伊朗塔里干水利枢纽地下厂房工程交通竖井多井滑模设计
摘 要:伊朗塔里干水利枢纽地下厂房工程交通竖井多井滑模设计及施工技术具有许多创新点和独特性,国内外尚属少见,值得同类工程借鉴。
1 工程概况
伊朗塔里干水利枢纽工程(Taleghan Dam &HPP Project in Iran. )是中国在伊朗以EPC/T方式承建的以供水、防洪、灌溉为主,发电为辅的水利水电工程,工程总投资1. 43亿美元。
该工程由大坝及其附属结构和发电厂房工程组成。大坝为粘土心墙堆石坝,坝高109 m,填筑工程总量约1 500万m³。
水利枢纽工程发电厂房为地下厂房,布置在水库库区内,装机2×8 900 kW,地下厂房与地面副厂房、开关站通过交通竖井连接,见图1。
交通竖井设计成型断面尺寸为13 m×7 m,井身高度为89. 5 m(高程为1 711. 10 ~ 1 800. 60m)。
交通竖井有如下特点:
(1)交通竖井设置有12个井孔,分为排风竖井2个、送风竖井5个、吊物孔1个、电梯井1个、楼梯井1个、电缆井1个,前室及通道井1个。各井中最大为吊物孔,断面尺寸为4. 5 m×4. 5 m,最小为右下送风竖井,断面尺寸为0. 486 m×0. 38 m;
(2)交通竖井设计布置比较复杂,竖井除了在水轮机层、发电机层以及在1 734. 00 m高程排水灌浆廊道层3个不同高程上形成4个与不同平洞连通的通道外,同时在井壁和隔墙中须埋设各层门框、楼梯楼板梁窝、电器通信埋管、电缆电梯埋件等大小预埋件约1 500余件;
(3)该交通竖井设计布置在水库库区内,三面环水, 1 780. 00m高程以下常年淹没在水中,它的下部和地下厂房投运后淹没在水库水位以下70m处。
交通竖井井壁混凝土厚度为0. 8 m,各井隔墙混凝土厚度为0. 4 m,井壁和隔墙均为双层配筋,混凝土强度等级为C25,混凝土抗渗等级为W6级,混凝土浇筑总量为8 000 m³,钢筋总量约500 t。
由于如下原因,必须改变原交通竖井混凝土浇筑常规模板施工的方案:
(1)由于伊朗市场体制(如炸药供应不畅造成开挖工期拖后等)和熟练劳动力严重不足等原因,导致前期工程施工滞后,施工工期十分紧张,为缓解施工工期紧张的矛盾,节约劳动力,免除因为工期延误造成的罚款;
(2)由于各井尺寸不一,而其小井尺寸较小,常规模板施工操作十分困难,施工难度大,并且耗功费时费材料,同时由于该交通竖井防渗要求高,多层施工缝的常规模板施工方案,其进度、质量和安全将不易得到保障。
塔里干项目施工承包商经过分析论证,为了保证施工工期及提高施工质量,决定对制约地下厂房施工和水库蓄水的交通竖井混凝土浇筑采用滑模施工。
交通竖井中除尺寸小于60 cm右下送风竖井改为预埋钢管外,其余各孔均由滑模一次滑升施工完成。为便于滑模施工,将各孔二期混凝土预埋钢筋改为预埋铁板和梁窝,各井之间通行门框在滑模施工时安装完成,见图2。
2 国内外同类技术比较
(1)国内外目前未见11个大小不同、形状各异的井孔混凝土全由液压滑模一次性整体滑升浇筑完成的文献报道;
(2)国内未见滑模施工在3个不同高程上形成4个与不同井联通通道的文献报道;
(3)国内未见滑模滑升过程中埋设大小预埋件约1 500余件的文献报道;
(4) 1999~2000年大桥水库电站调压竖井混凝土衬砌采用滑模施工,该电站调压竖井为调压及闸门共用的三井孔(调压井、闸门井、通气孔),这在中国竖井滑模施工中属结构复杂难度较高的了,其结构型式比起塔里干交通竖井还是较为简单且施工中无横向门洞通道连接,埋设件数量也较少。
目前,多井滑模施工的情况国内没有记载,在伊朗国内更是前所未闻。
3 多井滑模设计和施工技术难点
