水利工程大跨度拱式渡槽連拱施工技術(shù)

易小軍

（中國葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司 湖北宜昌 443002）

引言

海南省紅嶺灌區(qū)工程是我國172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程項(xiàng)目之一，是紅嶺水利樞紐工程的配套工程，承擔(dān)著向瓊東北地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城鄉(xiāng)居民生活供水的任務(wù)。其中，灣嶺渡槽是紅嶺灌區(qū)工程的控制性工程項(xiàng)目和施工重難點(diǎn)，拱式渡槽更為重中之重，直接關(guān)系到輸水工程長期通水運(yùn)行安全，必須嚴(yán)格控制各道工序施工質(zhì)量。為此，拱式渡槽施工前，必須保證拱下支撐體系施工質(zhì)量，拱肋混凝土施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行科學(xué)分段、對(duì)稱澆筑等施工順序和施工工藝，確保拱肋結(jié)構(gòu)施工安全。

1 工程概況

海南省紅嶺灌區(qū)工程灣嶺渡槽全長2153.6m，根據(jù)地形共布置39跨拱式渡槽+11跨簡支梁式渡槽。槽身半徑3m，壁厚30cm，設(shè)計(jì)過水流量為45m3/s。其中，39跨拱式渡槽連拱布置，每隔3～4跨拱圈設(shè)置單向推力墩，共設(shè)12個(gè)，推力墩之間各拱圈的拱腳高程不變。拱式渡槽共布置3種雙肋變截面懸鏈線無鉸拱式：第一種為矢跨L=40m、矢高f=10m拱圈，共20跨；第二種為矢跨L=49m、矢高f=12.25m拱圈，共15跨；第三種為矢跨L=65m、矢高f=16.25m拱圈，共4跨。三種拱圈拱肋中距6.5m，拱軸系數(shù)m=1.347，拱厚變化系數(shù)N=0.5。

2 連拱拱圈施工技術(shù)

2.1 拱圈支撐體系布置

為降低臨時(shí)工程投資，支架搭設(shè)和拆除方便快捷，確保施工時(shí)支撐體系的穩(wěn)定和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量，本工程采用碗扣式滿堂紅鋼管支撐體系。支架結(jié)構(gòu)由支架基礎(chǔ)（不小于50cm厚石渣、20cm厚C20混凝土面層）、底部方木及可調(diào)底座、φ48×3.5mm鋼管立桿、橫桿、掃地桿、剪刀撐、可調(diào)托撐及方木等組成。矢跨40m、49m拱圈支架寬均為9.6m，矢跨65m拱圈支架寬為10.2m。支架立桿縱向間距為60cm，橫向間距為60cm，步距為1.2m，支架底部按橫向60cm間距鋪設(shè)10cm×10cm方木，可調(diào)底座放在底部方木上，立桿頂部采用可調(diào)托撐調(diào)整拱形，以適應(yīng)拱弧線變化和卸拱需要，可調(diào)托撐上橫向設(shè)10cm×15cm方木，拱肋底模直接鋪裝在方木上固定。為增強(qiáng)模板支架的穩(wěn)定性，支架四周立面從底到頂連續(xù)設(shè)置豎向剪刀撐，中間縱向和橫向從底到頂連續(xù)設(shè)置豎向剪刀撐，剪刀撐間距不大于4.5m。剪刀撐的斜桿與地面水平夾角為45～60°，斜桿與立桿交叉點(diǎn)采用旋轉(zhuǎn)扣件扣接牢固。

2.2 預(yù)拱度計(jì)算與選擇

拱肋在施工過程中，模板支架在施工荷載作用下發(fā)生的非彈性變形、彈性變形和地基沉降等若不嚴(yán)格控制，會(huì)直接影響到拱肋混凝土施工質(zhì)量，待渡槽通水運(yùn)行后，拱肋混凝土甚至可能會(huì)出現(xiàn)裂縫。為使在不同工況荷載作用下拱軸線符合設(shè)計(jì)要求，拱肋施工時(shí)需預(yù)留與變形方向相反的抵消量。通過支架預(yù)壓消除支架的非彈性變形和地基沉降，并計(jì)算支架的彈性變形量。預(yù)拱度主要為支撐系統(tǒng)彈性變形值和拱肋結(jié)構(gòu)撓度，雙肋拱結(jié)構(gòu)撓度通常取δ=L2/6000f～L2/4000f。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn)，失跨 40m、49m、65m 拱肋預(yù)拱度分別為 0～10.009mm、0～12.264mm、0～32.500mm。在裝拱肋底模前，失跨40m、49m、65m拱肋通過支撐頂托調(diào)整的拱頂預(yù)拱度值分別為10.009mm、12.264mm、32.500mm，拱腳預(yù)拱度值為0mm，拱肋預(yù)拱度以拱的懸鏈線方程曲線對(duì)應(yīng)調(diào)整。

