斜井全断面变径滑模研制与应用施工总结.docx
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斜井全断面变径滑模研制与应用施工总结
斜井全断面变径滑模研制与应用
施工总结
三峡三联总公司永久船闸项目经理部
2001年10月28日
审批：
周宇
审定：
刘光
校核：
李毅
编制：
钱兴喜
一、概述
三峡工程永久船闸为南北双线五级船闸，地下输水系统呈南、中、北三条线布置，共有斜井12条（衬砌后为16条，中隔墩衬砌后一分为二）。
除二级斜井长为21.9m，断面高由5.5m渐变至6.7m，底板及边顶倾角分别为54.5°及57.6°外，三~五级斜井均为长35.2m，断面高由5m渐变至5.4m，底板及边顶倾角分别为56.9°及57.5°；顶拱半径均为R2.5m，底板宽均为5.0m，由两个半径R0.5m的圆弧与直段连接而成。
南北坡斜井设计砼厚度为0.6m；中隔墩斜井底板、两边墙设计砼厚度为1.0m，中隔墙砼厚为1.5m，正顶拱最大砼厚为1.2m。
砼设计标号为R90300#。
附图1为三~五级为南北坡斜井体型断面示意图。
永久船闸地下输水系统工程斜井具有数量多、长度短、体型复杂、钢筋粗而密集、砼表面质量要求高，尤其是斜井上大下小、边墙高度逐渐变化等特点，使斜井成为一个变截面的斜井，给混凝土施工带来了极大的困难，致使斜井工期一度严重滞后，成为控制整个地下输水系统工期的关键线路。
二、方案构思与选择
（1）在二级斜井施工中采用了底拱滑模，边顶拱搭满堂架并拼定型小钢模的方法。
由于在边顶拱施工中整条斜井搭满堂脚手架及拼装小钢模，既费工、费时、重量重、成本高；同时给模板安装拆除，钢筋运输、安装及调校都带来极大的困难和安全隐患；且施工后，砼表面有错台、麻面，平整度差。
模板安装、拆除占据了很大部分的时间，造成工期太长。
（2）三～五级南坡及中隔墩斜井采用底拱、边顶二次滑模施工。
虽然利于钢筋运输、绑扎，施工简便安全，砼表面质量较好，成本较低；但工序重复，特别是增加了对施工缝面的处理、边顶滑模轨道埋件的埋设及处理，施工周期亦较长；同时滑模牵引采用手拉葫芦，牵引较费力、费工。
（3）根据三联总公司责任方水电十四局在广州抽水蓄能电站、浙江天荒坪抽水蓄能电站等斜井全断面滑模使用的经验，并结合三峡斜井施工的情况，新研制的斜井全断面变径滑模，主要由模板、针梁、锁定装置、轨道装置及牵引系统等组成。
中梁采用卷扬机牵引，模板采用钢铰线液压爬升器牵引。
模板分为底模和顶模，在施工过程中，模板沿中梁滑升形成自动变径，达到全断面一次成形及高度变化的目的。
新研制的斜井全断面变径滑模与以往使用过的滑模相比，主要有以下两个显著特点：
A、模板分为两半，在滑升过程中自动变径，实现斜井全断面一次浇筑成形，构思新颖。
B、模板牵引采用钢铰线液压爬升器，此种爬升器在国内研制尚属首次。
根据上述情况，承担永久船闸地下输水系统工程的三联总公司在斜井混凝土施工中成功地使用了底拱滑模、边顶拱二次滑模技术，为攻克斜井砼施工难关奠定了坚实的基础；同时为了技术创新，寻求解决变径斜井施工的更好方法，又进一步研制了斜井全断面变径滑模。
三、滑模结构及工作原理
3.1滑模结构
斜井全断面变径滑模主要由模板、中梁、行走轮、尾部锁定架、平台、牵引系统及轨道装置等组成。
滑模系统布置见附图2。
（1）模板模板分为底拱模板和边顶拱模板两部分。
模板长1.2m，宽5m，面板厚6mm。
边顶拱模板比底拱模板宽12mm，边顶模板套着底拱模板，在边墙部位相互重叠40cm，与斜井高度的变化值相同。
两模板在滑升时相互独立，在中梁滑升时连为一体。
（2）中梁中梁为渐变截面是本滑模的又一大特点，顶模和底模以中梁为依托。
中梁上部轨道与顶拱母线平行，下部轨道与底板面平行，即上下轨道之间有0.6°的夹角。
中梁长14.7m，每次有效行程为6m。
