超大型全圆整体倒悬挂模板在福堂水电站

调压井工程中的应用

杨党荣

骆志明　蔡远武　步毅刚

(广汉金达隧道机械有限公司,广汉618300)　(中国水利水电第五工程局第七分局,都江堰623003)

摘　要　在福堂电站调压井第一期衬砌施工中,首次采用了全圆整体“倒悬挂模板”进行混凝土支护,施工速度比常规模板衬砌快两倍,取得了显著的工程效益。文章全面介绍了全圆整体“倒悬挂模板”的工作原理、结构设计、安装调试及混凝土浇筑,可为大型竖井及类似调压井工程提供参考。

关键词　倒悬挂模板　调压井　混凝土浇筑　模板设计　安装调试　系统优化中图分类号:U455.91;T V672+.1　　　文献标识码:A

1　工程问题的提出

福堂水电站调压井工程位于四川省阿坝藏族羌

族自治州汶川县境内的长江一级支流岷江干流上,在区域上处于北东向龙门山断裂带三大断裂之后山断裂(茂汶断裂)和断裂(映秀断裂)两条大断裂夹持的地块中,靠近活动性较强烈的茂汶断裂(距其0.5～4km )。建筑物部位岩体以花岗岩为主,岩体内有不同时期和产状的岩株、岩脉,断层、破碎带、强弱卸荷带及裂隙穿插其中,形成了工程区复杂的地质构造。

该调压井为开敞圆筒差动式,开挖深度118m ,开挖直径31m ;永久结构混凝土厚2m ,衬砌后大井直径27m ,井筒深108m 。工程位于单薄山脊中部,两侧地形陡峭,上部约60m 置于强卸荷V 级松驰破碎围岩中,围岩缺乏自稳能力,开挖后上部井壁周围岩体薄,成井条件很差。到目前为止,在这样极差的地质条件下,修筑大断面开敞式深调压井尚无类似工程可以参照,大井井壁围岩的稳定性是本工程安全施工的关键。为了改善调压井围岩的力学性能,提高井壁围岩的稳定性,开挖前对井壁围岩进行了深孔注浆预加固,安装168根、单孔深50～60m 的锚筋桩。施工中采取的措施包括:先加固、后开挖;先导井、后扩挖;先模拟试验爆破、再对井壁实际开挖;边开挖、边支护;边开挖、边监测等。并对监测成

果信息进行反馈研究分析,以指导调整下一步开挖方法及支护方案。为此,在施工过程中采用了边挖大井、边打锚杆挂网喷混凝土、边浇筑倒悬挂模板混凝土平行作业的施工方法,同时力求做到以安全求进度、以安全促效益。

该调压井衬砌分两次完成,第一次衬砌采用“倒悬挂模板”从上到下进行浇筑,开挖直径为31m ,衬砌直径(全圆)为29.4m ,衬砌厚度为0.8m ,衬砌井深约60m 。调压井第二次混凝土衬砌采用“液压滑模”自

下而上施工,下段衬砌厚度为2m ,上段衬砌厚度为1.2m ,衬砌施工高度为108m ,井壁成型内径包括大部<27m 的圆及两个闸门槽和通气孔。

原投标施工组织设计中,倒挂混凝土施工采用大型组合钢模板浇筑,存在的问题是:搭设脚手架、支模等作业工作量大,施工循环时间长,不能及时封闭裸露破碎的围岩;用组合钢模板浇筑倒挂混凝土对大井开挖施工干扰严重,对整个工程的施工进度影响很大;前期井壁超前深孔注浆加固施工因地质条件原因,工程量增加很多,整个施工期滞后3.5个月,调压井开挖工期非常紧张。因此,为了解决大井开挖过程中的安全与工期严重滞后问题,采用了全圆整体倒悬挂模板施作倒挂混凝土支护。此方案在很大程度上实现了混凝土支护与开挖施工同时作业,避免了倒挂混凝土施工与大井开挖施工的直接干扰(图1),及时支护了裸露的围岩。

收稿日期:2004-02-02

作者简介:杨党荣,男,工程硕士,总工程师.