2.3 支架預(yù)壓及預(yù)拱度復(fù)測

為檢驗(yàn)支架的穩(wěn)定性，消除支撐體系的非彈性變形和地基沉降，測量支架的彈性變形量與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析，并為后續(xù)支架搭設(shè)提供準(zhǔn)確可靠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在底模鋪裝完成后，應(yīng)進(jìn)行支架預(yù)壓。支架預(yù)壓荷載為拱肋鋼筋混凝土與模板重量之和的1.2倍，預(yù)壓材料為砂袋。

（1）監(jiān)測點(diǎn)布置。模板支架預(yù)壓前，對(duì)支架進(jìn)行沉降監(jiān)測點(diǎn)布置，雙拱肋均沿拱軸線每隔1/8矢跨徑布置一個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面上對(duì)稱布置2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

（2）加載。支架縱向加載時(shí)，由拱肋跨中向支點(diǎn)處對(duì)稱進(jìn)行加載，橫向加載時(shí)，由拱肋中心線向兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行加載。加載完成并預(yù)壓72h后，對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測。

（3）卸載。預(yù)壓完成并達(dá)到要求后，進(jìn)行預(yù)壓砂袋卸載。預(yù)壓砂袋按照后壓先卸，先壓后卸的順序進(jìn)行卸載，卸載過程中對(duì)稱、均衡、同步卸載。卸載6h后，監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)的標(biāo)高，計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)的彈性變形量和非彈性變形量。卸載后，基礎(chǔ)無明顯沉降，支架最大沉降量為20mm，支架的彈性變形量與理論計(jì)算值基本吻合，測量人員按照預(yù)拱度值最后一次校正拱肋底模各點(diǎn)標(biāo)高控制線，采用頂托調(diào)整底模至控制標(biāo)高線并加固。

2.4 模板結(jié)構(gòu)形式與安裝

由于拱肋為變截面結(jié)構(gòu)，為保證混凝土外觀質(zhì)量，拱圈模板采用定型鋼模板，由底模、側(cè)模、蓋模及系梁模板組成，按照跨徑、弧長分段制作，每塊模板有固定編號(hào)，便于安裝。拱肋模板安裝包括底?？刂泣c(diǎn)設(shè)置、模板安裝、拱軸線復(fù)核等步驟。

（1）底?？刂泣c(diǎn)設(shè)置。以拱腳中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，拱跨徑為X軸，拱高為Y軸，均勻測出拱肋下緣全跨48點(diǎn)坐標(biāo)作為控制點(diǎn)。

（2）模板安裝。按照模板編號(hào)順序依次鋪裝底模，在支架上連成拱。為防止拱肋模板在澆筑時(shí)產(chǎn)生向上反拱現(xiàn)象，對(duì)底模進(jìn)行下拉加固。側(cè)模安裝時(shí)需兼顧拱肋預(yù)留間隔槽，側(cè)模一次到位。處于拱軸線較陡區(qū)段的拱段，在蓋模上間隔設(shè)置下料窗口，混凝土從窗口下料、振搗，混凝土澆筑邊上升邊安裝窗口蓋板。為消除模板在制作時(shí)的誤差以及模板安裝時(shí)的偏差而造成裝模與拆模困難，在模板設(shè)計(jì)時(shí)，拱頂?shù)啄！?cè)模及蓋模對(duì)稱兩側(cè)預(yù)留2cm的間隙，模板安裝時(shí)間隙用木板等軟性材料填充。

（3）拱軸線復(fù)核。底模、側(cè)模及蓋模全部安裝完成后，對(duì)拱軸線校驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核測量，以降低誤差。

2.5 拱肋混凝土澆筑

（1）混凝土配合比選取。本工程選用自建拌和樓拌制混凝土、混凝土泵車送料入倉的施工方式。拱肋混凝土選用C35二級(jí)配泵送混凝土，塌落度160～180mm，并且摻加緩凝高效減水劑和粉煤灰。

