鄧會君

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林長春130062）

抗浮技術在壓力鋼管外包混凝土施工中的應用

鄧會君

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林長春130062）

豐滿電站重建工程引水壓力鋼管內(nèi)徑8.8 m，外包混凝土厚度1.5 m。由于壓力鋼管體積較大且為空腔結(jié)構，在進行外包混凝土澆筑過程中，如措施不當極易造成鋼管上浮移位，嚴重影響工程質(zhì)量，而且補救處理措施難度極大。本文結(jié)合豐滿電站重建工程壓力鋼管外包混凝土施工，詳細介紹了有關鋼管抗浮的相關技術措施。

外包混凝土；壓力鋼管；抗浮；豐滿電站重建工程

1 概述

豐滿電站重建工程引水建筑物布置在20—25號廠房壩段，由進水口和壩后墊層式淺埋壓力鋼管組成，采用單機單管的布置型式。壓力鋼管內(nèi)徑8.80 m，壁厚22～32 mm，自上至下分為進口漸變段、上彎段、斜管段、下彎段和下平段五部分。鋼管外包混凝土厚度1.5 m，單機引用流量390.2 m3/s。

壩體混凝土澆筑工程中，在壓力鋼管位置預留管槽，其橫向?qū)挾群拓Q向高度均為11.8 m。下平段管槽底板為平面，斜管段底板為階梯狀，兩側(cè)及底板先澆混凝土面上預埋有插筋，以增強新老混凝土之間的結(jié)合。壓力鋼管安裝自下而上進行，并以下平段1-5節(jié)為定位節(jié)率先安裝完成，然后隨著壩體碾壓混凝土的施工進度逐漸向高部位推進安裝。每個壩段的下平段鋼管外包混凝土分兩段施工（即定位節(jié)段和非定位節(jié)段），每段分4層，最大澆筑層高3.5 m，斜管段外包混凝土則按3 m一層逐層進行澆筑。

在上述不同施工情況中，以下平段第一層外包混凝土澆筑過程中鋼管所受浮力為最大，因此選定此種情況作為邊界條件來進行鋼管抗浮施工技術的研究。

2 外包混凝土澆筑過程中的鋼管受力分析

根據(jù)施工規(guī)劃，外包混凝土標準倉號澆筑高度為3 m，采用平鋪法進行鋪料，鋪層厚30～50 cm。按照該澆筑層高，在進行最底層外包混凝土澆筑時，混凝土封倉高程超出鋼管底高程1.5 m，此時鋼管所受浮力最大。為保證鋼管的穩(wěn)定，對此種情況下鋼管的受力情況進行驗算：

取下平段單節(jié)壓力鋼管為計算單元，其長度為3 m，總重量為21.8 t。單節(jié)管重力為：G=mg= 21.8×9.8=213.64 kN；

鋼管所受浮力按以下公式進行計算：

式中：ρ混凝土——液態(tài)混凝土密度密度，kg/m3；g——重力與質(zhì)量的比值，取g=9.8 N/kg；V排——鋼管排開混凝土的體積，m3。

取壓力鋼管所受浮力恰好等于鋼管自重的情況下，計算混凝土澆筑高度。

經(jīng)計算：V排=213.64/（2.4×9.8）=9.08 m3。此為鋼管沉入混凝土內(nèi)的體積，換算為混凝土澆筑高度為0.85 m。

由以上計算得出，當外包混凝土澆筑高度超過鋼管底高程0.85 m時，混凝土的浮力與鋼管自重相等，如果液態(tài)混凝土高度繼續(xù)上升，則浮力將超過管重。

3 技術參數(shù)的確定

根據(jù)下平段底層外包混凝土澆筑過程中壓力鋼管受力情況分析，如壓力鋼管無其他固定措施，則需保證鋼管底部以上液態(tài)混凝土高度小于0.85 m。此外，還要對混凝土的澆筑速度、升層高度、升層速度、下料方式等方面進行嚴格控制，方可實現(xiàn)壓力鋼管的穩(wěn)定。

對于其他澆筑參數(shù)，參考GB8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》中對蝸殼外包混凝土澆筑的相關規(guī)定進行確定，其主要技術標準為：混凝土澆筑上升速度不超過300 mm/h，每層澆高一般為1～2 m，澆筑應對稱分層分塊。液態(tài)混凝土的高度一般控制在0.6 m左右。

4 壓力鋼管抗浮技術研究

各壩段壓力鋼管外包混凝土通過罐車運送至壩體預留管槽上游側(cè)位置，由混凝土泵泵送至倉面，采用平鋪法進行澆筑。為防止鋼管上浮及變形，在進行最底層外包混凝土澆筑過程中，盡量將混凝土的浮力控制在鋼管自重的范圍內(nèi)，并確?；炷猎趬毫︿摴軆蓚?cè)交替、均衡上升，避免單側(cè)澆筑過快導致壓力鋼管因混凝土側(cè)壓力不均而產(chǎn)生偏移，具體措施如下：

4.1 混凝土澆筑技術措施

壓力鋼管底高程以下的1.5 m外包混凝土因不與鋼管接觸，澆筑時按50 cm進行分層。澆筑至1.5 m后，分層高度調(diào)整為30 cm，鋼管兩側(cè)同一個澆筑層交替進行布料，每一層的澆搗時間不小于1 h，以滿足規(guī)范中混凝土澆筑上升速度不超過300 mm/h的要求。

