[摘要]以西山煤電集團西曲礦貯煤倉工程為例,介紹“超大直徑礦井筒倉中心井架環(huán)式平臺滑模施工技術(shù)”。針對礦井筒倉特點,結(jié)合現(xiàn)有滑模施工工藝進行了改進,既滿足礦井筒倉滑模施工操作需要,又能解決倉頂結(jié)構(gòu)施工承重問題。對于30米以上超大直徑礦井筒倉滑模施工,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]超大直徑 礦井筒倉 滑模施工 環(huán)式平臺 中心井架 預應力

中圖分類號:TU7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920130-03

西山煤電集團西曲礦貯煤倉工程,由圓形筒倉結(jié)構(gòu)、倉上結(jié)構(gòu)組成。煤倉內(nèi)徑30米,總高73.8米,倉體儲煤高度54.73米,單倉儲煤能力為3萬噸。倉頂為鋼筋混凝土正截錐殼結(jié)構(gòu),筒倉漏斗以下壁厚為600㎜,漏斗以上壁厚為400㎜。倉內(nèi)增設4個鋼筋混凝土預應力錨固柱,預應力鋼絞線成束狀布置,按包角180°環(huán)向鋪放?；炷翉姸鹊燃塁40。

這種超大直徑筒倉是近幾年來來為適應礦山建設發(fā)展的環(huán)保要求,出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)形式,具有直徑大、高度高、儲量大,倉壁為預應力結(jié)構(gòu)等特點。

一、施工方案

筒倉漏斗以上采用液壓滑模施工,漏斗以下由于平臺多、砼量大,采用常規(guī)倒模方法施工。起滑位置設在漏斗上口200～300mm處,停滑位置設在倉壁頂端環(huán)梁底標高處,滑升總高度52.6m。

因為傳統(tǒng)的平行式操作平臺滑模工藝已不能滿足現(xiàn)有使用要求,針對礦井筒倉特點,結(jié)合現(xiàn)有的滑模工藝技術(shù),提出了“超大直徑礦井筒倉中心井架環(huán)式平臺滑模技術(shù)”(以下簡稱中心井架滑模技術(shù))。示意見圖1。

1-提升架2-托架3-中心井架4-輕型桁架5-鋼環(huán)梁(構(gòu)造)6-鋼環(huán)梁(下)7-水平支撐8-“米”形水平撐9-圓形連接鋼板10-操作平臺11-中心千斤頂12-承重桿

圖1中心井架滑模示意圖

中心井架滑模技術(shù)工藝由模板系統(tǒng)、中心井架、操作平臺系統(tǒng)和液壓提升系統(tǒng)四部分組成。與傳統(tǒng)滑模技術(shù)相比,中心井架滑模技術(shù)做了很多改進,主要體現(xiàn)在如下幾點:

⑴操作平臺、中心井架和內(nèi)環(huán)梁根據(jù)筒倉直徑的大小可進行工具式組合;⑵中心井架和操作平臺既考慮滑模施工操作,又重點解決倉頂錐殼混凝土結(jié)構(gòu)施工需要;⑶大噸位千斤頂及承重鋼管在結(jié)構(gòu)內(nèi)、外的布置,保證了操作平臺布置的靈活性及滑模系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性;⑷改變了外模斜度,解決了表面水泥漿流墜問題。

輕型鋼桁架呈環(huán)向放射狀布置,操作平臺采用中心井架支撐,是本技術(shù)的核心內(nèi)容。在設計施工中需要處理好以下三個難點部分。

二、設計施工難點

(一)中心井架

中心井架采用扣件式φ48×3.5mm鋼管腳手架搭設,作為內(nèi)環(huán)梁的支撐結(jié)構(gòu),將操作平臺傳來的荷載向漏斗傳遞;倉頂錐殼結(jié)構(gòu)施工時,作為模板支撐架,亦承受倉頂?shù)氖┕ず奢d。其搭設參數(shù)根據(jù)筒倉直徑大小和上部結(jié)構(gòu)荷載確定。

