可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

倪 華 軍，李 軍 洪，余 旭 東

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站左岸共布置有8條引水隧洞，自上游至下游依次編號(hào)為①～⑧。引水隧洞由漸變段、上平段、漸縮段、上彎段、豎井段、下彎段及下平段組成。單條引水豎井深約176 m，含上下彎段及豎井段，其中豎井直段長104.5 m，豎井開挖斷面為Φ12.2 m的圓形斷面，壓力鋼管內(nèi)徑為10.2 m。引水洞上彎、豎井、下彎、下平段為壓力鋼管鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)，管外回填C20素混凝土，混凝土回填厚度為1 m。

左岸引水隧洞采用的是單洞單機(jī)豎井式布置，隧洞所承受的水壓力高，設(shè)計(jì)最大內(nèi)水壓力約為354 m。引水隧洞自上平段末端起全部采用鋼板襯砌，包括上彎段、豎井段、下彎段及下平段。①～⑥引水隧洞單條壓力鋼管共88節(jié)，管線長度為232.654 m，⑦～⑧引水隧洞單條壓力鋼管共89節(jié)，管線長度為235.654 m，8條引水隧洞壓力鋼管總節(jié)數(shù)為706節(jié)，管線總長度為1 867.234 m，工程總重量為19 279.7 t。

通常情況下，在進(jìn)行小斷面(直徑≤6 m)壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工時(shí)，通過布設(shè)單趟溜管、在溜管下口采用一個(gè)三通分兩個(gè)下料點(diǎn)即能滿足混凝土布料要求。而對于諸如直徑在10 m以上的大斷面壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工，若豎井直段從引水上彎一個(gè)方向采取溜管入料，如只采用一個(gè)或兩個(gè)下料點(diǎn)勢必會(huì)造成壓力鋼管下料不均勻、側(cè)壓力大而引起壓力鋼管變形；混凝土料頭距離遠(yuǎn)易造成冷縫，不能滿足混凝土澆筑質(zhì)量要求。為解決施工中存在的技術(shù)問題，有必要設(shè)計(jì)一種由單點(diǎn)下料轉(zhuǎn)化為多點(diǎn)下料的可移動(dòng)混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)，且不增加混凝土施工作業(yè)的難度。筆者介紹了可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2 可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)之初，為解決豎井內(nèi)多點(diǎn)對稱均勻下料問題，筆者收集了大量的工程資料。大多數(shù)情況下，引水豎井均采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，且采用滑模施工方案[1]的較多，利用滑模自身平臺(tái)分料；而小型引水豎井采用鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)僅采用單根溜管向兩側(cè)分料即能滿足入倉要求。

白鶴灘水電站左岸引水豎井為壓力鋼管襯砌混凝土結(jié)構(gòu)，壓力鋼管直徑為10.2 m，深度達(dá)176 m，混凝土只能從引水上彎段下料。對于該類大斷面豎井鋼襯結(jié)構(gòu)工程混凝土入倉無同類工程經(jīng)驗(yàn)可參考。項(xiàng)目部工程技術(shù)人員仔細(xì)推演了壓力管道豎井混凝土入倉過程，發(fā)現(xiàn)需要在溜管下部設(shè)置一個(gè)分料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使混凝土從壓力管道豎井溜管進(jìn)入該分料系統(tǒng)后能夠均勻地分配到倉面的各個(gè)部位。同時(shí)，該系統(tǒng)應(yīng)具有入料結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、周轉(zhuǎn)使用、安全可靠等特點(diǎn)。