在澆搗完2層，即混凝土超出鋼管底高程60 cm后，暫停鋪料，根據(jù)混凝土配合比初凝時間，在確定鋼管底高程以上第一個30 cm澆筑層初凝后，開始繼續(xù)向上澆筑。此時壓力鋼管兩側(cè)的混凝土被鋼管分成2個獨立的區(qū)域，鋼管所受浮力大大減小。經(jīng)計算，即使在鋼管底高程以上30～150 cm的范圍內(nèi)混凝土全部為液態(tài)的情況下，其兩側(cè)的總浮力小于鋼管自重，此時按30 cm/h的升層速度繼續(xù)進行澆筑。

壓力鋼管外包混凝土澆筑過程中，還受到混凝土所產(chǎn)生的側(cè)壓力，該壓力在外包混凝土澆筑超過鋼管腰線以后，因混凝土與鋼管的接觸面積逐漸增大而愈發(fā)不利。因此，在澆筑過程中，混凝土鋪料厚度同樣取30 cm為一層，且要更加嚴格地控制混凝土的升層速度，確保其不大于30 cm/ h，同時在條件允許的情況下，盡量延長澆筑時間。此外，在混凝土澆筑過程中，需根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理分配澆搗時間及間歇時間。此外，為了減小混凝土澆筑過程中的間歇，在進行混凝土配合比設計時，在不影響其他性能指標的前行下，盡量減小混凝土的初凝時間。

控制混凝土降落高度，當出料口距澆筑層高度超過2 m時在出口設置膠皮溜桶以減小入倉混凝土的沖擊力?；炷寥雮}位置要盡量遠離壓力鋼管布置，入倉后通過混凝土自身流動或人工方式進行平倉，在鋼管附近采用φ80小型振搗器進行振搗施工，并確保鋼管周邊混凝土振搗密實，下料和振搗時避免碰撞鋼襯管，另外振搗棒頭不與鋼筋、鋼管和支承桿接觸。

4.2 壓力鋼管抗浮加固措施

除了通過對混凝土澆筑工藝的控制來防止鋼管的位移和變形外，鋼管的安裝和加固同樣對其穩(wěn)定起到至關重要的作用。

首先，在壓力鋼管運輸安裝及外包混凝土澆筑期間，每節(jié)鋼管內(nèi)部均采用兩層井字型支撐作為支撐，在外包混凝土澆筑前，為防止兩端管口受混凝土外力而發(fā)生管口變形，在鋼管兩端管口分別設置一道八卦型支撐。

壓力鋼管安裝期間，利用鋼結(jié)構平臺上的軌道將管節(jié)拖至指定位置，在軌道與管節(jié)間采用4個10 t千斤頂進行調(diào)整，當各管節(jié)的各項數(shù)據(jù)合格后將鐵鞋與軌道焊接固定。此外，在管槽兩側(cè)支墩混凝土澆筑完成后，在支墩內(nèi)壁安裝?36圓鋼制作的大型拉緊器，拉緊器將鋼管腰線以上部分與墻面預埋鋼筋環(huán)牢固連接，使之成為45°角，可以防止在混凝土回填過程中產(chǎn)生位移（左右及上下）。有2層加勁環(huán)的鋼管，2層均按照此方法進行連接固定。鋼管底部采用28I工字鋼進行支撐，支撐件底部與墊層混凝土通過錨栓或預埋插筋進行可靠固定。壓力鋼管支撐及加固的具體布置形式如圖1所示。

4.3 壓力鋼管抬動觀測措施

為了能夠在外包混凝土澆筑過程中，對壓力鋼管的浮動進行實時觀測，減小變形風險，擬在鋼管腰線位置安裝抬動觀測儀，抬動儀頂板焊接在鋼管的肋板上，在相鄰的支墩混凝土側(cè)面通過支架固定千分表。外包混凝土澆筑過程中，壓力鋼管一旦出現(xiàn)浮動，則頂板頂起千分表下部頂針，使其指針位置發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對鋼管位移的實時觀測，抬動觀測裝置的具體形式如圖2所示。

施工期間，特別是最底層外包混凝土澆筑時，設專人進行鋼管抬動的數(shù)據(jù)觀測，如果出現(xiàn)異常情況，立即停止混凝土澆筑，及時采取處理措施，處理完成后方可繼續(xù)進行施工。

圖1 鋼管支撐及加固示意圖

圖2 壓力鋼管抬動觀測裝置示意圖

5 結(jié)語

壓力鋼管外包混凝土澆筑過程中，鋼管抗浮動變形需要從多方面入手，多手段進行控制。豐滿電站壓力鋼管抗浮措施的編制是以“將液態(tài)混凝土的浮力控制在鋼管自重的范圍內(nèi)”為原則的，同時對管體進行加固處理，從主、被動兩個方面有效地保證了鋼管的穩(wěn)定及安全。此外，在鋼管腰線位置還安設了抬動變形觀測裝置，對鋼管浮動進行實時監(jiān)測，進一步加強了施工過程中的風險預見性。上述措施的綜合運用，基本上消除了外包混凝土澆筑誘發(fā)鋼管浮動變形的隱患，具有較強的使用性和較高的推廣價值。

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2017-01-10