長(zhǎng)線型空間扭曲賽道結(jié)構(gòu)噴射混凝土施工特點(diǎn)研究

陳世林，彭輝

（上海寶冶冶金工程有限公司，上海201999）

1 引言

國家雪車雪橇中心賽道為國內(nèi)首條、亞洲第三條高強(qiáng)度雙曲面雪車雪橇賽道。賽道形狀為非常罕見的長(zhǎng)線型空間扭曲結(jié)構(gòu)，整體呈蜿蜒起伏，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度1 975m，最大垂直落差121m，最大滑行速度134.4km/h，加速度4.7g，由16 個(gè)不用曲率彎道，劃分為54 段長(zhǎng)度不等的制冷單元組成（見圖1）。賽道任意剖面的高度、寬度、角度、弧度和空間坐標(biāo)點(diǎn)均不同。

賽道由骨架和噴射混凝土構(gòu)成，為典型的半封閉空間雙曲面薄殼體結(jié)構(gòu)（見圖2），采用國內(nèi)首次結(jié)構(gòu)混凝土噴射和成型技術(shù)。賽道噴射密實(shí)度直接決定賽道能否通冷制冰和正常比賽，賽道內(nèi)曲面成型精度和平滑度均為毫米級(jí)，成型精度直接決定運(yùn)動(dòng)員的高速滑行安全。賽道成型實(shí)體如圖3 所示。

圖1 國家雪車雪橇中心賽道整體形狀

圖2 賽道典型曲面殼體結(jié)構(gòu)局部示意圖

圖3 賽道成型實(shí)體

2 施工特點(diǎn)研究

2.1 關(guān)鍵施工技術(shù)研究

通過對(duì)國內(nèi)首條冬奧賽道設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)形式、施工精度和賽時(shí)功能等綜合分析，選用永久性結(jié)構(gòu)噴射混凝土施工技術(shù)作為本工程的核心技術(shù)。相比其他混凝土施工技術(shù)而言，結(jié)構(gòu)混凝土高壓噴射和成型技術(shù)具有現(xiàn)有施工技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的高精度、高密實(shí)、高強(qiáng)度和空間異型雙曲面成型等優(yōu)勢(shì)。

該技術(shù)成套使用免拆模板即高強(qiáng)度柔性金屬織網(wǎng)安裝技術(shù)、三維曲面鋼筋安裝技術(shù)、異型模板安裝技術(shù)、高精度找平管安裝技術(shù)、賽道精加工成型技術(shù)等。多種技術(shù)的綜合運(yùn)用形成整雪車雪橇賽道施工工藝。

2.2 其他輔助技術(shù)研究

賽道為三維空間雙曲面結(jié)構(gòu)，賽道材料數(shù)據(jù)提取、計(jì)量、管理、方案制定和技術(shù)交底現(xiàn)有方式無法實(shí)現(xiàn)。利用BIM 參數(shù)化建模技術(shù)建立賽道骨架、模板、外觀等全方位高精度的三維模型，為施工可行性提供重要支撐。

找平管為成型面過程精度控制的基準(zhǔn)，利用BIM 參數(shù)化建模技術(shù)輔助測(cè)量并修正找平管安裝精度；借助全站儀測(cè)量找平管上表面均勻等分的測(cè)量控制點(diǎn)，將坐標(biāo)值輸入BIM 模型比對(duì)各測(cè)量點(diǎn)的偏差值，實(shí)現(xiàn)混凝土成型前對(duì)賽道骨架找平管安裝精度的數(shù)據(jù)偏差分析和調(diào)整。

三維激光影像掃描技術(shù)和BIM 參數(shù)化模型相結(jié)合：通過三維影像掃描圖像與BIM 模型作點(diǎn)云比對(duì)，在混凝土成型面未凝固前對(duì)超差范圍進(jìn)行快速檢測(cè)并指導(dǎo)定量修復(fù)，確保賽道內(nèi)曲成型點(diǎn)、線、面的空間毫米精度。

2.3 噴射料加工生產(chǎn)工藝研究

加工廠特殊生產(chǎn)工藝研究：噴射干混料為噸包裝，噴射采用罐車運(yùn)輸；結(jié)合賽道各段制冷單元長(zhǎng)度和使用方量不同，噴射過程中為防止坍落度損失超出范圍，影響噴射料的抗流掛性、填充型和可泵送性，加工廠單次攪拌方量和罐車單次盛裝方量為1～6m3不等。采用對(duì)預(yù)混干料進(jìn)行定量自動(dòng)攪拌工藝，加工廠的上料和攪拌方式為間隔連續(xù)式，單次攪拌方量額定為1m3，通過定量多次攪拌來實(shí)現(xiàn)不同需求方量的精確供應(yīng)。