針對該分料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，技術(shù)人員采取頭腦風(fēng)暴法[2]進(jìn)行了多次研討，從功能、結(jié)構(gòu)、安全性等方面進(jìn)行了反復(fù)推敲，最終形成了設(shè)計(jì)方案，并將其命名為可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)。該分料系統(tǒng)主要由以下三部分組成：底梁支撐系統(tǒng)、接料系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)底梁支撐系統(tǒng)。底梁支撐系統(tǒng)主要用于支撐接料系統(tǒng)、上部旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、混凝土等所有荷載并提供施工操作平臺(tái)，吊運(yùn)方便。底梁支撐系統(tǒng)平放在壓力鋼管上管口，在底梁支撐系統(tǒng)底部設(shè)置防滑擋板，防滑擋板與壓力鋼管口布置一致，使用時(shí)，整體分料系統(tǒng)受混凝土下料沖擊時(shí)不得滑移。壓力鋼管口直徑為10.2 m，底梁長度要求必須大于10.2 m。同時(shí)，對底梁的基本要求就是滿足上部荷載。對于底梁，經(jīng)過對鋼桁架結(jié)構(gòu)、單工字鋼、工字鋼疊合梁方案進(jìn)行比較后，最終決定底梁采用雙22#工字鋼疊合梁方案，即底梁采用4根22#工字鋼布置雙側(cè)支撐，單側(cè)支撐采用2個(gè)22#工字鋼疊合焊接而成。底梁尺寸：長×寬×高=10.5 m×2.4 m×0.44 m ，總重量約為4.1 t，最高處為5.64 m。

(2)接料系統(tǒng)。接料系統(tǒng)主要解決混凝土從豎井溜管底部順接至旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)中心料斗內(nèi)的難題，其主要起連接溜槽的作用。接料系統(tǒng)的荷載既要滿足混凝土自重和動(dòng)荷要求，又要有效減少接料系統(tǒng)的自重，有效減少對底梁的負(fù)荷。接料系統(tǒng)的高度既要滿足混凝土流動(dòng)坡比要求，又要滿足整個(gè)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)移過程中洞內(nèi)建筑限界尺寸要求，最終確定的方案為：接料系統(tǒng)最高處為4 m；另外，欄桿高度為1.2 m，溜槽坡比為17%?？紤]到接料系統(tǒng)與底梁可簡單拆卸，故接料系統(tǒng)與底梁采用插銷連接與固定。接料支撐架尺寸：長×寬×高=4 m×1.2 m×4 m(2.8 m)，頂部布置溜槽、走道及欄桿，側(cè)面布置爬梯。

(3)旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)是解決混凝土多個(gè)下料點(diǎn)問題的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)?；炷翉闹行奈恢猛ㄟ^旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可輻射360°施工范圍。技術(shù)人員充分考慮了混凝土流態(tài)和壓力鋼管外圍周長關(guān)系，經(jīng)計(jì)算，壓力鋼管外圍周長為32 m，布置4個(gè)下料點(diǎn)，單個(gè)下料輻射8 m范圍。旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)按照以中心旋轉(zhuǎn)270°即能滿足4個(gè)下料點(diǎn)的入倉要求設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)既要滿足混凝土流動(dòng)坡比，又要有效控制旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)中心料斗高度。最終確定的溜槽坡比為18%，分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中心高度為2.5 m，斜長為6 m，寬度為1 m。

(4)分料系統(tǒng)集成?？梢苿?dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)包括裝配為一體的底梁、接料支撐架和分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。接料支撐架通過螺栓與底梁可拆卸連接，分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)與底梁焊接連接；旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的底端焊接固定在底梁上；分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)為中心軸可沿旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)呈360°水平旋轉(zhuǎn)；通過三個(gè)子系統(tǒng)合理集成，達(dá)到混凝土分料均勻入倉的目的。

3 分料系統(tǒng)在引水豎井鋼襯回填混凝土施工中的應(yīng)用

3.1 引水豎井鋼襯回填混凝土的水平及垂直運(yùn)輸

在進(jìn)行引水豎井段鋼襯回填混凝土施工時(shí)，其混凝土的水平運(yùn)輸系從拌合站采用混凝土攪拌運(yùn)輸罐車運(yùn)輸至引水上平洞。其豎井混凝土的垂直運(yùn)輸[3]系采用罐車直卸至溜管料斗，混凝土經(jīng)溜管至可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)，再經(jīng)移動(dòng)分料槽和溜筒入倉。在豎井內(nèi)沿著井壁布置一趟DN300溜管，單根溜管長度為6 m，溜管之間采用法蘭和螺栓連接。溜管間隔18 m設(shè)置一個(gè)H型緩沖器[4]。

