南水北调中线沙河渡槽施工方案研究及优选

王玉华;张利;宋谦

【摘 要】通过对3种典型的施工工法进行分析和论述,重点研究了30 m跨1 200t重U形渡槽的造槽机和架槽机两种机械化施工方案,通过建立仿真模型计算各种工况下的受力情况,分析设备的安全、可靠性,提出设备的主要性能指标,通过对架槽机、造槽机、满堂脚手架3种方案技术先进性、安全、进度等各方面优缺点综合分析,优选出能保证工程质量和工期的架槽机施工方案.%Shahe aqueduct is a main controlling project in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project. The aqueduct body is the structure of prestressed reinforced concrete beam with high flow, large span, long line and poor site conditions,so that the construction scheme is especially important. The analysis and discussion has been done with three typical construction methods of Shahe aqueduct in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project in this paper,and especially the two mechanical construction schemes by aqueduct-making machine and aqueduct-installing machine have been researched for 1,200t U-shaped aqueduct with span of 30rn. By simulation model, the forces have been calculated for different working conditions, the safety and reliability of the equipment has been analyzed, and the main performance index has been given. Aqueduct-in-stalling machine has finally been optimized for ensuring project quality and construction period according to the comprehensive analysis of merit and demerit for three schemes of aqueduct-making machine,aqueduct-installing machine,and full scaffold with the respects

of technical achievement, safety, and schedule.

【期刊名称】《南水北调与水利科技》

【年(卷),期】2011(009)003

【总页数】5页(P13-16,20)

【关键词】大流量;渡槽;施工技术;仿真计算;架槽机;造槽机;满堂脚手架;方案比选

【作 者】王玉华;张利;宋谦

【作者单位】河南省水利第一工程局,郑州450000;河南省水利勘测设计研究有限公司,郑州450016;郑州市机械化水利建筑工程处,郑州450000

【正文语种】中 文

【中图分类】TV682.3;TV52

1 工程概况

沙河渡槽是南水北调中线一期工程重要的控制工期工程,位于河南省鲁山县东约 11 km,在总干渠的桩号为SH(3)2+838.1-SH(3)11+913.1,设计流量 320 m3/s,加大流量380 m3/s,渠道设计水深7 m,设计水位差1.77 m。沙河渡槽(包括梁式渡槽、箱基渡槽、

落地槽)总长9 075 m,其中梁式渡槽长1 410 m。槽身采用预应力钢筋U形槽结构型式,双线4槽,单槽净宽8 m,净高7.4 m,4槽槽身相互独立,每两槽支承于一个下部支承结构上,槽身纵向为简支梁型式,跨径30 m;下部支承采用钢筋混凝土空心墩,基础为灌注桩,桩径 1.8 m,桩间距4.8 m,每个基础下顺槽向设两排,每排5根,单桩长 22～35 m。段内大郎河梁式渡槽中U形槽段长300 m,共10跨,结构型式及布置同沙河梁式渡槽。沙河、大郎河 U形槽共计228榀[1]。

沙河左岸有堤,右岸为1级、2级阶地。河槽宽约 700 m,靠近左岸。滩地段表层为壤土,下为砂砾石、软岩,河槽表层为挖沙后疏松的卵石,下为软岩。地质条件一般,河床表层地基承载力较低。

2 渡槽施工方案研究

U形渡槽上部结构单槽单跨自重约1 200 t,对于上部结构施工,曾研究多种施工方案,即整孔架设法、预制拼装法、满堂红脚手架浇筑法、造槽机法、架槽机法等。经初步分析比较,U形梁渡槽槽身施工较为合理的方案可以归纳为架槽机、造槽机和满堂红脚手架浇筑法3种施工方案。

2.1 架槽机施工方案

架槽机结构如图1所示。

图1 架槽机结构图Fig.1 Structure of aqueduct-installing machine

架槽机法施工即是使用大型起吊设备,进行整孔预制梁槽的架设安装工作,分预制、运输、安装 3个阶段。主要包括槽身凝土构件的预制、大吨位跨墩提槽机、大吨位轮轨式运槽车、起升机构与专用吊具等要素(如图1)。整体预制安装方案对于保证质量、缩短工期、降低造价方面具有较大优势。

2.1.1 预制场布置

预制场布置在沙河渡槽进口处。渡槽的内外模均采用整体式模板。外模上布置有附着式振动器,混凝土分层浇筑,底部园弧段浇筑时利用内模预留天窗完成。钢筋采用预制台座外绑扎、龙门吊整体吊装到位的方式。

2.1.2 槽身预制

①槽身预制台座。台座采用钢筋混凝土,尺寸按照槽身底部尺寸设计,台面表面铺一层5 mm厚钢板,根据总工期要求,每月应完成8榀槽身预制。每个台座使用周期为45 d,需11个台座。②槽身预制模板。制作定型成套模板,一套模板有外模和内模组成。按计划每月需完成8榀槽身预制,共需要4套模板。③混凝土浇筑。槽身混凝土一次浇筑完成。④成品养护。采用蒸汽养护。

