整体滑模技术在调压井混凝土施工中的应用

张 昆,杨社亚，张 睿,严海波,于 冲,赵 倩

(1.中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州，450001；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概况

津巴布韦卡里巴南岸水电站扩机工程位于津巴布韦和赞比亚两国交界处的卡里巴水库南岸，扩容装机容量为2×150 MW。埋藏式尾水调压井位于扩机地下厂房下游侧24 m，围岩类别以Ⅱ类为主。采用“2机1井1洞”的布置方案，阻抗式调压，设4套检修闸门。调压井总高68 m，衬砌后直径24 m，属大直径滑模施工，除井筒衬砌外，另有3个异形闸墩(2个哑铃型闸墩+1个共用中墩)一起滑升，采用井壁与多闸墩同步滑升施工技术，同步滑升总高度41 m。混凝土强度采用美标H30，坍落度160～180 mm，流动性好，凝结时间满足施工需要。调压井整体滑模混凝土三维结构如图1所示。

2 滑模设计与制作

2.1 模体结构系统

滑模设计参照国家标准[1]和水工建筑物滑模标准[2]中的相关要求，根据数据形式及特点，整个模体结构系统包括模板、主平台、液压提升系统、辅助系统等，结构设计平面如图2、3所示。

2.1.1模板系统

模板系统包括模板和围圈。全套滑模模板采用P3015和P2015钢模板拼装而成，用14号槽钢作为加劲肋围圈，并与主桁架焊接固定。为减少摩擦阻力和粘结力，模板进行相应处理，设计成上大下小，模板锥度按5 mm控制，按上大下小原则拼装。

图1 整体滑模衬砌三维结构图

图2 滑模组合模体结构平面图

图3 滑模体三维图

2.1.2操作平台系统

平台承受工作、物料以及分料平台等全部荷载，也是整个施工作业的主要工作场所。采用角钢∠80×80×6/Q235A制作成双层桁架，两层之间用斜撑连接，桁架间距为6°由中间向四周发射均匀分布，桁架之上满铺5 cm厚铺板。

2.1.3液压提升系统

滑模液压提升系统包括提升架、支撑杆、千斤顶、操作台及油管路等。利用槽钢和钢板焊接成“F”型提升架，千斤顶穿过支撑杆固定在提升架上。支撑杆选用Ø48 mm钢管，单根长3 m，采用丝杆连接，每根支撑杆对应一个千斤顶，整个荷载将通过提升架传递给支撑杆。管路分主油管、分油管和支油管，通过液压操作台连接至千斤顶，形成完整的液压提升控制系统。每套油路设计均有止油阀，分组快捷、调整方便，以达到控制偏移及纠偏的目的[3]。

2.1.4辅助系统

辅助系统主要包括测量检测系统、辅助平台。

中心测量控制主要用重锤线控制，在井口梁上挂重锤线进行观测，沿井筒布置了3处，以观察施工过程中模体的水平位移。水平测量利用水准管原理，在模体上布置透明胶管，充水固定在模体上进行水平度观测，每滑升3 m再通过千斤顶进行校核，形成完整的偏移检测系统。

辅助平台以满足修面、闸门槽凿毛以及养护施工为原则，宽度90 cm，设于滑模最底层，沿混凝土结构体四周布置，用Ø20 mm钢筋焊接固定在桁架梁上，上铺3 cm厚马道板，周围设置安全护栏，便于行人安全。辅助平台与主平台用钢梯连接。

2.2 滑模相关的附属系统

2.2.1混凝土输送下料系统

(1) 竖直方向采用双管下料布局。井筒直径大，在上游和下游各布置1套“泵送/料斗+多级缓冲溜管+多溜槽分流”的入仓系统，上井口平台设置下料斗，溜管直径DN200，沿井筒壁连接敷设形成下料管路，在溜管底部设置“H”型缓降器，溜管管路末端通过主溜槽将混凝土输送到分溜槽入仓。

(2) 入仓管控及布料分区。考虑到泵送入仓较慢，2个溜管入仓分流区间并不均匀。经实践表明，泵送溜管入仓区域为井筒下游半圆，上游的溜管覆盖井筒的上游半圆及中间闸墩的区域。为施工方便，上、下游溜槽均采用了多层、多方位布置，以保证混凝土入仓的均匀。利用脚手架固定溜槽，溜槽侧面有检修通道，在溜管与溜槽交接处设有操作平台[4]。

2.2.2卷扬机系统布设

(1) 吊物卷扬机布置。吊物卷扬机固定于调压井高程416.00 m上游边角处，起重荷载50 kN(扬程65 m)，天锚起吊点设于顶拱。井筒高程416.00 m四周设置封闭防护栏。滑模施工材料运输从支洞到达调压井底部起吊，起吊物通过吊物孔进入滑模平台。

