高支模大跨度密肋拱梁吊頂結(jié)構(gòu)快速施工技術(shù)

曾 強(qiáng)

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂設(shè)計為現(xiàn)澆密肋拱梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨度大、高度高等特點；同時，主變洞在開挖支護(hù)階段，由于受高地應(yīng)力、柱狀節(jié)理、陡、緩傾角裂隙、不利結(jié)構(gòu)面以及洞群效應(yīng)等不利因素影響，對主變洞頂拱及邊墻部位反復(fù)進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，造成開挖支護(hù)工期延長、混凝土澆筑施工工期緊張等問題。針對所存在的問題，施工局技術(shù)人員在混凝土施工過程中優(yōu)化創(chuàng)新施工技術(shù)，實現(xiàn)了主變洞吊頂結(jié)構(gòu)混凝土安全高效澆筑，為白鶴灘水電站左岸主變洞按期向機(jī)電交面創(chuàng)造了有利條件。對白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)快速施工技術(shù)進(jìn)行了闡述，旨在為同類工程施工提供借鑒。

1 工程概述

白鶴灘水電站左岸主變洞平行于主副廠房洞布置，位于主副廠房洞下游側(cè)[1]。主變洞長368 m，從南到北依次布置南側(cè)副廠房，1號～8號主變段，北側(cè)副廠房。主變洞吊頂結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆密肋拱梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，呈圓拱形，布置在1號～8號主變段及南側(cè)副廠房，位于主變洞GIS層。主變洞吊頂結(jié)構(gòu)長321.6 m，跨度為21 m，其中拱梁內(nèi)半徑為17.015 m，外半徑為17.215 m，拱頂高程623.25 m，拱底高程619.7 m，GIS層底部高程605.75 m。吊頂結(jié)構(gòu)采用上下游兩側(cè)布置的構(gòu)造柱做支撐，包括拱梁、肋梁、拱板。

主變洞上下游兩側(cè)高程617.4 m處布置有永久橋機(jī)吊車梁，采用構(gòu)造柱做支撐，吊車梁隨構(gòu)造柱一起澆筑。根據(jù)設(shè)計方案，主變洞GIS橋機(jī)在吊頂結(jié)構(gòu)澆筑完成后利用吊頂結(jié)構(gòu)拱梁提前預(yù)埋的T=10 t吊鉤做支撐安裝GIS橋機(jī)，吊頂混凝土施工階段不能利用永久橋機(jī)作為材料的運輸手段。主變洞南側(cè)副廠房GIS層底部布置有10.7 m×4.65 m(長×寬)吊物孔作為GIS層及吊頂結(jié)構(gòu)材料的運輸通道，主變洞底部布置有主變洞交通洞和進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞，頂部布置有主變頂層南、北側(cè)交通洞作為對外聯(lián)系通道。

由于受各種因素影響，白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)具備施工條件的時間為2019年6月初，而計劃中的主變洞向機(jī)電交面時間為2020年1月31日。除去后期建筑初裝修施工1個月的時間，吊頂混凝土施工工期不足7個月，施工工期極為緊張。因此，必須采取安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效的快速施工技術(shù)措施方能保障主變洞吊頂混凝土在7個月內(nèi)施工完成而確保安全向機(jī)電交面。施工局的技術(shù)人員在施工過程中主要采取了以下技術(shù)措施優(yōu)化了施工方案。

2 高支模大跨度密肋拱梁吊頂結(jié)構(gòu)快速施工技術(shù)

2.1 吊頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

主變洞吊頂結(jié)構(gòu)設(shè)計為現(xiàn)澆密肋拱梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，呈圓拱形。原設(shè)計方案中的主梁尺寸為500 mm×800 mm，次梁尺寸為300 mm×600 mm(共計15榀)，拱板厚250 mm，吊頂結(jié)構(gòu)之拱板、次梁、主梁底部不在統(tǒng)一曲面上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模板安裝及支撐難度大，工程量大，不利于工期控制。

