孟雙全

（1.中國葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國能建工程研究院水電施工設(shè)計研究所，湖北 宜昌 443002）

0 引言

目前，國內(nèi)大斷面多格型深豎井混凝土主要采用的傳統(tǒng)施工方法具有以下3個方面的不足：①傳統(tǒng)滑升垂直度和體型只能定期進行測量，過程嚴(yán)重影響襯砌連續(xù)性，對工期影響較大；②滑模襯砌施工材料及人員的垂直提升較慢，且安全系數(shù)較低；③滑模主平臺空間狹小，人員及設(shè)備空間利用率較低，供料分料系統(tǒng)單一，同時對豎井襯砌工期影響較大。

傳統(tǒng)滑模施工方法不適用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、數(shù)百米深度、大直徑的深豎井工程。本文依托白鶴灘水電站右岸出線豎井混凝土施工工程（以下簡稱“該工程”），通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，改造載人、載物提升系統(tǒng)，采用實時監(jiān)控系統(tǒng)和物料雙供等創(chuàng)新手段，研究得到了大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術(shù)。

1 施工難點分析

白鶴灘水電站右岸出線豎井上段835.0～1 139.3 m高程范圍襯砌直徑13 m，高度304.3 m；襯砌最小厚度75 cm，最大厚度185 cm。豎井內(nèi)通過現(xiàn)澆墻劃分為排風(fēng)井、電纜井、樓梯間、電梯間、送風(fēng)井、前室和氣體絕緣線路井共7個區(qū)域。

該工程工期緊張，工程質(zhì)量要求高，同時要保證襯砌施工全過程處于安全、穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài)，經(jīng)分析，施工難點主要包括以下4個方面：①目前國內(nèi)多采用傳統(tǒng)滑模施工，滑模主平臺往往采用的是下掛式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場綁扎鋼筋及其他作業(yè)均在平臺下部進行，下部空間狹小，活動空間受限，且由于井圈環(huán)向鋼筋長度較大，鋼筋就位存在很大難度；②滑模由液壓泵站控制50多個千斤頂進行爬升，很難保證每個油缸運行完全一致，且加上材料人員變動以及結(jié)構(gòu)重心不在圓心上，使得滑模在滑升過程中可能會出現(xiàn)跑偏、傾斜、自身旋轉(zhuǎn)等問題；③傳統(tǒng)滑模體型控制通常采用測量儀器定期觀測的形式，無法實現(xiàn)全過程監(jiān)控；④滑模施工與常規(guī)混凝土施工區(qū)別較大，若發(fā)生下料系統(tǒng)堵管停倉，對成本及工期影響較大。因此，如何保證豎井供料系統(tǒng)的運行順利也是需要研究解決的難點。

在現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境下，若要實現(xiàn)全過程監(jiān)控，滑模的連續(xù)施工與其垂直度及體型控制精度測量之間的矛盾尤為突出，具體體現(xiàn)在：①在不間斷施工前提下，測量設(shè)備無法正常進入施工作業(yè)面；②測量頻率過密會影響施工進度，而測量頻率較少又不能保證控制在允許誤差范圍內(nèi)；③傳統(tǒng)測量受周圍空間及人員操作影響，偶然誤差不可避免，不可控影響因素較多。這些問題若不能得到解決，將直接影響豎井襯砌施工質(zhì)量和工期。

針對該工程的施工難點，從滑模運行姿態(tài)監(jiān)控、豎井物料快速供應(yīng)技術(shù)、滑模結(jié)構(gòu)優(yōu)化這三個方面改進傳統(tǒng)施工方法，形成大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術(shù)。

2 滑模運行姿態(tài)監(jiān)控

滑升垂直度和體型控制采用滑模姿態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有監(jiān)測支架結(jié)構(gòu)簡單、軟件穩(wěn)定可靠、監(jiān)測精度高、抗干擾能力強和低成本等優(yōu)點。

2.1 滑模姿態(tài)實時監(jiān)控應(yīng)用

滑模姿態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)包括激光器支架監(jiān)測系統(tǒng)、電子水平儀監(jiān)測系統(tǒng)、單片機模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、基于微處理器（advanced RISC machine，ARM）的中心控制器和監(jiān)測界面軟件。

