三峽升船機(jī)船廂室施工程序研究

曾 明

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽工程升船機(jī)是當(dāng)今世界上規(guī)模最大的升船機(jī)，采用齒輪齒條爬升—長(zhǎng)螺母柱短螺桿安全機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式，具有船廂與塔柱結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性要求高、塔柱混凝土施工精度要求高、船廂機(jī)構(gòu)埋件和船廂設(shè)備施工安裝精度要求高、不同的施工過程對(duì)埋件精度和設(shè)備安裝影響大等特點(diǎn)與要求。

船廂室段是升船機(jī)船廂垂直升降的區(qū)域，由塔柱和頂部機(jī)房、船廂及機(jī)械設(shè)備、平衡重系統(tǒng)等部分組成。船廂室段塔柱結(jié)構(gòu)由“墻-筒體-墻-筒體-墻”組成，長(zhǎng)為119m，每側(cè)寬為16m，每側(cè)的墻與筒體之間由縱向聯(lián)系梁連接，對(duì)稱布置在升船機(jī)中心線兩側(cè)，左、右側(cè)塔柱在頂部高程196.00m處由7根橫梁和兩個(gè)平臺(tái)連接。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒條和安全機(jī)構(gòu)螺母柱均安裝在塔柱筒體部分凹槽內(nèi)的墻壁上。左、右側(cè)塔柱內(nèi)各設(shè)有8個(gè)用于容納平衡重組升降運(yùn)行的平衡重井[1]。

齒條、螺母柱、縱橫向?qū)蚴潜Ｕ仙瑱C(jī)安全可靠運(yùn)行的重要裝置，也是承船廂與塔柱之間在不同條件下的支撐點(diǎn)。上述支撐點(diǎn)通過施工復(fù)雜的精細(xì)埋件結(jié)構(gòu)將塔柱與船廂相連，隨塔柱變形而產(chǎn)生相應(yīng)的變位[2]。因船廂及平衡重荷載對(duì)螺母柱、齒條和縱向?qū)蜃兾挥休^大影響，而這些部位的相對(duì)變位又與船廂和平衡重荷載的施加順序密切相關(guān)，因此不合理的施工順序?qū)?huì)對(duì)升船機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

本文根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的仿真計(jì)算分析結(jié)果，通過分析先掛平衡重和船廂與后掛平衡重和船廂兩種工況下螺母柱、齒條、縱向?qū)虿课粰M河向、順河向和豎向位移變化情況，研究出了合理的施工和設(shè)備安裝順序方案，并通過優(yōu)化施工程序編制出合理的施工總進(jìn)度，以期為三峽升船機(jī)船廂室的施工提供指導(dǎo)，確保三峽升船機(jī)船廂室的施工安全并滿足升船機(jī)試運(yùn)行要求。

2 總體施工程序研究

2.1 前期施工程序

塔柱結(jié)構(gòu)澆筑至高程196.00m后便可進(jìn)行螺母柱、齒條、縱導(dǎo)向軌等二期埋件安裝及二期混凝土澆筑。

1）塔柱結(jié)構(gòu)混凝土及一期埋件施工至高程196.00m（包括平衡重導(dǎo)軌寬槽施工）→齒條、螺母柱二期埋件、縱向?qū)к壈惭b及二期混凝土施工→齒條、螺母柱安裝→齒條、螺母柱預(yù)應(yīng)力張拉。

2）4個(gè)塔柱筒體結(jié)構(gòu)優(yōu)先并同時(shí)澆筑上升，塔柱筒體結(jié)構(gòu)高差不大于6m，筒體內(nèi)板、梁及筒體外剪力墻、縱向聯(lián)系梁隨后跟進(jìn)施工，相應(yīng)部位混凝土滯后筒體混凝土至少1個(gè)月施工。

3）塔柱澆筑至高程196.00m且橫向聯(lián)系梁已澆筑完成后，開始齒條、螺母柱二期混凝土施工及二期埋件安裝、縱導(dǎo)向軌二期混凝土及縱導(dǎo)向軌安裝。

4）齒條、螺母柱二期混凝土及埋件施工完成后，進(jìn)行齒條、螺母柱安裝及間隙灌漿。

2.2 塔柱結(jié)構(gòu)仿真變形分析

根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的仿真計(jì)算分析工作[3，4]，分別研究了先掛平衡重和船廂與后掛平衡重和船廂對(duì)塔柱埋件結(jié)構(gòu)部位變形的影響。計(jì)算結(jié)果選取184.00m、160.00m、123.00m、84.00m和58.00m高程作為典型點(diǎn)，以金屬結(jié)構(gòu)安裝時(shí)刻為位移計(jì)算的起點(diǎn)。

