LSD斜井滑模施工技术
常焕生
(中国水利水电第一工程局有限公司,吉林长春 130062)
摘 要:介绍了一种新型的斜井混凝土衬砌施工工艺———LSD斜井滑模系统。该系统是对传统的斜井混凝土衬砌滑模施工工艺的一种革新,在保证施工质量的基础上提高了施工效率,降低了施工成本,获得了显著的经济效益。该系统属国内外首创,已获得国家发明专利,并已在一些大中型水利水电工程施工中得到成功应用。
关键词:施工技术革新;长斜井; LSD斜井滑模系统;连续拉伸式液压千斤顶;国家发明专利;水利水电工程
中图分类号:TV52 文献标识码:B 文章编号:1000-0860(2008)12-0004-06
1 引 言
陡倾角大直径斜井是地下引水式水电站特有的建筑物,其混凝土衬砌施工是一项技术复杂、施工难度特别大的项目,尤其是高水头抽水蓄能电站施工的一项核心技术。
白山水电站引水斜井混凝土衬砌曾创造性地采用卷扬机牵引模体进行滑模施工, 1981年获水电部科技进步一等奖。但因其施工布置复杂、卷扬机牵引力较小、容绳量有限等不足,因此不适用于长斜井施工,而且没有得到比较广泛的应用。
1990年前后施工的广州抽水蓄能电站引水斜井,混凝土衬砌采用国外CSM公司研制的间断式滑模系统,每次滑升12.5 m。其不足之处是不能连续滑升、效率较低。
20世纪末施工的天荒坪抽水蓄能电站斜井,混凝土衬砌采用沿轨道爬升的液压爬钳牵引模体,连续滑升。该滑模系统2000年获国家科技进步二等奖。其不足之处:牵引力作用点是在模体的底部,而滑升阻力的合力作用点理论上是在模体的中心,因此造成偏心受力,产生很大的偏心力矩,使模体有向后翻转的趋势,带来模体变形、底拱上抬、爬钳上拔轨道以致爬钳损坏、轨道变形等一系列不良后果,不得不经常停滑来处理故障。
为了解决上述各种斜井滑模系统存在的不足,经中国水利水电建设集团公司立项,中国水利水电第一工程局结合浙江桐柏抽水蓄能电站引水斜井施工,2002~2004年研制成功了LSD斜井滑模系统。LSD斜井滑模系统在国内外属于首创,于2006年获得国家发明专利,专利号200410011210.7,发明人:常焕生、曲建军、张洪江、金晨、王克胜。该项成果2005年获中国水利水电建设集团公司科技进步一等奖; 2007年获吉林省科技进步二等奖;相关工法2007年被评审为国家级工法。
2 LSD斜井滑模设计
2.1 LSD斜井滑模系统技术方案要点
在斜井混凝土衬砌滑模模体上安装LSD液压提升系统,该系统由2台LSD连续拉伸式液压千斤顶、液压泵站、控制台、安全夹持器等组成。通过控制台操作液压泵站及千斤顶进行工作。液压千斤顶通过上下夹持器的交替动作来拉伸钢绞线,以起到提升模体的作用;安全夹持器可防止钢绞线回缩。液压泵站设有截流阀,可控制千斤顶的出力,防止过载。模体所受牵引力与斜井轴线基本重合,以避免偏心受力。钢绞线上端锚固在上弯段顶拱围岩中,或固定在安装于上弯段的钢构架上。桐柏抽水蓄能电站LSD斜井滑模系统施工布置见图1。
2.2 桐柏滑模系统布置
本滑模结构主体为钢结构台车,总重约为81 t。滑模系统由中梁、平台、模板、行走系统、牵引系统、运输系统等6部分组成。
2.2.1 中梁、平台及模板
中梁总长为16.25 m,重量约41 ,t分3节组装,长度分别为5.855 m、5.190 m、5.185 m,各节之间采用高强度螺栓连接。中梁为模体的主架,牵引点在中梁第一节上。模体共设5层平台,分别承担不同的施工用途。模板安装在主平台上,底拱模板长1.2 m,顶拱模板长1.5 m。模板在水平面上的投影为椭圆形,其长轴为11.9 m,短轴为9 m,周长32.6 m,面积40.1 m2。模板的面板厚度8 mm。为保证模体能顺利滑升,模板设有0.42%的锥度(上口大,下口小)。模体各层平台主要技术参数见表1。
2.2.2 行走系统
