一種基于纜索的堆石混凝土堆石入倉方式及應(yīng)用

陳長久 ，安雪暉 ，閉忠明 ，朱建生 ，于玉貞

(1.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100084，北京；2.北京華實(shí)水木科技有限公司，100082，北京；3.中國水利水電第八工程局有限公司，410007，長沙)

堆石混凝土是一種新型大體積混凝土施工方式，以自密實(shí)混凝土在堆石體中流動(dòng)充滿堆石體形成完整的混凝土。根據(jù)堆石混凝土施工工藝的特點(diǎn)，堆石入倉對于施工質(zhì)量和施工速度都具有重要影響。堆石入倉主要解決的是堆石體垂直、水平、上下游方向的三維運(yùn)輸問題，從現(xiàn)有工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)看，主要用到的堆石入倉方案有：

①自卸汽車入倉挖機(jī)輔助平倉的方式。采用汽車運(yùn)輸堆石體直接進(jìn)入澆筑倉面，自卸完成后由挖機(jī)輔助轉(zhuǎn)運(yùn)均勻堆放在澆筑倉面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平倉。該方式施工速度快，成本低，但是一般會(huì)存在雜物混合石料一起進(jìn)倉問題，需要加強(qiáng)堆石質(zhì)量監(jiān)控，及時(shí)清除帶入的混合石料等雜物。在具備汽車直接上壩條件的施工中應(yīng)用較多，如清峪水庫、圍灘水電站工程。在施工高程較高且不具備修筑上壩公路的施工中難以應(yīng)用。

②塔吊。先用裝載機(jī)將堆石體裝入吊斗中，然后通過塔吊將吊斗運(yùn)輸至倉面指定位置，打開吊斗卸料。該方式一次性完成堆石體的垂直、水平和上下游運(yùn)輸，且堆石質(zhì)量易于控制。由于單次作業(yè)周期長，堆石效率較低，且成本高。適用于不具備直接入倉條件的堆石混凝土施工，比如恒山水庫、長坑水庫后期施工。

本文介紹了一種基于纜索的堆石混凝土堆石入倉方式。

一、工程概況

安徽大龍?zhí)端畮斓臄r水壩壩體原為漿砌石拋物線型雙曲拱壩，最大壩高64.5 m，壩頂弧長185.49 m，壩底厚13.0 m，壩頂厚3.0 m。 2012年開始，在原拱壩下游背水面采用堆石混凝土加厚壩體。工程項(xiàng)目地理位置較為特殊，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①從河道開辟的進(jìn)場公路狹窄且基礎(chǔ)不牢固，大型器械設(shè)備裝運(yùn)進(jìn)場困難；并且壩下基坑的施工作業(yè)面積狹小，給大型設(shè)備的安裝帶來極大不便。

②在高程267.0 m （基巖面）至285.0 m部位的壩體堆石原采用長臂挖機(jī)進(jìn)行，隨著壩面高程的上升和倉面弧長的加大，在285.0 m高程以上部位長臂挖機(jī)運(yùn)送石料進(jìn)倉時(shí)的臂展角度已達(dá)到臨界值，石料在挖機(jī)斗里容易產(chǎn)生晃動(dòng)導(dǎo)致其從高空滑落，給安全施工帶來隱患，因此無法滿足更高部位的施工需求。

③堆石混凝土加厚壩體的最大設(shè)計(jì)寬度4.2 m，壩頂寬度不足2 m，并且兩岸山體險(xiǎn)峻陡峭，巖層走勢不規(guī)則，無法鋪修新的上壩道路，因此無法使用自卸汽車進(jìn)行倉面堆石。根據(jù)現(xiàn)場情況，為保證現(xiàn)場施工的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過各方專家多次開會(huì)研討，對多種方案的可行性及經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行排查分析，最終確定采用架空纜索起重方案進(jìn)行285.0 m高程以上部位的施工。

二、基于纜索的堆石系統(tǒng)

1.纜索設(shè)備構(gòu)造

通過在山體上設(shè)置錨固裝置，架設(shè)索道，將索道作為承載繩，通過卷揚(yáng)機(jī)、滑輪裝置等起重吊裝堆石入倉。圖1是纜索設(shè)備的布置示意圖。

