可移动式混凝土旋转分料系统的设计与应用

倪 华 军，李 军 洪，余 旭 东

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鹤滩水电站左岸共布置有8条引水隧洞，自上游至下游依次编号为①～⑧。引水隧洞由渐变段、上平段、渐缩段、上弯段、竖井段、下弯段及下平段组成。单条引水竖井深约176 m，含上下弯段及竖井段，其中竖井直段长104.5 m，竖井开挖断面为Φ12.2 m的圆形断面，压力钢管内径为10.2 m。引水洞上弯、竖井、下弯、下平段为压力钢管钢衬混凝土结构，管外回填C20素混凝土，混凝土回填厚度为1 m。

左岸引水隧洞采用的是单洞单机竖井式布置，隧洞所承受的水压力高，设计最大内水压力约为354 m。引水隧洞自上平段末端起全部采用钢板衬砌，包括上弯段、竖井段、下弯段及下平段。①～⑥引水隧洞单条压力钢管共88节，管线长度为232.654 m，⑦～⑧引水隧洞单条压力钢管共89节，管线长度为235.654 m，8条引水隧洞压力钢管总节数为706节，管线总长度为1 867.234 m，工程总重量为19 279.7 t。

通常情况下，在进行小断面(直径≤6 m)压力管道竖井钢衬回填混凝土施工时，通过布设单趟溜管、在溜管下口采用一个三通分两个下料点即能满足混凝土布料要求。而对于诸如直径在10 m以上的大断面压力管道竖井钢衬回填混凝土施工，若竖井直段从引水上弯一个方向采取溜管入料，如只采用一个或两个下料点势必会造成压力钢管下料不均匀、侧压力大而引起压力钢管变形；混凝土料头距离远易造成冷缝，不能满足混凝土浇筑质量要求。为解决施工中存在的技术问题，有必要设计一种由单点下料转化为多点下料的可移动混凝土旋转分料系统，且不增加混凝土施工作业的难度。笔者介绍了可移动式混凝土旋转分料系统的设计方案。

2 可移动式混凝土旋转分料系统设计方案

2.1 系统设计思路及要点

在设计之初，为解决竖井内多点对称均匀下料问题，笔者收集了大量的工程资料。大多数情况下，引水竖井均采用钢筋混凝土衬砌结构，且采用滑模施工方案[1]的较多，利用滑模自身平台分料；而小型引水竖井采用钢衬混凝土结构时仅采用单根溜管向两侧分料即能满足入仓要求。

白鹤滩水电站左岸引水竖井为压力钢管衬砌混凝土结构，压力钢管直径为10.2 m，深度达176 m，混凝土只能从引水上弯段下料。对于该类大断面竖井钢衬结构工程混凝土入仓无同类工程经验可参考。项目部工程技术人员仔细推演了压力管道竖井混凝土入仓过程，发现需要在溜管下部设置一个分料转换系统使混凝土从压力管道竖井溜管进入该分料系统后能够均匀地分配到仓面的各个部位。同时，该系统应具有入料结构简单、操作简便、周转使用、安全可靠等特点。

针对该分料转换系统，技术人员采取头脑风暴法[2]进行了多次研讨，从功能、结构、安全性等方面进行了反复推敲，最终形成了设计方案，并将其命名为可移动式混凝土旋转分料系统。该分料系统主要由以下三部分组成：底梁支撑系统、接料系统及旋转分料系统。

2.2 系统设计

(1)底梁支撑系统。底梁支撑系统主要用于支撑接料系统、上部旋转系统、混凝土等所有荷载并提供施工操作平台，吊运方便。底梁支撑系统平放在压力钢管上管口，在底梁支撑系统底部设置防滑挡板，防滑挡板与压力钢管口布置一致，使用时，整体分料系统受混凝土下料冲击时不得滑移。压力钢管口直径为10.2 m，底梁长度要求必须大于10.2 m。同时，对底梁的基本要求就是满足上部荷载。对于底梁，经过对钢桁架结构、单工字钢、工字钢叠合梁方案进行比较后，最终决定底梁采用双22#工字钢叠合梁方案，即底梁采用4根22#工字钢布置双侧支撑，单侧支撑采用2个22#工字钢叠合焊接而成。底梁尺寸：长×宽×高=10.5 m×2.4 m×0.44 m ，总重量约为4.1 t，最高处为5.64 m。

