滑模施工技术在北疆地区的成功应用

温贵明 刘伟丽

滑模施工是根据工程部位形状加工成特定尺寸的定型模板,并使用滑升设备使模板自身及其附带设施等同时进行上升的混凝土施工方法。较常规模板施工技术,滑模具有少翻转、不拆模、浇筑速度快、功效高、安全性好等特点。采用滑模施工技术,混凝土可以连续浇筑,能最大限度地减少甚至避免施工缝,使混凝土的整体性更好;避免了支模、拆模、搭拆脚手架等多种重复性工作,进度更快、工效更高、材料消耗更少。

北疆地区冬季漫长而寒冷,不宜进行混凝土施工。有效的混凝土施工期仅为每年4月下旬至10月上旬,只有短短数月。在这样的条件下进行混凝土施工,争取宝贵的浇筑时段、提高功效、加快混凝土浇筑速度尤其重要。滑模施工技术恰恰减少了常规混凝土施工方法所需要的立模、拆模、脚手架搭拆等重复性工作上时间的消耗,能够满足高强度混凝土浇筑施工的需要。

以北疆地区某水电站工程为例,该工程为碾压混凝土重力坝,分别由挡水坝段、泄流底孔、溢流表孔、发电引水系统等组成。其中在泄流底孔进口闸井、发电引水系统进水口部位使用了滑模施工技术。在此主要以发电引水进水口为例进行阐述。此工程发电引水系统进水口分为4个坝段,每个坝段前均为拦污栅墩,由1个中墩和2个边墩组成,中墩及边墩宽度均为4.45m,厚度1.5m;拦污栅墩后面是由检修门槽和快速门槽组成的进水塔塔体;从塔体胸墙以上每隔3 m设置一断面为1m×0.5m的八字形梁使拦污栅中墩与进水塔相连。发电引水进口在使用滑模施工技术后,原计划5个月施工完成的约26000多m3的混凝土浇筑任务,仅用了70余天就完成了,平均日浇筑量达到350m3。大大提高了混凝土浇筑速度,节省了工期,为后续施工创造了良好的条件,也为整个工程建设提供了良好的保障,滑模施工技术的应用取得了良好的施工效果和工程价值。

1 滑模设计工艺

1.1 结构设计

滑模系统由模板、围圈、提升架、操作盘、辅助盘、支撑杆、液压系统、洒水管、测量控制系统等部分组成。滑模装置为了保证足够的强度、刚度及稳定性,提高复用率,整个模体被设计为钢结构,模板、围圈、操作盘、提升架等构件之间焊接连接。

(1)模板是混凝土成型的模具,其质量(主要包括刚度、表面平滑度等)直接影响所浇筑混凝土的成型及外观质量。为了保证质量,模板均采用6mm的钢板制成,用50mm×50mm×5mm角钢作为筋肋,模板高度为1.5m。为了便于脱模,模板按一定锥度设计,上下口相差3mm。

(2)围圈主要用来支撑和加固模板,使其形成一个整体。围圈由80mm×80mm×8mm的角钢制成1000mm×1000mm矩形桁架梁焊接而成,围圈与模板之间采用50mm×50mm×5mm角钢连接。

(3)提升架是模体的提升机构,主要用于支撑模板、围圈、滑模盘,并且通过安装在顶部的千斤顶支撑在支撑杆上,整个滑升荷载将通过提升架传递给支撑杆,支撑杆采用外径48mm、壁厚3.5mm的普通钢管制成。根据施工经验和常规设计,采用“7” 型和 “开” 型提升架,“7” 型提升架用18#槽钢焊接组合而成;“开”型提升架主要采用角钢焊制而成。

(4)操作盘是滑模的主要受力构件之一,也是滑模施工的主要工作场地,各构件除满足强度要求外,还应有足够的刚度。操作盘连接在提升架的主体竖杆件上,通过提升架与模板连接成一体,并对模板起着横向支撑作用。操作盘采用桁架结构,为确保工作盘强度、刚度,经过计算,选用80mm×80mm×8mm角钢加工成桁架,利用角钢连接成工作盘,盘面铺设50mm厚木板,盘面必须保持平整、密实。

(5)辅助盘是混凝土表面及预埋件处理、养护等工作实施的平台。施工人员可以随时检查脱模后的混凝土质量,及时修补混凝土局部缺陷,对预埋件进行处理使之符合设计要求,以及对混凝土表面进行洒水养护。用50mm×50mm×5mm的角钢制成辅助盘,用钢筋连接在操作盘下方约2.5m处。辅助盘与操作盘之间设置上下爬梯,用以人员通行。

(6)支撑杆的下段埋在混凝土内,上段穿过液压千斤顶的通心孔,承受整个滑模荷载,并作为竖筋的一部分存留在混凝土内,在选择HM-100型液压千斤顶的同时,采用外径48mm、壁厚3.5mm的普通钢管作为支撑杆。经计算,其承载力及稳定性符合要求。