滑模姿態(tài)實時監(jiān)控布設(shè)安裝。采用膨脹螺栓將型鋼三角支架固定于豎井井壁，發(fā)射器保護罩焊接固定于型鋼三角支架上部，在型鋼三角支架上部安裝井口激光發(fā)射器，如圖1所示。將懸挑型鋼平臺焊接固定于滑模主平臺，安裝激光靶和監(jiān)測攝像頭去，如圖2所示，其中，激光靶采用激光靶保護罩進行安全防護，如圖3所示。在滑模主平臺上部布置9個電子水平儀，如圖4所示，電子水平儀通過焊接的形式，剛性連接于滑模平臺，星形分布在主平臺上，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過MSP430單片機采集。由MSP430單片機采集的數(shù)據(jù)通過CAN通訊總線傳遞給ARM中心監(jiān)控器；ARM中心監(jiān)控器將采集到的各監(jiān)測終端數(shù)據(jù)運算后顯示在監(jiān)測界面軟件，管理人員通過軟件終端實現(xiàn)實時監(jiān)測。

圖1 豎井井口激光發(fā)射裝置圖

圖2 滑模主平臺激光顯示裝置圖

圖3 滑模激光靶界面

圖4 滑模主平臺電子水平儀布置圖

以垂直度偏移監(jiān)測方法為例：通過分布在平臺上的9個監(jiān)測模塊上激光點的位置，實時反映當(dāng)前滑模位置垂直度情況，當(dāng)激光點超出預(yù)設(shè)范圍，系統(tǒng)對平臺傾斜做報警和預(yù)警，管理人員就可以利用監(jiān)控系統(tǒng)及時進行滑模姿態(tài)調(diào)整，以保證混凝土體型質(zhì)量和避免發(fā)生?；瑥亩ＷC滑模施工過程持續(xù)監(jiān)控。

2.2 可視化顯示及大數(shù)據(jù)應(yīng)用

該系統(tǒng)使用高級別的操作系統(tǒng)作為底層支持，將監(jiān)測結(jié)果、報警信息及具體參數(shù)顯示給管理者。通過標(biāo)準(zhǔn)的高清多媒體接口（high definition multimedia interface，HDMI）顯示接口可以將監(jiān)測信息顯示到監(jiān)控平板、電腦顯示器、監(jiān)控電視中，使用場景靈活方便。界面設(shè)計通過不同顏色代表當(dāng)前傳感器狀態(tài)，通過具體數(shù)據(jù)值顯示傾斜角度和偏移情況；通過對全局傳感器的計算和加權(quán)，得出診斷性提示或警告，包括平臺傾斜報警、異常報警等?；１O(jiān)控終端軟件主界面如圖5所示，滑模垂直度監(jiān)測子界面如圖6所示。

圖5 滑模監(jiān)控終端軟件主界面圖

圖6 滑模垂直度監(jiān)測子界面圖

監(jiān)測點傳感器控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換通訊信息封裝都在單片機中完成，作為信息交互的節(jié)點，采用了具有高可靠性工業(yè)級的單片機，單片機模塊數(shù)據(jù)采樣頻率小于1 s/次，可以24 h連續(xù)工作，不間斷持續(xù)監(jiān)測，CAN總線差分信號傳輸，不間斷通過總線與上位機交換信息，反饋數(shù)據(jù)量巨大，配備立體聲接口用于聲光警報，實現(xiàn)智能管控。

2.3 應(yīng)用效果

行業(yè)首創(chuàng)的滑模姿態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)解決了滑模滑升過程中垂直度和體型控制數(shù)據(jù)測量問題，實現(xiàn)了管理人員通過掌上APP即可隨時了解滑升過程中的傾斜、偏移情況，操作人員可以隨時根據(jù)數(shù)據(jù)信息快速進行對比、校核及糾偏，保證體型誤差控制在設(shè)計范圍內(nèi)，即：監(jiān)測精度達到1 mm，角度精度達到0.01°，監(jiān)測頻率小于1 s/次。

3 豎井物料快速供應(yīng)

3.1 雙卷揚筒吊籃系統(tǒng)

載人吊籃、載物大吊盤相配合的吊籃系統(tǒng)，能同時進行人、物的上下運輸，互不干擾。吊籃采用高效的無級變速卷揚系統(tǒng)，輔以雙卷筒、雙繩系機構(gòu)等一系列保護措施，同時研制了“一種深豎井吊籃防晃動裝置”[1]和“豎井吊籃制動?？垦b置”[2]兩項實用新型專利，大幅提高了施工效率、降低了安全風(fēng)險；吊籃系統(tǒng)懸掛于高架門機上，通過行走輪配合軌道實現(xiàn)位移，滿足多個豎井的施工需求。