倉頂錐殼結(jié)構(gòu)情況:梁最大截面600×1150mm,板厚150mm。為減小施工時的荷載,倉頂錐殼鋼筋混凝土分三段施工:斜墻為第一部分;錐殼梁第二部分,施工縫在板下20～30mm處;錐殼板第三部分。

本工程中心井架平面尺寸為15×15m,立桿縱、橫間距1m,步距1.2m,搭設高度52.6m,板下垂直面荷載3.75KN/m²,梁下線荷載24.25KN/m,內(nèi)環(huán)梁線荷載達33.2KN/m,屬于典型的重荷載、超高模板支撐架體系。技術(shù)風險大,施工難度高,必須在構(gòu)造上予以強化,并對承載力和穩(wěn)定性進行復核。

1.構(gòu)造設計

設計原則:通過構(gòu)造設計,使中心井架接近或達到幾何不變體系,確保軸力較大部位的承載力和受變形約束能力,確保中心井架的整體剛度和穩(wěn)定。

(1)設置具有強勁約束作用的水平剛性加強層。在井架頂部、底部(掃地桿位置)和中部每隔4.8～6米處設置,采用水平斜桿形式,局部地方采用水平剪刀撐且與立桿相連接。設置斜桿的框格數(shù)≥水平層框格數(shù)的1/3。

(2)在外立面整個長度和高度連續(xù)設置剪刀撐,剪刀撐傾角控制40～60°之間,斜桿與每相交立桿用旋轉(zhuǎn)扣件連接。

(3)對于受力較大的部位:內(nèi)環(huán)梁兩側(cè)及梁下模板的立柱,采用雙立桿。雙立桿之間用扣件扣緊,中心距≤200mm,雙立桿按步距滿設雙向水平桿。

(4)立桿頂部裝設U型可調(diào)托撐,U型可調(diào)托撐上用[16槽鋼做主龍骨,50×100mm方木作次龍骨。為使荷載均勻分布到已作加密的一定寬度的架體上,梁下的方木應平行于梁軸線鋪放,梁下的方木應平行垂直于梁軸線鋪放,可調(diào)托撐至支架頂層橫桿的高度≤0.3米。

(5)為限制中心井架的整體側(cè)移,在井架的四個方向采用雙排腳手與已澆筑倉壁進行剛性連接。

(6)由于漏斗表面高低不平,所以立桿底部不在一個水平面上,為確保井架的穩(wěn)定性和承載力,底部采取加密水平桿和增設斜桿辦法,每600mm設雙向水平桿將立桿聯(lián)系起來,漏斗上表面設一道水平加強層。

2.計算復核

中心井架承受的最大荷載為支撐倉頂錐殼梁時施工荷載,依據(jù)最不利原則,取用倉頂錐殼結(jié)構(gòu)施工荷載及此時井架高度作為計算依據(jù),進行井架承載力和穩(wěn)定性計算。

(1)倉頂錐殼施工荷載傳力途徑:

(2)立桿穩(wěn)定性

通過構(gòu)造設計,中心井架整個體系接近“幾何不變桿系結(jié)構(gòu)”,整體穩(wěn)定可轉(zhuǎn)化為對長度為步距h的立桿穩(wěn)定性驗算。第二部分錐殼梁施工時,內(nèi)環(huán)梁周圍底層立桿所受軸向力最大,對其進行驗算。因井架在筒倉內(nèi)搭設,不考慮風荷載組合。

①立桿豎向承載力設計值

腳手架結(jié)構(gòu)及構(gòu)配件自重標準值NG1k+NG2k=7.60kN;

立桿豎向荷載標準值(包括施工人員、模架自重和澆筑混凝土時的荷載)∑NQk=17.1kN;

