浅谈大跨度窑洞式安装间混凝土施工技术

2020-12-14邓正华

水电与新能源 2020年11期

陈亮，邓正华，翁锐

(1.华电西藏能源有限公司大古水电分公司，西藏山南 856000；2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 611130)

DG水电站位于西藏自治区山南市境内，其窑洞式安装间位于主厂房右侧窑洞内，机组安装间为半窑洞式，断面尺寸为28 m×29 m(宽×高)，纵深21.99 m。窑洞安装间由三面边墙、顶拱衬砌、门帘及女儿墙组成，而顶拱衬砌主要由暗洞段、明洞段组成，暗洞段顶拱衬砌厚度为1 m，明洞段混凝土厚度为1.5 m，整个窑洞式安装间混凝土工程量约1 082.0 m3，顶拱混凝土工程量达848.0 m3。

1 施工难度

根据其设计结构尺寸，其最大跨度达28 m、最高达29 m、纵深21.99 m，根据目前国内外现有的施工经验来看，施工难度主要在于如下几个方面。

1)安装间一半主体位于山体内，一半外露于山体外，具体如图1所示，位于山体内的混凝土结构(暗段)浇筑施工需采取衬砌工艺，位于山体外的混凝土结构(明段)浇筑则可采取常规浇筑法施工。由于结构的特殊性，需考虑两种施工方案。

图1 窑洞安装间结构图

2)由于整体高度较高，安全风险极高，需选取合理的施工方案。根据现有工程经验，将采取搭设满堂架支撑方式进行施工，排架搭设高度达26.7 m，搭设跨度达29 m，排架搭设、施工、拆除过程中，易发生整体垮塌情况，造成严重的人员及财产损失，需采取有效措施要保证整个工程施工安全。

3)窑洞安装间开挖完成后已是9月底，而本工程处于高寒高海拔地区，在11月中旬工地所处环境即将进入冬季，环境温度将低于0℃以下，留给混凝土施工的时间紧，需采取加大资源投入措施加快施工进度，确保在进入冬歇期前完成混凝土浇筑施工[1-2]。

4)虽然岩体地质条件满足设计要求，但是岩体裂隙较发育，由于工程地处高原冰川地带，山顶上的冻融水和山体内部渗水较大，在整个施工过程中对渗水处理难度较大。对此，由于混凝土不能一次性浇筑，对施工新旧结合施工缝面设置镀锌铁皮止水。同时在山体内设置排水管，将山体渗水引流，防止安装间渗水，确保工程质量。

2 施工工艺及措施

2.1 施工工艺

由于窑洞式安装间顶部拱形结构跨度较大且拱形梁截面尺寸较大，暗洞段1 m的衬砌明洞段达到1.5 m的衬砌。要达到整个拱形的曲线效果和观感质量及承重体系的安全，对模板体系及满堂架承重体系有较高的要求。并且由于在混凝土浇筑过程中产生的动荷载及浇筑完成后混凝土自重产生的静荷载，会使整个结构产生下沉的形变，因此在浇筑前应对拱形结构的预应力及有关预埋件的位移做出考虑。

2.1.1 模板体系

暗洞段混凝土衬砌厚度达1 m，为确保混凝土浇筑后不发生变形，则采取变形小，刚度大的钢模板进行施工，为达到拱顶的弧线效果主要采用P3015的钢模板拼装，采用下撑、上拉的固定体系。上拉支撑体系采用前期开挖工程过程中顶拱支护的锚筋(入岩L=9 m/6 m)承受模板的拉力，底部设置满堂架支撑整个模板体系。

由于明洞段的混凝土厚度达1.5 m，若采取一次性成型浇筑，不仅将加大排架荷载，且由于结构的特殊性，工程使用的大坍落度的混凝土(条件受限必须采用泵送)，其自身流动性较大，为确保结构成型，明洞段则进行分层浇筑，即模板底面顶面均采用P3015模板，分层高度按照顶拱弧长总弧长的1/3～1/4进行考虑，且由两侧对称浇筑循环至拱顶[3-4]。

2.1.2 承重体系

由于窑洞式安装间跨度大，其施工高度达29 m，且跨度达28 m，从现有施工经验来看，若采用台车式的支撑方式，一次性投入大，且难以保证施工质量、安全风险极高。对此，经过对比分析和专家论证，采取搭设满堂支撑架进行窑洞式安装间顶拱衬砌混凝土施工。支撑架搭建结构为落地满堂扣件式脚手架，搭设最大高度为26.7 m，采用φ48×3.5 mm钢架管搭设，横向间距0.7 m，纵向间距0.75 m，步距1.0 m。顶部与模板连接处用顶托找平，并考虑预拱度[5]。

经PKPM软件计算，同时将静荷载安全系数由规范确定的1.2提高至1.3、活荷载安全系数由规范确定的1.3提高至1.5进行受力分析计算，钢管立杆的最大应力计算值σ=124.916 N/mm2小于钢管立杆的抗压强度设计值[f]=205 N/mm2，满足要求。

2.2 施工措施

1)由于工程所处位置及结构的特殊性，顶拱混凝土的浇筑不能采取常规的入仓方式(如汽车吊或其他吊装设备吊吊罐入仓，自卸汽车或罐车直接入仓，以及溜槽或溜管入仓)，只能采取车载泵或地泵入仓，而为减少混凝土的输送距离，将泵送设备布置在进厂交通洞洞内，泵管则随脚手架垂直向上布置，并进行固定，将混凝土送至仓面内。

