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技术文章
 
 

大直径竖井混凝土衬砌滑模施工技术

2016-4-8 点击次数：[824]
 
    1· 概述
    滑模，是我国现浇混凝土结构工程施工中机械化程度高、施工速度快、场地占用少、结构整体性强、抗震性能好、安全作业有保障、环境与经济综合效益显著的一种施工技术，主要由模板系统、操作平台及支撑系统、各层作业平台组成。在竖井衬砌中利用滑模进行施工，称竖井滑模施工。
    工程中竖井衬砌一般为钢筋混凝土结构，其衬砌厚度各有不一，竖井除引水、排风类为一简单圆形井筒结构外一般均根据工程需要分多个小井，如出线竖井分管道井、电梯井、电梯前室、楼梯间、通( 送) 风井和电缆井等; 滑模从竖井底部安装高程开始向上部预定井口高程进行滑升施工。水电站典型竖井断面如图1、图2 所示。
               
               
    2· 滑模结构
    工程中因衬砌结构净空不一致，故每条竖井滑模均为一独立完整的系统结构。
    2． 1 滑模结构
    滑模主要由模板组、提升架、液压爬升器、千斤顶、主平台、辅助平台、抹面平台、分料平台等组成，见图3。
                
    2． 2 模板系统
    模板系统包括模板、围圈、提升架。
    1) 模板。模板选用厚3 ～ 5 mm 定型钢模板，高1． 2 m，含围囹模板厚度约为5． 3 ～ 5． 5 cm。为减少摩擦阻力和粘结力，模板设计成上大下小、保证有0． 3% ～ 0． 5%的斜度，按上大下小原则组装，严禁出现负锥情况。
    2) 围囹。围囹是模板的支座，并将模板、千斤顶、提升架连成整体，故能承受传递整个滑升模板的垂直和水平荷载。
    3) 提升架。提升架是由立柱、围圈托架组成，上下分别用螺栓与主辅平台相连，其顶部安装千斤顶。
    2． 3 操作平台
    操作平台包括分料平台、主平台、辅助平台、抹面平台，相互间设楼梯作连接通道。
    1) 分料平台。分料平台用厚5 cm 木板全面封闭，平台中心开50 cm 的孔洞设置回转料斗，回转料斗可360°旋转下料。
    2) 主平台。主平台不仅承担施工全部荷载，还是混凝土施工作业的主要工作场所。
    3) 辅助平台。辅助平台主要用于辅助局部预埋件钢筋等安装作业。
    4) 抹面平台。抹面平台布置以满足抹面施工为原则，一般设于滑模最底层以反吊形式设置，并设有安全护栏等设施。
    2． 4 液压提升系统
    液压提升系统是滑模构成的重要部件，包括液压千斤顶、液压泵站、油管路和爬杆。
    爬杆选用壁厚3． 5 mmΦ48 钢管，单根长3 ～ 3． 5m，均采用丝杆连接，滑模施工的全部荷载均由爬杆承担，由滑模支承力计算出爬杆的布设数量，每根爬杆对应1 个千斤顶。爬杆距离结构内边线20 cm，竖井分隔墙则设在中部位置。爬杆在滑模安装时同时安装，其下部须与结构钢筋焊接加固。爬杆布置尽量避让门孔洞，无法避让时则不间断过渡，用边滑升、边加固的方法进行。