纜索設(shè)備通過三向運(yùn)動(dòng)將堆石吊運(yùn)至指定倉面位置?？紤]到工作效率，溢流面底部高程以上不采用此種方式進(jìn)行堆石。該套索道設(shè)備設(shè)計(jì)起重量為6t，最大提升高度為65m，斜拉最大距離11.17m，斜拉最大偏角14.5°。

2.堆石流程

采用纜索設(shè)備進(jìn)行堆石入倉的施工流程如下：

①堆石運(yùn)輸。采用自卸汽車將塊石運(yùn)送到施工基坑處供使用。

②堆石沖洗。人工對堆石料進(jìn)行沖洗，沖掉石料表面附著的泥土等雜物。

③堆石篩選。通過挖機(jī)對堆石料進(jìn)行翻滾篩選，避免小粒徑石頭集中，控制堆石粒徑在30 cm以上。

④堆石入倉?；诶|索將堆石運(yùn)入澆筑倉內(nèi)：a.采用挖機(jī)將石料裝運(yùn)到吊籃至滿，將吊籃螺絲擰緊，耗時(shí)約3 min；b.將吊籃提升至一定高度后，通過上游牽引索將吊籃拉至澆筑倉上空，然后下放吊籃至倉面，約6 min（隨澆筑高程的增加而逐漸增大）；c.輕緩放下吊籃，并松開螺絲，將石料卸下，耗時(shí)約 3 min；d.吊籃返回，約 3 min。

每一次堆石循環(huán)耗時(shí)約15 min，并隨著壩體高程的增加而逐漸增大。

⑤人工平倉。根據(jù)倉面堆石的情況，由人工輔助平整倉面，使倉面充分堆石，且堆石高度一致。

3.安全事項(xiàng)

纜機(jī)安裝完成后，需要空載試運(yùn)轉(zhuǎn)，試運(yùn)轉(zhuǎn)完成后再滿載試吊。試吊時(shí)，應(yīng)有專人觀察地錨及鋼絲繩的工作情況，發(fā)現(xiàn)異常情況要及時(shí)中止。

纜機(jī)屬特種設(shè)備，易損傷。需經(jīng)常進(jìn)行安全檢查，以防止安全事故的發(fā)生。地錨、上下游斜拉鋼絲繩、卷揚(yáng)機(jī)滾筒上的鋼絲繩等是纜機(jī)安全檢查的重點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)異常情況要及時(shí)處理，不得讓吊裝系統(tǒng)帶病運(yùn)轉(zhuǎn)。

吊裝系統(tǒng)進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)必須統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一行動(dòng)，不得隨意蠻干。

三、工藝效果

為了綜合評價(jià)基于纜索的堆石入倉方式，在施工過程中對堆石工藝的運(yùn)行效率和成本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)合河北省石河水庫除險(xiǎn)加固工程中塔吊堆石入倉的運(yùn)行情況，對比了挖機(jī)、纜索、塔吊三種堆石入倉方式的效率和成本，詳細(xì)結(jié)果如下：

1.堆石效率

從三種堆石入倉施工的原始記錄數(shù)據(jù)中選取了15個(gè)倉面的堆石數(shù)據(jù)，對比結(jié)果表明：塔吊堆石入倉施工速度最快；纜索堆石入倉速率居中，高于挖機(jī)直接堆石入倉的方式；長臂挖機(jī)料斗容量小，為纜索吊斗的1/5，加之垂直水平距離運(yùn)輸，因而堆石效率低。

2.堆石成本

（1）設(shè)備投入固定成本

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分別計(jì)算三種堆石工藝每月設(shè)備投入的固定成本：

①采購設(shè)備按照年限平均法進(jìn)行折舊。月折舊率=（1-預(yù)計(jì)凈殘值率）÷預(yù)計(jì)使用壽命÷12，其中，預(yù)計(jì)凈殘值率取5%，預(yù)計(jì)使用壽命為10年。

②安裝費(fèi)用按照工期進(jìn)行均攤。

③堆石工藝設(shè)備投入的月固定成本=月折舊額+月安裝費(fèi)+租金+維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)。

圖1 纜索設(shè)備布置示意圖

計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖表可以看出：①長臂挖機(jī)堆石入倉方式設(shè)備投入的月固定成本高，跟工期長短不直接相關(guān)。②纜索和塔吊堆石入倉方式由于涉及一次投入的成本攤銷，隨著工期的增長，設(shè)備投入的月固定成本降低。③工期較短時(shí)，塔吊設(shè)備投入的月固定成本一般低于纜索。同樣情況下，當(dāng)工期較長時(shí)，纜索設(shè)備投入的月固定成本會(huì)優(yōu)于塔吊。

