抗浮技術(shù)在壓力鋼管外包混凝土施工中的應(yīng)用

鄧會(huì)君

（中國(guó)水利水電第一工程局有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

抗浮技術(shù)在壓力鋼管外包混凝土施工中的應(yīng)用

鄧會(huì)君

（中國(guó)水利水電第一工程局有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

豐滿(mǎn)電站重建工程引水壓力鋼管內(nèi)徑8.8 m，外包混凝土厚度1.5 m。由于壓力鋼管體積較大且為空腔結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行外包混凝土澆筑過(guò)程中，如措施不當(dāng)極易造成鋼管上浮移位，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，而且補(bǔ)救處理措施難度極大。本文結(jié)合豐滿(mǎn)電站重建工程壓力鋼管外包混凝土施工，詳細(xì)介紹了有關(guān)鋼管抗浮的相關(guān)技術(shù)措施。

外包混凝土；壓力鋼管；抗??；豐滿(mǎn)電站重建工程

1 概述

豐滿(mǎn)電站重建工程引水建筑物布置在20—25號(hào)廠(chǎng)房壩段，由進(jìn)水口和壩后墊層式淺埋壓力鋼管組成，采用單機(jī)單管的布置型式。壓力鋼管內(nèi)徑8.80 m，壁厚22～32 mm，自上至下分為進(jìn)口漸變段、上彎段、斜管段、下彎段和下平段五部分。鋼管外包混凝土厚度1.5 m，單機(jī)引用流量390.2 m3/s。

壩體混凝土澆筑工程中，在壓力鋼管位置預(yù)留管槽，其橫向?qū)挾群拓Q向高度均為11.8 m。下平段管槽底板為平面，斜管段底板為階梯狀，兩側(cè)及底板先澆混凝土面上預(yù)埋有插筋，以增強(qiáng)新老混凝土之間的結(jié)合。壓力鋼管安裝自下而上進(jìn)行，并以下平段1-5節(jié)為定位節(jié)率先安裝完成，然后隨著壩體碾壓混凝土的施工進(jìn)度逐漸向高部位推進(jìn)安裝。每個(gè)壩段的下平段鋼管外包混凝土分兩段施工（即定位節(jié)段和非定位節(jié)段），每段分4層，最大澆筑層高3.5 m，斜管段外包混凝土則按3 m一層逐層進(jìn)行澆筑。

在上述不同施工情況中，以下平段第一層外包混凝土澆筑過(guò)程中鋼管所受浮力為最大，因此選定此種情況作為邊界條件來(lái)進(jìn)行鋼管抗浮施工技術(shù)的研究。

2 外包混凝土澆筑過(guò)程中的鋼管受力分析

根據(jù)施工規(guī)劃，外包混凝土標(biāo)準(zhǔn)倉(cāng)號(hào)澆筑高度為3 m，采用平鋪法進(jìn)行鋪料，鋪層厚30～50 cm。按照該澆筑層高，在進(jìn)行最底層外包混凝土澆筑時(shí)，混凝土封倉(cāng)高程超出鋼管底高程1.5 m，此時(shí)鋼管所受浮力最大。為保證鋼管的穩(wěn)定，對(duì)此種情況下鋼管的受力情況進(jìn)行驗(yàn)算：

取下平段單節(jié)壓力鋼管為計(jì)算單元，其長(zhǎng)度為3 m，總重量為21.8 t。單節(jié)管重力為：G=mg= 21.8×9.8=213.64 kN；

鋼管所受浮力按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ρ混凝土——液態(tài)混凝土密度密度，kg/m3；g——重力與質(zhì)量的比值，取g=9.8 N/kg；V排——鋼管排開(kāi)混凝土的體積，m3。

取壓力鋼管所受浮力恰好等于鋼管自重的情況下，計(jì)算混凝土澆筑高度。

經(jīng)計(jì)算：V排=213.64/（2.4×9.8）=9.08 m3。此為鋼管沉入混凝土內(nèi)的體積，換算為混凝土澆筑高度為0.85 m。

由以上計(jì)算得出，當(dāng)外包混凝土澆筑高度超過(guò)鋼管底高程0.85 m時(shí)，混凝土的浮力與鋼管自重相等，如果液態(tài)混凝土高度繼續(xù)上升，則浮力將超過(guò)管重。

