南水北调北京段调压塔钢内衬作模板施工技术探析

2022-11-26赵子杰刘烨华

东北水利水电 2022年6期

赵子杰，丁玉，刘烨华

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

1 概况

南水北调中线惠南庄-大宁段在西甘池隧洞出口处新建调压塔，2 座调压塔均为单井，内径12.00 m、塔高49.00 m，采用现浇钢筋混凝土结构塔体结构，调压塔基坑最大挖深12.00～13.00 m，开挖岩层为蓟县系雾迷山组第四段大理岩。鉴于南水北调工程干线的重要性和复杂工况下运行需要，调压塔塔身结构为钢筋混凝土结构加3.50 cm内衬钢板的复合结构，钢板和外部混凝土结构共同承担所有的内外荷载，内衬钢板兼为防渗结构，混凝土底板厚3.00 m，塔高48.90 m，0～22.95 m 壁厚为1.50 m，22.95～48.90 m 壁厚为1.00 m。施工步骤：基础固结灌浆→底板混凝土浇筑→内衬钢板安装→塔体混凝土施工。

2 施工技术难点分析

2.1 钢筒内衬施工

工程钢筒作为调压塔体内衬使用，与常规的水电工程调压井在洞内设置不同，而一般调压塔为钢筋混凝土结构，不设钢板内衬，由于钢板厚度大、塔体高且工期紧，工程存在以下技术难点：

1）钢筒直径大、高度大，且钢板厚度达到3.50 cm，相应分块安装单体尺寸需较大的提升能力，该工程在基坑开挖后可用场地狭小，对起重设备的形式、起重能力和性能均要求较高。

2）钢筒高度大，钢板分节长度直接影响节数，各节各块钢板之间的环向焊接需要解决对接精度和保证质量。

3）工程在南水北调北京段干线沿线施工，与运行中的输水干线DN4.0 mPCCP 主管净距不足5.00 m，施工难度大，安全要求高，各方面的限制条件苛刻。

2.2 塔体混凝土施工

调压塔塔体的施工高度为49.00 m，按照施工步骤安排，在内衬钢板安装完毕形成钢筒后，以内衬钢筒作内模，外侧需支设模板施工，混凝土施工存在以下技术难点：

1）工程紧邻村庄和京昆高速，塔体混凝土的全程高空作业对安全性提出了极高要求，需严格控制施工风险。

2）下部底板混凝土及钢板安装时，下部底板厚达3.00 m，先浇筑底板再安装钢板，无法保证贴合紧密。为保证贴合度，按照先安装钢板再进行浇筑，导致混凝土入仓振捣困难，浇筑压力和温控不当容易引起钢板上顶，为此需要采取措施解决混凝土浇筑过程中上述一系列问题。

3）作为模板的内衬钢筒为永久结构，钢筒表面不允许出现永久焊点，只能作为临时连接，对模板形式和重量方面有较高的要求。

4）混凝土为环形厚墙，成型质量要求高，外侧模板为异形模板，用于其它筒体建筑时，因曲率导致的接合不密无法使用，要特别注意模板的经济性和可重复性。

3 钢内衬作模板的混凝土衬砌关键施工技术应用

3.1 钢板作施工平台的底板大体积混凝土施工技术

为解决先安装钢板再进行浇筑时产生的振捣困难和混凝土钢板密贴问题，采用工字钢一次架设支撑安装钢板，并在钢板环形布置浇筑窗孔，并应用高坍落度混凝土，实现底板混凝土一次浇筑成型。其施工程序：工字钢组焊形成十边形支撑桁架→底部外侧钢筋绑扎→钢板安装及开浇筑窗孔→外侧边模安装→混凝土入仓浇筑。

调压塔基础坐落于岩基上部，采用固结灌浆方式加固处理。设置底板锚筋，长7.30 m，按钻孔、锚筋、灌浆顺序进行。固结灌浆深6.00 m，孔距3.00 m×3.00 m梅花形布置，手风钻钻孔，灰浆搅拌机拌和，中压泥浆泵灌浆，灌浆压力0.3～0.6 MPa。

底板混凝土分两层浇筑，每层浇筑厚度为1.50 m，每仓浇筑量约200 m3，控制浇筑时长5～7 h。在锚筋上固定工字钢支架用于安装钢板，钢板上根据应力分布情况环向开设7个600 mm×600 mm浇筑窗孔，孔上焊接长1.50 m 的圆管，同时钢板外缘配合下料及平仓振捣。混凝土借助于高效减水剂、流化剂及掺加粉煤灰制成大流动性混凝土，拖式泵利用压力差输送入仓，坍落度控制在22±1 cm。经空洞检测证实，混凝土处于紧密贴合顶部钢板且温升和位移均在安全范围之内。

该技术措施的使用，进一步拓展了大体积混凝土在特殊条件下的使用范围，充分利用了工程钢板作为施工平台形成浇筑和振捣窗口的有利条件，节省了混凝土浇筑时间，保证混凝土质量，同时实现了钢板和混凝土钢板密贴的受力状态。

3.2 钢筒内衬钢板分节连续顶升安装技术

类似直立钢筒施工在化工、煤炭及食品等行业较为普遍，多用作烟囱或圆形储罐等容器，可参照《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》及相关施工指南进行安装。不同于圆形储罐，该工程钢筒直径小于常规储罐，但高度近50.0 m、壁厚35 mm，远超常规储罐。其施工空间小、施工难度更大，经调研和比选，在工程中引入并应用了钢板分节连续顶升安装技术，同时在高空采用控制措施及焊接工艺方面的改进以解决上述难题。

