陳星艮,岳志為,付兆凱,邵 祥,李洪濤

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065; 2.中國水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

0 引言

水電作為技術(shù)最成熟的可再生能源,具備大規(guī)模開發(fā)的技術(shù)條件和市場條件。發(fā)電洞襯砌施工是水電項目施工的重要環(huán)節(jié),發(fā)電豎井上、下彎段的襯砌施工為發(fā)電洞襯砌施工的關(guān)鍵部分。發(fā)電豎井上彎段襯砌施工存在作業(yè)空間小、難度大、工序復(fù)雜、危險性高等特點,同時彎弧部分混凝土存在澆筑不均勻、彎弧結(jié)構(gòu)成型不規(guī)則的難題。目前工程中通常采用定制模板、分倉施工的方式進行彎段襯砌施工,但施工中仍面臨模板支撐體系高大、施工風(fēng)險高等問題。

贊比亞下凱富峽水電站位于非洲贊比西河支流凱富埃河上,是目前贊比亞在建的最大工程,以發(fā)電為主。水電站共設(shè)5條發(fā)電洞,發(fā)電洞豎井為相互平行、相同結(jié)構(gòu)的5條豎井,豎井中心距為17m,單條發(fā)電豎井深113.35m,Ⅱ類圍巖開挖直徑為5.8m,Ⅲ,Ⅳ類圍巖開挖直徑為6.0m。初期支護后直徑為5.8m,采用全斷面鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度為50cm,襯砌后直徑為4.8m。每條發(fā)電豎井由上彎段、垂直段和下彎段組成,上、下彎段為半徑R=15m 的1/4圓弧形洞室,軸線長度均為23.56m,垂直段長度為83.35m。在發(fā)電豎井上彎段施工中,為滿足反井鉆機、門式起重機的安裝及運行空間需求,對上彎段采取技術(shù)性擴挖,開挖斷面形狀為城門洞形,如圖1所示。

圖1 發(fā)電豎井和上彎段技術(shù)超挖剖面示意Fig.1 Over-excavation section of power generation shaft and upper bending section technology

發(fā)電豎井進入混凝土施工階段后,上彎段彎弧部位懸空跨度大、混凝土澆筑量大、結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則、體型控制要求高,彎弧段混凝土澆筑模板搭設(shè)操作復(fù)雜,現(xiàn)場不具備平臺條件,工程施工難度大。發(fā)電豎井垂直段高83.35m,若采取從底部搭設(shè)支撐體系的方案,則面臨高空作業(yè)安全風(fēng)險大、資源投入大、施工進度慢等問題。經(jīng)分析研究,決定采用定型鋼桁架模板+搭設(shè)支撐平臺的施工方案,解決了彎段混凝土澆筑成型和模板支撐安裝拆除等難題,實現(xiàn)了安全、快速施工。

1 發(fā)電洞上彎段襯砌混凝土澆筑施工工序

發(fā)電洞豎井上彎段澆筑工序復(fù)雜、施工難度大,須考慮澆筑過程中模板支撐的安裝和拆除,邏輯關(guān)系較復(fù)雜,單條豎井混凝土澆筑施工工序如圖2所示。

圖2 發(fā)電豎井上彎段襯砌混凝土施工工序Fig.2 Construction process of lining concrete in upper bending section of power generation shaft

2 上彎段混凝土澆筑模板和支撐平臺設(shè)計

2.1 模板設(shè)計

發(fā)電洞上彎段為R=15m的1/4圓弧形洞室,彎段澆筑完成后直徑為4.8m,為保證其澆筑體型符合要求,設(shè)計定制了定型桁架模板,該模板體系主要由支撐模板和支撐體系組成。

2.1.1豎向彎段模板

彎段模板為5mm厚定型鋼模板,單套模板體系沿設(shè)計彎段圓弧中軸線平均分為30環(huán),如圖3a所示,每環(huán)轉(zhuǎn)角為3°,共計90°;每環(huán)模板又分為34片,為保障其安裝完成后的嚴(yán)密性,沿15m半徑方向的最大圓弧和最小圓弧模板為楔形模板,其余部分為普通模板,且定型鋼模板嚴(yán)格按設(shè)計分塊圖加工成雙向弧面并編號(見圖3b),以便于現(xiàn)場安裝。