(2) 人员垂直交通卷扬机布置。搭载施工人员的卷扬机(30 kN-45 m)布置在支洞内，在井口井壁设置支撑架。卷绳通过支撑架吊起吊笼，吊笼四角用钢丝绳穿孔固定于滑模主平台上，并设置防坠落保护器。

3 滑模荷载计算及验算

3.1 计算荷载

(1) 恒载(DL)：自重

滑模桁架梁的角钢规格为∠80×80×6/Q235A，输入钢材的容重和重力加速度，由程序自行计算钢结构的自重。马道板木板荷载为0.4 kN/m2。

(2) 施工平台均布活荷载标准值(LL1)：

1) 根据DL 5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》第15.2.1条无设备区的操作荷载按均布活荷载考虑，其标准值3～4 kN/m2。

2) 根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》第15.2.1条，多层住宅楼梯的均布活荷载标准值为2 kN/m2；其他楼梯的均布活荷载标准值为3.5 kN/m2。第5.3.1条，上人屋面的均布活荷载标准值为2 kN/m2。

3) 滑模体施工荷载见表1所示。

表1 模体荷载计算表

滑模平台的面积为393.63 m2，因此,单位面积的施工荷载为0.53 kN/m2。

综上所述，考虑相关规范的要求、施工平台和抹面平台实际的荷载以及活荷载分项系数的安全裕度，滑模施工平台均布活荷载的标准取3 kN/m2，并考虑1.4的活荷载分项系数。

(3) 新浇混凝土对模板侧压力(LL2)

混凝土振捣荷载为2 kN/m2，混凝土冲击荷载为2 kN/m2。

计算假定模板底部一定高度的混凝土不再对模板产生侧压力，同时将上部侧压力变化曲线简化为直线变化的等效梯形分布，根据《路桥施工计算手册》[5]，其有关尺寸按照下式确定：

h′为等效梯形上底的高度，取h的一半，m；h为新浇筑混凝土侧压力作用高度(一般取0.65H，低温取0.70H)，m；H为模板高度，1.2 m；P为混凝土侧压力计算最大值，P=γh/2，kN/m2；γ为混凝土容重，25 kN/m3。

计算中侧压力取最大值，为LL2=2+2+P=2+2+9.75=13.75 kN/m2

3.3 分析工况

采用SAP2000有限元分析软件，自动生成荷载工况组合见表2。

表2 荷载组合及分析工况表

3.4 模型及假定

(1) 钢材采用线弹性材料。

(2) 爬杆千金顶部位取为铰接约束，滑模下部与周边混凝土接触部位取为水平法向约束。

(3) 模型的离散化:计算中对钢模板和平台马道板采用壳单元进行模拟，桁架梁采用梁单元进行模拟。经离散后三维有限元模型中壳单元共8 800个，桁架梁单元共1 571个，桁架梁强度、梁挠度计算结果分别见图4、5所示。

图4 桁架梁结构的应力/强度比值云图

3.5 计算结果

(1) 图4中，桁架梁结构绝大多数杆件的应力/强度比值在0.5以内，应力/强度比值较大的杆件主要分布在调压井圆心受力最大处，量值在0.5～0.9，这与结构力学的概念认识是一致的。

(2) 图5中，桁架梁挠度最大的部位位于调压井圆心偏向下游侧，量值5.2 mm。根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》规定，主梁或桁架挠度限值为L/400，本工程限值为8000/400=20 mm >5.2 mm，满足要求。

图5 桁架梁挠度分布云图 单位：mm

(3) 通过三维有限元计算，桁架梁完全满足规范及设计要求，且具有一定的安全度，可保证在施工期安全可靠运行。

3.6 现场施工最不利因素考虑及验算

根据模体结构设计及分析，滑模体荷载分为阻力、模体结构自重及施工荷载等，相关计算过程见表3。

表3 模体荷载计算表

支撑杆采用Ø48 mm，壁厚3.5 mm的无缝钢管，支撑杆承载力按欧拉公式计算结果见表4。

模体共布置49根支撑杆，则支撑杆的整体承载力为P=49P1=49×31.58=1547.2 kN>1. 2G=1.2×1246.7=1496.04 kN，支撑杆满足荷载要求。

每根支撑杆对应一个10 t穿心千斤顶，考虑千斤顶承载力折减系数0.5，则单个千斤顶承载力为5 t>支撑杆承载力P1=π2/EI/L2/Kc/100=31.58 kN，千斤顶提升力也满足要求。

表4 支撑杆承载力计算表

4 滑模体系的组装

4.1 千斤顶布置

井筒一周布置29台千斤顶，闸墩采取6+8+6=20台千斤顶布置，合计49台，滑升动力装置为YKT-36型自动调平液压控制台，滑模体三维见图3所示。

4.2 模体组装

(1) 组装前准备好滑模所需的原材料、机具和设备，组装过程中利用全站仪进行精准定位。

(2) 采用由中间向四周扩散的组装方式，先闸墩连成整体，辐射至井壁。

(3) 模板采用钢模板拼装，用围圈固定模板，通过桁架梁、加强筋、铺板连成整体形成主平台。“F”型提升架与围圈和桁架梁焊接，千斤顶固定于提升架上，千斤顶通过支撑杆滑升，液压控制台控制高压油液通过主油管、分油管、和支油管到各个千斤顶，是整个滑模装置的动力源和控制中心。

