南水北調(diào)北京段調(diào)壓塔鋼內(nèi)襯作模板施工技術(shù)探析

趙子杰，丁 玉，劉燁華

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

1 概況

南水北調(diào)中線惠南莊-大寧段在西甘池隧洞出口處新建調(diào)壓塔，2 座調(diào)壓塔均為單井，內(nèi)徑12.00 m、塔高49.00 m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔體結(jié)構(gòu)，調(diào)壓塔基坑最大挖深12.00～13.00 m，開挖巖層為薊縣系霧迷山組第四段大理巖。鑒于南水北調(diào)工程干線的重要性和復(fù)雜工況下運(yùn)行需要，調(diào)壓塔塔身結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加3.50 cm內(nèi)襯鋼板的復(fù)合結(jié)構(gòu)，鋼板和外部混凝土結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)所有的內(nèi)外荷載，內(nèi)襯鋼板兼為防滲結(jié)構(gòu)，混凝土底板厚3.00 m，塔高48.90 m，0～22.95 m 壁厚為1.50 m，22.95～48.90 m 壁厚為1.00 m。施工步驟：基礎(chǔ)固結(jié)灌漿→底板混凝土澆筑→內(nèi)襯鋼板安裝→塔體混凝土施工。

2 施工技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1 鋼筒內(nèi)襯施工

工程鋼筒作為調(diào)壓塔體內(nèi)襯使用，與常規(guī)的水電工程調(diào)壓井在洞內(nèi)設(shè)置不同，而一般調(diào)壓塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不設(shè)鋼板內(nèi)襯，由于鋼板厚度大、塔體高且工期緊，工程存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）鋼筒直徑大、高度大，且鋼板厚度達(dá)到3.50 cm，相應(yīng)分塊安裝單體尺寸需較大的提升能力，該工程在基坑開挖后可用場(chǎng)地狹小，對(duì)起重設(shè)備的形式、起重能力和性能均要求較高。

2）鋼筒高度大，鋼板分節(jié)長(zhǎng)度直接影響節(jié)數(shù)，各節(jié)各塊鋼板之間的環(huán)向焊接需要解決對(duì)接精度和保證質(zhì)量。

3）工程在南水北調(diào)北京段干線沿線施工，與運(yùn)行中的輸水干線DN4.0 mPCCP 主管凈距不足5.00 m，施工難度大，安全要求高，各方面的限制條件苛刻。

2.2 塔體混凝土施工

調(diào)壓塔塔體的施工高度為49.00 m，按照施工步驟安排，在內(nèi)襯鋼板安裝完畢形成鋼筒后，以內(nèi)襯鋼筒作內(nèi)模，外側(cè)需支設(shè)模板施工，混凝土施工存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）工程緊鄰村莊和京昆高速，塔體混凝土的全程高空作業(yè)對(duì)安全性提出了極高要求，需嚴(yán)格控制施工風(fēng)險(xiǎn)。

2）下部底板混凝土及鋼板安裝時(shí)，下部底板厚達(dá)3.00 m，先澆筑底板再安裝鋼板，無法保證貼合緊密。為保證貼合度，按照先安裝鋼板再進(jìn)行澆筑，導(dǎo)致混凝土入倉(cāng)振搗困難，澆筑壓力和溫控不當(dāng)容易引起鋼板上頂，為此需要采取措施解決混凝土澆筑過程中上述一系列問題。

3）作為模板的內(nèi)襯鋼筒為永久結(jié)構(gòu)，鋼筒表面不允許出現(xiàn)永久焊點(diǎn)，只能作為臨時(shí)連接，對(duì)模板形式和重量方面有較高的要求。

4）混凝土為環(huán)形厚墻，成型質(zhì)量要求高，外側(cè)模板為異形模板，用于其它筒體建筑時(shí)，因曲率導(dǎo)致的接合不密無法使用，要特別注意模板的經(jīng)濟(jì)性和可重復(fù)性。

3 鋼內(nèi)襯作模板的混凝土襯砌關(guān)鍵施工技術(shù)應(yīng)用

3.1 鋼板作施工平臺(tái)的底板大體積混凝土施工技術(shù)