调压塔内衬钢板采用倒装法安装，按2.50 m一层，共分为22 层，每层钢板高度也为2.50 m，需顶升的最大重量约500 t，钢内衬安装完成后再浇筑混凝土塔身墙体。提升装置为80～100 t 的液压顶升装置，每个调压塔安装液压提升装置10 台，总顶升力最大为1 000 t，提升装置均布于塔基与钢底板满焊连接，在提升架距底板2.50 m 高处向塔内侧焊接2 根斜拉工字钢八字形支撑，提升架环向连接，形成米字形支撑作为工作平台。

每层钢筒分割为3 块，单块重8.6 t，采用汽车起重机卸车及转运吊装就位，占地面积15.00 m×20.00 m。液压顶升装置均布于调压塔体内壁圆周处，先提升调压塔顶层第一块壁板，然后逐层组焊形成完整的一环，采用松卡式液压千斤顶、提升架、提升杆组成的液压提升装置进行顶升，使用内胀圈并焊接筋板保证向壁板传力，使已组焊好的调压塔钢衬环上升，第一层壁板提升到2.50 m 位置时，保持液压顶升装置不动，拼装并焊接第二层壁板，拆卸胀圈重新安装到下一层钢板上，循环重复操作，直到最后一层壁板组焊完成，即完成全部钢衬安装。液压千斤顶提升步距即单次提升高度为0.10 m，每层壁板多次循环步距提升到2.50 m高度，顶升时间5～6 d，钢衬顶升安装工期100 d。底板提升装置及钢内衬分节见图1所示。

利用倒装法安装、焊接，均为地面作业，有效保证环缝焊接质量，避免了高空作业风险和搭设脚手架。液压机构中央控制可实现精准对接和垂直度，可有效保证狭窄场地内工程施工精度和焊接质量。

3.3 木工字梁悬臂模板爬模浇筑混凝土施工技术

对于截面为等截面或渐变截面的建筑物，宜采用滑模施工，受冬期混凝土强度增长速度和外界条件限制，不能采用通常的滑模施工方式，而常规液压自动爬模施工方式，其模板自重过大不利于混凝土成型及质量控制，工字木梁是国际通用的建筑模板体系部件，它具有重量轻、强度大、直线性好、不易形变、表面耐水耐酸碱等特点，可常年周转使用，成本摊销费用低廉，一般用于柱墩、桥塔或房建等大断面的实体结构或电梯井、筒仓等小断面结构，采用单侧拉结或双侧对拉自动爬升方式。利用内衬钢筒作为内模，通过应用弧形木工字梁悬臂自行式爬升模板，同时利用了其轻便、灵活的特点和内衬钢筒作为内模的有利条件。

悬臂模板分为木工字梁模板和配套的爬升架两部分，主要由模板、主背楞、斜撑、后微调装置、三角架、埋件系统、吊平台、挑架等组成，其中埋件系统是主要承力部件，通过可周转使用的爬锥与螺杆螺旋固定。模板的模架可调，重量控制在50～60 kg/m2，远低于钢木模板（100～120 kg/m2）。模板背楞采用专业厂家定制生产的H200 木工字梁，高度为4.65 m，共8 层，顶部3.00 m 一次到顶，减少接头且能满足运输要求。液压爬升架按单元爬升，混凝土的侧压力完全由预埋件及穿墙螺栓承担，不需再设对拉螺杆增加附着力。悬臂模板体系及支架装置见图2、图3 所示。

根据进度计划、施工段划分及布置条件，现场布置了两个作业区。下部4 层与上部4 层混凝土结构壁厚不同，根据曲率计算按2.44 m 弧长一片设计，可采用同型号模板通过调整连接角度完成施工，共布置2 套32 块模板。墙体浇筑强度大，侧压力较大，混凝土入模的坍落度控制在0.16 m，混凝土分层浇筑，每层浇筑厚度为0.40 m，施工过程中需密切注意控制浇筑速度。在下部4层施工完成后周转3 次面板出现不同程度破损时，拆卸旧面板调整背楞间距及更换面板后重新配模，维护方便并节约木材。为防止环形布置的模板与邻侧模板形成错缝，按照单数双数压缝安装，避免了多次压缝拼合困难。同时在模板侧面封闭作业空间，在模板与钢筒间加设防倒塌装置，施工防护措施与模板体系相配合，以确保高空作业人员和施工安全。

施工工序：首层模板安装→钢筋绑扎→混凝土浇筑及养护→首层模板拆除→上移第二层固定支架及模板安装，循环进行。其中模板安装工序：现场组装及安装准备→支架吊装就位→模板吊装就位→斜撑安装→模板调整→紧固螺栓及连接件→整体固定。支立完成后，按50 cm一层分层浇筑，泵车入仓，混凝土浇筑用时6～7 h。工期按立模3 d、钢筋绑扎2 d、混凝土浇筑1 d、养护3 d、拆模1～2 d控制，进行凿毛处理后，在拆除下层模板时同时进行上层绑筋，每层混凝土施工循环时间为7～8 d，工期为2.5个月。

通过以上技术的应用，木工字梁采用低吸水率的优质木材加工成型，充分利用了材料及截面特性和刚度，体系配件与防护设施协调配合，保证了南水北调北京段2 座调压塔的施工，有效控制混凝土浇筑及成型质量，拓宽了其工程应用范围。调压塔身混凝土在11 月下旬开始搭设模板，于次年3 月初结束施工，除因冬期温度低于0 ℃和大风日停工外，混凝土施工在2.5个月以内完成。