(7)液压系统由YKT-36型液压控制台,QYD-100型锲块液压千斤顶、油管及附件组成。组装前必须检查管路是否通畅,耐压是否符合要求,有无漏油等现象,若有异常,及时排除。

(8)为使脱模的混凝土得到良好养护,在辅助盘上固定一圈Φ50mm塑料管,在面向混凝土一侧钻设若干小孔,高压水管与塑料管用三通接头连接供水,对混凝土进行洒水养护。

(9)在地面上投放控制点:分别在墩前和闸门槽两侧吊挂4根重垂线,辅以全站仪随时监测模体偏移及旋转情况,以便及时纠偏,确保模体垂直滑升。

1.2 滑模荷载分析计算

滑模荷载主要是滑模模体结构自身的重量、施工荷载、滑升摩擦阻力等荷载,另外还需考虑混凝土施工时对模板的侧压力等。通过各荷载的累加计算,得出支撑杆所要承受的竖向荷载、千斤顶所承受的荷载等,从而得出所需的最少支撑杆数量、千斤顶数量等,并取一定的安全系数。

以下面计算为例,简述千斤顶(支撑杆)数量计算过程(计算数据均为假设,仅为叙述计算过程)。

1.2.1 滑模结构质量

钢结构/kN 280

设备自重/kN 12

木板/kN 25

G1/kN 317

1.2.2 施工荷载

工作人员:35人×0.8kN/人=28kN;一般工具:45kN;同时考虑2倍的动力荷载系数及1.3倍的不均匀系数,施工荷载G2=189.8kN。

1.2.3 滑升摩擦阻力

滑升摩擦阻力按G3=sfk计算,式中s为滑升模板面积;f为混凝土与模板间的单位滑升阻力,按2kN/m2计算;k为附加系数,取为1.5。

经计算,滑升摩擦阻力G3=330kN。

1.2.4 竖向荷载总和

G=G1+G2+G3=836.8kN

1.2.5 支撑杆承载力计算

允许承载能力:P=3.142EI/K(ul)2

式中,E为支撑杆的弹性模量,E=2.1×104kN/cm2;I为支撑杆的截面惯性矩,I=11.35cm4;K为安全系数,取k=2;ul为计算长度,按108cm计算。

经计算 P=100.74kN,则P/2=50.37kN。

1.2.6 千斤顶承载力

P0/2=100×0.5=50kN

式中,P0为千斤顶允许承载能力,P0=100kN。

因此支撑杆的数量(即千斤顶的数量)n=w/CP。式中,w为支撑杆承载,w=G1+G2+G3=836.80kN;P为取千斤顶允许承载能力,取50kN;C为载荷不均衡系数,取0.8。

计算所得n=w/CP=20.9台。

根据结构特征,在实际施工中为保证模体均匀滑升并考虑一定安全系数,选用千斤顶22台,支撑杆22根均匀对称布置。

2 滑模施工工艺

2.1 滑模施工的特殊要求

2.1.1 对结构的要求

由于滑模模体是具有特定结构的定型模具,在滑升过程中不具有变化体形的功能,所以混凝土结构以等截面、少变化、大高度等为宜。在这种情况下才能发挥出滑模的最大优势,体现滑模的施工价值。水工结构中常见的进水塔、调压井衬砌、竖井衬砌等结构形式都具有以上的结构特点,非常适合滑模施工技术的应用。在滑模施工技术中还要对结构设计中的梁、预埋插筋等进行改进,以预留梁窝、埋设特定形式埋件等方式解决。根据现场实际情况,对于体形过大、截面积过大的结构,需要分成两个或两个以上的滑模模体进行施工,对结合部位按照施工缝进行处理。

2.1.2 对钢筋的要求

对于混凝土中的钢筋本身没有特殊要求,但由于滑模滑升速度较快,钢筋连接形式需要改为套筒连接等快速连接方式,以保证滑模滑升过程中,钢筋的安放满足设计要求。

2.1.3 对混凝土的要求

由于滑模施工中模体滑升速度较快、混凝土浇筑强度较大,下料、振捣等混凝土工序都需要快速完成;所以在滑模施工前期准备工作中砂石骨料、水泥、粉煤灰等混凝土原材料必须充分;混凝土运输、入仓的方式方法必须科学合理,并且能够满足大强度的浇筑需要;混凝土配合比需要进行适当调整,使入仓混凝土不仅和易性好,并且具有适当的初凝时间,保证模体的顺利滑升和混凝土的施工质量。