為解決先安裝鋼板再進(jìn)行澆筑時(shí)產(chǎn)生的振搗困難和混凝土鋼板密貼問題，采用工字鋼一次架設(shè)支撐安裝鋼板，并在鋼板環(huán)形布置澆筑窗孔，并應(yīng)用高坍落度混凝土，實(shí)現(xiàn)底板混凝土一次澆筑成型。其施工程序：工字鋼組焊形成十邊形支撐桁架→底部外側(cè)鋼筋綁扎→鋼板安裝及開澆筑窗孔→外側(cè)邊模安裝→混凝土入倉(cāng)澆筑。

調(diào)壓塔基礎(chǔ)坐落于巖基上部，采用固結(jié)灌漿方式加固處理。設(shè)置底板錨筋，長(zhǎng)7.30 m，按鉆孔、錨筋、灌漿順序進(jìn)行。固結(jié)灌漿深6.00 m，孔距3.00 m×3.00 m梅花形布置，手風(fēng)鉆鉆孔，灰漿攪拌機(jī)拌和，中壓泥漿泵灌漿，灌漿壓力0.3～0.6 MPa。

底板混凝土分兩層澆筑，每層澆筑厚度為1.50 m，每倉(cāng)澆筑量約200 m3，控制澆筑時(shí)長(zhǎng)5～7 h。在錨筋上固定工字鋼支架用于安裝鋼板，鋼板上根據(jù)應(yīng)力分布情況環(huán)向開設(shè)7個(gè)600 mm×600 mm澆筑窗孔，孔上焊接長(zhǎng)1.50 m 的圓管，同時(shí)鋼板外緣配合下料及平倉(cāng)振搗?；炷两柚诟咝p水劑、流化劑及摻加粉煤灰制成大流動(dòng)性混凝土，拖式泵利用壓力差輸送入倉(cāng)，坍落度控制在22±1 cm。經(jīng)空洞檢測(cè)證實(shí)，混凝土處于緊密貼合頂部鋼板且溫升和位移均在安全范圍之內(nèi)。

該技術(shù)措施的使用，進(jìn)一步拓展了大體積混凝土在特殊條件下的使用范圍，充分利用了工程鋼板作為施工平臺(tái)形成澆筑和振搗窗口的有利條件，節(jié)省了混凝土澆筑時(shí)間，保證混凝土質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鋼板和混凝土鋼板密貼的受力狀態(tài)。

3.2 鋼筒內(nèi)襯鋼板分節(jié)連續(xù)頂升安裝技術(shù)

類似直立鋼筒施工在化工、煤炭及食品等行業(yè)較為普遍，多用作煙囪或圓形儲(chǔ)罐等容器，可參照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)施工指南進(jìn)行安裝。不同于圓形儲(chǔ)罐，該工程鋼筒直徑小于常規(guī)儲(chǔ)罐，但高度近50.0 m、壁厚35 mm，遠(yuǎn)超常規(guī)儲(chǔ)罐。其施工空間小、施工難度更大，經(jīng)調(diào)研和比選，在工程中引入并應(yīng)用了鋼板分節(jié)連續(xù)頂升安裝技術(shù)，同時(shí)在高空采用控制措施及焊接工藝方面的改進(jìn)以解決上述難題。

調(diào)壓塔內(nèi)襯鋼板采用倒裝法安裝，按2.50 m一層，共分為22 層，每層鋼板高度也為2.50 m，需頂升的最大重量約500 t，鋼內(nèi)襯安裝完成后再澆筑混凝土塔身墻體。提升裝置為80～100 t 的液壓頂升裝置，每個(gè)調(diào)壓塔安裝液壓提升裝置10 臺(tái)，總頂升力最大為1 000 t，提升裝置均布于塔基與鋼底板滿焊連接，在提升架距底板2.50 m 高處向塔內(nèi)側(cè)焊接2 根斜拉工字鋼八字形支撐，提升架環(huán)向連接，形成米字形支撐作為工作平臺(tái)。