滑模台车行走轨距4.2 m,轨道采用P38重型钢轨,钢轨每段长4.1 m,轨道在原斜井扩挖轨道基础上加固、安装,并做条形基础混凝土。模体的前轮在铺设好的轨道上行走;后轮在已浇筑完成的混凝土面上行走,作用于混凝土底板中心线位置。为防止后轮对混凝土面产生压痕,采用[20槽钢垫在后轮下,从施工运行情况来看,对混凝土面并未造成破坏和明显的压痕。
2.2.3 牵引系统
采用LSD液压提升系统牵引两束钢绞线提升模体。选择提升能力为1 000 kN的连续拉伸式液压千斤顶2台。液压千斤顶安装在中梁第一节上,安全夹持器固定在液压千斤顶前的中梁横梁上。2个千斤顶由1台主控制台进行控制,主控制台可对千斤顶进行联动控制也可进行单台分动控制,在需对模体校偏时采取分动方式,以保证模体平稳滑升。如需对千斤顶进行维修,可直接将千斤顶放松,这时安全夹持器会自动锁住,再将千斤顶拆下进行维修。千斤顶在必要时可做短距离的后退。
每个千斤顶穿1束9根钢绞线,每束钢绞线沿牵引方向在上弯段顶拱锚入岩石10 m,按预应力锚索的内锚段处理。关于钢铰线锚固深度,若按1 000 kN预应力锚索的内锚段计算,锚固深度为5~6 m。但在钢铰线牵引滑模的情况下,围岩是承受自孔底向岩面的拉力和剪力,与预应力锚索孔底至孔口的围岩承受挤压力不同,所以不但要考虑钢绞线的锚固长度,同时要考虑锚固段围岩的稳定,因此将锚固深度加大至10 m,约为预应力锚索内锚段长度的2倍。
2.2.4 运输系统
斜井上下运输通过运输小车进行,混凝土、钢筋及人员均由运输小车运送,其行走轨道与滑模轨道为同一轨道。运输小车采用2台8 t无级变速卷扬机牵引,平均速度45 m/min。从卷扬机引出的钢丝绳通过斜井上弯段的水平转向滑轮及竖向转向滑轮(安装有限载保护器)与运输小车相连接。规范要求运送人员时钢丝绳的安全系数达到14倍,故选用Φ32 mm钢丝绳,破断拉力564 kN。
混凝土由运输小车卸入存料斗,再卸入手推车,运至混凝土仓面。运输小车一次运送混凝土1.5 m3,存料斗可存1.0 m3混凝土。运输小车不同时运载人员和材料(混凝土、钢筋等),以保证人员安全。
2.2.5 电气控制系统
(1)通信控制。在斜井混凝土施工中,上弯段卷扬机操作与模体和运输小车运行相互之间的联系,采用对讲机与座机相结合的方式。由于运输小车在斜井中运行速度较快、运行频繁,为保证小车运行安全可靠,在斜井上弯段安装1只无线遥控装置进行联系。当小车需要紧急停止时,小车上的信号员可直接按紧急停车按钮使小车停止。
(2)卷扬机电气控制。运输小车由2台无级变速卷扬机通过平衡轮共同牵引,通过集中控制台控制2台卷扬机同时运行或停止。为保证2台卷扬机同步运行,在集中控制台上安装1只双层电位器,对2台卷扬机进行调速控制,达到同步。为保证运行安全,在小车上、下终点位置分别安装限位开关,同时在接近终点位置处安装自动减速控制开关。当小车运行接近终点时,触碰自动减速控制开关,该开关控制发射器发送信号自动将变频器输出频率减小,使卷扬机减速,并发出报警信号,提醒卷扬机司机注意。即便是卷扬机司机没有及时操作停车,小车也会在撞到限位开关时自动停车,避免由于误操作使小车拉出轨道或与模体碰撞。
(3)备用电源。为确保斜井滑模的连续运行,防止由于供电线路长时间停电,造成混凝土凝固,模体无法滑升,在平洞内安装了1台160 kW柴油发电机组作为备用电源。
2.2.6 安全监控系统
由于斜井施工难度大、不安全隐患多,为使卷扬机司机随时掌握运输小车在斜井中的运行状况,确保小车往复频繁运行的安全,分别在井口平台、井下120 m、240 m及滑模模体上安装了电视监控摄像头,对运输小车运行的全过程进行实时监控。
2.3 滑模系统受力分析计算