    3 ·滑模工作原理及受力计算
    3． 1 滑模工作原理
    滑模依靠液压千斤顶在爬杆上的单向爬升实现位移。工作时爬杆固定，千斤顶的爬升动作分为两部分: 活塞与上卡体为第1 组，缸体、端盖、下卡体为第2 组，两部分组件交替动作，爬升步骤为当千斤顶进油时，第1 组的上卡体紧卡爬杆，锁紧在原来的位置，第2 组被液压力顶升，实现向上爬升1 个行程，同时带动滑模向上移动; 当回油时，第2 组的下卡体紧卡爬杆锁紧，第1 组复位。由此循环千斤顶节节沿着爬杆向上爬动，从而带动滑模完成爬升工作。
    3． 2 爬杆受力计算
    模板与混凝土摩阻力标准值为1． 5 ～ 3． 0 kN/m2，摩阻力: Q摩阻= 0． 3 × L( 周长) × 1． 2 = 3． 6 × LkN，滑模质量即M滑模，施工荷载即M施= M人+ M机，据各部位施工情况确定，则总爬升力为: Q爬升=Q摩阻+ M滑模+ M施。
    单台液压千斤顶爬升力一般额定60 kN，设滑模配置千斤顶台数为N，则在滑模爬升力设计计算时必须满足条件: 实际爬升力Q ＞ Q爬升。举QYD －60 液压千斤顶为例，其安装位置一般距滑模下边线约为1． 9 m，暂按2 m 进行计算。
    Φ48 爬杆支撑能力计算有: Q支撑= α ( 99． 6 ～0． 22 L) /K = 0． 7( 99． 6 ～ 0． 22 L) /2 = 19． 46 kN，则滑模爬升承载能力核算时需满足条件: Q支撑大于爬杆实际受力Q现( Q现= 总爬升力Q/爬杆根数) ，此时能满足使用要求。
    4· 滑模附属设施设置
    4． 1 井口平台和卷扬系统布置
    施工人员、材料均通过卷扬系统进行吊运，卷扬机须设地锚固定点和天锚起吊点。在上平洞底板上打设锚筋并浇铸混凝土基础作地锚固定点，天锚起吊点则设于竖井穹顶中心上通过打设3 组加强锚杆联合形成，并在上井口平台周边设置辅助定向锚点。上井口设置钢桁架平台，井架底座和横梁主要用工字钢和其他用钢管辅助加工形成，用槽钢和连接钢板将各构件连接为整体，底座梁通过打设锚杆加以焊接固定，用5 cm 木板将除吊笼上下空洞外全部封闭，周边设置高不小于1．2 m 的安全防护栏，为防止杂物落入井内，护栏需完全封闭，底脚用3 cm 厚板满铺。
    卷扬机系统布置在上井口，一般设置30 kN、50kN 两组，30 kN 组用于挂设稳绳和检修溜管，50 kN组用于牵引吊笼。为保证吊运材料、人员的主吊笼安全，防止提升钢丝绳断落出现人员伤亡事故，在吊笼顶部增加1 台BF 型吊桶式防坠落保护器，并将防坠器与吊笼用铆焊的方法连接在一起。防坠器主要作用是吊笼的牵引钢丝绳断裂时，其两侧的抓捕设备抓住吊笼两侧的稳绳，使下坠的吊笼平稳停在稳绳上，确保人员安全。
    4． 2 混凝土输送下料系统布置