每層鋼筒分割為3 塊，單塊重8.6 t，采用汽車起重機(jī)卸車及轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝就位，占地面積15.00 m×20.00 m。液壓頂升裝置均布于調(diào)壓塔體內(nèi)壁圓周處，先提升調(diào)壓塔頂層第一塊壁板，然后逐層組焊形成完整的一環(huán)，采用松卡式液壓千斤頂、提升架、提升桿組成的液壓提升裝置進(jìn)行頂升，使用內(nèi)脹圈并焊接筋板保證向壁板傳力，使已組焊好的調(diào)壓塔鋼襯環(huán)上升，第一層壁板提升到2.50 m 位置時(shí)，保持液壓頂升裝置不動(dòng)，拼裝并焊接第二層壁板，拆卸脹圈重新安裝到下一層鋼板上，循環(huán)重復(fù)操作，直到最后一層壁板組焊完成，即完成全部鋼襯安裝。液壓千斤頂提升步距即單次提升高度為0.10 m，每層壁板多次循環(huán)步距提升到2.50 m高度，頂升時(shí)間5～6 d，鋼襯頂升安裝工期100 d。底板提升裝置及鋼內(nèi)襯分節(jié)見圖1所示。

利用倒裝法安裝、焊接，均為地面作業(yè)，有效保證環(huán)縫焊接質(zhì)量，避免了高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和搭設(shè)腳手架。液壓機(jī)構(gòu)中央控制可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接和垂直度，可有效保證狹窄場(chǎng)地內(nèi)工程施工精度和焊接質(zhì)量。

3.3 木工字梁懸臂模板爬模澆筑混凝土施工技術(shù)

對(duì)于截面為等截面或漸變截面的建筑物，宜采用滑模施工，受冬期混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度和外界條件限制，不能采用通常的滑模施工方式，而常規(guī)液壓自動(dòng)爬模施工方式，其模板自重過大不利于混凝土成型及質(zhì)量控制，工字木梁是國(guó)際通用的建筑模板體系部件，它具有重量輕、強(qiáng)度大、直線性好、不易形變、表面耐水耐酸堿等特點(diǎn)，可常年周轉(zhuǎn)使用，成本攤銷費(fèi)用低廉，一般用于柱墩、橋塔或房建等大斷面的實(shí)體結(jié)構(gòu)或電梯井、筒倉(cāng)等小斷面結(jié)構(gòu)，采用單側(cè)拉結(jié)或雙側(cè)對(duì)拉自動(dòng)爬升方式。利用內(nèi)襯鋼筒作為內(nèi)模，通過應(yīng)用弧形木工字梁懸臂自行式爬升模板，同時(shí)利用了其輕便、靈活的特點(diǎn)和內(nèi)襯鋼筒作為內(nèi)模的有利條件。

懸臂模板分為木工字梁模板和配套的爬升架兩部分，主要由模板、主背楞、斜撐、后微調(diào)裝置、三角架、埋件系統(tǒng)、吊平臺(tái)、挑架等組成，其中埋件系統(tǒng)是主要承力部件，通過可周轉(zhuǎn)使用的爬錐與螺桿螺旋固定。模板的模架可調(diào)，重量控制在50～60 kg/m2，遠(yuǎn)低于鋼木模板（100～120 kg/m2）。模板背楞采用專業(yè)廠家定制生產(chǎn)的H200 木工字梁，高度為4.65 m，共8 層，頂部3.00 m 一次到頂，減少接頭且能滿足運(yùn)輸要求。液壓爬升架按單元爬升，混凝土的側(cè)壓力完全由預(yù)埋件及穿墻螺栓承擔(dān)，不需再設(shè)對(duì)拉螺桿增加附著力。懸臂模板體系及支架裝置見圖2、圖3 所示。

根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃、施工段劃分及布置條件，現(xiàn)場(chǎng)布置了兩個(gè)作業(yè)區(qū)。下部4 層與上部4 層混凝土結(jié)構(gòu)壁厚不同，根據(jù)曲率計(jì)算按2.44 m 弧長(zhǎng)一片設(shè)計(jì)，可采用同型號(hào)模板通過調(diào)整連接角度完成施工，共布置2 套32 塊模板。墻體澆筑強(qiáng)度大，側(cè)壓力較大，混凝土入模的坍落度控制在0.16 m，混凝土分層澆筑，每層澆筑厚度為0.40 m，施工過程中需密切注意控制澆筑速度。在下部4層施工完成后周轉(zhuǎn)3 次面板出現(xiàn)不同程度破損時(shí)，拆卸舊面板調(diào)整背楞間距及更換面板后重新配模，維護(hù)方便并節(jié)約木材。為防止環(huán)形布置的模板與鄰側(cè)模板形成錯(cuò)縫，按照單數(shù)雙數(shù)壓縫安裝，避免了多次壓縫拼合困難。同時(shí)在模板側(cè)面封閉作業(yè)空間，在模板與鋼筒間加設(shè)防倒塌裝置，施工防護(hù)措施與模板體系相配合，以確保高空作業(yè)人員和施工安全。