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36・第41卷第2期2004年4月　　　　　　　　　　　现代隧道技术M odern Tunnelling T echnology 　　　　　　　　　

Vol.41　No.2

Apr.

2004

图1　倒悬挂模板工作原理示意

Fig.1　G eneral view of the inversely suspended form

2　倒悬挂模板的工作原理

调压井倒挂混凝土衬砌采用倒悬挂模板从上到

下浇筑,为了施工安全,采用了边开挖、边喷混凝土、边浇筑衬砌混凝土的施工方法。

倒悬挂模板施工时,先将底部斜面模板承重支架向下移动到浇筑仓位,再用底模夹具固定,在移动过程中先用两个倒链吊住斜面底模承重支架,解开承重支架联接耳环和底部夹具,将承重支架用倒链下放到下一个仓位高程。利用模板下部悬挂的走架平台将钢筋绑扎好后,通过模板上的支撑千斤顶将立模内收5～10cm ,检查各部位与洞壁无擦挂后,启动安装在井口的多台卷扬机将模板框架及模板系统整体向下移动,直到立模底边与承重支架(斜面小模板)联接,形成封闭的混凝土浇筑仓位。

模板到位后,通过测量对模板框架的平整度和模板位置进行检查,精确调整到位后进行浇筑。在混凝土浇筑完成后,再将斜面小模板向下移动到第二个仓位进行钢筋绑扎。如此周而复始,直到倒挂混凝土施工完成。

3　倒悬挂模板的设计

调压井倒悬挂模板井下装置总重约85t ,主要由

卷扬机提升系统、模板总成、18边形支承框架、支撑千斤顶、上下工作平台等五大部分组成(图1、图2)。3.1　结构部分设计

调压井第一次衬砌直径为<29.4m ,衬砌厚度0.8m ,衬砌井深60m ,浇筑时从上到下;第二次衬砌直径为<27m ,衬砌厚度下部2.0m 、上部1.2m ,

衬图2　倒悬挂模板平面示意

Fig.2　Plan of the inversely suspended form

砌井深118m ,浇筑时从下到上。由于该井衬砌直径大,而整圈混凝土又是一次性浇筑完成,考虑到下料的不均匀性及混凝土侧压力平衡的要求,大井模板支撑采用多边形空间框架结构来保证整个结构的强度、刚度及稳定性。同时,为节约成本,用户要求第二次液压滑模衬砌时能大部分利用模板及框架。

因此,设计时以调压井第二次衬砌(<27m )滑动模板及框架为基础,多边形框架设计成18边形,第一次衬砌(<29.4m )时,18边形的弦长差额部分,由相应的框架联接体补足;同理,模板也设计成18边形,倒挂混凝土衬砌(<29.4m )时,模板与模板间的差额部分由拼接模板补齐。拼接模板设计成带坡度的等边梯形状,以便脱模。结合后期液压滑模的利用,侧面立模由上下两块(1.5m 与1.75m 高)模板组合而成,底部安装有呈45°角的斜面底模,模板总高度3.25m ,衬砌高度为3m ,每模搭接250mm 。每一块模板沿径向分三层布置6个支撑千斤顶,中间布置2个双向千斤顶用于模板脱模。模板的自重由多边形框架上的36个悬臂支撑梁承担。3.2　卷扬机系统设计

9台卷扬机的单机起吊能力为3t ,每台采用两

组动滑轮,提升倍率为4。最外层钢丝绳起升速度不大于16m/min ,其中4台起升高度为70m ,另外5台起升高度为60m 。采取双级制动,人工安全锁定。

3.3　电气系统的设计

要求电气系统对9台卷扬机实现既能同步工作、又能单独操作,且每台卷扬机电机都是重载启

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4　倒悬挂模板结构

4.1　卷扬机提升装置

倒悬挂模板升降由通过在井口平台上均匀布置的9台3t慢速卷扬机承担。悬挂模板总重约100t (包括作业平台上工人、堆放钢筋及工器具的重量)。模板升降速度为4m/min。