(2)接料系统。接料系统主要解决混凝土从竖井溜管底部顺接至旋转分料系统中心料斗内的难题，其主要起连接溜槽的作用。接料系统的荷载既要满足混凝土自重和动荷要求，又要有效减少接料系统的自重，有效减少对底梁的负荷。接料系统的高度既要满足混凝土流动坡比要求，又要满足整个系统在转移过程中洞内建筑限界尺寸要求，最终确定的方案为：接料系统最高处为4 m；另外，栏杆高度为1.2 m，溜槽坡比为17%。考虑到接料系统与底梁可简单拆卸，故接料系统与底梁采用插销连接与固定。接料支撑架尺寸：长×宽×高=4 m×1.2 m×4 m(2.8 m)，顶部布置溜槽、走道及栏杆，侧面布置爬梯。

(3)旋转分料系统。旋转分料系统是解决混凝土多个下料点问题的关键结构。混凝土从中心位置通过旋转系统可辐射360°施工范围。技术人员充分考虑了混凝土流态和压力钢管外围周长关系，经计算，压力钢管外围周长为32 m，布置4个下料点，单个下料辐射8 m范围。旋转分料系统按照以中心旋转270°即能满足4个下料点的入仓要求设计。旋转分料系统既要满足混凝土流动坡比，又要有效控制旋转分料系统中心料斗高度。最终确定的溜槽坡比为18%，分料旋转系统中心高度为2.5 m，斜长为6 m，宽度为1 m。

(4)分料系统集成。可移动式混凝土旋转分料系统包括装配为一体的底梁、接料支撑架和分料旋转系统。接料支撑架通过螺栓与底梁可拆卸连接，分料旋转系统通过旋转轴系统与底梁焊接连接；旋转轴系统的底端焊接固定在底梁上；分料旋转系统以旋转轴系统为中心轴可沿旋转轴系统呈360°水平旋转；通过三个子系统合理集成，达到混凝土分料均匀入仓的目的。

3 分料系统在引水竖井钢衬回填混凝土施工中的应用

3.1 引水竖井钢衬回填混凝土的水平及垂直运输

在进行引水竖井段钢衬回填混凝土施工时，其混凝土的水平运输系从拌合站采用混凝土搅拌运输罐车运输至引水上平洞。其竖井混凝土的垂直运输[3]系采用罐车直卸至溜管料斗，混凝土经溜管至可移动式混凝土旋转分料系统，再经移动分料槽和溜筒入仓。在竖井内沿着井壁布置一趟DN300溜管，单根溜管长度为6 m，溜管之间采用法兰和螺栓连接。溜管间隔18 m设置一个H型缓冲器[4]。

3.2 溜管系统的安装与拆除

竖井段混凝土溜管系统是混凝土入仓的关键系统，在安装、使用和拆除过程中，应重点关注：(1)溜管的连接与井壁的固定牢固；(2)缓冲器的设计与布置合理；(3)溜管系统的耐磨损设计及维护；(4)溜管的安装和拆除一定要安全、方便。

溜管和缓冲器的耐磨设计：在混凝土下料过程中，溜管连接处、转弯处、缓冲器的底部和外侧管壁磨损最大。针对此，首先应选用加厚型钢管(壁厚不小于8 mm)制作溜管和缓冲器。针对磨损较大的部位采用在溜管内焊接耐磨钢筋、管外绑焊一层钢管后包裹一层橡胶皮或橡塑的方式进行处理。

竖井段溜管的安装方式：在竖井段与上弯段相交处设置一个钢平台，主要用于溜管的下放与安装，利用2×30 t桥机将其从上弯段吊运至钢平台处。另外布置两台5 t卷扬机牵引溜管，安装一节溜管利用卷扬机向井内下放一节溜管，固定钢绳，逐节与溜管吊耳锁住，待竖井段溜管下放到位后再安装上弯段与竖井连接段的溜管。溜管的临时固定采用两根钢绳，最后利用2×30 t桥机载人吊篮分段采用拉筋将溜管和锚杆焊接固定。

竖井段溜管的拆除方式：根据竖井段钢衬回填混凝土分段长度为18 m、每仓混凝土收仓面距离压力钢管口为1.2 m的具体情况，混凝土收仓后，首先吊离可移动式混凝土旋转分料系统，再利用桥机拆除18 m溜管(6 m/根)，每次拆除溜管时保证溜管最下端有一个缓冲器，能够有效控制混凝土离析现象[5]。