3 技術(shù)參數(shù)的確定

根據(jù)下平段底層外包混凝土澆筑過(guò)程中壓力鋼管受力情況分析，如壓力鋼管無(wú)其他固定措施，則需保證鋼管底部以上液態(tài)混凝土高度小于0.85 m。此外，還要對(duì)混凝土的澆筑速度、升層高度、升層速度、下料方式等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，方可實(shí)現(xiàn)壓力鋼管的穩(wěn)定。

對(duì)于其他澆筑參數(shù)，參考GB8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》中對(duì)蝸殼外包混凝土澆筑的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定，其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：混凝土澆筑上升速度不超過(guò)300 mm/h，每層澆高一般為1～2 m，澆筑應(yīng)對(duì)稱(chēng)分層分塊。液態(tài)混凝土的高度一般控制在0.6 m左右。

4 壓力鋼管抗浮技術(shù)研究

各壩段壓力鋼管外包混凝土通過(guò)罐車(chē)運(yùn)送至壩體預(yù)留管槽上游側(cè)位置，由混凝土泵泵送至倉(cāng)面，采用平鋪法進(jìn)行澆筑。為防止鋼管上浮及變形，在進(jìn)行最底層外包混凝土澆筑過(guò)程中，盡量將混凝土的浮力控制在鋼管自重的范圍內(nèi)，并確?；炷猎趬毫︿摴軆蓚?cè)交替、均衡上升，避免單側(cè)澆筑過(guò)快導(dǎo)致壓力鋼管因混凝土側(cè)壓力不均而產(chǎn)生偏移，具體措施如下：

4.1 混凝土澆筑技術(shù)措施

壓力鋼管底高程以下的1.5 m外包混凝土因不與鋼管接觸，澆筑時(shí)按50 cm進(jìn)行分層。澆筑至1.5 m后，分層高度調(diào)整為30 cm，鋼管兩側(cè)同一個(gè)澆筑層交替進(jìn)行布料，每一層的澆搗時(shí)間不小于1 h，以滿(mǎn)足規(guī)范中混凝土澆筑上升速度不超過(guò)300 mm/h的要求。

在澆搗完2層，即混凝土超出鋼管底高程60 cm后，暫停鋪料，根據(jù)混凝土配合比初凝時(shí)間，在確定鋼管底高程以上第一個(gè)30 cm澆筑層初凝后，開(kāi)始繼續(xù)向上澆筑。此時(shí)壓力鋼管兩側(cè)的混凝土被鋼管分成2個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，鋼管所受浮力大大減小。經(jīng)計(jì)算，即使在鋼管底高程以上30～150 cm的范圍內(nèi)混凝土全部為液態(tài)的情況下，其兩側(cè)的總浮力小于鋼管自重，此時(shí)按30 cm/h的升層速度繼續(xù)進(jìn)行澆筑。

壓力鋼管外包混凝土澆筑過(guò)程中，還受到混凝土所產(chǎn)生的側(cè)壓力，該壓力在外包混凝土澆筑超過(guò)鋼管腰線(xiàn)以后，因混凝土與鋼管的接觸面積逐漸增大而愈發(fā)不利。因此，在澆筑過(guò)程中，混凝土鋪料厚度同樣取30 cm為一層，且要更加嚴(yán)格地控制混凝土的升層速度，確保其不大于30 cm/ h，同時(shí)在條件允許的情況下，盡量延長(zhǎng)澆筑時(shí)間。此外，在混凝土澆筑過(guò)程中，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理分配澆搗時(shí)間及間歇時(shí)間。此外，為了減小混凝土澆筑過(guò)程中的間歇，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在不影響其他性能指標(biāo)的前行下，盡量減小混凝土的初凝時(shí)間。