在滿足結(jié)構(gòu)安全和投資控制的前提下，該工程通過優(yōu)化板梁結(jié)構(gòu)達(dá)到了快速澆筑吊頂結(jié)構(gòu)和節(jié)約工期的目的。其特點為：在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，通過加大次梁截面面積(優(yōu)化后的次梁尺寸：300 mm×650 mm)、減少次梁榀數(shù)(優(yōu)化后的典型斷面次梁榀數(shù)為7榀)和減少拱板厚度(優(yōu)化后的拱板厚度為200 mm)，達(dá)到了減少吊頂結(jié)構(gòu)模板和支撐安裝難度的目的，從而加快了吊頂結(jié)構(gòu)模板安裝的施工進(jìn)度，節(jié)約了施工工期[2]。同時，優(yōu)化后的吊頂結(jié)構(gòu)方案減少了混凝土工程量[3]，節(jié)約了工程投資。白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)典型斷面見圖1。

圖1 白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)典型斷面圖

通過吊頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主變洞單機(jī)組段吊頂結(jié)構(gòu)可節(jié)約工期5 d，主變洞吊頂結(jié)構(gòu)分3序施工，可縮短直線工期0.5個月。

2.2 運輸通道優(yōu)化

根據(jù)主變洞的結(jié)構(gòu)布置，主變洞GIS層的施工材料僅能通過布置在主變洞南側(cè)副廠房GIS層底部的吊物孔或布置在頂層的南、北側(cè)交通洞吊裝進(jìn)入工作面。該方式存在以下弊端：吊物孔布置在主變洞南側(cè)副廠房GIS層底部，而其下部是廠房混凝土澆筑階段的主要施工通道，導(dǎo)致材料吊裝與廠房混凝土澆筑相互制約，施工干擾大。在采用主變洞頂層南、北側(cè)交通洞作為材料吊裝工位時，需先完成主變段GIS層以上澆筑后方能進(jìn)行南、北側(cè)副廠房段的澆筑，施工工期長，不能滿足按期向機(jī)電交面的目標(biāo)。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，施工局技術(shù)人員提前規(guī)劃、統(tǒng)籌兼顧，在2號和5號主變段下游側(cè)GIS層底板澆筑時各預(yù)留了一尺寸為11.6 m×3.05 m(長×寬)的吊物孔，解決了施工期間機(jī)具設(shè)備及材料垂直運輸問題，解除了其對施工通道的制約，加快了施工進(jìn)度，吊物孔后期采用GIS層底板同標(biāo)號混凝土回填。其特點為：在主變洞GIS層布置了兩臺5 t龍門吊作為起吊設(shè)備，龍門吊可以通過軌道在GIS層上自由行走，覆蓋1號～8號主變段，從而實現(xiàn)了吊頂結(jié)構(gòu)施工機(jī)具和材料快速吊裝就位。

通過設(shè)置專用的垂直運輸通道，大大加快了主變洞吊頂結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度，同時解決了利用主變洞南側(cè)副廠房GIS層底部作為吊裝工位時主變洞吊頂結(jié)構(gòu)澆筑與廠房混凝土澆筑相互干擾的問題以及利用主變洞頂層南、北側(cè)交通洞作為材料吊裝工位時主變洞吊頂結(jié)構(gòu)澆筑與主變洞南、北側(cè)副廠房澆筑相互干擾問題。

2.3 “盤扣式滿堂架+定型拱架、桁架”新型組合支撐體系施工技術(shù)