正确地进行斜井滑模系统的结构分析和各种工况下的受力计算,是滑模结构设计的基础,是保证滑模系统安全、可靠运行的关键。依据计算结果,才能确定提升系统各构件合理的安全储备系数。斜井滑模模体承受的混凝土施工荷载非常复杂,除了结构自重、施工活荷载、混凝土自重外,还有随混凝土凝结时间变化、而且受混凝土级配、坍落度、浇筑温度、振捣方式等因素影响的混凝土对模体的侧压力、浮托力、粘结力、摩阻力等,对这些荷载既要全面、正确地分析,又要进行合理的、适当的简化。设计时,按3种情况进行了滑模结构受力计算: (1)浇筑混凝土之前模体提升; (2)模体浇满混凝土未提升; (3)模体正常滑升。其中第三种情况模体受力最大。
计算结果:模板正常滑动时,计算牵引力为98 ;t前轮支承力为58 ,t表明模体不会上浮;后轮支承力为44 t。
根据计算结果,选择提升能力为1 000 kN的连续拉伸式液压千斤顶2台,其提升能力总计为2 000 kN,则千斤顶平均安全系数约为2.04;选择钢绞线为1×7标准型,公称直径15.2 mm,强度级别1 860MPa,每根钢绞线的破断力为259 kN,每束钢绞线为9根,2束钢绞线的总破断力为259×18=4 662 kN,则钢绞线的安全系数约为4.76。需要说明,连续拉伸式液压千斤顶—钢绞线系统应用于陡倾角大直径长斜井混凝土衬砌滑模施工,在国内外尚属首次,牵引系统的安全系数“无章可循”。采用上述安全系数,是参考了几个提升重物的工程实例,并考虑到混凝土滑模荷载的特殊性。
3 LSD斜井滑模施工
3.1 施工程序
施工程序如图2所示。
3.2 钢绞线的安装
(1)钢绞线在上弯段的锚固。事先对钢绞线的承载能力进行试验。将试验合格的钢绞线的一端按预应力锚索的内锚段编束,锚入上弯段顶拱围岩内,锚固深度10 m,孔内灌注水泥净浆,水灰比为0.35,灌浆压力0.6MPa, 28 d的强度要求不小于50MPa。为了避免模体滑升过程中钢绞线的晃动可能造成岩体表面锚孔周围的岩石松动脱落,锚孔孔口以内留一定深度不注浆。在孔内水泥浆强度较低时,将钢绞线外露部分临时固定。
(2)钢绞线的编索及下放。为了避免模体滑升时钢绞线相互扭结,致使模体无法滑升,在钢绞线锚固之前,首先根据每根钢绞线的左、右捻向进行每束钢绞线的编索,在每束钢绞线中,左、右捻钢绞线相间排列。每束钢绞线沿全长须保持平顺,并按3~5 m的间距用铅丝进行固定,防止钢绞线互相纽结。
(3)钢绞线的穿索及预紧。在钢绞线穿索时,应将其表面擦拭干净,严禁油污等侵蚀,否则在牵引张拉时很容易造成钢绞线的松动。钢绞线穿入千斤顶时,要注意钢绞线的排列与锚固孔引出的钢绞线的排列相一致。穿索完成后,对每根钢绞线利用2 t手拉葫芦进行预紧,自始至终由同一个人进行操作,以尽可能做到每根钢绞线受力均匀。
3.3 千斤顶调试、安装及运行
(1)出厂前千斤顶的调试。液压千斤顶在出厂前应进行调试,以便发现问题及时解决。
(2)千斤顶用于生产前的调试。在模体各项工作准备就绪后,必须对千斤顶进行3~4次调试运行,检验各个部件的运行情况,以确保滑模系统运行的可靠性、安全性和稳定性。在调试过程中要对千斤顶的压力表读数做记录,以便对千斤顶、钢绞线的安全性再次进行校核。
(3)液压千斤顶的安装严格按照说明书进行操作。
(4)夹片的安装、使用与更换。夹片是LSD液压提升设备的一个关键承力部件,在活塞往复运动滑升过程中,夹片反复、交替地卡紧钢绞线而承受来自模体的全部荷载;另外,夹片也是出现故障率最高的一个部件之一,因此在模体运行时经常对夹片进行检查至关重要。夹片安装时,应保证每个夹片上的3个导向螺钉的牢固性,拧紧时螺钉的外露高度应保持一致,否则,在受力不均的情况下很容易导致螺钉的断裂。千斤顶在运行过程中若出现“咔”、“咔”声响时,就应立即停机检查夹片的工作情况。只有在卸载状态下,方能打开夹片、更换夹片。
3.4 斜井滑模模体的安装