中梁与行走轮及尾部锁定架相连。
（3）牵引系统牵引系统分为中梁牵引系统和模板牵引系统两部分。
中梁牵引用1台8t慢速卷扬机进行牵引，模板滑升用4只15t液压爬升器进行牵引。
8t卷扬机固定于斜井上平洞，经顶拱天轮进行转向；爬升器沿φ15.24mm钢绞线进行爬升，钢绞线铆固于斜井上口。
（4）轨道中梁移动时，行走轮在［12槽钢轨道上行走，轨距为2m。
前行走轮轨道固定于底板内层钢筋上，并用拉筋与底板锚杆进行加固；后行走轮轨道置于已浇成型底板砼面上，避免砼面被压损，轨道重复使用。
3.2滑模工作原理
由于斜井高度是由下往上逐渐变大的，中梁设制成与斜井同样的锥度并设有上部和下部轨道，顶模和底模是独立的两部分。
滑升时，顶模及底模分别沿上部轨道及下部轨道运行。
顶模与底模在边墙结合处的面板是相互搭接包容的，即顶模的部分面板紧贴在底模面上，滑升时这两部分模板产生相对位移，其结果便形成了衬砌断面逐渐变大的收分效果。
（1）模板滑升时，把中梁定位好，前端用卷扬机拉住，后端把尾部锁定架调整受力，顶紧成型砼面。
顶模与底模是相互独立的两部分，各由2只爬升器牵引，既可同步运动，又可单独进行滑升。
（2）模板滑完一个行程后，把顶模及底模联固为一体，把模板支架调整受力、顶紧底板砼面，松开中梁尾部锁定架及其它连接件。
然后中梁用8t慢速卷扬机进行牵引就位。
（3）中梁就位后，把尾部锁定架支撑好，把顶模行走轮调至中梁上轨面，解除顶模与底模之间的连接，松开模板支架，至此模板又可进行下一循环的滑升。
由于中梁长度的限制，模板沿中梁的有效行程每次约为6米，但只要经过“模板滑升→提升中梁→模板滑升”这样的多次循环，就可以完成整条斜井的全断面砼衬砌。
四、液压爬升器结构特点
爬升器的使用是本滑模的一大特点。
液压爬升系统主要由液压泵站、爬升器、管路、钢绞线及固定支座等组成。
液压系统工作压力为14Mpa，4只爬升器既可联动，又可单独运行。
爬升器每只额定牵引力为15t，每次行程10cm，沿φ15.24mm钢绞线进行爬升。
钢绞线从爬升器中间穿过，用铆座固定于斜井井口支架上。
爬升器主要由缸体、活塞杆及前后夹爪等组成。
附图3为爬升器结构示意图。
爬升器工作时，缸体腔进油，后部夹爪抱紧钢绞线，前夹爪松开，缸体顶着模板往上运行；回油时，杆体腔进油，前部夹爬抱紧钢绞线，后部夹爪松开，活塞杆往上收缩，完成一次爬升。
循环往复，便实现模板的连续滑升。
该爬升器具有重量轻，结构紧凑，爬升力大，运行平稳，操作方便等特点。
五、滑模主要技术性能参数
斜井全断面变径滑模主要技术性能参如下：
项目
内容
模板
模板长1.2m，宽5m，高5~5.4m，分为底模及边顶模两部分
重15.2t
中梁
中梁长14.7m，锥度0.6°，每次有效行程6m
卷扬系统
JM-8，速度8m/min，额定拉力8t；钢丝绳φ28，滑轮倍率4
液压爬升器
公称压力140MPa、拉力15t、行程10cm；钢绞线φ15.24mm
轨道
轨道［12，轨距2m
六、施工实践
全断面变径滑模首次应用于地下输水系统工程北四斜井，2001年4月21日凌晨1：
30开始砼浇筑，历时两周时间，于5月4日晚上21：
30顺利完成了整条斜井的混凝土衬砌。
斜井滑模砼施工主要包括下部三角体、直段及上部三角体，特别是上部三角体的施工一改以往拆除滑模后重新架立小模板浇筑的状况，全部用滑模进行施工。
6.1下部三角体的施工
滑模安装就位后，模板与下弯段之间形成了一长约3.5m的三角块体，需用拼模进行浇筑。
为保证砼的成型质量，消除底拱砼水汽泡及麻面，斜井下部三角块体底拱部分采用小翻模抹面的施工工艺，边顶拱部分则采用架立小钢模进行浇筑。
当底拱浇筑砼初凝强度达到约0.3Mpa时，即可把底拱模按浇筑顺序由下往上逐渐拆除，并对底拱直段及反弧面进行人工抹面、压光，消除水汽泡及麻面。