主變洞吊頂結(jié)構(gòu)混凝土原設(shè)計方案采用扣件式鋼管滿堂腳手架作為支撐，該方案排架搭設(shè)工程量大，安全風(fēng)險較高，施工效率較低。實際施工時，施工局技術(shù)人員積極引進(jìn)了我國目前推廣應(yīng)用最為廣泛、效果最好的新型腳手架技術(shù)——盤扣式腳手架技術(shù)[4]，該排架能適應(yīng)多種間距形式的承重排架需求，具有搭設(shè)簡單、穩(wěn)定性好、承載力高、安全可靠等優(yōu)點。盤扣式腳手架的全部桿件系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，適應(yīng)性強(qiáng)，排架搭設(shè)施工效率高，施工進(jìn)度易于控制，排架搭設(shè)后不會產(chǎn)生因間距不滿足設(shè)計要求而反復(fù)整改或者返工的問題，同時，采用盤扣式腳手架較采用扣件式腳手架更易管理，文明施工形象更好。

對于大跨度“城門洞”型弧形頂拱混凝土模板施工，其常規(guī)施工方法主要采用可調(diào)托座+Φ48 mm架管發(fā)散型支撐或采用定型拱架支撐在滿堂承重架上。由于該工程拱板、次梁、主梁底部不在統(tǒng)一曲面上，因此，模板采用常規(guī)定型拱架的支撐方案不能應(yīng)用；同時，采用可調(diào)托座+Φ48 mm架管發(fā)散型支撐方案施工現(xiàn)場操作復(fù)雜、施工效率低，施工時混凝土外觀質(zhì)量不易控制。為加快模板支撐安裝效率、保證混凝土外觀質(zhì)量，施工局技術(shù)人員創(chuàng)新性地設(shè)計了一種“定型拱架+桁架”支撐系統(tǒng)，即采用定型拱架橫向支撐主梁和次梁，定型拱架榀與榀之間用Φ48 mm腳手架鋼管縱向連接，以此確保拱架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。對于拱板與定型拱架之間的空洞部位采用“目”字型定型桁架縱向支撐，定型桁架的長度根據(jù)主梁間距進(jìn)行設(shè)計，與定型拱架之間采用直角扣件進(jìn)行連接以確保定型桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。定型拱架與定型桁架連接情況見圖2。

圖2 定型拱架與定型桁架連接示意圖

采用“盤扣式滿堂架+定型拱架、桁架”新型組合支撐體系技術(shù)澆筑主變洞吊頂混凝土大大加快了滿堂腳手架搭設(shè)速度并提高了模板支撐安裝效率，經(jīng)現(xiàn)場實際測算可提高施工效率30%以上。通過采用“盤扣式滿堂架+定型拱架、桁架”新型組合支撐體系技術(shù)，主變洞單機(jī)組段吊頂結(jié)構(gòu)可節(jié)約工期10 d。主變洞吊頂結(jié)構(gòu)分3序施工，可縮短直線工期1個月時間。

2.4 預(yù)制清水模板技術(shù)

主變洞吊頂混凝土由于結(jié)構(gòu)需要其拱板、次梁、主梁底部不在統(tǒng)一曲面上，梁的大小、跨度、高度各不相同，梁與拱形成的框格大小不一、不成模數(shù)，因此，采用常規(guī)組合鋼模板方案模板拼裝難度大、木模補(bǔ)縫面積大、施工效率低。為加快模板安裝效率，施工局技術(shù)人員采用預(yù)制清水模板技術(shù)進(jìn)行模板安裝，即按照吊頂結(jié)構(gòu)拱板、次梁、主梁位置和清水模板成品規(guī)格提前對模板進(jìn)行個性化設(shè)計，按照盡可能少切割標(biāo)準(zhǔn)清水模板、少產(chǎn)生余料、模板拼縫縱橫一致的原則，提前將模板拼裝設(shè)計圖繪制完成，在加工廠內(nèi)按照設(shè)計圖紙將模板預(yù)制成需要的模塊，并按照設(shè)計圖紙對預(yù)制好的模板進(jìn)行統(tǒng)一編號，模板安裝時，對照模板拼裝設(shè)計圖將對應(yīng)編號的模板安裝在相應(yīng)的位置[5]。