3.2 溜管系統(tǒng)的安裝與拆除

豎井段混凝土溜管系統(tǒng)是混凝土入倉的關(guān)鍵系統(tǒng)，在安裝、使用和拆除過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：(1)溜管的連接與井壁的固定牢固；(2)緩沖器的設(shè)計(jì)與布置合理；(3)溜管系統(tǒng)的耐磨損設(shè)計(jì)及維護(hù)；(4)溜管的安裝和拆除一定要安全、方便。

溜管和緩沖器的耐磨設(shè)計(jì)：在混凝土下料過程中，溜管連接處、轉(zhuǎn)彎處、緩沖器的底部和外側(cè)管壁磨損最大。針對此，首先應(yīng)選用加厚型鋼管(壁厚不小于8 mm)制作溜管和緩沖器。針對磨損較大的部位采用在溜管內(nèi)焊接耐磨鋼筋、管外綁焊一層鋼管后包裹一層橡膠皮或橡塑的方式進(jìn)行處理。

豎井段溜管的安裝方式：在豎井段與上彎段相交處設(shè)置一個(gè)鋼平臺(tái)，主要用于溜管的下放與安裝，利用2×30 t橋機(jī)將其從上彎段吊運(yùn)至鋼平臺(tái)處。另外布置兩臺(tái)5 t卷揚(yáng)機(jī)牽引溜管，安裝一節(jié)溜管利用卷揚(yáng)機(jī)向井內(nèi)下放一節(jié)溜管，固定鋼繩，逐節(jié)與溜管吊耳鎖住，待豎井段溜管下放到位后再安裝上彎段與豎井連接段的溜管。溜管的臨時(shí)固定采用兩根鋼繩，最后利用2×30 t橋機(jī)載人吊籃分段采用拉筋將溜管和錨桿焊接固定。

豎井段溜管的拆除方式：根據(jù)豎井段鋼襯回填混凝土分段長度為18 m、每倉混凝土收倉面距離壓力鋼管口為1.2 m的具體情況，混凝土收倉后，首先吊離可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)，再利用橋機(jī)拆除18 m溜管(6 m/根)，每次拆除溜管時(shí)保證溜管最下端有一個(gè)緩沖器，能夠有效控制混凝土離析現(xiàn)象[5]。

3.3 可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)的安裝與拆除

可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)在加工場內(nèi)制作并將底梁和旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)組裝完成。采用9 m長的平板汽車將其轉(zhuǎn)運(yùn)至引水上彎段橋機(jī)底部，再將接料平臺(tái)與底梁組裝完成。利用2×30 t橋機(jī)整體將移動(dòng)分料系統(tǒng)吊運(yùn)至豎井段壓力鋼管上口，并與溜管下料口對應(yīng)就位。為確保移動(dòng)分料系統(tǒng)吊運(yùn)安全，移動(dòng)分料系統(tǒng)整體采用鋼繩與卡環(huán)臨時(shí)固定。安裝就位時(shí)，施工人員根據(jù)底梁的限位裝置將底梁與壓力鋼管上口嚴(yán)密接觸。安裝就位后，拆除移動(dòng)分料系統(tǒng)臨時(shí)固定的鋼繩，將接料平臺(tái)與溜管下料口采用活動(dòng)溜管順接固定，再將旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)活動(dòng)支撐至壓力鋼管口，沿著管口將旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)下料口移動(dòng)至倉內(nèi)溜筒下料點(diǎn)并做臨時(shí)固定，防止下料時(shí)旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)移動(dòng)。