3.2 雙線供料系統(tǒng)

雙線供料系統(tǒng)由兩條供料溜管（DN300）和自制防沖擊緩沖器組成。其中，自制防沖擊緩沖器每隔12 m設(shè)置1個，兩鋼管間設(shè)置15 cm高擋坎，利用首次澆筑時堆積的混凝土形成斜坡面，減輕對緩沖器底部的沖擊，減少了溜管修補工程量，即使修補也不占用直線工期；同時，極大保證混凝土不出現(xiàn)骨料分離，大幅提高澆筑質(zhì)量，雙線供料系統(tǒng)及緩沖器的結(jié)構(gòu)，如圖7～圖8所示。

圖7 雙線供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 緩沖器設(shè)計圖

采用雙線供系統(tǒng)有效解決了混凝土堵管、破管及骨料分離嚴(yán)重，溜管修復(fù)工程量大及修復(fù)時間長、分料操作困難等問題，實現(xiàn)供料不間斷。修復(fù)溜管不耽誤襯砌工期，且修復(fù)量大幅減小。分料平臺與儲料斗等構(gòu)架合并優(yōu)化，下接分料盤，又是連接混凝土溜管和滑模的通道，從而大幅提高了施工效率。

4 滑模結(jié)構(gòu)升級優(yōu)化

4.1 混凝土分料與平臺支撐二合一

360°無死角分料盤和8根定向固定溜槽組成連續(xù)分料系統(tǒng)。該系統(tǒng)可由1人操作分料盤頂部旋轉(zhuǎn)盤，將混凝土料流向8個固定溜槽實現(xiàn)分料；同時這8根溜槽將滑模上部平臺分為上下兩部分，上部進行鋼筋加工，材料堆放周轉(zhuǎn)，下部進行混凝土施工等，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 滑模分料滑槽

分料平臺與儲料斗等構(gòu)架合并優(yōu)化，既是分料盤，又是連接混凝土溜管和滑模的通道，同時也是鋼筋和周轉(zhuǎn)材料的臨時堆放平臺，輔以雙供料管將大幅提升空間利用率及施工效率。

4.2 凸起過橋結(jié)構(gòu)與滑槽的結(jié)合

主平臺結(jié)構(gòu)為雙背[20a槽鋼在隔墻和井壁位置凸起形成過橋式結(jié)構(gòu)，上接分料平臺，下連提升架，鋪上花紋鋼板形成共3層作業(yè)平臺，平臺互不干擾，解決了滑模結(jié)構(gòu)占壓空間大和施工空間狹小等問題，實現(xiàn)了作業(yè)人員操作空間與綁扎鋼筋平臺的合并，同時又可容納各個機具，如圖10～圖12所示。優(yōu)化改造后，主平臺上可布置液壓系統(tǒng)、鋼筋電焊機等機具，同時也可以臨時堆放待綁軋的鋼筋，還可以作為千斤頂維護、混凝土平倉振搗以及鋼筋綁扎焊接的平臺。

圖10 常規(guī)滑模與優(yōu)化后的主平臺結(jié)構(gòu)對比圖

圖11 滑模系統(tǒng)整體剖面圖

圖12 過橋式提升架

滑模面板采用6 mm厚鋼板做邊框和筋板，各小井的尖角部位模板設(shè)計為圓弧形，＜90°的角按R100 mm作圓角，≥90°的角按R50 mm作圓角，使模板組裝后單個井呈現(xiàn)上大下小的形式，以減小提升阻力，便于滑動，滿足滑模提升要求。

5 結(jié)語

通過研究和應(yīng)用大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術(shù)，提高了白鶴灘水電站右岸出線豎井滑模監(jiān)測頻率和精度，保證了施工過程連續(xù)可控，大數(shù)據(jù)反饋及報警機制大幅度減少了人員投入。該技術(shù)確保了物料安全可靠的供應(yīng)，也極大程度上保證了各工序的連貫性，使右岸出現(xiàn)豎井在保證質(zhì)量安全前提下提前完成混凝土澆筑，為后續(xù)金屬結(jié)構(gòu)安裝留足了時間。

大斷面多格型深豎井混凝土滑模施工技術(shù)雖然從根本上解決了傳統(tǒng)豎井施工存在的問題，但是該技術(shù)前期需購置設(shè)備，以及滑模結(jié)構(gòu)、載人載物系統(tǒng)優(yōu)化改造都需投入一定的資金，因此，不適用于小斷面淺豎井。