模体正式安装之前,在制作场地进行预组装,检查各部位尺寸,对不符合设计要求的进行处理,达到合格后,再解体、运至下平洞。中梁及前后行走系统在下平洞进行组装,然后采用卷扬机通过引轨将中梁拖曳到斜井直线段内,锁定后,再安装模板、各层平台及液压提升系统。
3.5 混凝土浇筑
(1)混凝土浇筑前的施工准备。模体安装就位前要对斜井岩面进行全面清洗。模体进入斜井直线段调试完成后,支立底部模板,施作起滑第一段的钢筋架立,绑扎钢筋。底部模板采用吊模。事先做好混凝土试配工作,试验出混凝土达到出模强度所需的时间,使混凝土性能满足模板的滑升要求。
(2)混凝土运输。混凝土由7.5m3混凝土搅拌车从混凝土搅拌站运至上平段下料平台处,由溜槽溜至运输小车贮料斗内,再由运输小车运至模体上平台下料斗。
(3)混凝土浇筑。混凝土沿环向交圈分层进行浇筑。混凝土在浇筑平台采用人力小推车由上平台下料斗下面接料、分料,通过串筒下料入仓。下料顺序为先顶拱、再边墙、后底拱。浇筑后的混凝土要保持在同一水平面上,保证模板不发生倾斜或扭转。混凝土分层浇筑厚度控制在20~30 cm,使下层混凝土还处于流塑状态时浇筑完上一层混凝土,以便两层混凝土的结合。每层混凝土浇筑后应保持仓面以上有外露的环向钢筋。
3.6 模板滑升
(1)试滑与起滑。在正常滑升前先进行试滑,千斤顶以短行程、多次数提升,观察液压系统和模板的工作情况。试滑几个行程后,如整个滑模系统情况全部正常,即可转入正常滑升。
(2)正常滑升。正常滑升阶段,混凝土出模强度按0.3~0.5MPa控制,模体滑升的时间间隔控制在1.5 h之内,每次滑升30 cm,模体正常滑升速度为20 cm/h左右。如发现混凝土出模强度不够时,须减缓滑升速度。钢绞线在滑升过程中要包扎起来,防止被油污及灰浆污染。
(3)混凝土修整、养护及模板清理。混凝土出模后,在模体悬挂平台(第四层平台)上检查混凝土表面,若混凝土有缺陷,利用混凝土原浆或CU乳液等及时进行修整,使混凝土表面平整度达到设计要求。
混凝土养护:在悬挂平台外围布置一圈喷淋水管进行养护。应控制喷淋的水压,使混凝土表面既能保持湿润,又不致被水流冲坏。应特别注意对混凝土顶拱加强养护。对滑出混凝土面的模板应及时进行清理,可用铁铲清除粘附在模板表面的混凝土,用小刷清扫水泥砂浆,使模板表面光滑,以减少模板摩阻力。
(4)轨道拆除及后轮混凝土防护。为了能够将轨道拆除再用,特意将每根轨道截短为4.1 m。当模体前轮超过一个轨道接头后,此接头以下的这根轨道即可拆除。后轮下面的防护混凝土面的槽钢配备2根,由操作人员在尾部平台上及时将落后于后轮的这根槽钢倒至后轮前面,保证后轮始终在槽钢上行走,以免混凝土表面被后轮压坏。
3.7 模体的纠偏及施工精度的控制
3.7.1 模体偏移的预防和纠偏
在滑模施工中,很可能出现平台上的荷载分布不均匀、千斤顶不同步及浇筑混凝土时入模位置不够对称等因素,致使模体发生偏移。针对上述情况,施工中采用了下述措施预防和纠正偏移: (1)LSD1000型千斤顶设有位移传感器,在出厂时同步性已经调好,偏差很小,但在长期往复运行过程中,会有累积偏差,所以在施工中要随时检查,随时调整。(2)操作平台上的荷载尽可能均衡布置。(3)混凝土浇筑顺序是先顶拱、再边墙、后底板,这样可以防止模体上浮,下部轨道控制模体滑动方向,混凝土浇筑尽可能均衡,如发现偏移,可采取改变浇筑顺序,逐步纠正其偏移。(4)在模体中梁设立一水平尺,当模体发生偏移时,可通过观察水准管判断模板偏移方向,采取措施调整偏差。(5)每滑升6 m对模板进行一次测量检查,发现偏移及时纠正。
3.7.2 施工精度控制
(1)轨道精度控制。滑模模体沿着轨道滑升,由轨道控制滑升方向,所以在轨道施工中严格控制好精度,确保轨道安装偏差控制在允许范围之内。
(2)千斤顶控制。随时观察千斤顶的同步性,如发现有不同步可通过分动来控制调整。