單立桿豎向承載力:N=1.2(NG1k+NG2k)+1.4∑NQk=32.9kN。

②因市場供應鋼管壁厚在3.0～3.5mm之間,為安全起見計算時壁厚取3.0mm,即鋼管φ48×3的計算參數(shù):截面面積A=424mm²,回轉(zhuǎn)半徑i=15.8

mm,抗壓強度設計值=205N/mm²。

立桿計算長度偏于安全取lo=kμh=1.155×1.50×1.2=2.079m〔式中計算長度附加系數(shù)k取1.155;腳手架的計算長度系數(shù)μ=1.50(因腳手架排數(shù)≥5,按兩步三跨考慮)〕;

長細比:λ=lo/i=2.079×1000/15.8=131.58,查JGJ130-2001附錄C表C得φ=0.386;

ΦAf=0.386×424×205=33551N=33.51kN。

③N=32.9kN≤φAf=33.51kN,單立桿穩(wěn)定性滿足。

注:實際按雙立桿布置,據(jù)有關(guān)資料,承載力可增加15～20%;此時千斤頂承重鋼管亦參與工作,作為安全儲備,計算時未考慮。

(3)其它驗算

錐殼梁下荷載,通過梁下方木與槽鋼及頂層水平加強層分配到周圍立桿,槽鋼[16滿足要求;

內(nèi)環(huán)梁下水平桿與立桿連接扣件采用雙直角扣件,抗滑承載力設計值=12kN,因內(nèi)環(huán)梁下立桿為軸心受壓,滿足要求。

(二)承重桿

1.承重桿采用φ48×3.5mm鋼管,是千斤頂向上爬升的軌道,又是滑動模板裝置的承重支柱,承受著施工過程中的全部荷載。布置在結(jié)構(gòu)體內(nèi)、外,滑模最大脫空長度≤2.2m。倉壁外承重桿的穩(wěn)定性,采用水平鋼管在縱橫方向與中心井架立桿相連,與中心井架連接構(gòu)成幾何不變體系,既可確保立桿在x,y方向的穩(wěn)定性,又可將承重桿上的荷載傳遞到周圍立桿上,從而保證承重桿穩(wěn)定性。

2.接頭采用絲扣連接:承重桿兩端車外絲長30mm(外絲),中間用圓鋼φ48連接,圓鋼兩端車內(nèi)絲長20mm,采用人工扳手裝拆。

3.為防止承重桿接頭量過于集中而削弱滑模結(jié)構(gòu)的支撐能力,相鄰接頭相互錯開,使同一標高上的接頭率不大于25%。底層加工長度分為4種:2.5m,3.5m,4.5m,5.5m,標準層承重桿長度統(tǒng)一為3m。承重桿軸線與千斤頂軸線一致,允許度偏差2‰。

4.承重桿設計承載力計算:

PO=α·f·φ·An

式中:PO—φ48×3.5鋼管的支撐承載力(N)

F—支撐桿鋼材強度設計值,取205N/mm²

An—支撐桿的截面積為489mm²

Α—工作條件系數(shù),取0.7

Φ—中心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù),由桿的長細比λ值,查表得到φ(結(jié)構(gòu)體內(nèi)φ=0.829,結(jié)構(gòu)體外φ=0.775)。(λ=(μL1)/r式中:μ—長度系數(shù),取0.75。L1:支撐桿計算長度(mm)。在結(jié)構(gòu)體內(nèi)時,為千斤頂下卡頭到澆筑混凝土上表面的距離,取1470mm;在結(jié)構(gòu)體外時為千斤頂下卡頭到模板下口第一個橫向支撐桿扣件節(jié)點的距離,取1200mm。r:回轉(zhuǎn)半徑,取15.8mm)。

承重桿在結(jié)構(gòu)體內(nèi)時PO=58.2kN;在結(jié)構(gòu)體外時PO=54.4kN,滿足使用要求。

(三)內(nèi)環(huán)梁

內(nèi)環(huán)梁為半徑R=6.7m的圓形鋼梁2[16,作為操作平臺和中心井架聯(lián)系樞紐,將操作平臺系統(tǒng)與中心井架構(gòu)成一體。