(1) 12个井除最小井改为预埋钢管外,其余大小形状尺寸不一的11个孔井全由滑模一次性滑升浇筑完成。多井滑模施工,要使多井水平同时提升的滑模设计制作方法,目前在国内外尚无经验借鉴。
多井滑模整体滑升技术对模体设计和施工是很大的挑战;
(2)在井壁混凝土结构为双层钢筋布置的情况下,多井滑模施工要用快速绑扎井壁钢筋的施工方法,并且要更好地解决井内快速运输的安全问题;
(3)多井滑模施工面临如何解决隔墙钢筋绑扎、混凝土分料入仓与施工运输等人员操作相互干扰的问题;
(4)如何制定多井滑模施工时,多井多点埋设大量的预埋件施工方法,要做到1 500多件预埋件无差错。
科学合理的滑模设计和施工方法,才能使竖井滑模施工顺利进行;才能做到减少滑模施工时停滑次数和处理时间、减少施工缝数量、提高混凝土浇筑质量。笔者作为该竖井多井滑模设计者参与并指导了滑模制作、安装和全过程施工。现对滑模现场辅助设施布置和滑模设计及特殊施工方法作一简单介绍。
4 施工布置与滑模设计
4.1 施工布置
滑模施工混凝土在1 738. 00 m高程以下,采用泵送混凝土经模体分料平台料斗入仓浇筑。在此高程以上采用由井口料斗经井壁溜管到模体的方式入仓。混凝土由现场90型混凝土拌合站生产,再由6m³/次混凝土搅拌运输车送到井口混凝土料斗。滑模施工所需钢筋、木材等材料由工地库房及加工场供应。
井口设置滑模施工吊装系统,吊装系统包括:卷扬机3台(2台5 t卷扬机1台3 t卷扬机)、井口平台和吊装桁架以及井口混凝土料斗。井口布置的3t卷扬机牵引材料吊蓝。
4.1.1 移动平台
在井口吊装系统和井下滑模模体之间设置一移动平台,该移动平台用工字钢和槽钢制作,用木板铺设走道板,靠井壁混凝土溜管处设置一混凝土料斗。移动平台由井口吊装系统的2台5 t卷扬机牵引,可在井中慢速升降,是超前安装井壁钢筋的活动平台。滑模施工混凝土及模体所需材料都通过移动平台中转。
4.1.2 混凝土输送及滑模滑升
在不能采用泵送混凝土入仓时,采用由井口料斗入仓的方式输送混凝土。滑模施工所需混凝土到达井口后的输送通道是经过安装在井壁的8"溜管到移动平台混凝土料斗,从移动平台混凝土料斗出口挂装溜筒一直到模体分料平台的混凝土料斗中,从模体分料平台料斗下接到分支溜槽,再从各支分支溜槽到模体隔墙和井壁周边各点入仓下料点。滑模施工所需混凝土到达井口后经溜管、移动平台料斗、挂装溜筒、分料平台料斗、分支溜槽到仓位。
移动平台在滑模施工中一直悬挂在距滑模模体最上层分料平台的混凝土料斗上方约5 m处,模体滑升时,先逐步取掉挂装溜筒,模体滑升3 m后,将井壁溜管去掉一节(每节3 m),然后将移动平台升高3 m,再挂接溜筒。这样循环施工,滑模就可以不断的向上滑升。
4.1.3 人员通行及材料运输
从井口到模体安装人行扶梯,为维护井壁溜管人员施工方便,人行扶梯安装在井壁溜管旁边,上下人员及维护人员都从人行扶梯通行。滑模施工时所需钢筋、支承杆和修补材料等均由汽车运到井口,由井口安装好的吊蓝吊运到井下移动平台上,再由人工转运到模体。
4.2 滑模设计
滑模设计严格按照(SL32-92)《水工建筑物滑动模板施工技术规范》执行。
4.2.1 滑模总拉力T计算
(1)滑模装置自重力 480 kN;
(2)施工荷载 200 kN;
(3)模板摩阻力 300 kN;
T = (1) +(2) +(3) =980 kN
4.2.2 支承杆和千斤顶的设计计算
4.2.3 滑模模体
滑模模体重48 ,t由平台系统、模板系统、液压千斤顶、提升架系统与辅助系统组成。
(1)平台系统
平台系统从上到下为分料平台、主平台、钢筋平台、抹面平台。各平台用木板铺设走道板。
分料平台为超前绑扎焊接隔墙竖向钢筋、分配混凝土料的平台,模体需用的材料通过它暂存,该平台由[10槽钢制作,在主平台桁架上固定支撑,在平台中部设置一组混凝土集中料斗,料斗上口接混凝土溜筒,出口接分支溜槽送料。