2.1.3 渡槽的吊装

架槽机的主要施工工序如下。①先行施工渡槽下部结构,在第1孔和第2孔左侧设置预制台座及存梁台座。②存梁台座上的待架渡槽通过横移方式进入跨墩提槽机内,利用提槽机安装右线第1、第2孔渡槽,见图 2。③在第1孔-3孔处地面组装下导梁、门式架槽

机,用提槽机安装在右线的第2、第3跨。在右线第1、第2孔已架渡槽顶安装轮轨式运槽车。④提槽机装一片渡槽到轮轨式运槽车上,运槽车运渡槽到第2孔门式架槽机内。⑤门式架槽机起吊待架渡槽向前移到第3孔并下落渡槽至距墩顶0.5 m处,然后向左横移到位并落放在桥墩上。⑥运槽车返回预制场运送下一片渡槽,门式架槽机后退一跨准备安装下一片渡槽。⑦运槽车运第二片渡槽到位,门式架槽机起吊渡槽向前移到第3孔并下落渡槽2.5 m停止,向右横移后继续下落渡槽在桥墩上。⑧第3孔渡槽架设完毕,两台门式架槽机走行到下导梁中部并通过锁定装置锁定在下导梁上。⑨运槽车横梁与下导梁后方连接,拆除下导梁与托架之间的斜撑杆。⑩运槽车驱动架槽机前进一孔到位。安装下导梁与托架之间的斜撑杆。⑪利用辅助吊车将1号桥墩处的托盘支撑系统转移到第5号桥墩处安装,架槽机完成一个架梁及过孔循环。⑫运槽车返回预制场运送下一片渡槽。⑬按照以上④至⑫步骤依次架设第4孔至最后一孔渡槽安装完毕。⑭运槽车驮运架槽机返回1号墩处,提梁机将架槽机及运槽车倒放至左线,重复以上④～⑫步骤依次架设左线第3孔至最后一孔,渡槽安装完毕,运槽车驮运架槽机返回1号墩处拆除架槽机[2]。

图2 吊装示意图Fig.2 Schematic diagram of hoisting

2.1.4 架槽机主要技术参数

①施工适应纵坡±5‰。②过孔移位速度0～2 m/min。③整机作业功效为片/2 d。④移位过孔稳定系数K＞1.5。⑤架槽机承重梁挠跨比≤L/700。⑥架槽机机外轮廓尺寸为86 m×29 m×32 m(长×宽×高)。⑦架槽机总功率2×200 kW=400 k W。⑧架槽机总重量1 050 t。⑨轮轨式运槽车走行速度0.6 km/h(重载),1 km/h(空载)。⑩轮轨式运槽车总重量500 t。○11轮轨式运槽车总功率110 k W。

2.1.5 架桥机主要组成及结构验算

架桥机由提槽机、运槽车、门式架槽机、特制吊具、下导梁、托架支撑系统、槽顶运梁轨道等7大部分组成。为保证架桥机整体结构的强度、刚度、稳定性、运行安全等技术性能,采用有限元分析程序 ANSYS的BEAM 188梁单元和SHELL63板单元建立分析计算模型,对结构强度、刚度进行验算[3-6]。整个模型共有节点(Nodes)54 542个,单元(Ele-ments)54 210个(见图3-图5),验算结果合格。

图3 轮轨式运槽车荷载分布图Fig.3 Load distribution for wheel-track tanker

图4 槽身有限元模型图Fig.4 Finite element model of aqueduct body

图5 集中荷载作用在渡槽跨中时纵向应力分布图Fig.5 Vertical stress distribution for concentrated load at midspan of aqueduct

2.2 造槽机施工方案

造槽机即移动模架,是一种自带模板,利用模架梁支承模板,逐孔进行原位现场浇筑混凝土梁体的施工机械。该技术1959年起源于德国。我国在厦门海沧大桥、南京二桥、洛阳吉利黄河桥和东海大桥等工程中也成功地应用了该技术[6-7]。采用移动模架现浇施工桥梁或渡槽,可明显提高机械化程度,具有结构简便、安全可靠、施工速度快、缩短工期和节约投资等特点。

2.2.1 设计原理

造槽机利用槽墩安装主支腿。主支腿支撑主梁系统,外模及模架安装在主梁系统上,形成一个可以纵向移动的渡槽制造平台,完成渡槽的施工。底模下落脱模,移动模架横向分离,使其能够通过槽墩,纵向前移过孔到达下一施工位,横向合拢再次形成施工平台,完成下一孔施工。造槽机每移动一次可以现浇一孔渡槽,能够适应跨越江河、软土地基或障碍物渡槽施工。