（2）拱肋混凝土澆筑。為避免拱肋混凝土因拱架下沉而開裂，及減小混凝土的收縮應(yīng)力，沿拱跨方向拱肋采取分段對(duì)稱澆筑，各段的接縫面應(yīng)與拱軸線垂直，各分段之間預(yù)留間隔槽（后澆帶），間隔槽寬度均為1.2m，其寬度滿足鋼筋接頭的需要。分段位置遵循支架受力對(duì)稱、均勻及變形小的原則，間隔槽位置避開橫聯(lián)系梁及拱上排架柱。為防止拱肋分段混凝土澆筑時(shí)，底模起拱，避免拱軸線變陡而產(chǎn)生整體偏差及拱肋模板的失穩(wěn)，按照設(shè)計(jì)規(guī)定的順序澆筑，即先拱腳、再拱頂，最后拱中的澆筑順序進(jìn)行。由于拱肋混凝土結(jié)構(gòu)要求較高，各分段混凝土應(yīng)一次連續(xù)澆筑完成，澆筑完成后應(yīng)及時(shí)覆蓋灑水保濕養(yǎng)護(hù)。

混凝土由拌和樓集中拌制，8m3混凝土攪拌車運(yùn)至施工部位，采用混凝土泵車同時(shí)進(jìn)行兩區(qū)段的澆筑，各區(qū)段拱肋間橫向聯(lián)系梁與澆筑拱肋同時(shí)施工，混凝土入倉速度及入倉方量兩區(qū)段基本一致。拱肋分段澆筑時(shí)，混凝土重量主要通過底模傳遞到下部支撐排架，最終傳遞到支架基礎(chǔ)上。拱肋施工時(shí)要加強(qiáng)對(duì)邊拱座和中拱座的水平位移監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)有異常，采取加固支架等應(yīng)對(duì)措施。

（3）拱肋封拱溫度控制。按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求，間隔槽混凝土在拱肋分段混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%后進(jìn)行，封拱合龍溫度在15～23℃之間進(jìn)行。由于該工程所在地屬于海島熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，拱肋封拱安排在陰天或夜間施工，必要時(shí)采取拌和用水加冰塊、提前進(jìn)場水泥、骨料倉搭設(shè)遮陽棚等混凝土溫度控制措施，降低混凝土出機(jī)口溫度。

將間隔槽的鋼筋接頭按規(guī)范要求錯(cuò)開采用電弧焊焊接，并將一期混凝土表面全部鑿毛，清理干凈，采用對(duì)稱澆筑方法進(jìn)行間隔槽混凝土封拱。間隔槽混凝土采用比拱肋高一等級(jí)C40混凝土，為防止混凝土出現(xiàn)收縮裂縫，混凝土摻8～10%膨脹劑，混凝土坍落度為10～12cm。封拱完成后，及時(shí)覆蓋灑水保濕養(yǎng)護(hù)。

2.6 拱支架卸落

為使拱架承受的荷載逐漸、平穩(wěn)地傳給拱圈，防止單拱卸架及不對(duì)稱卸架對(duì)拱座的推力影響造成連拱垮塌事故或產(chǎn)生不利裂縫，采用三（或四）連拱同時(shí)卸落支架施工技術(shù)。拱肋混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后才能允許拱架卸落。卸落前，在拱架上畫好每次卸落量的標(biāo)記，按提前擬定的卸落程序卸落拱架，分幾個(gè)循環(huán)卸完，卸落量開始宜小，以后逐漸增大，分3次卸落，采用口哨和對(duì)講機(jī)配合指揮信號(hào)。單跨拱卸架人數(shù)分2組，每次均按三（或四）跨從拱頂至拱腳同步、對(duì)稱、勻速的順序進(jìn)行，期間觀測拱圈撓度和拱座位移情況，一旦出現(xiàn)異常，暫停卸落，進(jìn)行全面檢查。第一次：松動(dòng)拱支架上頂托2.5mm左右；第二次：在首次卸落后一天進(jìn)行，第二次卸落5mm左右；第三次：第二次卸落后，觀察拱圈受力情況，無異常后進(jìn)行第三次卸落，拱架徹底脫離拱圈，形成裸拱主拱圈完全受力。

3 結(jié)語

拱式渡槽施工采用落地式滿堂紅鋼管支架現(xiàn)澆連拱施工技術(shù)，通過改變拱肋混凝土澆筑順序以適應(yīng)并調(diào)節(jié)拱架變形順序，采用不分期、分肋段多工作面對(duì)稱澆筑法，在一定程度上突破了無絞拱的常規(guī)一次澆筑成型的施工方法，有力地保障了工程質(zhì)量及施工安全，加快了施工進(jìn)度，為后續(xù)類似工程施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有一定的參考價(jià)值。