4.2　多边形框架

多边形框架由两层组合,每层18件,通过螺栓联接,当第一次衬砌(<29.4m)时,18边形的弦长差额部分由相应的框架联接体补足。

4.3　模板总成

模板总成由上部两层36块整体钢模、36块拼装模板及下部18件斜面底模承重支架和270块斜面小模板(1126mm×377mm×358mm)组成。

每件立模开有呈品字形排列的500mm×400mm 的工作窗,以便振捣器入仓和施工人员对混凝土仓位的观测;在上部18件模板的顶部都安装有进料斜槽,其进料口可用螺旋丝杆进行关闭。

斜面底模的固定是利用现有的内外两层预埋钢筋将底模吊住,每个循环都搭接受力钢筋。由于底模宽度为0.8m、混凝土衬砌高度为3m,则整圈混凝土自重约为570t。整个底模分18部分,每部分设计有10根受力钢筋吊点。整个内外两层圆周共180根受力钢筋,每根受力钢筋承重3.2t。

4.4　支撑千斤顶

整个模板沿径向分三层设置支撑千斤顶,其目的是为了将模板支撑在多边形框架上,调整模板的安装精度。整周模板共有108个支撑千斤顶。

4.5　上下工作平台

工作平台分上、下两大部分。上部由多边形框架平面及六边形加强平台组成,其功能为用于工人操作及钢筋、工器具的堆放;下部由位于多边形框架中部侧面的人行走台及框架下面的悬挂平台组成,其作用为工人脱模和绑扎钢筋的操作平台。平台用30mm左右的木板搭设而成。

4.6　斜面底模

由于相当数量的结构钢筋要穿过斜面底模和脱模移动就位的需要,斜面底模共分18部分。每部分外圈有43根钢筋穿模,总数共774根,其间距为125.16mm;每部分内圈有26根钢筋穿模,18部分共468根,间距199mm。

由于斜面底模内、外层竖向钢筋的间距太小,每循环底模脱模又不方便,底模还要承受混凝土重量,为此将小型斜面底模安放在承重支架上。每部分承重支架通过10个受力点承受混凝土重量,18部分共180个受力点。在斜面小型模板上按钢筋实际位置钻孔,孔径为<40mm(采用<20mm钢筋,钢筋每边的安装误差为10mm),将小型模板套装在钢筋上。脱模时,先用夹具固定在钢筋底端,模板及承重支架在导链的负载下沿钢筋向下移动。

5　倒悬挂模板的安装调试

5.1　浇筑安装基座

先准备好安装基座,安装基座(1200mm×420 mm的长方形)共18个,但具体浇筑混凝土基座时,应适当放大,且各基座面间的水平度应控制在有利于框架安装的范围内。

5.2　安装多边形框架及支撑千斤顶

多边形空间框架由18件上部框架、18件下部框架、18件框架联接体组成。安装时应循序渐进,按区安装。安装时,各件的联接螺栓先不必全部拧紧,但必须全部安装。待各区全部安装到位、经过外型尺寸检测合格后,再全部拧紧。然后,把各支撑千斤顶挂接在框架结构上。

5.3　安装工作平台

先安装多边形框架平台上部的六边形加强平台及栏杆,后安装多边形框架中部侧面的走台三脚架、下部走台挂架。

作业时应注意:所有走台都用木板搭设,放置在平台及支架上,各木板之间用铁丝适当固定;上部走台共分6个工作区,用于堆放工具、杂物及钢筋等;每个区的承重量不得大于1000kg,且应分散布置。