2.2.2 造槽机组成

主要由3套支腿系统、1套上主梁系统、1套吊挂桁架系统、1套外侧模及底模系统、2套内梁及内模系统、液压系统、电气控制系统及安全装置等组成(见图6)。

图6 造槽机结构示意图Fig.6 Structural diagram of aqueduct-making machine

2.2.3 造槽机设计指标及设计性能

①适应纵坡±5‰。②整机过孔移位速度1.5 m/min。③整机总功率150 k W(不含震动器)。④整机作业功效22 d/跨。⑤造槽机承重梁挠跨比≤L/1 000。⑥移位过孔稳定系数K＞1.5。⑦整机总重量900 t。⑧整机外型尺寸为长88 m,宽 13.6 m,高 16.65 m。

2.2.4 渡槽造槽机施工程序

造槽机支腿、主梁、吊挂桁架及外模、底模系统就位→安装调整→钢筋成型绑扎、布管→内模支立、安装顶拉杆→混凝土浇注→养生→内模脱模→张拉→侧模、底模脱模→外模系统开启→主梁及外模系统过孔→主梁及模板系统横移合拢就位、模板支立→进入下一

孔作业循环(见图7)。

图7 造槽机内外模开启断面图Fig.7 Section of internal and external templates removal of aqueduct-making machine

2.2.5 整体结构的强度、刚度、稳定性

造槽机结构的强度、刚度、稳定性是设备安全可靠的最基本因素。在专题研究中采用有限元程序对造槽机的整体结构在各种不利工况条件下的刚度和应力进行了分析计算,确保强度和稳定性满足有关规范要求,同时根据水利渡槽混凝土施工特点,主承载结构在混凝土浇筑时弹性变形控制在L/800以内(桥梁上一般取 L/400～L/600),确保渡槽混凝土浇筑质量。

2.3 满堂红脚手架施工方案

满堂红脚手架施工法以支架为支承,在支架上立模浇筑梁槽混凝土,是一种传统的桥梁上部结构施工方法。一般适用于上部荷载相对较小、下部基础承载力较高、净空较低的条件。沙河梁式渡槽槽底与地面高差多在10 m以内,经脚手架支撑计算,可以采用满堂红支架法施工。但基于现场地质情况,需要对地基进行处理,以达到地基承载力要求(不小于242 k Pa。现地基承载力标准值f k=150 k Pa)。同时支架及底模搭好后,要按设计荷载的110%进行预压[8]。

3 施工方案优选

3.1 技术先进性

满堂支架法施工时需要大量的辅助机械和操作工人,材料用量大;造槽机、架槽机安装工法是采用机械化整套设备来完成渡槽的现场浇筑和预制安装作业,设备采用机械、液压、电气控制技术,机械化程度高,减少了大量辅助机械和工人操作,代表着施工行业发展方向。

3.2 安全可靠性

满堂支架法施工为线性多点作业,工序繁杂,施工质量不易保证,安全可靠性不高;造槽机、架槽机安装工法采用标准化的作业流程,不受河滩软弱地基或水中的地理环境影响,施工质量和安全有可靠的保证。

3.3 场地适应性

满堂支架法受地形、地貌、地质、水流以及交通等条件制约,对于软基、深水地段,施工困难,场地的适应性差;造槽机和架槽机施工作业面主要在渡槽墩台的顶部,不受河滩软弱地基或水中、汛期等地理环境影响,场地的适应性较强。

3.4 施工进度

满堂支架法现场操作施工,工序多,速度慢,每片渡槽从地基处理、支架与模板安装到绑扎钢筋、浇筑混凝土、养护、张拉、拆模的整个施工周期需要45 d左右。

造槽机采用移动式的模架系统,加快了过孔移位的速度,提高了模板周转效率,1台造槽

机相当于2～3套满堂支架的施工效率。采用架槽机安装施工速度最快,可以达到每天数孔的安装速度,其工期基本上不受安装施工现场制约(桩基和槽墩提前施工)。

3.5 经济效益分析

经济效益分析见表1。

从投入来看,造槽机、架槽机、满堂支架投资接近,但采用造槽机和架槽机施工,由于其机械化施工速度快,所需辅助机械和人工操作较少,适应性强、技术先进、安全可靠等特点,具有明显的优越性,特别是对于特大型渡槽,其整体经济效益更加明显。

表1 3种施工方案同跨度同工期投资比较Table1 Comparison of investment for three schemes of same span and construction period万元项目 架槽机 造槽机 满堂脚手架机械或设施费 5 887 6 040 7 512预制场 1 561结构变化增加工程量 448 413总计 7 895 6 453 7 512

通过上述比较分析,沙河梁式渡槽施工选用架槽机安装工法。该施工方法优点是,预制渡槽其质量、安全有保证,架设速度快,可保证工期,节约总体费用。目前沙河渡槽架槽机正在架设施工中,这对其他渡槽的施工具有推广和示范作用,可推进渡槽施工工艺,提高渡槽施工技术[9]。

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