圖3 彎段模板體系和單環(huán)示意Fig.3 Bent section formwork system and single ring

拱架體系同模板一致,上、下彎段拱架均分為30環(huán),每環(huán)拱架分別由4大塊+2小塊組成,單塊拱架由拱架、支架、支架千斤等部分組成。4塊拱架組合成為一環(huán),每環(huán)拱架間采用拱架頂桿相互支撐,單環(huán)模板拱架如圖4所示。

圖4 單環(huán)模板拱架示意Fig.4 Single ring formwork arch

2.2 彎段混凝土澆筑支撐平臺設(shè)計

2.2.1支撐平臺設(shè)計

豎井滑模施工完成后,在垂直段與上彎段的切點樁號處搭設(shè)支撐平臺,用以承擔(dān)模板系統(tǒng)自重、新澆筑混凝土質(zhì)量及施工腳手架自重等施工荷載,解決上彎段模板的支撐問題,同時起到深豎井安全防護的作用。根據(jù)發(fā)電豎井結(jié)構(gòu)尺寸、上彎段混凝土澆筑所需承受的荷載及施工支撐平臺拆除的難易程度,支撐平臺設(shè)計為縱橫工字鋼結(jié)構(gòu)形式。主梁采用I28b,兩端采用30cm×15cm×30cm的方形木盒包裹,以便于拆除,與已澆筑完成的混凝土搭接長度為30cm,主梁間距為96cm,且為保障主梁底部混凝土受力均勻,在混凝土頂面預(yù)埋一塊30cm×30cm厚10mm鋼板,主梁架設(shè)在鋼板上。次梁采用I18,兩端距已澆筑完成的混凝土面10cm,次梁間距為90cm,次梁上鋪10mm厚鋼板。豎井上部支撐平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 豎井上部支撐平臺結(jié)構(gòu)Fig.5 Upper support platform structure of shaft

2.2.2支撐平臺結(jié)構(gòu)安全分析

豎井上部支撐平臺的荷載主要來自模板系統(tǒng)自重、新澆筑混凝土質(zhì)量及施工腳手架自重等施工荷載。采用ANSYS有限元軟件分析豎井上部支撐平臺的穩(wěn)定性,將平臺分為工字鋼、鋼板、周圍襯砌混凝土3部分依次建模。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,最終荷載通過襯砌混凝土或次梁傳遞給主梁。計算采用實體模型上加載的方式,通過加載在鋼板受力面和相應(yīng)受力點,模板、混凝土等自重全部由主梁承擔(dān),腳手架等施工荷載通過次梁傳遞至主梁承擔(dān)。選擇為最大荷載工況,即施工荷載=1.2×施工恒荷載(上彎段下段模板自重+上彎段下段混凝土自重×垂直受力系數(shù)0.2+腳手架自重+工字鋼自重)+1.4×施工活荷載(人員自重,按10人計)。

在鋼板上腳手架落點處建立關(guān)鍵點,再利用這些關(guān)鍵點施加荷載,在基礎(chǔ)混凝土底面和側(cè)面施加完全約束。

支撐平臺在荷載作用下的整體變形和應(yīng)力計算結(jié)果如圖6所示。

①為確保工程項目劃分的合理性，必須堅持項目劃分確認(rèn)程序。一些工程在制定項目劃分時，施工單位先劃分，經(jīng)監(jiān)理審核后，由項目法人報監(jiān)督機構(gòu)確認(rèn)，這樣易造成項目劃分不合理。主要表現(xiàn)：一是存在以施工單位為主導(dǎo)進行項目劃分的問題，缺少項目法人與施工單位及監(jiān)督機構(gòu)與監(jiān)理、施工單位的溝通環(huán)節(jié)；二是設(shè)計單位沒有按要求參與到項目劃分中，特別是在開工初期，各單位對施工圖還沒有完全吃準(zhǔn)摸透，項目劃分易缺項漏項。