(4) 主平台滑升2 m左右后开始组装辅助盘。

(5) 安装混凝土入仓系统。

5 滑模滑升与纠偏

5.1 滑模滑升

5.1.1滑升阶段

滑模滑升分初始滑升、正常滑升和完成滑升3个阶段[6]。

(1) 初始滑升：模体试滑(空滑)调整后进入初滑阶段，一般首次浇筑分4层进行，先浇筑前2层约60～70 cm高时，可进行初次试滑3～5 cm，再浇筑第3、4层，每次滑升后均要检查并确定滑模时间，并对整个滑模体系进行全面检查和调整。

(2) 正常滑升：系统性强，一方面可控制混凝土下料速度、分层浇筑厚度、混凝土凝固时间，浇筑速度应与滑升速度相适应；另一方面钢筋绑扎的进度应适当超前于滑模的提升进度，避免出现混凝土浇筑等待钢筋安装时间。滑升时根据混凝土表面的状态时刻调整滑升速度，以达到与现场施工进度相适应的目的。滑模施工现场如图6所示。

图6 滑模施工现场图

(3) 完成滑升：在高程416.00 m滑模收尾阶段，混凝土浇筑结束后模板继续空滑上升，直至与混凝土完全脱开为止。

图7 调压井内部结构图

5.1.2滑升各工序衔接

(1) 钢筋工程：① 钢筋在平台规范堆放；② 钢筋接头错开，按规定布置；③ 采用多队伍、分区域进行钢筋安装。

(2) 混凝土工程：① 协调好拌合站供料、混凝土罐车机械情况，及时溜槽清理，入仓均匀分布，平仓振捣等一系列程序；② 每层厚度控制在30 cm；③ 每层平仓完成后，均匀振捣，滑升过程中严禁振捣。

(3) 预留孔洞与埋件处理：滑升过程中通过高程控制，当滑至连系梁底端时开始对预留孔洞进行施工准备，四周封快易收口网并用钢筋架起，浇筑后形成无需凿毛的孔洞；埋件采用提前测量定位预埋方案，滑升至埋件位置时进行检查、调整，滑升后复查。

(4) 表面修复与养护：辅助盘人员进行每次滑模后的混凝土检查和修复；闸门槽二期施工区域及时进行凿毛；采用喷水花管对混凝土进行养护。

5.3 纠偏措施

滑模施工过程中，利用线锤和水准管进行纠偏控制，吊垂线以滑模模板衬砌边缘为控制点，来校准滑模体的垂直度，同时作为混凝土保护层厚度控制的参照。水准管固定在模板上，通过水准管对滑模水平度进行校核；对孤立的中墩采用移动式水准管，通过支撑杆上的控制点进行水平度控制，每班至少各进行1次纠偏监测[7]。

模体体系庞大，施工作业面广，施工工序多，每次滑升控制在5～10 cm行程内，提升过程中按“慢滑升，多校核，勤纠偏”原则进行。纠偏措施为：通过液压操作控制系统，根据“一阀专用，一管多能”的管控特点，关闭提升偏高侧所有千斤顶专用专控阀门，开启提升偏低侧千斤顶液压油路通道，利用部分或个别千斤顶提升赶超其他较高高程的千斤顶。纠偏时按渐变、多次循环进行，通过点动进油阀的方法缓慢纠偏，每次点动后及时检查。

5.4 滑模拆除

模体拆除前利用高程408.00 m安全平台搭设脚手架，然后按模体组装的逆过程逐步拆除，利用卷扬机吊至洞口运出，整个拆卸过程安全可靠，拆除的材料运回仓库，分类后再利用。

6 结 论

(1)在混凝土浇筑前，因根据实际情况，进行混凝土配合比和混凝土脱模强度试验，确定适宜的滑升速度，并在初滑阶段进行验证，得出其实可行的脱模时间和滑升速度。

(2)在滑模施工过程中，全部滑模施工前后持续了24 d，滑模高度41 m，单日最大滑升速度为3.8 m，与支架立模法相比，缩短了施工工期21 d，保证了施工安全和质量。

(3)滑模体合理利用角钢、架子管、马道板、安全网、钢模板等现有材料，实现了施工材料的循环利用，降低了施工成本。

(4)大直径滑模考虑因素多，千斤顶总数达49个，可通过合理的均匀入仓同步滑升，并利用多举措监测与纠偏，保证了结构质量。

井壁与多闸室同步整体滑升技术成功应用调压井混凝土施工，缩短了施工工期，节省了材料，外观质量优良，安全可靠，具有较好的推广和应用价值。