主平台布置液压系统,千斤顶维护及混凝土平仓振捣在主平台进行,焊接电焊机等机具布置在主平台上,该平台设有通往各井的通道。主平台由[14槽钢制作,为便于运输设计分块制作,工地用螺栓连接拼装为整体结构。
各井都有各自的钢筋平台和抹面平台,钢筋平台为水平钢筋绑扎焊接平台,该平台也由[14槽钢制作,各井的钢筋平台都用螺栓与主平台悬挂连接为整体。
各井抹面平台用拉杆挂在钢筋平台下,该平台由角钢制作,是供脱模混凝土修抹及养护使用的平台。
(2)模板系统
各井均形成各自的模板系统。模板系统由模板、围圈组成。模板高度为120 cm,用钢板与角钢制作,根据各井形状设计有角度、弧形和平板等模板,其宽度按各井周长特点设计为每块200~500mm左右,模板保持一定的脱模斜度,相邻模板之间用螺栓连接,模板与围圈用挂钩连接,围圈由[12. 6槽钢制作,围圈与提升架用支托(角钢)相连。
(3)液压千斤顶、提升架系统
模体共设置40支YCQ-7型滑模液压穿心千斤顶,千斤顶通过液压胶管、阀等部件形成液压系统,用一台YJH-WF100C型液压泵站供油。该型液压穿心千斤顶为双回路结构,此结构爬升力大,每次爬升行程5 cm,回位也很彻底,对模体在滑升中减少倾斜和调整有很好的作用。千斤顶与提升架用螺栓连接,与提升架一起沿井周边及中部墙体布置,间隔约1. 5 m左右。
提升架为“F”型提升架和“开”型提升架,“F”提升架26组,靠岩壁沿井周布置,“开”型提升架14组,沿各井隔墙布置,提升架与主平台和模板围圈用支托(角钢)及螺栓连接。
液压穿心千斤顶支承杆选用外径Φ48 mm,壁厚δ=3. 5~4 mm的钢管,杆接头选用δ=8 mm钢管采用公母紧扣连接方式,支承杆制作长度L=3~6 m,启滑时制作4种不同长度安装,安装的“F”型提升架支承杆在设计时已替代1根竖向钢筋永久埋入混凝土中,为保证支承杆的稳定性,要求施工时每根支承杆与岩壁锚杆和水平钢筋点焊为整体,增加支承杆抗弯强度和增大其允载力,“开”型提升架支承杆设在墙体中部,竖向每隔1 m左右用钢筋将支承杆和两边墙体水平钢筋焊接连接。
(4)辅助系统
模体动力(如液压系统电机、振捣器等)与照明用电均由井口电源由胶套电缆接到模体刀闸开关板上,模体滑升时,动力照明电缆随着使用长度变短收卷,模体通讯由手持话机传送,另外,模体施工用风和用水均由井口预留管路供给。
交通竖井滑模施工布置详见图3。
5 多井滑模整体滑升设计制作特点
多井滑模的设计一大技术难题,就是怎样将11个小井的滑模连接成整体结构同时滑升。该滑模采用主平台带多点(多井)悬挂式钢筋平台的设计方法,每个小井滑模为独立单元,都有钢筋平台、液压千斤顶及提升架、圈梁和异型模板(根据结构设计组合模板形状)以及抹面平台。当操作人员启动液压泵站使所有液压穿心千斤顶同时沿支承杆向上爬升时,带动了提升架向上爬升,提升架又带动主平台向上运动。在主平台的带动下,各井的钢筋平台和抹面平台都同时上升,在提升架的作用下各井的围圈及模板也同时向上运动滑升,这样就实现了多井滑模整体滑升。由于主平台和各井钢筋平台设计制作有足够的强度,在施工时不会发生变形,见图4。
6 特殊施工方法简介
6.1 与水平洞口相交岔口的滑升施工方法
先将水平洞全断面衬砌完成,预先完成岔口井壁处模板(但留出液压千斤顶位置),绑扎好钢筋,滑模千斤顶滑升过岔口处沿相贯线后,先后将已预备好的底板和顶板模板安装完成。岔口混凝土浇筑应缓慢进行,滑模滑过洞顶拱后,岔口浇筑完毕,滑模继续正常滑升施工。如水平洞室较大时,须使用工字钢等支撑措施防止滑升模板由于受力不均而发生偏移。
6.2 滑模施工预埋件埋设方法