1.內(nèi)環(huán)梁計算復核

內(nèi)環(huán)梁作為操作平臺的一端支撐點,將鋼桁架的一端支座荷載傳遞到中心井架上。梁上設20臺千斤頂,均勻放置48榀桁架(中心間距438mm),見圖2?？赊D(zhuǎn)化成n=20支座上的圓弧梁,上部作用均布荷載q=33.2KN/m,據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》:

最大剪力Vmax=3.14Rq/n=3.14×6.7×33.2/20=34.9KN;

在二支座間的跨中彎矩M={〔3.14/(n·sinα)〕-1｝qR2={(3.14·sin9°)/20-1｝×33.2×6.72=5.39KN·m;

支座彎矩M={(3.14·ctgα)/n-1｝qR2={(3.14·ctg9°)/20-1｝×33.2×6.72=-1.30KN·m;

最大扭矩T={3.14·sinφ/(20sinα)-φ｝×qR2={3.14·sin7.63°/(20sin9°)-0.133｝×qR2=0.38KN·m(支柱軸線與最大扭矩截面間的中心角φ=7.63°/0.133)。

經(jīng)計算,2[16槽鋼滿足要求。

2.構(gòu)造

(1)為保證中心井架部位桁架的整體性,在圓形環(huán)梁部位的桁架頂部增加一道圓形橫梁槽鋼2[16(構(gòu)造設計),見圖1。

(2)兩個槽鋼[16之間選用-20鋼板(長、寬均為208mm)連接,使2[16形成一體,均勻受力,見圖2。

三、滑模機具組裝及施工工藝

(一)滑模機具組裝

按施工方案進行組裝。

1.組裝順序

定位放線→立提升架→裝內(nèi)外圍檁及安裝中心井架→掛內(nèi)、外模板→裝內(nèi)托架、外挑架→安放輕型鋼桁架→裝水平、垂直支撐→鋪內(nèi)、外操作平臺→裝安全設施→裝液壓提升系統(tǒng)→調(diào)試→插支承桿。

2.組裝方法

(1)定位放線:在漏斗上口平面放出中心線,在倉壁上放出內(nèi)外模板邊線、標高控制線、提升架的定位線以及中心井架立桿控制線等。(2)模板系統(tǒng)組裝。模板系統(tǒng)包括滑升模板注釋①、圍圈、提升架和附屬配件等。

①外模采用5mm厚冷軋鋼板,每@300mm設置-50×5的扁鋼帶,以增加模板抗變形能力,模板之間采用螺栓連接;內(nèi)模采用普通55型組合小鋼模板,以P1512為主,配少量P2012,用于調(diào)整模板模數(shù)。為了防止混凝土在澆筑時的外濺,外模板上端比內(nèi)模板應高出50mm,下端比內(nèi)模板高出30mm。

②提升架將模板系統(tǒng)和操作平臺系統(tǒng)連成一體,將其全部荷載傳給千斤頂和支撐桿。提升架采用雙橫梁、雙立柱式開字架,橫梁采用[14,立柱采用2[8。橫梁和立柱之間采用螺栓連接。

③圍圈把模板與提升架聯(lián)系在一起,保證模板所構(gòu)成的幾何形狀及尺寸。圍圈采用[12,布置在提升架的兩側(cè),沿模板高度設上下兩道,間距以模板受混凝土側(cè)壓力和振動沖擊力時變形最小為原則,距模板上口250mm,距模板下口350mm,圍圈的連接采用等效剛度的型鋼螺栓連接。提升架豎立時中心對準倉壁中心,立柱垂直度、橫梁水平度不大于1mm。

(3)操作平臺系統(tǒng)組裝。操作平臺系統(tǒng)包括環(huán)式中心井架環(huán)式內(nèi)操作平臺注釋②、外操作平臺和下輔助操作平臺。

①中心井架環(huán)式內(nèi)操作平臺由中心井架配合48榀輕鋼桁架(每榀長8.4m,高0.8m)搭設,桁架徑向環(huán)形布置。一端安裝在托架上(與倉壁提升架對應布置),一端安裝在中心井架內(nèi)環(huán)梁上。