加工廠特殊工藝流程為：叉車運(yùn)輸噴射噸包料→料包受料口完成干料開袋→提升料斗→提升至攪拌主機(jī)上方→釋放預(yù)混干料至攪拌主機(jī)內(nèi)→自動(dòng)加水→定時(shí)攪拌→自動(dòng)出料至攪拌罐車→循環(huán)加工至需求單次盛裝方量→罐車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)各制冷單元噴射機(jī)[1]。

2.4 噴射設(shè)備選型

賽道結(jié)構(gòu)噴射為國內(nèi)首次，且為賽道外觀成型和功能實(shí)現(xiàn)的核心關(guān)鍵。需選擇適用賽道人工噴射成型的設(shè)備，結(jié)合噴射料的施工性能、可操作性、噴射工藝滿足、噴射成型體的密實(shí)度和內(nèi)在質(zhì)量，先后對(duì)6 種國內(nèi)外濕法噴射設(shè)備進(jìn)行試噴選型。通過綜合設(shè)備泵送流量、泵送壓力、允許泵送最大粒徑、動(dòng)力、料缸尺寸、脈沖頻率、出料均勻性、機(jī)械性能、易于操作等各種因素考慮，選用德國普茨邁斯特TK50 噴射機(jī)。

設(shè)備突出特點(diǎn)：柴油動(dòng)力強(qiáng)勁，可滿足賽道連續(xù)噴射不間斷和高壓高速的特點(diǎn)；噴射脈沖間隔時(shí)間長(zhǎng)，便于噴射手實(shí)現(xiàn)連貫噴射操作；推送材料缸直徑大，單次液壓缸推送速度一定，單位時(shí)間材料吐出量大且噴出速度快，有利于噴射料在骨架交織結(jié)構(gòu)間的填充密實(shí)度和自身強(qiáng)度；噴射末端反沖力均勻可控，滿足人工噴射作業(yè)的穩(wěn)定性和可行性[2]。

2.5 賽道混凝土施工專用氣候防護(hù)棚

為保證賽道混凝土每段制冷單元長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)施工的質(zhì)量、連續(xù)性、有限作業(yè)時(shí)間的固定和抵御外界復(fù)雜氣候環(huán)境；賽道每段制冷單元均搭建噴射專用氣候防護(hù)棚（見圖4），將整段制冷單元包裹，營造相對(duì)封閉的空間，保證賽道噴射施工和養(yǎng)護(hù)期間棚內(nèi)的溫度和濕度處于相對(duì)穩(wěn)定和科學(xué)的工藝參數(shù)之內(nèi)。棚內(nèi)采用工業(yè)加濕器、暖風(fēng)機(jī)升溫、不間斷灑水降溫加濕等措施使混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)境達(dá)到理想的狀態(tài)，同時(shí)，氣候防護(hù)棚可完全杜絕高壓噴射對(duì)環(huán)境污染[3]。

防護(hù)棚設(shè)計(jì)和安裝須滿足各段制冷單元不同長(zhǎng)度、高度、曲率、坡地高差等客觀條件。

圖4 賽道氣候防護(hù)棚

3 結(jié)論

1）長(zhǎng)線型空間扭曲賽道永久性結(jié)構(gòu)噴射混凝土施工為國內(nèi)首次，噴射料的施工性能掌握、賽道空間雙曲面殼體結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)線型高精度成型和噴射體自身承擔(dān)的功能需求等特點(diǎn)，需要在工程施工前和施工過程中對(duì)多方面的問題做論證和研究。

2）項(xiàng)目施工特殊性和特點(diǎn)為：骨架安裝和噴射成型技術(shù)、BIM 參數(shù)化建模和三維測(cè)量及激光影像掃描技術(shù)的結(jié)合、噴射料干混料的定量加工工藝、噴射料的選型須適合噴射料的性能和賽道噴射工藝、賽道噴射氣候防護(hù)棚的研究。

3）結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，通過新技術(shù)、新方法和新工藝的研究，完成國內(nèi)冬奧場(chǎng)館設(shè)計(jì)和施工難度最高的賽道施工，該施工特點(diǎn)的研究可用于類似或相同項(xiàng)目的應(yīng)用。