2.2.1 橫河向

先掛平衡重和船廂與后掛平衡重和船廂兩種工況下螺母柱、齒條、縱向?qū)虿课粰M河向位移包絡(luò)值如圖1～圖3所示。以金屬結(jié)構(gòu)安裝時(shí)刻為起點(diǎn)，先掛平衡重和船廂時(shí)，螺母柱的橫河向位移包絡(luò)值為-0.24～0.27 cm，齒條的橫河向位移包絡(luò)值為-0.18～0.21 cm，縱向?qū)虻臋M河向位移包絡(luò)值為-0.14～0.12 cm；后掛平衡重和船廂時(shí)，螺母柱的橫河向位移包絡(luò)值為-0.57～0.21 cm，齒條的橫河向位移包絡(luò)值為-0.50～0.10 cm，縱向?qū)虻臋M河向位移包絡(luò)值為-0.42～0.17 cm。先掛后掛兩種工況下84m以上高程的螺母柱、齒條、縱向?qū)虻炔课粰M河向位移差異較大，后掛平衡重和船廂引起左右兩側(cè)塔柱向外側(cè)臌出，其最大差值分別為0.34 cm、0.32 cm、0.37 cm，位于110.00～160.00m高程。

2.2.2 順河向

先掛平衡重和船廂與后掛平衡重和船廂兩種工況下螺母柱、齒條部位順河向位移過程線分別如圖4、圖5所示。由位移過程線可以看出平衡重、船廂荷載先掛與后掛對(duì)塔柱順河向位移影響不大。

2.2.3 豎向

圖1 先掛工況與后掛工況螺母柱部位橫河向位移包絡(luò)圖Fig.1 Envelope diagram of thenutdisp lacement in the direction across the river under hang condition and after hanging condition

圖2 先掛工況與后掛工況齒條部位橫河向位移包絡(luò)圖Fig.2 Hang condition linked toworking conditions and the rear partof the rack to the disp lacementenvelope Yokogawa

圖3 先掛工況與后掛工況縱向?qū)虿课粰M河向位移包絡(luò)圖Fig.3 Envelope diagram of the verticalguide disp lacement in the direction across the river under hang condition and after hanging condition

圖4 先掛工況與后掛工況螺母柱部位順河向位移過程線Fig.4 Envelope diagram of the nut displacement in the direction along the river under hang condition and after hanging condition

圖5 先掛工況與后掛工況齒條部位順河向位移過程線Fig.5 Hydrograph of the rack disp lacement in the direction along the river under hang condition and after hanging condition

先掛平衡重和船廂與后掛平衡重和船廂兩種工況下螺母柱、齒條、縱向?qū)虿课回Q向位移包絡(luò)值如圖6～圖8所示。以金屬結(jié)構(gòu)安裝時(shí)刻為起點(diǎn)，先掛平衡重和船廂時(shí)，螺母柱的豎向位移包絡(luò)值為-1.90～1.02 cm，齒條的豎向位移包絡(luò)值為-1.96～1.18 cm，縱向?qū)虻呢Q向位移包絡(luò)值為-2.02～1.21 cm；后掛平衡重和船廂時(shí)，螺母柱的豎向位移包絡(luò)值為-2.12～1.02 cm，齒條的豎向位移包絡(luò)值為-2.15～1.18 cm，縱向?qū)虻呢Q向位移包絡(luò)值為-2.33～1.21 cm。因此，先掛、后掛兩種工況下84m以上高程的螺母柱、齒條、縱向?qū)虻炔课回Q向位移有一定差異，后掛平衡重和船廂引起塔柱下沉，其最大差值分別為0.29 cm、0.24 cm和0.41 cm，位于184.00m高程。

圖6 先掛工況與后掛工況螺母柱部位豎向位移包絡(luò)圖Fig.6 Envelope diagram of the nutdisp lacem ent in the verticaldirection under hang condition and after hanging condition

圖7 先掛工況與后掛工況齒條部位豎向位移包絡(luò)圖Fig.7 Envelope diagram of the rack displacement in the verticaldirection under hang condition and after hanging condition

圖8 先掛工況與后掛工況縱向?qū)虿课回Q向位移包絡(luò)圖Fig.8 Envelope diagram of the verticalguide disp lacement in the verticaldirection under hang condition and after hanging condition

2.2.4 結(jié)果分析

根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的仿真計(jì)算分析，后掛平衡重和船廂時(shí)，由平衡重和船廂荷載產(chǎn)生的變形需要疊加到螺母柱等部位的變形中去，因此，先掛、后掛兩種工況下84.00m以上高程的螺母柱、齒條、縱向?qū)虻炔课粰M河向位移有一定差異，后掛平衡重和船廂引起左右兩側(cè)塔柱向外側(cè)臌出，其最大差值分別為0.34 cm、0.32 cm和0.37 cm，位于110.00～160.00m高程。

平衡重與船廂的先掛與后掛對(duì)塔柱順河向位移影響不大。

先掛、后掛兩種工況下84.00m以上高程的螺母柱、齒條、縱向?qū)虻炔课回Q向位移有一定差異，后掛平衡重與船廂引起塔柱下沉，其最大差值分別為0.29 cm、0.24 cm和0.41 cm，位于高程184.00m處。

2.3 調(diào)整后的施工程序

根據(jù)上述仿真計(jì)算分析，為減少塔柱變形對(duì)齒條和螺母柱安裝精度的影響，確保升船機(jī)安全可靠運(yùn)行，對(duì)三峽升船機(jī)齒條、螺母柱施工程序進(jìn)行了如下重大調(diào)整。