控制混凝土降落高度，當(dāng)出料口距澆筑層高度超過(guò)2 m時(shí)在出口設(shè)置膠皮溜桶以減小入倉(cāng)混凝土的沖擊力?；炷寥雮}(cāng)位置要盡量遠(yuǎn)離壓力鋼管布置，入倉(cāng)后通過(guò)混凝土自身流動(dòng)或人工方式進(jìn)行平倉(cāng)，在鋼管附近采用φ80小型振搗器進(jìn)行振搗施工，并確保鋼管周邊混凝土振搗密實(shí)，下料和振搗時(shí)避免碰撞鋼襯管，另外振搗棒頭不與鋼筋、鋼管和支承桿接觸。

4.2 壓力鋼管抗浮加固措施

除了通過(guò)對(duì)混凝土澆筑工藝的控制來(lái)防止鋼管的位移和變形外，鋼管的安裝和加固同樣對(duì)其穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。

首先，在壓力鋼管運(yùn)輸安裝及外包混凝土澆筑期間，每節(jié)鋼管內(nèi)部均采用兩層井字型支撐作為支撐，在外包混凝土澆筑前，為防止兩端管口受混凝土外力而發(fā)生管口變形，在鋼管兩端管口分別設(shè)置一道八卦型支撐。

壓力鋼管安裝期間，利用鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上的軌道將管節(jié)拖至指定位置，在軌道與管節(jié)間采用4個(gè)10 t千斤頂進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)各管節(jié)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)合格后將鐵鞋與軌道焊接固定。此外，在管槽兩側(cè)支墩混凝土澆筑完成后，在支墩內(nèi)壁安裝?36圓鋼制作的大型拉緊器，拉緊器將鋼管腰線(xiàn)以上部分與墻面預(yù)埋鋼筋環(huán)牢固連接，使之成為45°角，可以防止在混凝土回填過(guò)程中產(chǎn)生位移（左右及上下）。有2層加勁環(huán)的鋼管，2層均按照此方法進(jìn)行連接固定。鋼管底部采用28I工字鋼進(jìn)行支撐，支撐件底部與墊層混凝土通過(guò)錨栓或預(yù)埋插筋進(jìn)行可靠固定。壓力鋼管支撐及加固的具體布置形式如圖1所示。

4.3 壓力鋼管抬動(dòng)觀(guān)測(cè)措施

為了能夠在外包混凝土澆筑過(guò)程中，對(duì)壓力鋼管的浮動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，減小變形風(fēng)險(xiǎn)，擬在鋼管腰線(xiàn)位置安裝抬動(dòng)觀(guān)測(cè)儀，抬動(dòng)儀頂板焊接在鋼管的肋板上，在相鄰的支墩混凝土側(cè)面通過(guò)支架固定千分表。外包混凝土澆筑過(guò)程中，壓力鋼管一旦出現(xiàn)浮動(dòng)，則頂板頂起千分表下部頂針，使其指針位置發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管位移的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，抬動(dòng)觀(guān)測(cè)裝置的具體形式如圖2所示。

施工期間，特別是最底層外包混凝土澆筑時(shí)，設(shè)專(zhuān)人進(jìn)行鋼管抬動(dòng)的數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)，如果出現(xiàn)異常情況，立即停止混凝土澆筑，及時(shí)采取處理措施，處理完成后方可繼續(xù)進(jìn)行施工。

圖1 鋼管支撐及加固示意圖

圖2 壓力鋼管抬動(dòng)觀(guān)測(cè)裝置示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

壓力鋼管外包混凝土澆筑過(guò)程中，鋼管抗浮動(dòng)變形需要從多方面入手，多手段進(jìn)行控制。豐滿(mǎn)電站壓力鋼管抗浮措施的編制是以“將液態(tài)混凝土的浮力控制在鋼管自重的范圍內(nèi)”為原則的，同時(shí)對(duì)管體進(jìn)行加固處理，從主、被動(dòng)兩個(gè)方面有效地保證了鋼管的穩(wěn)定及安全。此外，在鋼管腰線(xiàn)位置還安設(shè)了抬動(dòng)變形觀(guān)測(cè)裝置，對(duì)鋼管浮動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步加強(qiáng)了施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)見(jiàn)性。上述措施的綜合運(yùn)用，基本上消除了外包混凝土澆筑誘發(fā)鋼管浮動(dòng)變形的隱患，具有較強(qiáng)的使用性和較高的推廣價(jià)值。

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2017-01-10