由圖6可知,最大變形量發(fā)生在荷載直接作用的鋼板上,值為1.78mm。主梁最大變形為1.64mm

綜上分析,支撐平臺整體應(yīng)力變形滿足承載力要求和相關(guān)規(guī)范要求。

3 上彎段襯砌混凝土澆筑施工

3.1 上彎段下段混凝土澆筑

3.1.1上彎段下段拱架及模板搭設(shè)

圓弧上部鋼筋通過架力筋的方式進行支撐,故該部位架力筋需承擔(dān)上部模板及拱架自重、上部腳手架支撐自重、施工荷載、部分混凝土自重等荷載,因此圓弧段小半徑一側(cè)90°范圍內(nèi)的架力筋應(yīng)加密布置,圓弧下部及中部采用插筋、錨桿等進行固定。

鋼筋綁扎完成后設(shè)置下部圓弧段混凝土墊塊,以保證鋼筋保護層厚度,同時將上部荷載傳力至架力筋,因此架力筋下部小半徑側(cè)90°范圍內(nèi)的混凝土墊塊應(yīng)加密設(shè)置,且保證其強度。

在墊塊的基礎(chǔ)上首先進行圓弧下部模板的鋪設(shè),鋪設(shè)前關(guān)注架力筋、混凝土墊塊等受力傳力部位的強度和穩(wěn)定性;下部模板安裝完成后開始架設(shè)下半圓的2塊型鋼拱架(全圓鋼拱架分為4塊,見圖4)及支架等附件;下半圓拱架搭設(shè)完畢后,依次搭設(shè)上半圓的拱架、拱架楔形體等,將上、下拱架連接成圓,再安裝支架及支架千斤等附屬部件,將單個拱架安裝成型,最后將上部模板固定于拱架上,在拱架安裝的同時進行頂桿支撐,使整個拱架體系形成整體,保障拱架的整體穩(wěn)定性。因襯砌段為圓弧形,兩榀拱架間的距離不是固定值,因此根據(jù)現(xiàn)場實際情況通過調(diào)節(jié)頂桿的底托螺絲至合適位置,最終將拱架、模板、腳手架連接成整體,確保其穩(wěn)定性。

最下層模板與主梁搭接部位按主梁木盒的尺寸切出缺口,缺口尺寸為30cm×15cm,以便于主梁直接嵌入模板內(nèi)。

3.1.2堵頭模板及止水安裝

堵頭模板采用木模板,分內(nèi)圈及外圈兩層。首先安裝內(nèi)圈模板,根據(jù)模板弧度加工成型,兩層之間布置PVC止水;外圈模板根據(jù)實際巖石凹凸情況現(xiàn)場加工,堵頭模板安裝完成后,在模板邊緣焊接鋼筋棍及巖石表面打入插筋等方式確保堵頭模板牢固。

3.1.3下段混凝土澆筑

混凝土澆筑采用泵送入倉、人工振搗的方式,混凝土通過4號施工支洞運至上平段,通過泵送入倉,模板自上而下設(shè)有入倉窗口,該窗口用于混凝土的入倉及振搗,混凝土自下而上依次澆筑,除頂部采用附著式振搗器振搗密實,其余部位均采用插入式振搗器振搗,達到混凝土外光內(nèi)實的質(zhì)量要求。上彎段下段混凝土澆筑如圖7所示(①為澆筑完成部分)。

3.2 上彎段技術(shù)超挖部分澆筑

下層澆筑完成后進行技術(shù)超挖部分(見圖8中的②)的混凝土回填工作,該部位僅設(shè)置側(cè)模,因高度較高,分3層進行澆筑,具體布置如圖8所示。澆筑上層回填混凝土?xí)r在頂部埋設(shè)1根φ25鋼管作為回填灌漿管,鋼管上部開孔用于后期回填灌漿。

圖8 上彎段超挖部分回填混凝土施工布置(單位:cm)Fig.8 Construction layout of backfilling concrete for over-excavation part of upper bending section(unit:cm)

