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1、大型双向预应力倒虹吸施工技术中铁十三局集团第六工程公司 刘战辉 刘恬夫内容提要： 结合工程实例，介绍了大型双向预应力砼倒虹吸的施工方案、施工工艺及综合配套技术。对以后同类倒虹吸的施工具有一定的借鉴作用。关 键 词：预应力 倒虹吸 混凝土 布料机 内衬台车 防水螺栓 1.工程概况南水北调中线直管项目八标界河倒虹吸工程位于河北省满城县尉公村东北1.0km的界河上，界河渠道倒虹吸工程由倒虹吸管身段、出口闸室段以及出口渐变段三部分组成，建筑物总长度420m。主要工程量混凝土28105m3，钢筋混凝土661m3，钢绞线584t。倒虹吸管身为两孔一联的预应力钢筋混凝土箱涵，单孔过水断面尺寸为6.5m6.5
2、m(宽高)，顶板、中墙、边墙厚度均为1.0m，底板厚度为1.1m。预应力钢筋为双向布置，底板、顶板横向布置，边墙、中墙竖向布置。预应力钢筋为钢绞线，底板、顶板、边墙及中墙均为双排预应力钢绞线布置，距混凝土面层为200mm，钢绞线间距450mm。预应力钢绞线均为单相张拉，底板、顶板为间隔反向张拉，边墙、中墙同向向上张拉。倒虹吸管身段总长度315m，共分23个管节，管身段混凝土工程量共计17100m3，钢筋工程量共计1150t，预应力钢绞线584t。出口闸室段20m，两孔一联钢筋混凝土结构，单孔过水断面尺寸6.5m13.089m(宽高)，底板、边墙厚度1.8m，中墙厚度1.2m。设有检修闸2扇、工
3、作闸门2扇，闸门工作时，均由启闭机控制。混凝土2503m3，钢筋工程量208t，金属结构设备总重量160.8t。出口直线扭曲渐变段5节共计长85m，每节长17m，节与节之间采用橡胶止水带止水。由高度10.191m渐变到17.475m，表面为渐变双曲拱面。混凝土8502m3，钢筋工程量303t。2.施工技术特点分析 界河倒虹吸设计为双向预应力混凝土箱涵结构，施工工序复杂，要求施工组织严密。 混凝土塌落度小，入仓难度大，混凝土浇筑振捣难。 管身结构型式大而宽，每仓混凝土浇筑方量大，持续时间长，施工措施可靠度要求高。 闸室各部断面、尺寸变化繁复，模板及支撑复杂多变。 扭曲渐变段为不规则渐变双曲面，放
4、线、固定模板不易，线型控制难度大。 基于结构防渗、使用寿命及自流对糙度的需要，对模板及其固定支撑系统的要求不同于其它工程项目。模板要有足够的刚度、强度、稳定性外，还要保证表面平顺以降低砼糙率，施工中模板间的拉杆需要特殊加工，既不能使砼通透又不能出露表面。3.施工方案确定3.1 混凝土入仓方式选择倒虹吸基坑开挖深度大，基底比地面低16m。混凝土浇筑方量大，正常施工可以采用混凝土输送泵泵送混凝土入仓，但由于管身混凝土塌落度（48cm）小，满足不了泵送混凝土塌落度的要求。其次还可以采取汽车吊吊装混凝土入仓，根据吊重和距离至少需投入两台25t汽车吊。而吊车站位，还须加宽倒虹吸两侧的开挖宽度，增加倒虹吸
5、基础的土石方开挖与回填工程量，不仅浇筑速度慢、工效低，也无法满足分层施工的技术要求。第三种方案是采取龙门吊式皮带布料机输送混凝土入仓，通过布料机上的皮带进行水平运输，经串筒将混凝土的垂直运输到仓面。依靠布料机的行走系统与混凝土分料器的选择可进行混凝土任意仓位的浇筑施工。经过分析比选，确定倒虹吸主体混凝土浇筑采取自设龙门吊式皮带布料机输送混凝土入仓。根据分仓情况，考虑分层施工不至出现冷缝的需要，按2530m3/h的浇筑速度进行龙门吊式皮带布料机的设计和制作。3.2管身段内模形式选择倒虹吸管身长、节数多、断面大，按通常情况采用支架法施工，需要搭设和支拆脚手架及模板的工作量巨大，并且劳动强度大、速度