（2）單方堆石成本

從表2中可以看出：塔吊的單方堆石成本最低，纜索次之，挖機(jī)的單方堆石成本最高。

（3）單方堆石總成本

單方堆石總成本=月固定成本÷月堆石方量+堆石成本。

在月固定成本一定的情況下，由于堆石成本由堆石工藝決定，因此，隨著月堆石方量的增加，單方堆石的總成本會(huì)降低。塔吊的堆石效率高，因此當(dāng)月堆石方量需求高時(shí)，使用塔吊能夠降低單方堆石的總成本。

圖2 堆石工藝設(shè)備的月固定成本

根據(jù)以上分析結(jié)果可以得出：

①長臂挖機(jī)每月設(shè)備投入的固定成本高，且單方堆石成本也高，所以單方堆石的總成本也高，僅適用于滿足短期的臨時(shí)堆石需求。

②相對于塔吊，工期較長時(shí)纜索堆石入倉方式每月的設(shè)備固定成本低；當(dāng)月堆石方量需求高時(shí)，塔吊單方堆石的綜合成本低于纜索堆石入倉方式。

3.技術(shù)優(yōu)勢

通過該工程的實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)采用纜索設(shè)備進(jìn)行堆石施工具有以下優(yōu)勢：

①纜索設(shè)備運(yùn)輸方便，普通道路即可運(yùn)送設(shè)備進(jìn)場。

②對壩下基坑的作業(yè)面積要求很小，與該工程作業(yè)面特點(diǎn)十分吻合。

③與塔吊相比纜索的安裝不需要配置緊密的施工設(shè)備，便利且快捷；由于是架空作業(yè)，所以對大壩其余部位的施工沒有影響，可以同步進(jìn)行作業(yè)。

表1 堆石工藝設(shè)備投入成本表

表2 堆石工藝單方堆石成本表

④纜索采用架空起重進(jìn)行作業(yè)，無需在山體上鋪設(shè)新的上壩道路，不僅節(jié)約了工期，還可以通過纜索運(yùn)送模板、鋼筋等材料，包括堆石混凝土施工中的自密實(shí)混凝土澆筑，一舉多得。

⑤該工程方量小，施工速度慢，資金投入量不大，采用纜索堆石入倉方式成本較低，實(shí)現(xiàn)了資源的最大優(yōu)化配置。

四、結(jié) 論

①纜索堆石入倉的施工速率低于塔吊堆石入倉方式，高于長臂挖機(jī)堆石入倉方式。

②由于涉及一次投入的成本攤銷，隨著工期的增長纜索堆石入倉設(shè)備投入的月固定成本降低，當(dāng)工期較長時(shí)，每月設(shè)備投入的固定成本低于塔吊堆石入倉方式。

③纜索堆石入倉的單方堆石成本高于塔吊，當(dāng)月堆石方量高時(shí)，纜索單方堆石的總成本高于塔吊堆石入倉。

④基于纜索的堆石入倉方式適用于工期較長、施工速度要求不高的堆石混凝土工程施工。為了解決堆石垂直運(yùn)輸問題，挖機(jī)、纜索、塔吊三種堆石入倉方案相比，長臂挖機(jī)僅適用于短期的臨時(shí)堆石需求，對于中長期的堆石需求，纜索和塔吊的方式綜合運(yùn)行成本較低。相對于塔吊，纜索適用于工期較長、堆石效率要求不高的堆石混凝土施工，單方堆石綜合成本低。

[1]安雪暉,黃綿松,周虎,金峰.堆石混凝土施工技術(shù)綜述[R].中國土木工程學(xué)會(huì)全國混凝土新技術(shù)及其工程應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)暨2007年年會(huì),2007.

[2]侯艷芬.堆石混凝土壩體施工的監(jiān)理控制技術(shù)[J].建設(shè)監(jiān)理,2010（9）.

[3]金峰,周虎,安雪暉,等.堆石混凝土技術(shù)新進(jìn)展 [R].水利水電工程新技術(shù)推廣研討會(huì)暨中國水利學(xué)會(huì)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)第九次年會(huì),2010.