3.3 上彎段上段混凝土澆筑

上彎段上段混凝土澆筑基本與下層混凝土澆筑相同,利用施工腳手架進行模板的搭設(shè)及混凝土澆筑,施工時同樣需特別注意小半徑一側(cè)的架力筋及混凝土墊塊的布置,混凝土入倉采用泵送入倉,附著式振搗器振搗,注意回填灌漿管的埋設(shè),以便后期進行混凝土回填灌漿的施工,因澆筑混凝土量較大,對模板及支撐壓力較大,該段混凝土分兩次澆筑。具體施工布置如圖9所示(③為澆筑完成部分)。

圖9 上彎段上段混凝土澆筑施工(單位:cm)Fig.9 Concrete pouring construction in the upper section of the upper bending section(unit:cm)

4 支撐平臺拆除

上彎段施工支撐平臺需在上彎段及豎井固結(jié)灌漿結(jié)束后拆除,并對預(yù)埋工字鋼部位拆除后用環(huán)氧砂漿進行修補。頂部支撐平臺利用懸掛自制弧形鋼筋爬梯拆除,懸掛自制弧形鋼筋爬梯具體布置如圖10所示。

圖10 懸掛自制弧形鋼筋爬梯布置Fig.10 Layout of hanging self-made arc-shaped steel ladder

支撐平臺拆除屬于高空作業(yè),施工安全風(fēng)險高,應(yīng)嚴(yán)格按照拆除順序進行。平臺拆除采用氣焊切割的方式,切割成直徑小于50cm的碎塊,為防止切割后的碎塊落入豎井,切割前用繩子固定切割的部位,切割后利用繩子將碎塊運輸至上平洞。平臺拆除時,先拆除鋼板及次梁,主梁自遠及近按1～4號依次拆除,4號主梁拆除時,利用懸掛自制弧形鋼筋爬梯底部工作平臺作為落腳點進行拆除和修補。最后將懸掛鋼筋爬梯拆除,割除上平段錨固懸梯的鋼筋,并用環(huán)氧砂漿修補混凝土表面。

5 結(jié)語

1)贊比亞下凱富峽水電站發(fā)電豎井工程中,上彎段彎弧部位混凝土澆筑懸空跨度大、結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則、體型控制要求高,研究采取定型鋼桁架模板+搭設(shè)支撐平臺的施工方案,解決了彎段混凝土澆筑成型和模板支撐安裝拆除等難題,實現(xiàn)了安全快速施工。

2)針對發(fā)電洞上彎段懸空跨度大、混凝土澆筑無支撐點的問題,豎井滑模施工完成后,在垂直段與上彎段的切點樁號處搭設(shè)支撐平臺,用以承擔(dān)模板系統(tǒng)自重、新澆筑混凝土質(zhì)量及施工腳手架自重等施工荷載,解決了上彎段模板的支撐問題,同時起到深豎井安全防護的作用。

3)支撐平臺主、次梁采用I28b,I18工字鋼,次梁上滿鋪10mm厚鋼板,主梁端部混凝土頂面預(yù)埋30cm×30cm厚10mm鋼板,保障主梁底部混凝土受力均勻,主梁兩端采用30cm×15cm×30cm的方形木盒包裹,以便于拆除。采用ANSYS進行結(jié)構(gòu)分析,表明平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為165MPa,支撐平臺總體變形量較小,平臺應(yīng)力變形滿足承載力和相關(guān)規(guī)范要求。

4)彎段混凝土澆筑采用拼裝定型模板,并采取分層分區(qū)澆筑,減小了單次澆筑對模板和支撐結(jié)構(gòu)的壓力,綜合采用插入式和附著式振搗,保證了彎弧部分混凝土澆筑均勻、成型規(guī)整。

5)支撐平臺采用懸掛自制弧形鋼筋爬梯的方式拆除,先拆除鋼板及次梁,然后主梁自遠及近依次拆除,用氣焊切割將平臺按順序切割為直徑小于50cm的碎塊,切割后碎塊利用繩子運輸至上平洞。