施工工序：首層模板安裝→鋼筋綁扎→混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→首層模板拆除→上移第二層固定支架及模板安裝，循環(huán)進(jìn)行。其中模板安裝工序：現(xiàn)場(chǎng)組裝及安裝準(zhǔn)備→支架吊裝就位→模板吊裝就位→斜撐安裝→模板調(diào)整→緊固螺栓及連接件→整體固定。支立完成后，按50 cm一層分層澆筑，泵車入倉(cāng)，混凝土澆筑用時(shí)6～7 h。工期按立模3 d、鋼筋綁扎2 d、混凝土澆筑1 d、養(yǎng)護(hù)3 d、拆模1～2 d控制，進(jìn)行鑿毛處理后，在拆除下層模板時(shí)同時(shí)進(jìn)行上層綁筋，每層混凝土施工循環(huán)時(shí)間為7～8 d，工期為2.5個(gè)月。

通過以上技術(shù)的應(yīng)用，木工字梁采用低吸水率的優(yōu)質(zhì)木材加工成型，充分利用了材料及截面特性和剛度，體系配件與防護(hù)設(shè)施協(xié)調(diào)配合，保證了南水北調(diào)北京段2 座調(diào)壓塔的施工，有效控制混凝土澆筑及成型質(zhì)量，拓寬了其工程應(yīng)用范圍。調(diào)壓塔身混凝土在11 月下旬開始搭設(shè)模板，于次年3 月初結(jié)束施工，除因冬期溫度低于0 ℃和大風(fēng)日停工外，混凝土施工在2.5個(gè)月以內(nèi)完成。

4 施工中應(yīng)注意的問題

1）管理與協(xié)調(diào)。充分利用鋼筒作模板的有利條件，將底板、鋼板、鋼筒及墻體混凝土施工需求有機(jī)結(jié)合，需提前預(yù)留后期施工條件和作業(yè)空間，統(tǒng)籌安排施工工序和現(xiàn)場(chǎng)布置，并依靠強(qiáng)有力的管理和各方的密切配合才能實(shí)現(xiàn)。

2）鋼底板施工平臺(tái)、液壓頂升裝置、木工字梁模板系統(tǒng)等專業(yè)設(shè)施設(shè)備，必須由專職專業(yè)人員操作，滿足行業(yè)操作技術(shù)規(guī)程規(guī)范，確保安全。

3）塔體施工為高空作業(yè)，模板為高度專業(yè)化施工，需模板廠家專業(yè)技術(shù)人員、混凝土施工人員及安全管理人員實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)密切配合，確保工程施工作業(yè)安全。

5 結(jié)語

南水北調(diào)北京段調(diào)壓設(shè)施，采用工字鋼一次架設(shè)支撐安裝鋼板，充分利用了工程鋼板作為施工平臺(tái)形成澆筑和振搗窗口的有利條件，實(shí)現(xiàn)底板混凝土一次澆筑成型，進(jìn)一步拓展了大體積混凝土在特殊條件下的適用范圍，節(jié)省了混凝土澆筑時(shí)間，保證混凝土質(zhì)量，經(jīng)空洞檢測(cè)證實(shí)，達(dá)到了鋼板和混凝土鋼板密貼的受力狀態(tài)。

在調(diào)壓塔鋼筒安裝中引入并應(yīng)用了分節(jié)連續(xù)頂升鋼板安裝技術(shù)，倒裝法的安裝、焊接均為地面作業(yè)，可有效保證環(huán)縫焊接質(zhì)量，避免了高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和搭設(shè)腳手架，同時(shí)液壓機(jī)構(gòu)中央控制可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接和垂直度。

內(nèi)襯鋼筒作為內(nèi)側(cè)模板和支撐受力，采用木工字梁懸臂模板爬模澆筑混凝土施工技術(shù)，為木工字梁懸臂模板在大型調(diào)壓塔中的首次應(yīng)用，同時(shí)利用了模板材料輕便、剛度好的特點(diǎn)和內(nèi)襯鋼筒作為內(nèi)模的有利條件，并配套封閉側(cè)面作業(yè)面及配套高空防護(hù)設(shè)施，在成型質(zhì)量、安全性、工期等方面均能保證。