3.3 可移动式混凝土旋转分料系统的安装与拆除

可移动式混凝土旋转分料系统在加工场内制作并将底梁和旋转分料系统组装完成。采用9 m长的平板汽车将其转运至引水上弯段桥机底部，再将接料平台与底梁组装完成。利用2×30 t桥机整体将移动分料系统吊运至竖井段压力钢管上口，并与溜管下料口对应就位。为确保移动分料系统吊运安全，移动分料系统整体采用钢绳与卡环临时固定。安装就位时，施工人员根据底梁的限位装置将底梁与压力钢管上口严密接触。安装就位后，拆除移动分料系统临时固定的钢绳，将接料平台与溜管下料口采用活动溜管顺接固定，再将旋转分料系统活动支撑至压力钢管口，沿着管口将旋转分料系统下料口移动至仓内溜筒下料点并做临时固定，防止下料时旋转分料系统移动。

在混凝土浇筑完成一仓后，清理移动分料系统溜槽、料斗内的混凝土杂物，将溜管下料口的活动溜管撤离接料平台，旋转分料系统端头并将其移动至与底梁平行，采用钢绳与卡环将旋转分料系统、接料平台进行临时固定，再采用桥机将其吊离竖井段施工面至引水上弯段。在引水上弯段将接料平台与底梁拆离，采用平板汽车分别将其转运至接料平台和底梁(旋转分料系统)至下一个竖井施工面。

4 可移动式旋转分料系统具有的特点和优势

可移动式混凝土旋转分料系统以旋转轴为中心，覆盖四周多个混凝土下料点。混凝土从溜管入料经接料支撑架上的溜槽流入料斗后，再到旋转分料系统上的溜槽，由一个下料点转化为多个下料点。该系统在压力管道竖井钢衬回填混凝土施工中得到了有效应用，其特点及优势如下：

(1)接料支撑架通过螺栓与底梁呈可拆卸连接，分料旋转系统通过旋转轴系统与底梁焊接连接；旋转轴系统底端焊接固定于底梁上，使用时，将接料支撑架与底梁通过螺栓连接为一体；转运时，将接料支撑架与底梁螺栓松开分别运输，使分料系统安拆简便、易于转运，无需搭设临时溜槽排架和多通道溜槽，进而提高了施工效率，增强了实用性。

(2)旋转分料系统由分料支撑架、料斗、移动式溜槽及焊接于分料支撑架斜面顶部的花纹钢板构成，在整个移动过程中，只需将底梁吊运至竖井内压力钢管的指定部位，完成分料旋转系统的装配即可，无需借助其他支撑平台；只需利用分料旋转系统自身的刚性及活动支撑部分的支撑作用，即可实现整个旋转分料系统独立运转的功能，使用更为方便。

(3)所设计的旋转轴系统有效地利用了旋转轴系统的轴承旋转原理，在移动过程中，只需人工推动分料旋转系统、调整下料点位置即可完成多点下料作业，操作简便，安全可靠。

(4)可移动式混凝土旋转分料系统在浇筑完一仓后，即可将其吊运至其他浇筑工作面使用，转运简便，周转使用率高。

(5)采用2×30 t桥机将可移动式旋转分料系统吊运至竖井内压力钢管上就位后，桥机即可松钩。该系统使用过程中无需提升系统悬吊，仅依靠压力钢管上口支撑，使用更为方便。

(6)旋转轴系统底端焊接固定于底梁上，旋转分料系统上的分料支撑架与旋转轴系统上的Φ159钢管套筒外壁焊接固定，使底梁与分料旋转系统间接地构成刚性主体，在旋转移动过程中，无需借助其它支点，简化了多点下料固有的结构复杂性。

5 结 语

在白鹤滩水电站左岸压力管道竖井钢衬回填混凝土施工过程中，施工局成功地设计、制造并应用了一种可移动式混凝土旋转分料系统，该系统既能满足大断面竖井混凝土多点下料和对称均匀入仓的要求，又能取得操作简便、施工成本低的效果。该可移动式混凝土旋转分料系统是从传统固定式分料溜槽基础上进行创新和升华研制的。该系统的研制与应用，为竖井工程和圆筒体结构工程混凝土入仓提供了全新的施工方法和工艺，达到了施工安全可靠、质量保障、作业高效、成本节约的效果，对类似工程混凝土施工具有积极的推广价值。