2.2 滑模施工过程

2.2.1 施工准备

滑模施工技术的前期准备工作包括模体的设计、制造、运输、安装;滑升系统中支撑杆的焊接、安装,千斤顶的检查、安装,控制台的安装、调试;电源(包括备用电源)的接入;混凝土入仓方法的准备;混凝土配合比的调整;钢筋(包括连接套筒等)的制作、运输到位、养护水管及水源的接入等工作。

2.2.2 滑模施工

2.2.2.1 钢筋绑扎

滑模施工的特点是钢筋绑扎、混凝土浇筑、滑模滑升平行作业,连续进行,互相适应。模体就位后,按设计进行钢筋绑扎,为保证滑升速度,采用套筒联接。根据滑模的工艺特点,滑模用支撑杆(Ф 48mm×3.5mm)代替部分立筋。滑升施工中,支撑杆接头在同一水平面内不超过接头总数的1/4,因此第1套支撑杆要有3种以上长度(6,3,2m),错开布置。要求支撑杆平整无锈皮,当千斤顶滑升至距支撑杆顶端小于0.5m时,应接长支撑杆,接头对齐,不平处用角磨机找平磨光。

2.2.2.2 混凝土浇筑

按下料—平仓振捣—滑升—钢筋绑扎—下料的顺序进行。要求对称均匀下料,按每层0.3 m分层浇筑,采用插入式振捣器振捣,避免直接振动支撑杆及模板。

混凝土的水平运输及垂直运输能力是影响滑模施工的关键,因此必须有足够的混凝土入仓能力。根据施工现场的特点以及工期安排情况,多采用混凝土罐车、皮带机等水平运输方式、采用混凝土泵、溜管等方式进行垂直运输。现场塔式起重机等起重设备作为备用方式进行。

2.2.2.3 模体滑升

混凝土初次浇筑和模板初次滑升严格按以下6个步骤进行:第1次浇筑100mm厚一级配混凝土或砂浆,接着按300mm分层浇筑2层,厚度达到700mm时,开始滑升30～50mm检查脱模的混凝土凝固是否合适,第4层浇筑后滑升150mm,继续浇筑第5层,滑升150～200mm,第6层浇筑后滑升200mm,若无异常情况,便可进行正常浇筑和滑升。施工进入正常浇筑和滑升时,应尽量保持连续施工,并设专人观察和分析混凝土表面情况,根据现场条件确定合理的滑升速度和分层浇筑高度。依据下列情况进行滑模正常滑升鉴别:滑升过程中能听到“沙沙”的声音;出模的混凝土无流淌和拉裂现象,手按有硬的感觉,并留有1mm左右的指印;能用抹子抹平。滑模正常滑升后根据现场施工情况确定合理的滑升速度,控制滑升高度30cm,日滑升高度约2.5m。滑升过程中有专人检查千斤顶的情况,观察支撑杆上的压痕和受力状态是否正常,检查滑模中心线及操作盘的水平度。为保证墩体中心不发生偏移,在前后墩头及边墩外侧,各悬挂1根或几根垂线进行观测,并使用全站仪进行不断修正、校核,确保混凝土结构体的垂直,满足设计要求;利用千斤顶同步器进行水平控制,并使用水准仪、全站仪进行水平测量检查,保证滑模模体的水平滑升,确保混凝土结构体形满足设计要求。

2.2.2.4 表面修整及养护

混凝土表面修整是关系到结构外表和保护层质量的工序,当混凝土脱模后,须立即进行此项工作。滑升时混凝土强度为0.1～0.3 MPa(混凝土表面用手指按压可留1mm的压痕),这时混凝土仍处于初凝时间,一般用抹子在混凝土表面作原浆压平或修补,如表面平整可不做修整。为使已浇筑的混凝土具有适宜的硬化条件,减少裂缝,在辅助盘上设洒水管喷水对混凝土进行养护。

2.2.2.5 模体拆除

滑模滑升至指定位置时,滑模模体脱离混凝土后,利用现场布置的起吊设备在高处进行拆除。在条件具备的情况下,可进行整体分解拆装。

3 滑模施工技术的优缺点

滑模施工技术具有工序简单、施工速度快、混凝土外观质量好等诸多优点,但同时也存在着一次性投入大、模板制作工艺复杂、制造周期长、滑升设备操作复杂、滑升速度较难掌控、需由专业队伍进行施工等不足之处。比较滑模施工的优缺点,总体而言,滑模施工技术对于水电站工程中的进水塔、调压井井筒等截面变化小、上升高度高、体形复杂的混凝土施工,还是非常值得借鉴、使用的施工方法。

4 结 语

滑模施工技术在北疆某水电站工程的成功应用,为该工程建设节省了宝贵的混凝土施工时间,提前工期近2个月,为后续施工争取了极为有利的条件,也为整体工期目标的实现创造了良好条件。滑模施工技术在该工程的成功应用也为北疆地区以及其它混凝土施工期较短地区的水电站等工程的设计、施工积累了一定经验,具有一定的参考价值。