通過上下水平支撐(在桁架兩端各1/3處)和垂直支撐∠63×6連接,保證了桁架的側(cè)向穩(wěn)定性,將操作平臺連成剛性整體。

②外操作平臺為挑架式三角形桁架,用角鋼∠45×5制作;下輔助操作平臺為吊腳手架,供檢查倉體混凝土質(zhì)量和修飾、調(diào)整和拆除模板、引設軸線、高程等操作之用。下輔助操作平臺為吊腳手架,懸掛在提升架外側(cè)立柱和三角挑架上。

(4)液壓提升系統(tǒng)組裝。液壓提升系統(tǒng)是承擔全部滑升模板裝置、設備及施工荷載向上滑升的動力裝置。由承重桿、液壓千斤頂、液壓控制臺和油路等部分組成。

液壓提升以單倉為系統(tǒng)進行布置,每倉設一臺HY-56型液壓控制臺。千斤頂采用大噸位GYD-60型,油路采用分級布置,倉壁周圈和中心各設一組分油器(一級)。其中倉壁周圈54臺千斤頂設9組分油器(二級),每組供6臺千斤頂(三級);倉中心16臺千斤頂設3組分油器(二級),其中兩組各供5臺千斤頂、一組供6臺千斤頂(三級)。

組裝后進行千斤頂流量調(diào)整、密封性試驗和整體空載試車(不少于3次)。待全面檢查無誤后,插入支撐桿。

承重桿接頭必須打磨平整,以保證能順利通過千斤頂。

(5)中心井架。安裝圍圈的同時進行中心井架部位內(nèi)環(huán)梁定位、安裝。安裝前,在將中心井架最上層橫桿調(diào)平,找平、就位后將接頭部位扣接牢固。然后開始布置環(huán)梁上的千斤頂(承重桿不得與腳手架立管位置重合),使其均勻的布置在環(huán)梁上。

立柱垂直度偏差≤1/500,必須采用對接扣件,不允許用搭接接頭,保證立柱接頭垂直受力、不彎曲。對接接頭在平面內(nèi)應錯開布置,同一平面內(nèi)≤25%;在豎向,同一步高內(nèi)錯開距離≥500mm。

節(jié)點處各扣件采用測力矩扳手擰緊,使其扭力矩保持在45～60KN·m。

(二)施工工藝

1.工藝流程。倉壁鋼筋綁扎→布置預應力筋→澆灌砼→初升→正?；＝Y(jié)束→預應力筋張拉→倉頂錐殼施工→模具拆除。

2.倉壁鋼筋綁扎。倉壁配筋設計為雙層,立筋在內(nèi),環(huán)筋在外。施工時立筋采用直螺紋套筒連接,環(huán)筋采用綁扎搭接。為防止環(huán)筋接頭蹦出砼表面,每個環(huán)筋接頭應綁扎牢固,或用電焊點焊不少于3處。

3.預應力筋施工。無粘接預應力鋼絞線束狀布置,兩端張拉,每束為7φ15.4鋼絞線。從筒倉漏斗上口開始布置,從下到上間距分別為330mm、400mm、500mm和1000mm。在倉壁內(nèi)呈水平布置,鋼絞線中心線與倉壁外皮距離為150mm。

鋼絞線布置時,從一端向另一端單根進行,采取多人同時作業(yè),每穿完7根用膠帶綁成一束,并用事先制作的鋼筋骨架定位,鋼筋骨架在倉壁中的間距約1.5～2m。每束鋼絞線呈水平狀態(tài),單根應基本順直,不能扭絞,兩端預留外伸長度應大致相等。待混凝土達到設計強度后分圈張拉預應力筋,每圈采用4臺千斤頂同步張拉。