5.4　安装悬臂支撑梁

36件悬臂支撑梁联接18件上部框架和立面大模板,将大模板自重传递到框架上。

5.5　安装模板总成

模板安装应与多边形空间框架安装一样,按区安装。为保证结构的对称受力,安装时应对称安装,即在框架的相邻两区安装好模板后,接着在对面的对称位置安装。模板安装吊运时应轻拿轻放,防止碰撞,以保证模板不致于摔坏变形。

先安装18个区的大模板,再安装相应的等边梯

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超大型全圆整体倒悬挂模板在福堂水电站调压井工程中的应用

形拼装模板,拼装模板与大模板的联接在靠近洞壁一侧用螺栓在脱模内侧用U 型卡联接,以方便脱模时能提高脱模效率。由于该调压井分两次衬砌,第一次衬砌时的外形尺寸要求不高,但安装好后应检查各对称区拼接模板的直线尺寸是否满足要求,其误差不得大于20mm ,拼装模板与大模板的联接对位准确,以不漏浆为原则。5.6　卷扬机及支架的安装

因调压井井台形成后为“椅子靠背”地形,9台卷扬机沿井圈只能按两个平台布置,各间隔40°,1319m 层井台及岷江侧斜坡上布置有编号为7、8、9、1共4台卷扬机,起升高度为70m ;1309.5m 层井台布置有编号为2、3、4、5、6共5台卷扬机,起升高度为60m 。

卷扬机及支架按已浇筑且沿径向安装的基座就位,各相对位置应力求协调对应。要求每个地脚螺栓的承载拉力不低于3t ,每个支架(两个支点)的总承载拉力不低于40t ,以保证支架承载的绝对安全。5.7　斜面底模和走台挂架的安装

整个斜面底模共分18个区,每个区因结构相同,安装也完全相同。各区钢筋及小模板安装应严格按图纸编号排列。

斜面底模安装之前,应先将底模承重支架定位,底模承重支架挂在10个吊点上。由于底模支架呈空间圆锥形,各固定支点不在一个平面内,其高差为618mm 。然后在底模支架上,按设计要求有序地布置各区的斜面小模板。最后将10根<25螺纹钢筋穿过承重支架孔,上部与预浇混凝土内的钢筋焊接,焊接强度必须牢固可靠;下部用专用底模夹具固定。

先安装侧面走台及上部防护栏杆;下部走台挂架待井挖高度满足安装空间后再进行。5.8　电气设备的安装

电气控制柜安装在靠山一侧1319m 层井台控制室内,可俯瞰整个工作区域。9台卷扬机的控制线全套装在钢管内,对称布置并尽量减少线长,以降低耗损。

5.9　模板系统的调试

悬挂模板系统安装完成后,要对各部分进行调整并进行检测,以达到施工衬砌条件。

6　混凝土输送及施工

该工程井壁岩体条件极差,必须及时浇筑倒挂混凝土,以维护施工期井壁岩体稳定,保证施工安全。井台施工场地狭小,交通能力有限,但实际施工

中井壁岩体破碎,超挖量较大,整体模板加高到3.6m 后浇筑方量达400m 3,因此混凝土垂直输送强度要求高。

倒悬挂模板二级配混凝土(C 20W 8)拌制采用HZS60型拌合站,混凝土水平运输采用6m 3混凝土

罐车,垂直输送采用150mm 无缝钢管直溜系统。直

溜系统由9根溜管组成,平均分布在1309.5m 高程平台上。为了入仓方便,在每两台卷扬机之间布置1根溜管,其编号与卷扬编号相对应(图3)。在调压井平台及其附近的溜管采取混凝土罐车配溜槽直接进入溜管的方式浇筑,其余不能直接浇筑的范围采取DM Q540/30门机吊罐的方式进行浇筑。混凝土无缝钢管直溜系统垂直运送混凝土最大高度为60m ,由于采用了斜槽缓冲系统,有效地保证了混凝土的浇筑质量

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图3　井口卷扬机及溜管布置示意(单位:m )