6、慢、损耗大、施工质量不易控制。采用内模简易台车进行施工，不但简便易行，而且对保证工程质量、提高施工速度、节省材料消耗、降低劳动强度和工程造价，有着明显的优势。3.3扭曲渐变段模板选择由于直线扭曲渐变段表面为渐变双曲拱面，每个断面的曲面曲率不同，按设计尺寸制作一套定型钢模费用大约95万元。为降低成本，选用定型组合钢模拼装曲面，钢脚手固定。3.4墙体模板支撑拉杆选择 固定墙体的内外模板通常采用圆钢筋车丝或焊接短丝杆做拉杆、模板间加设木支撑的方法，而本项目为过水构筑物，考虑防水的需要，不允许使用普通钢拉杆及穿墙套管。选用特制的止水螺杆。4.特殊施工设计4.1龙门吊式皮带布料机设计龙门吊式皮带布料机主
7、要由龙门桁架结构、行走系统、皮带输送系统、跨越基坑的栈桥下料与串桶五部分组成。见图1龙门吊式皮带布料机立面图。 龙门吊式皮带布料机的原理布料机布料通过行走系统进行前后定位，混凝土水平运输由皮带传送，通过布料机不同位置的分料器选择入仓的位置，再经串筒到达仓面，以此解决了倒虹吸基坑中的混凝土水平运输与垂直运输。布料机右岸的栈桥在布料施工时靠岸端平放在岸坡罐车道边供罐车卸料，行走时通过卷扬机吊起以便于行走方便。 龙门吊式皮带布料机的设计及改进龙门吊式皮带布料机在实际施工中改进了5个皮带分料器，分料器原设计在皮带两侧卸料，改进后分料器采取单侧卸料，避免了皮带上的混凝土对分料器刮板的冲击，从而解决分料器
8、刮板刮料不干净，造成的皮带到处漏浆，保证了混凝土质量。另外，在分料器改进中，把分料器皮带下部托起皮带与刮板的铁板改进成并排的滚轴，减小皮带的摩擦阻力，降低电动机的负荷，延长了皮带的使用寿命。图1 龙门吊式皮带布料机立面图4.2 简易内模衬砌台车的设计简易内模衬砌台车是由支撑系统、行走系统、液压高度调节系统、侧模收分装置及模板组成；为了保证内外模板的刚度与稳定性。 简易内模台车结构设计台车每节管身设计2台为一组，考虑台车在倒虹吸斜管段能继续使用，台车设计长度比正常的长2.5m，即台车设计长度为17.5m。见下图2简易内模台车立面图、图3钢模台车侧面图。图2 简易内模台车立面图图3 钢模台车侧面图
9、 台车支撑与行走系统台车支撑结构采用槽钢加工的桁架结构，考虑台车循环作业的特点，在距下横梁两端部2.3 m的位置各安装一副行走轮，沿轴线方向在两侧下横梁底部各安装5个支撑丝杆千斤顶。台车行走时丝杆千斤顶向上收缩，就位后丝杆千斤顶伸出支撑到轨道上进行支架下横梁的支撑，台车的行走动力是在台车行走轮上安装了电动控制装置。 台车中心线调整为保证台车中心线与管身中心线相吻合，在台车车架两端头横梁安装中线定位装置，台车就位时通过吊线锤校正偏移量，保证施工精度。台车钢模的安装与调整钢模板型式选择了3m1.5m的定型钢模板。顶模铺设在桁架上，采用螺丝进行联接成整体，边模安装均采用销钩与台车挂耳联接。联接后形成
10、以台车挂耳为中心的旋转面，主要目的为了便于内侧模的支模与脱模。顶部模板上下高度调整由安装在台车车架上横梁上的14个螺旋千斤来完成，达到内模模板支模与脱模的目的。边墙模板通过边模模板背楞与台车车架支撑梁相接的 14个“双头螺旋丝杆”进行调整，调整丝杆可以使背楞连同模板外伸或收缩，浇筑时还用于支撑边墙模板。4.3止水螺栓的设计水利工程混凝土墙体内外模板对拉时，为了防水严禁使用普通螺杆及穿墙套管。界河倒虹吸工程采用特制的止水螺栓。螺杆采用A3钢，直径为20mm，长度比墙体厚短60mm，螺杆两头个套50mm的粗丝。双头螺杆两端为铸铁的锥形连接器，内丝直径20mm，在锥形联接器内丝扣中间部位设置了一个小
11、挡块，此小挡块目的是为了保证双头螺杆联接在锥形联接器中部，并且在模板内起到外撑作用。模板外部拉接由长300mm直径20mm的全丝螺杆的一端与锥形连接器连接，全丝螺杆另一端分别穿过模板背楞与120mm80mm12mm钢垫片，并用山型螺帽固定。止水螺栓间距为1.2m，排距为1.3m，梅花型布置。混凝土浇筑时，940mm长的双头螺丝及锥形联结器浇筑到混凝土内。混凝土拆模后，马上取出锥形连接器。锥形连接器留下的空洞用干硬性膨胀水泥砂浆堵塞（膨胀剂2.5），抹平。300mm的全丝螺杆、锥形连接器、钢垫片、山型螺帽均为重复使用。施工时为了便于在混凝土中取出锥形连接器，浇筑混凝土前在锥形联接器上包上一层胶布