4.混凝土施工。

(1)初升。第一次澆筑砼,先澆筑同強度減半石砼約100mm厚,并判斷最底層砼強度達到0.2～0.4Mpa時進行初升。將全部千斤頂同時緩慢提升2～4個行程(約50～100mm),然后對滑模裝置和砼出模的狀態(tài)進行全面檢查和處理后,即可轉(zhuǎn)入正常滑升。

(2)混凝土澆筑。分層對稱澆筑,每層厚300～400mm。每提升一次澆筑一次,以后循環(huán)往復進行,并做好混凝土的振搗與養(yǎng)護工作。

(3)正?；Ｃ看翁嵘?0～12個行程(約250～300mm),與鋼筋綁扎、預應力筋布置、砼澆筑穿插進行。兩次提升時間間隔不超過2h,當氣溫較高時,可增加1～2次中間提升(1～2個行程),以減少砼與模板間的摩阻力。

提升間隙可進行鋼筋綁扎、直螺紋套筒連接和無粘接預應力鋼絞線布置等工作。

(4)滑模結(jié)束。當模板滑升到距離倉壁頂端標高1m左右時,就正式進入滑模結(jié)束階段。此時應放慢滑升速度,并對倉壁周圈進行找平找正,使最后一層砼均勻交圈,保證倉壁頂部標高及位置準確。

(5)倉頂錐殼鋼筋混凝土施工時,為保證中心井架均衡受載,采用從中部開始、向兩邊均勻?qū)ΨQ的澆筑方法,避免誘發(fā)過大水平力作用,增加附加豎向軸力。

四、施工中出現(xiàn)問題及處理

1.筒倉外表面水泥漿流墜,造成混凝土外觀質(zhì)量缺陷。將外模鋼板斜度由技術(shù)規(guī)程中的2～5‰變?yōu)?～2‰,斜度減小,摩阻力略微增大,抵消了鋼板代替組合小鋼模摩阻力減小部分。

2.操作平臺剛度小、穩(wěn)定性差,可能造成倉壁結(jié)構(gòu)變形、偏中和半徑偏差。在操作平臺中心增設“米”字型連接鋼支撐:倉中心設圓形連接板,利用角鋼將輻射形桁架與其連接,同時連接板中心增加一臺千斤頂和支承桿。筒倉滑升時,先關(guān)閉該千斤頂?shù)挠吐?派專人監(jiān)測中心部位的滑升標高,一旦出現(xiàn)鍋底情況,即刻打開該千斤頂油路,關(guān)閉其他千斤頂,使其滑升到與周圈布置的千斤頂同樣標高,再繼續(xù)照常施工。

3.中心井架施工超載,穩(wěn)定性差。嚴格控制實際施工荷載不超過設計荷載,在施工中設專人對施工荷載進行監(jiān)控;倉頂混凝土澆筑開始后,在確保安全的前提下,派人檢查井架及其支承情況,發(fā)現(xiàn)有下沉、松動和變形情況時,及時予以解決。

五、結(jié)束語

超大直徑礦井筒倉中心井架環(huán)式平臺滑模施工技術(shù)具有適應性強,操作簡單,勞動強度低,施工速度快,質(zhì)量高等優(yōu)點。既解決了滑模施工的操作需要和倉頂結(jié)構(gòu)施工支撐問題,又大大縮短了工期,保證了礦山建設的施工質(zhì)量和安全。適用于20米以上筒倉滑模施工,尤其對30米以上超大直徑筒倉具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,有很好的推廣應用前景。

注釋:

①滑升模板:注冊國家實用新型專利,專利號:ZL 2006 2 0128174.7.

②中心井架環(huán)式平臺,注冊國家實用新型專利,專利號:ZL 2007 2 0138242.2.

參考文獻:

[1]鄧文芳,《礦井建設技術(shù)與管理》,中國礦業(yè)大學出版社,1998.

[2]中國建筑科學研究院,《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2001),北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]杜榮軍,《建筑施工腳手架實用手冊》,北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

作者簡介:

付漢江,山西焦煤西山金信建筑有限公司董事長、總經(jīng)理,碩士學歷,高級工程師。