Fig.3　Schematic view of winding engines

　　　and a hopper at the shaft entrance

无缝钢管直溜系统下部,采用溜槽及橡胶溜管

(软管)将混凝土送入仓内。根据现场试验数据显示,混凝土坍落度损失为4～5cm ,由14～16cm 衰减为10～11cm 。混凝土骨料分离现象较小,满足施工要求。仓内混凝土采用<50、<70振捣棒人工振捣。

调压井倒挂混凝土施工工序为:底模就位安装、斜面凿毛、钢筋制造及安装、底模实缝、验收和大模就位、预埋钢筋安装及浇筑准备、混凝土浇筑。每个循环工作时间为240h (10天),每个循环浇筑高度为3.6m 。

7　倒悬挂模板系统的完善与优化

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7.1　倒挂模板入仓料口的完善

因模板原设计有25cm 的搭接部分,约束了混凝土入仓,使上下两层混凝土不易浇筑密实。为此,施工中不考虑25cm 搭接长度,并在模板总高(3.25m )的基础上,于顶部增加35cm 高喇叭口型斜模,在加强测量控制保证浇筑体型的前提下,使每循环浇筑高度由3m 增加到3.6m 。这样,既改善了混凝土入仓条件,使两层混凝土之间浇筑密实;又增加了每循环浇筑高度,加快了施工进度。7.2　底模固定方式的改进

整个斜面底模共分18个区,原设计每个区用10根<25精轧螺纹钢筋穿过支架孔,上部与先浇混凝土内的钢筋苗子焊接,下部采用专用螺母及垫板固定。实际施工中,因精轧螺纹钢筋供货困难、成本高。广泛调研后,采用夹具固定底模不但设计合理、安全可靠,而且操作方便,降低了工程成本。

8　结　论

倒挂模板于2002年1月下旬开始安装,3月初

结束。3月上旬开始进行倒挂混凝土仓位的准备工

作,3月21日首次开盘浇筑1303m 以上的倒挂混凝土,至8月26日完成了1253.5m 高程以上共15次整循环的倒挂模板混凝土施工。在增加井筒钢衬板工作量的情况下,实际完成时间比原投标施工计划还提前2个月,取得了缩短工期、井挖进尺超前17m 的好成绩(原投标计划倒悬挂混凝土工期为1年,实际工期为5～6个月),抢回了因固结灌浆滞后的工期,为60m 高井筒钢衬板的安装赢得了宝贵的时间,为2003年12月首台机组按时发电走出了坚实的一步,取得了明显的安全效益,保证了计划进度的实现。

超大型全圆整体倒挂模板通过在福堂水电站调压井工程中的顺利使用,开创了特大型调压井整体倒挂模板浇筑的先例。这项新技术的最大优点是:井壁的混凝土浇筑不直接影响开挖面的施工,全圆整体浇筑衬砌混凝土能够一次浇筑成型;技术上,模板及框架结构设计新颖,强度和稳定性可靠度高,起升机构能满足同步上升和下降的要求;在保证安全与质量的前提下,施工速度要比常规模板快两倍。

A super large inversely suspended whole circular form adopted

in the pressure shaft of Futang hydropow er station

Yang Dangrong

(G uanghan Jinda Tunnel Machinery C o.Ltd.,G uanghan 618300)

Luo Zhiming 　Cai Yuanwu 　Buyigang

(No.7Branch C om pany of China N o.5Water C onservancy &Hydraulic Engineering Bureau ,Dujiangyan 623003)

Abstract 　A large inversely suspended form was used for the first time for concreting during the first stage of lining of the pressure shaft in Futang hydropower station ,with the construction speed doubled com pared with that by using convention 2al form of lining and with significant engineering efficiency acquired.The paper introduces the principles ,structural de 2sign and the installation of the whole circular inversely suspended form ,which can be taken for in ference by the building of large shafts and similar projects.

K ey w ords 　Suspended m onolithic form ;Pressure shaft ;C oncreting ;F orm design ;Installation and testing ;System opti 2mization

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