另外，为便于更好地掌握模板初滑时间，当砼浇至滑模时，需停料2~3小时后再进行下料，然后按正常速度将砼浇筑至距离滑模上口约30cm，等待起滑。
同时，拆除三角体处的边顶模板及支撑，解除各部与滑模之间的约束。
6.2直段砼施工
（1）模板滑升当砼强度达到0.1~0.3Mpa时，模板即可进行滑升。
滑升时，底模及边顶模分别用2只液压爬升器进行牵引。
首次滑升由于摩擦阻力较大，可以增加2只5t手动葫芦来辅助牵引。
滑升按“多动少滑”的原则进行。
根据现场施工经验，滑模区砼浇筑完5~6个小时后即可对下部三角块体拆模，8小时左右即可进行模板滑升。
每下完一车料，仓面砼均匀上升20~30cm，每次滑升距离以10~20cm为宜，并将每次滑升间隔时间控制在60~120分钟以内，以减少因每次滑升距离过大造成砼面不光滑、漏浆及时间过长致使滑升阻力过大，同时又能使出模面能方便地抹面。
正常滑升后，每天滑升距离约2.5~3.5m。
在滑升过程中出现爬升器夹爪打滑时，要及时对夹爪进行检修或更换，此时可借助中梁上备用的手拉葫芦进行模板牵引。
当滑升间隔不超过4小时时，手拉葫芦能较轻易地进行模板滑升。
（2）中梁提升模板每次在中梁上的有效行程为6米，每个循环时间约2天。
当模板行走轮行至中梁轨道端头时，就要进行中梁的提升工作。
中梁提升时，先把独立的顶模与底模连成整体，把模板锁定支架两边的丝杆调整顶紧在已浇筑的底板砼面的垫块上，同时用2只5t手动葫芦将模板组与边顶锚杆相连固定，防止模板下坠；松开中梁尾部锁定架，解除中梁各部约束，然后就可以利用卷扬机将中梁向上提升了。
中梁提升到位后，在顶模行走轮与中梁轨道之间将会拉开一个空隙，每次约为7cm，把顶模行走轮调整至中梁轨道并固定，解除底模与顶模之间的连接，然后便可开始下一循环的滑升。
（3）模板滑升控制和纠偏
模板滑升按“多动少滑”的原则。
滑升过程中用水平管或水平仪经常检查模板面是否水平，吊垂球检查模板中心是否偏离了底板轨道中心线。
若发生偏移，应及时进行调整。
纠偏用爬升器及手拉葫芦进行。
砼浇筑过程中必须保证下料均匀，两侧高差最大不得大于40cm，并及时进行分料。
当因下料导致模板出现偏移或扭转时，应适当改变入仓顺序并借助于手动葫芦等对模板进行调校。
每次中梁提升后，必须把顶模行走轮调整紧贴至中梁轨道面，不得留有空隙，以免因存在间隙而致使顶拱下塌，低于设计线。
同时，应使中梁中心与轨道中心保持一致，防止模板左右偏移。
（4）抹面与养护模板滑升后应及时进行抹面，滑后拉裂、坍塌部位，要仔细处理，多压几遍，保证接触良好，底模与顶模在边墙产生的6mm系统错台应及时按1/30坡度修整处理，同时将预埋灌浆管找出。
距滑模底部2米以外的混凝土应随时进行洒水养护。
6.3上部三角体的施工
斜井上部三角体采用模板直接滑出方案，底模与顶模分开滑升并滑出结构分缝线。
浇筑前把轨道延长出直段，堵头模板安装时低于砼设计线5~10mm，以便模板滑出时不会碰到堵头模板及对砼产生扰动。
这样整条斜井便全部采用滑模施工完成，砼表面光滑平整。
6.4滑模砼运输与入仓
砼运输采用6m3搅拌罐车，砼入仓除上部三角体采用泵车外，其余部位皆通过阶梯形溜槽缓降入仓。
砼坍落度控制在14cm左右，并进行现场取样。
正常滑升后，砼入仓时按先低后高进行布料，使两侧边墙及底板、顶拱的砼均衡上升，每次浇筑层厚以20~30cm为宜。
下料时应及时分料，严禁局部堆积过高，保证模板整体向上滑升，避免产生砼质量及模板发生侧向位移。
北四斜井施工完后，滑模经过简单的修复及维护，于2001年9月1日下午14：
20分至9月15日早晨5：
30分又成功地应用于北五斜井砼浇筑。
经全断面变径滑模施工后的斜井表面光滑平整，无错台、麻面及施工缝，大大减少了工序，加快了施工进度，平均每天滑升速度达约2.5m，最高日滑升达3.5m；同时，由于采用液压爬升器进行牵引，操作简便、省力；滑升中，模板高度顺利地实现了自动变化，满足了斜井体形的要求。
