔的应用前景,对其他类似工程施工有一定借鉴价值。

4.2 滑模混凝土浇筑

根据工程经验此工程中混凝土的坍落度控制为5～7 cm,水泥优先选用425号普通水泥,碎石最大粒径为40 mm,砂为中砂。混凝土每次浇筑20 cm,每次滑升间隔时间宜控制在1～2 h,若时间长易产生拉裂现象,时间短则出模强度未到会出现塌方现象,所以要掌握混凝土的初、终凝时间及气温情况,严格控制每层混凝土的浇捣时间。混凝土的养护为浇水养护。各仓面混凝土应对称均衡浇灌。正常滑升阶段的混凝土浇筑,每次模板提升前,宜将混凝土浇筑至模板上口下50～100 mm处。

4.3 滑模滑升[6- 8]

(1)试滑。平台组装好后要进行试滑升,检查整个系统下沉与否。滑模试滑主要用于检验滑模装置和混凝土凝结状态。脱模的混凝土用手指按压有轻微的指印且不粘手,滑升过程中有沙沙声,说明即已具备滑升条件。当模板滑升至200～300 mm高度后,应稍作停顿。

(2)始滑。始滑时由于需浇满整个1.5 m高模板内混凝土量较大,宜分层浇捣,每次浇捣高度为200 mm左右,设专人指挥,浇好一圈后循环浇筑混凝土,当下层混凝土强度达到0.1～0.3 MPa,且整体浇筑高度达到0.8 m以上时即提升1～2个行程,循环浇捣混凝土至模板顶部时进入正常的滑升阶段。始滑阶段应根据水泥品种、标号及初凝终凝时间确定初次提升时间。初次的速度不宜过快,当滑升至30 cm时应对整个平台系统进度全面检查。

(3)正常滑升阶段。正常滑升阶段每小时滑升约30 cm,每次滑升间隔时间为1～2 h。在滑升过程中,操作平台应保持水平。

4.4 滑模纠偏

在滑模滑升过程中,由于提升架受荷载不均或千斤顶不同步,滑模模体会产生倾斜。因此在滑模滑升过程中,应随时对模体进行检查,发现偏差应及时进行纠偏。本工程中主要利用千斤顶自身纠偏,即发生偏差时关闭部分千斤顶,然后滑升一定的行程,再打开全部千斤顶滑升一定的行程,反复数次最终达到设计要求。

4.5 滑模拆除

随着模体的滑升,根据实际情况,利用377 m高程平台布置的卷扬机对支撑杆及溜管进行拆除。滑模模体滑升完毕整体脱模后,用卷扬机悬吊提升桁架,然后拆除剩余的串桶、溜管和支撑杆,最后进行提升桁架的拆除。拆除提升桁架时,先拆除两侧的外提升桁架,并通过卷扬机下放至承船厢室底板另一工作面待用,最后用施工桥机将中间段滑模架吊出并移位至下一工作面。

5 效益分析

采用滑模施工有如下优势：

(1)节约材料。如采用常规施工方案,需搭设大量的钢管脚手架,并需要较多的钢模板及相应加固材料。

(2)施工过程简单,安全可靠。整个过程便于标准化施工,且施工主要在操作平台上进行,施工作业面安全防护到位,安全风险可控。

(3)此滑模施工过程所需人员为26人左右,分2班作业,且滑模模体材料、支撑杆、溜管等材料均可以重复利用,经济效益好。

(4)滑模施工的速度为7 m/d,且为2条轨道同步滑升,10条轨道总工期为70 d,相对于固定模板施工而言,节约工期约1个月。

6 结语

滑模施工方案能够适用沙沱升船机工程中承船厢室轨道二期混凝土施工特点,施工质量能满足设计要求。且施工方案操作性强、成体低、经济效益好、工期短,对于类似工程条件下的混凝土施工具有一定的借鉴价值与指导意义。

[1]GB 50113—2005滑动模板施工技术规范[S].

[2]DL/T 5400—2007水工建筑物滑动模板施工技术规范[S].

[3]杨嗣信, 高玉亭, 程峰, 等. 混凝土结构工程施工手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2014．

[4]杨选波, 曹劝绩, 李伟泉, 等. 高落差长溜管在长隧洞混凝土运输中的应用[J]. 南水北调与水利科技, 2013, 11(4)： 211- 214．

[5]汪永剑, 丁仕辉, 何育文, 等. 高陡坡运输碾压混凝土抗分离溜管的研制与应用[J].水利水电技术, 2010, 42(10): 91- 93．

[6]苏志兰. 滑模施工技术在群体筒仓中的应用研究[D]. 泉州：华侨大学, 2013．

[7]王永兴, 张轩庄, 孙强延, 等. 基于模退火算法的闸墩滑模优化设计[J]. 人民黄河, 2011, 33(8): 132- 134．

[8]李日峰, 周国辉. 滑模施工在长洲水利枢纽中江泄水闸门二期混凝土施工中的应用[J]. 红水河, 2009, 28(6): 73- 77．

(责任编辑王琪)

DesignandConstructionofSlipFormfortheSecondPhaseConcreteofShatuoShipLift

FENG Wei1, GENG Kepu2,3, SONG Yuanzhuo2,3, MAO Yanjun2,3
(1. Hangzhou Metro Group Co., Ltd., Hangzhou 310019, Zhejiang, China; 2. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, Zhejiang, China;3. Hangzhou State Power Machinery Research & Design Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, Zhejiang, China)

The second phase concrete construction for the pathway of ship chamber in Shatuo ship lift is characterized by high drop, small placement surface and symmetric distribution, so the slip-form construction with fast construction speed and high level of mechanization is adopted in this project. The application of slip-form construction in Shatuo ship lift is elaborated from construction scheme, body design of slip form and construction technology. It is proved by practice that the slip-form construction exerts strong applicability on the second phase concrete construction which not only saves construction period, but also brings enormous economic benefit．

ship lift; pathway of ship chamber; slip-form construction; second phase concrete; high drop; Shatuo hydropower Station