12、，这样锥形联接器取出时就轻松多了。止水螺栓见图4。图4 止水螺栓分解图5.明渠导流施工界河渠道倒虹吸工程处于河道上，施工期利用枯水期时段（9月1日次年6月30日），全断面断流围堰挡水、明渠泄水的导流方式施工。5.1 导流时段选择管身段选择在枯水期施工，即选择在2007年6月30日汛期前完成管身段1420节（7节105m）施工项目；2007年9月1日后完成剩余管身段的施工。汛期停止施工，恢复河道，确保汛期施工和渡汛安全。5.2 导流标准总干渠与界河交叉断面控制流域面积287km2，主河道长度63.8km，主河道纵坡7.5，界河流速（10年一遇）Q=796m/s，流量W4520万m3。5.3导流明
13、渠及围堰施工1420节倒虹吸管身段，在6月30日前完成预应力张拉，土方回填，修建导流明渠，回填标高为主河床高程（63m）。上下游围堰采用土围堰型式进行施工，即利用就近开挖基坑的壤土填筑压实形成围堰。围堰横断面为梯形，迎水面边坡系数为1：2.5，背水面边坡系数为1：2.0，堰顶宽度5.0m，围堰最大高度5.25m。为防止水流、风浪淘刷，设计围堰迎水面用编织袋装粘土护砌，编织袋后用500mm厚粘土夯实作心墙，防止渗漏。上游围堰，长度513m，堰顶高程70.005m；下游围堰，长度340m，堰顶高程66.09m。纵向围堰长为522m。详见图5界河导流明渠断面图。图5 界河导流明渠断面图6.大断面管身
14、施工减小混凝土浇筑后收缩变形的影响及增加施工工作面，管身混凝土施工采用跳仓浇筑的顺序施工。为减少混凝土对侧模的压力，防止混凝土表面不平，每节倒虹吸管身混凝土分三次浇筑完成，第一次浇筑底板混凝土至下“八”字以上20cm处，第二次浇筑侧墙混凝土至上“八”字以下20cm处，第三次浇筑顶板混凝土。6.1 模板工程内模全部采用简易内模衬砌台车。混凝土达到拆模强度时，借助台车上的千斤顶收回模板，台车与模板一起平移到下一个待浇段的位置上，重复进行上一个浇筑段的工序。外模采用大块定型钢模板，单块模板大小为1.5m（宽）3.0m（高）。内外模板采用两条对称12的槽钢焊接成整体当作背楞，其排距为1.3m，内外模板
15、拉接采用特制的止水螺栓拉杆固定，拉杆直径为20mm，间距为1.2m，排距为1.3m，梅花型布置。拆模后，马上拆除锥形连接器。锥形连接器留下的空洞用与主体砼同配比的干硬性膨胀水泥砂浆（另掺膨胀剂2.5）堵塞，抹平，压光。6.2钢筋及预应力钢筋工程 钢筋工程钢筋连接：钢筋直径最大为25mm，直径1625mm钢筋采用闪光对焊连接，直径16mm以下采用绑扎搭接。加工完成后由平板车水平运输、汽车吊配合龙门吊运至施工现场绑扎焊接。 预应力钢筋工程管身段预应力为后张法施工，预应力钢筋为钢绞线，底板、顶板及墙体均采用双排布置。预留孔道为预埋直径50、70的塑料波纹管。主要施工顺序为：施工准备模板支立绑扎钢筋钢绞线下料塑料波纹管内穿钢绞线按设计预埋塑料波纹管(穿钢绞线)并固定位置按设计安装固定端锚具及张拉端锚垫板浇筑混凝土混凝土养护张拉孔道压浆张拉端锚头封锚。.1钢绞线下料钢绞线下料采用切断机切断，成束预应力筋采用穿束网套穿束，穿束前逐根理顺，捆扎成束。.2孔道固位孔道留设采取预埋直径50、70塑料波纹管成孔。安装前，精确计算波纹管的空间位置，据此加工波纹管定位网。定位网采用6mm钢筋焊成，定位网与钢筋骨架焊接固定，在定位网的定位孔内穿入已穿好钢绞线的波纹管，波纹管穿入后还需检查其位置以确保准确。按设计安装固定端锚具及张拉端锚垫板。6.3 止水带施工本工程采用带两道遇水膨胀线的适合变形