七、存在的问题及处理对策
由于斜井全断面变径滑模在水电施工行业中属国内首创，虽然在北四、北五斜井砼施工中得到了成功的应用，但尚有如下问题需进一步完善：
（1）液压爬升器夹爪与钢绞线在模板滑升过程中经常出现夹爪打滑现象，夹爪磨损严重。
需进一步提高夹爪的制作质量及配合精度，选用耐磨及韧性较好的材料，以期使夹爪的使用寿命达到模板滑升20m。
（2）底模与顶模的搭接重叠段为6mm厚钢板，虽然对其进行了削坡处理，但在施工过程中局部出现了错台逐渐变大的现象，致使局部抹面后平整度稍差。
可在底模与顶模搭接部位设置调紧装置，使重叠部分紧密贴合无间隙，避免混凝土浆进入。
（3）中梁提升后，顶模行走轮垫板更换较为困难，调整时间较长。
可设置丝杆千斤顶调整装置，减轻更换难度，缩短调整时间。
以上问题在以后的施工中通过完善设计及改进施工工艺，相信均能得到较好的解决。
八、技术经济分析
目前地下输水系统斜井直线段砼施工主要采用以下三种施工方法：
一是底拱采用滑模，边顶拱采用搭满堂脚手架立小钢模；二是底拱及边顶拱采用二次滑模；三是采用全断面滑模。
第一种方法由于整条斜井边顶拱搭设满堂脚手架并拼装小钢模，模板安拆、钢筋运输绑扎及砼施工困难，既费工、费时、成本高，施工又不安全、表面质量差、工期长；第二种方法分两次滑升，虽施工安全、表面质量好、方便钢筋运输及绑扎，但工序重复、施工时间亦较长。
而且以上两种方法由于分两次施工，均需在底板预设插筋，而且还增加了对纵向施工缝的处理。
同时由于工期长，导致模板套数需增加才能满足施工要求。
第三种斜井全断面滑模由于滑升过程中自动完成收分，使底拱和边顶拱一次浇筑成形，大大减少了工序、缩短了工期，单人工费一项就减少了许多，而且由于没有施工缝，质量得到了极大的提高。
以下为斜井模板三种施工工艺的主要经济性指标分析表：
项目
模板形式
重量（t）
工期（d）
备注
单重
总重
分部
总体
1
底拱滑模
5
68
40
140
1、本表以南北坡三～五级斜井为例；2、表中重量已包括轨道及支座；3、除边顶小钢模未考虑拆模时间外，其余工期已包括安装、运行及拆模时间。
边顶小钢模
63
100
2
底拱滑模
5
21
40
90
边顶滑模
16
50
3
全断面滑模
23
23
65
九、结束语
斜井全断面变径滑模由于整体成形，砼表面光滑平整，无错台及施工缝，三峡工程通航后减少了隧洞在高速水流冲刷下发生气蚀的可能性，提高了洞室的使用寿命，减少了维修的机率，提高了通航发电的效率，具有显著的经济效益和社会效益。
斜井全断面变径滑模在三峡永久船闸地下输水系统工程斜井中的成功应用，得到了业主、监理等国内外专家的高度评价。
斜井全断面变径滑模由于构思新颖，在国内外水电施工中尚属首创，特别是其模板自动收分变径的思想和钢绞线液压爬升器技术在未来同类斜井及其它施工中将得到很好的借鉴和拓展。
附表：
斜井全断面变径滑模研制与施工进度计划一览表
序号
项目
起止时间
（年、月）
内容
1
可行性调研
2000.06～09
收集资料,对变径滑模可行性进行分析,对方案进行构思
2
滑模设计
2000.10～12
对滑模及爬升器结构进行受力计算,绘制施工图
3
滑模生产与试验
2001.01～03
对滑模及爬升器各部件进行制作,在厂内对滑模进行整体预组装,对爬升器进行拉力爬升模拟试验
4
北四斜井滑模施工
2001.03～05
包括锚杆预制，轨道、井架、模板及爬升器安装、运行及拆除
5
北五斜井滑模施工
2001.07～09
包括锚杆预制，轨道、井架、模板及爬升器安装、运行及拆除
6
滑模施工总结
2001.10
对滑模施工进行总结、技术资料进行整理
7
成果鉴定
2001.11
对变径滑模给予肯定及认可,并进行推广
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