滑模主平台设计制作时已经考虑滑模施工时安装预埋件位置,比如在安装门框处留有门框宽度加上40 cm的空间,滑模施工混凝土浇筑到门框底部时装上门框,用横条钢筋固定,当模板滑过门框时在抹面平台处人工清理即可。竖井中的楼板及楼梯板和人行扶梯都是在滑模浇筑完毕后再施工完成,在滑模施工中采用预留楼板梁窝木盒和预留插筋及钢板的办法将前期工作完成,施工方在滑模施工前将所有预埋件的位置编号成册,派专人埋设施工,施工技术人员定时定点检查埋设情况,见图5。
7 多井滑模设计和施工技术创新
(1)与常规竖井滑模施工设计相比,该滑模采用主平台带多点(多井)悬挂式钢筋平台的创新设计方法,使得每个小井滑模为独立单元,在液压系统带动提升架和主平台情况下,各井的钢筋平台和抹面平台、围圈及模板都同时向上运动滑升,这样达到了多井滑模整体滑升施工的目的。
(2)该多井滑模辅助设施创新设计了移动平台,井壁外层钢筋绑扎由移动平台施工,移动平台在井口吊装系统卷扬机钢绳牵引下经过起重滑子上下移动,在滑模施工时,它随着模体滑升时由井口卷扬机牵引上升,井口混凝土和各种材料都通过它传到模体上,不但方便了滑模施工,而且在井口和滑模之间增加了一道安全屏障,滑模的安全施工更加有了保证。
(3)与常规竖井滑模相比,该多井滑模创新设计了分料平台,模体采用4层平台施工,比以往设计多1层平台,该平台结构在设计制作时留有竖井隔墙空间,它使多井滑模施工时隔墙钢筋绑扎及门框等预埋件安装不但可行而且非常方便。
(4)首创滑模施工经过在3个不同高程上与4个不同水平洞通道连接段的施工方法,特别是水平洞通道较大时的施工方法(在主厂房通道为6 m岔口段使用工字钢等支撑措施防止滑升模板由于受力不均而发生偏移的施工方法)。
(5)首创多井滑模施工多井多点埋设预埋件的滑模施工方法,做到了1 500多件预埋件工作无差错。
8 经济、社会效益
伊朗塔里干项目施工承包商于2005年3月成功地将交通竖井多井滑模施工完成。该交通竖井滑模安拆25 d,滑模滑升施工28 d,日平均滑升速度为3. 17 m/d,最高为3. 9 m/d。滑模施工时各大部件相互配合协调,功能效果非常明显,显得工序流畅,人员操作方便,安全可靠,对比常规竖井滑模有很大的优越性,完全达到了设计的目的。与常规模板施工相比,工期节省4个月以上。
经济效益:交通竖井多井滑模施工产生的直接和间接经济效益约60万美元。社会效益有如下几方面:
(1)社会影响。由于工期的提前,得到伊朗业主的高度评价,为中国水电承包商在伊朗市场赢得了声誉;
(2)安全方面。塔里干交通竖井多井滑模施工全过程无一安全事故发生,这是常规模板施工不易达到的;
(3)质量方面。滑模施工井壁光滑平整,质量优良,竖井成形垂直度偏差在5 cm之内,这也是常规模板施工不易达到的。该竖井已投入运行近1 a,目前运行正常,各项指标符合规范要求(包括井壁围岩变形指标),经过塔里干水库蓄水近1 a的观测,竖井井壁的最大渗水总量小于300 L/h,符合设计要求的小于300~360 L/h指标,塔里干交通竖井滑模施工质量完全满足了设计要求。
9 结 论
本文对交通竖井多井混凝土浇筑滑模施工布置和滑模设计方法进行了阐述,分析了该井滑模施工的难点和滑模结构的特点并拟出了解决问题的办法,滑模的设计及布置与以往常规竖井滑模对比有较多的创新之处。
伊朗塔里干水利枢纽工程在如此复杂的多井竖井应用滑模取得成功,得力于设计布置上的考虑较为周全,同时周密、严谨的施工组织也是非常重要的因素。笔者认为多井孔竖井混凝土浇筑采用滑模施工技术上是可行的,施工进度和社会、经济效益效果显著,安全质量得到充分的保证,值得在水电行业同类井的混凝土浇筑施工中推广应用。
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