2)分段施工。由于整个窑洞式安装间顶拱段约22 m，在浇筑过程中分为三段施工。先进行顶拱暗洞段混凝土浇筑，为保证顶拱靠山墙部位的密闭连续性，减少施工缝的设置，将山墙最后一段预留1 m高与暗洞段第一段(5 m)一起浇筑，随后进行暗洞段(8 m)部分浇筑，再进行明拱段浇筑，最后进行门帘和女儿墙混凝土的浇筑，女儿墙(0.5 m厚)3 406.5～3 408.5 m分为1段，门帘(1 m厚)3 398.2～3 406.5 m分3段进行浇筑。在进行明拱段浇筑时考虑到明拱段衬砌较厚故分作两层施工。为保证整个顶拱的密闭性,在分层分块施工缝处按要求设置铁皮止水，铁皮止水布置在衬砌混凝土上下两层钢筋之间，窑洞安装间分层分块详见图2。具体施工方法为：在明拱段从拱脚开始下料浇筑，均匀上升至混凝土盖过拱底部面筋然后停料一段时间，待拱底部混凝土达到一定强度时再进行余下部分混凝土的浇筑。

图2 安装间顶拱分层分仓剖面图

3)浇筑方式。为分散拱形结构浇筑时产生的应力，混凝土的浇筑顺序为先同时在两侧浇筑拱脚即对称下料，再依次均匀向上浇筑至拱顶，同时由于泵送料坍落度较大可每隔适当距离在拱两侧设置数道钢丝网，使混凝土不下滑，以保证拱形板厚度均匀。

顶拱模板两侧按2 m间距各预留3层下料窗口(拱顶单独1层)，每层下料窗口按3 m间距设置4个，总体成梅花型布置。浇筑原则：1台HBT60混凝土泵分别从顶拱两侧第一层下料窗口开始下料浇筑，混凝土分别从4个窗口下料，第一层浇筑完成后将泵管移至第二层下料，依次浇筑至拱顶部位，浇筑过程中保证左右混凝土高度差不超过0.5 m，最大下落高度不超过2 m，顶拱左右混凝土高度差不超过0.5 m，在下料口按照3 m间距预埋下料钢管，保证顶拱混凝土浇筑不出现空洞，在钢管口连接钢编织管，防止下料时直接冲刷模板表面流至浇筑位置，以防混凝土离析。

混凝土边浇筑边振捣，振捣采用插入式振捣器振捣，为保证振捣质量，现场技术人员应加强复振监督，保证顶拱各个部位振捣密实，振捣时防止触碰模板拉筋、围檩、板面等模板体系从而导致涨模、跑模。

在两段暗拱段浇筑时为保证浇筑质量，混凝土应最大程度的与拱顶岩石面贴合。故在浇筑过程中，采用泵送挤压法灌注混凝土，即通过后退挤压的方式从一端依次浇筑中间部位及另一端混凝土，同时为保证衬砌拱部混凝土密实，待混凝土达到设计强度后进行衬砌背后回填灌浆。

4)雨水及渗水的预防处理。施工期正逢雨季加之常有山顶冻融水及山体渗水流入仓内，为保证浇筑质量需进行相应的预防及处理。在浇筑时应对天气状况进行了解，尽量选择晴天浇筑，如浇筑过程中遇到降雨应搭设雨棚避雨。对于山体渗水及山顶冻融水可沿山体布设排水槽避免仓内积水。

3 混凝土的质量控制

3.1 浇筑过程中的质量控制

1)混凝土运输及入仓的质量控制。本工程中混凝土为预制搅拌需从拌合站运往施工地点，混凝土运输采用12方容量的罐车运输，但考虑到高原地区气温变化大、混凝土外加剂导致其性能不稳定、施工区域内的路况及施工现场浇筑情况等因素，为防止混凝土坍落度变小丧失流动性影响混凝土的泵送进而影响混凝土的入仓强度。所以在运输中以增加罐车数量减少每车运输方量的方式，并合理安排罐车打料时间尽可能不让罐车在有料的情况下在现场等待，缩短混凝土从拌合站出机口至仓号的时间。同时为罐车加装遮阳布，保证罐内温湿度稳定。

在浇筑过程中混凝土入仓均匀及适当间歇也是混凝土浇筑质量控制的关键，既要考虑高原地区气候干燥及日照强烈使得混凝土过早初凝进而产生冷缝，又要考虑浇筑过快导致模板的变形影响结构外观，因此在浇筑过程中既要保持均匀下料又要控制混凝土的入仓强度。

2)施工缝的处理。同时由于整个顶拱衬砌分为三段浇筑将会产生两个施工缝，对施工缝的处理不当可能会导致后期拱顶渗水。因此在施工缝位置应设置水平向的镀锌铁皮止水并保证止水的预埋质量，在浇筑下一段顶拱时应对前一段顶拱的老混凝土断面进行磨毛处理以形成均匀、无明显起伏、呈现骨料“凸”型的毛面，并避免产生明显深“凹”、明显尖角等不利结合面，以利于新老混凝土结合，防止拱顶渗水。

3.2 温控及养护的质量控制

为了确保混凝土的浇筑质量，应保证混凝土仓内最高温度满足温控技术要求，避免混凝土产生裂缝。因此需安排专人测定混凝土的出机口温度(<12℃)、入仓温度及浇筑温度，并保证在施工过程中各温度指标都符合要求，根据施工方案的要求高温季节控制混凝土从出机口至振捣结束的回升值不超过5℃。表1为暗拱第一段浇筑过程中的实测温度。