    竖井混凝土用溜管+ 溜槽入仓，竖井底部用泵车直接入仓。上井口平台设置下料斗，料斗至滑模平台间用DN200 ～ 300 mm 溜管沿井壁连接敷设形成下料管路，下料溜管上每隔12 ～ 18 m 设置一个my － box 型或H 型冲力缓降器，自上而下间隔安装，溜管利用竖井岩壁外露的锚杆焊接固定，并用钢丝绳将每节溜管串联并固定在井壁上，随着滑模施工滑升而将溜管逐段拆除。溜管管路末端通过主溜槽将混凝土输送至滑模上平台中心的回转料斗内，然后通过分料溜槽( 或溜筒) 直接入仓。溜管的安装、检修和拆除，均采用吊车+ 吊笼配合进行。为避免堵管，一般设两组溜管，1组为备用。
    5 ·滑模施工工艺流程及主要施工方法
    5． 1 施工程序安排
    1) 竖井底部需先利用组合钢模浇铸完成1 仓混凝土后，利用已浇混凝土中的预埋件进行滑模安装，滑模安装调试验收完成后即开始进行滑模施工。
    2) 因上井口布有卷扬机系统和钢桁架平台，当滑模混凝土浇铸至距离竖井上井口约10 m 时，需拆除上井口所有设施和平台，此时改用拖泵直接入仓。
    5． 2 施工工艺流程
    施工准备→测量放线→滑模安装→钢筋绑扎→埋件安装→验仓浇铸→滑模初滑→滑模滑升→滑升结束→下段循环施工→拆除滑模。
    5． 3 主要施工方法
    5． 3． 1 滑模系统安装及后续拆除工作
    根据竖井结构形式确定滑模模板组数和安装顺序，单台滑模均共用1 套液压系统。滑模安装顺序为: 运至现场→测量放线→主平台安装→围圈及模板安装→分料平台安装→回转料斗及平台架安装→主溜槽架搭设→分溜槽溜筒安装→液压系统安装调试→抹面平台安装→验仓浇铸→滑模滑升。
    滑模在竖井底部平台上安装，大物组件用汽车吊配合吊装，其他部件利用上井口的吊运系统配合吊装。滑模拆除则用人工配合汽车吊进行拆除。
    5． 3． 2 钢筋安装
    1) 因受竖井内施工条件限制，下料时环向筋长度按4． 5 ～ 6 m 控制，但内层环向筋单根长度不宜超过4． 5 m。
    2) 钢筋绑扎进度须满足滑模浇铸需求，外层筋可超前分料平台2 m，内层筋包括中间隔墙筋则需随着模板的滑升而适时跟进安装。
    5． 3． 3 埋件安装
    预埋件在施工前需做好提示表，根据滑模滑升适时安装，严禁错埋或漏埋，并做好标识工作以便能及时找出，施工中还须做好预埋件的保护措施。
    5． 3． 4 混凝土浇铸
    1) 混凝土入仓。竖井滑模均采用溜管配缓降器+ 溜槽入仓，由搅拌车通过简易溜槽从上井口受料斗下料，通过溜管和滑模上溜槽入仓。
    施工中，需根据衬砌结构的特点选用不同的滑模结构，如在出线竖井类体型较复杂的情况下选用滑模施工时，需在施工主平台上搭设分溜槽，即混凝土从主溜管溜出料口后通过下料主溜槽将混凝土输送至主平台中间的旋转料斗中，然后经各分料溜槽均匀地分布到周围浇筑仓面。滑模施工时下料溜槽搭设布置形式和下料点数量需根据竖井衬砌结构确定，以满足混凝土浇筑需求。典型下料平面布置见图4、图5。
               