較高高程的齒條、螺母柱及其二期埋件在塔柱承受全部船廂結(jié)構(gòu)及其設(shè)備、水和平衡重的荷載之后進(jìn)行安裝。即：塔柱承重結(jié)構(gòu)高程196.00m橫向聯(lián)系未形成前，齒條、螺母柱二期埋件開始安裝和澆筑二期砼，完成量不超過1/2總高度；齒條和螺母柱開始安裝、灌漿和預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉施工，完成量不超過1/3總高度。塔柱承受全部船廂結(jié)構(gòu)以及設(shè)備、水和平衡重的荷載之后，完成余下齒條、螺母柱及其二期埋件的施工，然后再進(jìn)行升船機(jī)無水和有水調(diào)試。

總體施工程序?yàn)椋核Y(jié)構(gòu)混凝土及一期埋件施工，高程110.00m以下齒條、螺母柱及其二期埋件施工、縱導(dǎo)向軌道安裝及二期混凝土施工→頂部橋機(jī)軌道及橋機(jī)安裝、屋架安裝→臨時(shí)橋機(jī)、船廂結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝、平衡重掛裝及船廂加載施工→高程110.00m以上齒條、螺母柱及其二期埋件施工→無水調(diào)試、有水調(diào)試、試運(yùn)行。

3 優(yōu)化后總體施工進(jìn)度分析

3.1 先加載方案低高程螺母柱二期埋件安裝高度

根據(jù)仿真計(jì)算分析，塔柱加載后，螺母柱、齒條、縱導(dǎo)向處的橫河向最大變形值分別為3.4mm、3.2mm和3.7mm，最大變形部位發(fā)生在高程123.00～160.00m。綜合考慮低高程采用300 t履帶吊吊裝，根據(jù)其起重特性，其吊裝高度約60.00m。因此，塔柱加載前，螺母柱等二期埋件按安裝至高程110.00m左右控制，螺母柱等安裝至高程100.00m左右。

3.2 施工程序調(diào)整后的關(guān)鍵線路工期及施工進(jìn)度分析

根據(jù)后續(xù)調(diào)整施工程序的基本原則和各主要施工項(xiàng)目工期分析，以2010年年底三峽升船機(jī)實(shí)際施工形象為起點(diǎn)，確定三峽升船機(jī)剩余工程主要施工項(xiàng)目施工程序（見圖9）。

圖9 三峽升船機(jī)剩余工程主要施工項(xiàng)目施工程序圖Fig.9 Construction of Three Gorges Project ship lift remainingworksmainly construction program graph

從圖9可看出，三峽升船機(jī)剩余工程控制性關(guān)鍵線路為：塔柱及頂部機(jī)房土建施工→頂部橋機(jī)及屋架安裝→高高程螺母柱/齒條二期埋件→高高程螺母柱/齒條安裝→無水調(diào)試→有水調(diào)試→試運(yùn)行。

低高程螺母柱/齒條及其二期埋件安裝、船廂結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝、平衡重掛裝等為非關(guān)鍵線路，但其自由時(shí)差僅兩個(gè)月。

4 結(jié)語(yǔ)

1）從設(shè)計(jì)理念而言，施工期間塔柱變形的不利影響將通過螺母柱、齒條和縱向?qū)虻陌惭b、灌漿來消除，機(jī)構(gòu)的變形適應(yīng)值將只負(fù)責(zé)解決螺母柱、齒條和縱向?qū)虬惭b完成之后的運(yùn)行期荷載下的變形。

2）考察施工期變形，設(shè)計(jì)進(jìn)度條件下，最大豎向位移小于2.5 cm，最大橫河向和順河向位移均小于1 cm，可以通過埋件的安裝將這一位移的不利影響消除。

3）先掛平衡重與船廂荷載時(shí)，螺母柱、齒條、縱向?qū)颉⒋瑤Y(jié)構(gòu)與塔柱相應(yīng)部位的相對(duì)橫向位移減小14mm，分別由24～34mm減小為10～20mm。

4）塔柱加載后，螺母柱、齒條、縱導(dǎo)向處最大變形部位發(fā)生在高程123.00～160.00m。綜合考慮低高程吊裝手段問題，螺母柱等二期埋件按安裝至高程110.00m左右控制，螺母柱等安裝至高程100.00 m左右。

5）船廂室施工程序調(diào)整后，采取的施工方案合理，施工進(jìn)度可以滿足升船機(jī)試運(yùn)行要求。

[1] 朱 虹，鄧潤(rùn)興.三峽升船機(jī)總體布置設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江，2009，40（27）：48-50.

[2] 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.長(zhǎng)江三峽水利樞紐升船機(jī)安全可靠性評(píng)估報(bào)告（第一分冊(cè)）[R].2007.

[3] 長(zhǎng)江勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，長(zhǎng)江科學(xué)院.三峽升船機(jī)塔柱施工仿真研究與結(jié)構(gòu)計(jì)算分析工作大綱[R].2007.

[4] 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.三峽升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)施工全過程仿真分析研究（中間成果）[R].2008.