在混凝土澆筑完成一倉后，清理移動(dòng)分料系統(tǒng)溜槽、料斗內(nèi)的混凝土雜物，將溜管下料口的活動(dòng)溜管撤離接料平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)端頭并將其移動(dòng)至與底梁平行，采用鋼繩與卡環(huán)將旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)、接料平臺(tái)進(jìn)行臨時(shí)固定，再采用橋機(jī)將其吊離豎井段施工面至引水上彎段。在引水上彎段將接料平臺(tái)與底梁拆離，采用平板汽車分別將其轉(zhuǎn)運(yùn)至接料平臺(tái)和底梁(旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng))至下一個(gè)豎井施工面。

4 可移動(dòng)式旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢

可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)軸為中心，覆蓋四周多個(gè)混凝土下料點(diǎn)?；炷翉牧锕苋肓辖?jīng)接料支撐架上的溜槽流入料斗后，再到旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)上的溜槽，由一個(gè)下料點(diǎn)轉(zhuǎn)化為多個(gè)下料點(diǎn)。該系統(tǒng)在壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工中得到了有效應(yīng)用，其特點(diǎn)及優(yōu)勢如下：

(1)接料支撐架通過螺栓與底梁呈可拆卸連接，分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)與底梁焊接連接；旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)底端焊接固定于底梁上，使用時(shí)，將接料支撐架與底梁通過螺栓連接為一體；轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，將接料支撐架與底梁螺栓松開分別運(yùn)輸，使分料系統(tǒng)安拆簡便、易于轉(zhuǎn)運(yùn)，無需搭設(shè)臨時(shí)溜槽排架和多通道溜槽，進(jìn)而提高了施工效率，增強(qiáng)了實(shí)用性。

(2)旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)由分料支撐架、料斗、移動(dòng)式溜槽及焊接于分料支撐架斜面頂部的花紋鋼板構(gòu)成，在整個(gè)移動(dòng)過程中，只需將底梁吊運(yùn)至豎井內(nèi)壓力鋼管的指定部位，完成分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的裝配即可，無需借助其他支撐平臺(tái)；只需利用分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)自身的剛性及活動(dòng)支撐部分的支撐作用，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的功能，使用更為方便。

(3)所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)有效地利用了旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的軸承旋轉(zhuǎn)原理，在移動(dòng)過程中，只需人工推動(dòng)分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、調(diào)整下料點(diǎn)位置即可完成多點(diǎn)下料作業(yè)，操作簡便，安全可靠。

(4)可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)在澆筑完一倉后，即可將其吊運(yùn)至其他澆筑工作面使用，轉(zhuǎn)運(yùn)簡便，周轉(zhuǎn)使用率高。

(5)采用2×30 t橋機(jī)將可移動(dòng)式旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)吊運(yùn)至豎井內(nèi)壓力鋼管上就位后，橋機(jī)即可松鉤。該系統(tǒng)使用過程中無需提升系統(tǒng)懸吊，僅依靠壓力鋼管上口支撐，使用更為方便。

(6)旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)底端焊接固定于底梁上，旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)上的分料支撐架與旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)上的Φ159鋼管套筒外壁焊接固定，使底梁與分料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)間接地構(gòu)成剛性主體，在旋轉(zhuǎn)移動(dòng)過程中，無需借助其它支點(diǎn)，簡化了多點(diǎn)下料固有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

5 結(jié) 語

在白鶴灘水電站左岸壓力管道豎井鋼襯回填混凝土施工過程中，施工局成功地設(shè)計(jì)、制造并應(yīng)用了一種可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能滿足大斷面豎井混凝土多點(diǎn)下料和對稱均勻入倉的要求，又能取得操作簡便、施工成本低的效果。該可移動(dòng)式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)是從傳統(tǒng)固定式分料溜槽基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和升華研制的。該系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，為豎井工程和圓筒體結(jié)構(gòu)工程混凝土入倉提供了全新的施工方法和工藝，達(dá)到了施工安全可靠、質(zhì)量保障、作業(yè)高效、成本節(jié)約的效果，對類似工程混凝土施工具有積極的推廣價(jià)值。