               
    2) 下料和平仓。浇筑前，需在原老混凝土上铺1 层强度不低于浇筑混凝土2 ～ 3cm 厚的水泥砂浆，然后开始下料并均匀上升，按一定方向、次序分层且人工对称平仓，坯层厚度按不大于30 cm 控制，上层混凝土覆盖前下层混凝土不得出现初凝。为保证浇筑设计体型，下料点须对称布置，原则上先浇较厚的井圈混凝土再浇较、薄的中间隔墙混凝土。人工平仓时，需根据混凝土下料速度及时铲平下料点周围的混凝土，防止混凝土漏出模板外，及时根据对称下料原则更换下料点。
    3) 混凝土振捣。振捣采用软轴振捣器，并在平仓后立即进行。因中间剪力墙部位振捣较容易爆模，故振捣时必须快插慢拔，振捣点按间距40 cm 均匀布设，不得有漏振欠振。
    4) 滑模滑升速度控制。模板设计高度一般为1． 2 m，混凝土初凝为8 ～ 10 h，浇筑混凝土坯层厚按不大于30 cm 控制，根根浇筑面积和强度情况，模板滑升速度一般按10 ～ 20 cm /h 控制，如需加快滑升速度则必须以保证混凝土质量为前提。
    5) 模板滑升。滑模滑升分初始滑升、正常滑升和完成滑升3 个阶段。初始阶段的混凝土层需浇至60 ～ 70 cm 高，然后开始进行模板的试滑升，正常滑升阶段浇筑高度控制在模板上口以下5 ～ 10 cm 处，并将最上1 道横向筋留置在外以作为绑扎上1 道横向筋标志。
    初始滑升: 是较重要的环节，目的在于观察混凝土强度凝固发展情况，确定脱模时间，以便对滑升模板系统进行全面检查和调整，检查每个千斤顶是否都已到位，如有加压及回油时间不完全一致的千斤顶，则立即调节或更换。
    初次滑升要缓慢进行，过程中需对液压装置、模板结构及有关设施的负载条件作全面检查，发现问题及时处理，并严格按以下步骤进行操作: 先浇筑接缝水泥砂浆使新老混凝土能够较好结合，接着按30cm 的分层厚度浇筑第2 层，使总厚度达到65 cm 以后开始滑升5 cm，检查脱模时间是否合适; 如脱模时间合适则滑升10 ～ 15 cm，否则需稍作停留; 继续第3 层浇筑完成后模板滑升5 cm，如脱模合适再滑升10 ～ 20 cm，第4 层浇筑后又滑升10 ～ 20 cm，若无异常则可转入正常滑升阶段。
    正常滑升: 每次滑升控制在10 ～ 20cm 以内为宜。滑升时，若脱模混凝土尚有流淌、坍塌或表面呈波纹状，说明混凝土脫模强度低，应放慢滑升速度;若脱模混凝土表面不湿润，手按有硬感或伴有混凝土表面被拉裂现象，则说明脱模混凝土强度高，宜加快滑升速度。正常滑升阶段的混凝土浇筑作业各道工序之间应相互交替进行，紧密衔接以保证施工顺利进行。
    完成滑升: 当模板滑至终止高程约1 m 左右时，滑模即进入完成滑升阶段。此时应放慢滑升速度，准确找平混凝土面，以保证收面顶部高程的正确。混凝土浇筑结束后，模板继续滑升，直至与混凝土完全脱开为止。在时必须严格控制滑模的滑升速度。6) 抹面。滑模滑升后，混凝土强度较低，混凝土表面不光滑或出现拉开裂纹，需对混凝土进行抹面修整，确保施工质量。抹面为利用滑模下部反吊的抹面平台由人工完成。
    5． 3． 5 测量控制
    1) 安装测量控制: 滑模安装时在下平洞用全站仪将滑模安装控制点测设好，并固定标识在预定的安装平台上，待滑模安装就位后进行校核。校核后在滑模主平台上设置竖井中心点，在竖井底部平台上做竖井中心点固定标识，同时在滑模主平台上安装1 ～ 2 个强制对中盘，以便在滑模上检查滑模的平面方位精确度。
    2) 滑升中的测量控制: 滑升过程中，需观察模板主平台上设置的竖井中心点锥球，通过与竖井下部平台上的竖井中心点对比校核，检查竖井的垂直度，同时通过固定在滑模上的透明水准管对滑模水平面进行校核，每班至少各进行1 次。
    5． 3． 6 混凝土养护