(3)测量控制。每滑升6 m对模板进行一次观测、检查。
3.8 停滑措施
由于斜井混凝土施工难度大,工艺复杂,施工中根据工作需要或其它原因,需停止滑升时,应采取相应的施工方法: (1)停滑时确保混凝土的浇筑高度控制在同一水平面上。(2)每隔一定时间提升一次千斤顶,确保混凝土与模板不粘结,同时控制模板的滑升量小于模板全高的3/4,在具备混凝土浇筑条件时按起滑程序进行。(3)为保证在发生意外停电事故时滑模牵引千斤顶能够动作,备有一台柴油发电机组。
3.9 斜井滑模模体的拆除
滑升结束后,将模体模板、平台拆除后,将中梁拆分成3节,利用布置在上平洞的卷扬机一一吊运出来。
4 LSD斜井滑模系统的效益
LSD斜井滑模系统与其他斜井滑模系统相比,具有以下优点。
4.1 系统安全可靠,结构受力合理
LSD斜井滑模系统的千斤顶上、下两层夹持器具有自锁和手动锁定功能,系统安全可靠,安全系数选用合理,不需要像爬钳滑模系统那样增设2台10 t卷扬机作为保护措施。由于牵引系统设计合理,模体牵引力的合力与滑升阻力理论上在一条直线上,避免了偏心力矩产生的各种不良后果,运行稳定、无故障。滑模施工中实测最大牵引力为85.1 ,t小于并比较接近计算牵引力(98 t)。此前有些斜井滑模系统均未能在设计的牵引系统牵引下起滑,需要再投入千斤顶或卷扬机辅助牵引,而且造成了模体结构严重变形,说明其结构计算结果与实际出入太大,结构安全度不够。
4.2 施工速度快,施工质量好
LSD斜井滑模系统的轨道起承重和导向作用,与爬钳滑模系统的轨道还需承受爬钳的作用力不同,所以轨道能够尽量降低,使轨道基础工程量大大减少;而且牵引系统安装、调试方便,所以滑模准备工期大大缩短。尽管桐柏斜井的断面是天荒坪斜井的1.65倍,相应地施工难度增加很多,桐柏斜井混凝土衬砌采用LSD滑模系统达到的平均滑升速度仍比天荒坪快得多:桐柏为4.76 m/d,天荒坪为3.74 m/d。综合上述因素,与采用爬钳滑模系统相比,桐柏一条斜井滑模可缩短工期至少56 d。
LSD斜井滑模系统保证了滑模施工的连续性,施工精度便于控制和调整,保证了混凝土施工质量。衬砌完成的混凝土表面光滑、平顺,成型准确,形体检查结果,完全满足设计要求。
4.3 综合经济效益显著
以桐柏抽水蓄能电站1#斜井为例,采用LSD斜井滑模系统与假定采用液压爬钳斜井滑模系统比较,由于工期缩短、轨道回收(爬钳滑模系统轨道不能回收)、省去2台保护卷扬机等因素,共可降低施工成本约40万元,平均每延米斜井可降低施工成本约1 100元。
LSD斜井滑模系统造价约600万元人民币,而CSM公司———水电十四局联营体对桐柏斜井滑模系统的投标报价约2 260万元人民币(260万美元),所以,采用LSD斜井滑模系统比采用CSM斜井滑模系统至少节省了建设资金1 660万元。
由中国水电集团公司组织的鉴定认为: LSD斜井滑模系统“与其他斜井滑模系统相比:结构设计合理,模体滑升时偏心力矩小,安全可靠。”“该系统运行连续、稳定,施工效率高,衬砌混凝土成型准确、外观质量好,有效保证了混凝土施工质量,缩短了施工工期。”“该系统投资少,实现了连续无间断施工,运行维护简便,降低了施工成本,综合经济效益显著。”“该课题研究成果具有较高的实际应用价值,在斜井混凝土衬砌施工中具有广阔的推广应用前景,达到了国际先进水平。”
马洪琪院士在其论文《我国水电站地下工程施工技术的回顾与展望》中用“受力更合理,效率更高”对LSD斜井滑模系统给予了高度评价。
该系统已在一些大中型水利水电工程,如桐柏抽水蓄能电站、广东惠州抽水蓄能电站、宝泉抽水蓄能电站、龙滩水电站、黑麋峰抽水蓄能电站等工程施工中得到成功应用。
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