采用預(yù)制清水模板技術(shù)有效提高了主變洞吊頂結(jié)構(gòu)模板安裝施工效率，加快了施工進(jìn)度。同時，采用預(yù)制清水模板技術(shù)模板拼縫少、接縫嚴(yán)密、對縫規(guī)整，對比采用普通組合鋼模板拼裝、木模板補(bǔ)縫方案，混凝土外觀質(zhì)量更容易控制。

3 實施效果

白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)混凝土施工于2019年6月初啟動，于2019年12月中旬結(jié)束，歷時6.5個月，按期完成了吊頂結(jié)構(gòu)混凝土施工，為主變洞初裝修施工爭取了時間，為按期向機(jī)電安裝交面、實現(xiàn)“安全準(zhǔn)點”發(fā)電提供了可靠保障。主變洞吊頂結(jié)構(gòu)采用以上各種優(yōu)化措施后各工序施工質(zhì)量全面受控，混凝土外觀成型質(zhì)量優(yōu)良，混凝土澆筑單元工程合格率為100%，混凝土澆筑單元工程優(yōu)良率為100%，受到了業(yè)主、監(jiān)理的一致好評。白鶴灘水電站左岸吊頂結(jié)構(gòu)混凝土成型效果見圖3。

圖3 白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)混凝土成型效果圖

4 思考與建議

主變洞為水電站地下廠房系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位，并且混凝土澆筑施工一般處于工程建設(shè)的關(guān)鍵線路或次關(guān)鍵線路，其施工進(jìn)度直接影響到工程是否能按期準(zhǔn)點發(fā)電。根據(jù)白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)混凝土澆筑經(jīng)驗，建議在今后的主變洞結(jié)構(gòu)設(shè)計中進(jìn)行以下幾點優(yōu)化：

(1)白鶴灘水電站左岸主變洞僅在南側(cè)副廠房GIS層底部布置了尺寸為10.7 m×4.65 m(長×寬)的吊物孔，該吊物孔下部是廠房混凝土澆筑的主要施工通道，用于連接進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞和廠房。由于主變洞GIS層及吊頂結(jié)構(gòu)混凝土澆筑期間與廠房混凝土澆筑相互制約，施工干擾大，嚴(yán)重影響到廠房與主變洞混凝土施工進(jìn)度。因此，建議在今后的主變洞結(jié)構(gòu)設(shè)計時將GIS層吊物孔設(shè)置在遠(yuǎn)離廠房混凝土澆筑施工通道的地方；同時，在其他條件允許的情況下，盡可能多地設(shè)計一個吊物孔以解決主變洞混凝土澆筑與廠房混凝土澆筑之間相互干擾的問題，以減少協(xié)調(diào)組織難度。

(2)白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)設(shè)計為現(xiàn)澆密肋拱梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其拱板、次梁、主梁底部不在統(tǒng)一曲面上，模板安裝及支撐難度大，排架搭設(shè)工程量大，不利于工期控制。因此建議：設(shè)計時，應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)安全和投資控制的前提下，將主變洞吊頂結(jié)構(gòu)設(shè)計成壓型鋼模配混凝土結(jié)構(gòu)，該方案在開挖前期需要在頂拱設(shè)置吊頂錨桿以便在混凝土施工階段固定壓型鋼模，雖然其工程投資較現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)略大，但可以避免大量高排架的搭設(shè)施工，工期可以得到保障，同時可降低安全風(fēng)險。此外，壓型鋼板作為永久結(jié)構(gòu)面其混凝土外觀更加美觀。

5 結(jié) 語

白鶴灘水電站左岸主變洞吊頂結(jié)構(gòu)混凝土施工過程中通過采取一系列優(yōu)化措施和提高施工效率的新技術(shù)，實現(xiàn)了主變洞吊頂結(jié)構(gòu)混凝土安全高效澆筑，為主變洞初裝修施工爭取了時間，為按期向機(jī)電安裝交面、實現(xiàn)“安全準(zhǔn)點”發(fā)電提供了可靠保障，其成功經(jīng)驗對其他類似工程混凝土施工具有重大的推廣和借鑒作用。