    养护在浇筑后12 h 内进行，可用自制花管养护，做法为: 在直径不小于30 mm 的塑胶管上沿一侧钻一排小孔，将此管环向固定于抹面平台底部靠混凝土侧的围栏上，将其通水即可进行养护，标准养护时间28 d。
    5． 4 应急措施
    5． 4． 1 滑模纠偏措施
    滑模发生偏移有两种原因: ①模板内混凝土的侧压力不均衡而发生偏移; ②千斤顶不同步使模板倾斜，甚至扭转，如不及时纠正，随着模板的滑升而发生偏移。为防止模板偏移，针对产生的原因采用不同的纠偏预防措施，纠偏按渐变原则进行，一次纠偏不能过大，否则会因局部变形过大、保护层不一致、模板过分倾斜、爬杆弯曲变形等而造成滑模滑升阻力过大会加剧施工偏差。滑模偏移的检测主要是通过测量模体水平度和垂直度来判断。
    1) 初次滑升模板固定。初次滑升前，需在模板对中、调平、固定重垂线后，对模板的上下口进行加固处理。
    上口围圈用40 丝杆顶住模板进行固定。模板下口内侧焊挡块进行限位，围圈共计6 个，均匀布置在模板下口外侧。一般控制模板中混泥土高度在90 cm 左右，即滑空高度不超过30 cm。
    2) 爬杆加固。起滑段: 滑模安装阶段爬杆下段与结构分布筋间需焊接，爬杆与内层结构主筋( 环向钢筋) 间绑扎连接，并在千斤顶下卡头与已浇筑混凝土面之间的爬杆中部增设拉杆( 25 钢筋) ，其两端分别与爬杆和锚杆进行焊接牢固。正常滑升段: 因爬杆的自由长度较长，施工中根据滑模偏移方向情况，利用井身内结构钢筋或系统锚杆焊接直径12 ～ 16 的反向拉筋，拉筋一端焊接直径不小于50 mm 圆环套住爬杆以限制偏移，并沿竖井周围均匀布置，当模板上升到拉筋位置时割断上移。
    3) 对千斤顶不同步进行限位。模板发生偏移最主要原因是千斤顶不同步造成倾斜，即模板中心线与井身的中心线不重合。预防此类偏移可采用以下措施: ①千斤顶安装前必须调试，保证行程一致;②分段在千斤顶上部30 cm 处安装限位器，安装限位器时用水准仪找平，保证模板在30 cm 行程中行程一致，使整个模板水平上升而不发生偏移。
    4) 千斤顶纠偏。施工中如发现模板有少量偏移( ± 1 cm 内) ，则通过千斤顶来纠偏，即关闭偏高一侧的千斤顶，滑升另一侧，即可达到纠偏目的。
    5． 4． 2 停滑处理
    滑模滑升至预定高程或因其它因素而停滑后，混凝土面应平仓浇筑至同一高程; 如是滑模混凝土浇筑已全部完毕则应每隔1 h 整体滑升1 次，每次滑升20 ～ 30 cm，直至模板与混凝土脱空为止，清理模板上的混凝土、涂刷脱模剂; 如是施工中暂时停滑，则需对滑板系统进行全面检查和校正，并对施工缝凿毛处理等。
    6 ·结语
    1) 因滑模能不间断施工的特点，大大提高了施工效率，缩短了工期，由此显示了其优越性。在小湾水电站发电厂房系统工程中厂坝电梯井和引水竖井均采用了滑模混凝土衬砌施工，确保了工程工期和质量，后续在各大型水电工程如金沙江溪洛渡水电站等施工中均得到了广泛推广应用。
    2) 滑模施工，减少了人工排架搭拆和模板架设等繁杂的施工工序，且在类似的竖井结构施工中，对滑模适当进行改装可重复投入使用，减少了成本投入。
    3) 滑模施工的竖井一般较深，溜管使用周期长，应考虑溜管材质耐磨性能; 对于溜管上的缓降器部位、溜管与溜槽下料连结处等容易磨损漏浆的部位建议使用比较耐磨的软胶皮材料进行包裹效果较佳。
    4) 由于竖井内施工材料和人员均需吊笼系统吊运，在后续工程竖井内施工中，卷扬系统选择上建议采用安全性能高、快速型的卷扬系统，同时需作好相关详细的起吊组织工作。
    5) 混凝土料的供应质量方面，一般严格控制塌落度在14 ～ 16 cm 范围，对于不合格的混凝土严禁下料，必须保证溜管下料顺畅。施工过程中如发现混凝土质量异常情况，应及时通知试验人员进行调整。
 
 
 
 
 
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