南水北调中线沙河渡槽施工方案研究及优选
2024-08-15
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第9卷第3期 南水北调与水利科技 Vo1.9 NO.3 2011年6月 South-to—North Water Diversion and Water Science&Technology Jun.2011 doi:10,3724/SP.J.1201 2011 03013 南水北调中线沙河渡槽施工方案研究及优选 王玉华 ,张利 ,宋谦。 (1.河南省水利第一工程局,郑州450000;2.河南省水利勘测设计研究有限公司,郑州450016; 3.郑州市机械化水利建筑工程处,郑州450000) 摘要:通过对3种典型的施工工法进行分析和论述,重点研究了3Om跨1 200 t重U形渡槽的造槽机和架槽机两种 机械化施工方案,通过建立仿真模型计算各种工况下的受力情况,分析设备的安全、可靠性,提出设备的主要性能指 标,通过对架槽机、造槽机、满堂脚手架3种方案技术先进性、安全、进度等各方面优缺点综合分析,优选出能保证工 程质量和工期的架槽机施工方案。 关键词:大流量;渡槽;施工技术;仿真计算;架槽机;造槽机;满堂脚手架;方案比选 中图分类号:TV682.3;TV52 文献标识码:A 文章编号:1672—1683(2011)03—0013—04 Research and Optimization of Shahe Aqueduct Construction Scheme in the Middle Route of South—to-North Water Diversion Project WANG Yu-hua ,ZHANG Li。,SONG Qian3 (1.No.1 Engineering Bureau of Henan Water Conservancy,Zhengzhou 450000,China; 2.Henan Water&Power Engineering Consulting Co.,Ltd,Zhengzhou 450016,China: 3.Engineering Department of Zhengzhou Mechanization Water Conservancy Construction,Zhengzhou 450000,China) Abstract:Shahe aqueduct is a main controlling project in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.The aque— duct body is the structure of prestressed reinforced concrete beam with high flow,large span,long line and poor site conditions, SO that the construction scheme is especially important.The analysis and discussion has been done with three typical construc— tion methods of Shahe aqueduct in the Middle Route of oSuth-to-North Water Diversion Project in this paper,and especially the two mechanical construction schemes by aqueduct-making machine and aqueduc卜installing machine have been researched for 1, 200t U-shaped aqueduct with span of 30m.By simulation model,the forces have been calculated for different working condi— tions,the safety and reliability of the equipment has been analyzed,and the main performance index has been given.Aqueduct—in— stalling machine has finally been optimized for ensuring project quality and construction period according to the comprehensive analysis of merit and demerit for three schemes of aqueduct-making machine,aqueduct—installing machine,and full scaffold with the respects of technical achievement,safety,and schedule. Key words:high flow;aqueduct;construction technology;simulation calculation;aqueduct-making machine;aqueduct_instaUing machine;full scaffold;scheme comparison 1 工程概况 沙河渡槽(包括梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽)总长9 075 m, 其中梁式渡槽长1 410 m。槽身采用预应力钢筋u形槽结 沙河渡槽是南水北调中线一期工程重要的控制工期工 构型式,双线4槽,单槽净宽8 m,净高7.4 m,4槽槽身相互 程,位于河南省鲁山县东约11 km,在总干渠的桩号为 独立,每两槽支承于一个下部支承结构上,槽身纵向为简支 SH(3)2+838.1~SH(3)11+913.1,设计流量320 m3/s,加 梁型式,跨径30 m;下部支承采用钢筋混凝土空心墩,基础 大流量380 m3/s,渠道设计水深7 m,设计水位差1.77 m。 为灌注桩,桩径1.8 m,桩间距4.8 m,每个基础下顺槽向设 收稿日期:201l—O4 O1 修回日期:2011-05—04 网络出版时间:201l_O5—28 13:24 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1334.TV.20110528.1324.016.html 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划“南水北调工程若干关键技术研究与应用之大流量预应力渡槽设计和施工技术研究” (2006BABO4AO5 3) 作者简介:王玉华(1973一),女,河南南阳人,工程师,主要从事水利工程施工方案设计、施工管理和预决算编制工作。 E-mail:lihua 006@sina.com l ||南 求 地 .13. 第9卷总第54期・南水北调与水利科技・2011年第3期 两排,每排5根,单桩长22~35 m。段内大郎河梁式渡槽中 U形槽段长300 m,共1O跨,结构型式及布置同沙河梁式渡 槽。沙河、大郎河U形槽共计228榀 ]。 沙河左岸有堤,右岸为1级、2级阶地。河槽宽约700 m,靠近左岸。滩地段表层为壤土,下为砂砾石、软岩,河槽 表层为挖沙后疏松的卵石,下为软岩。地质条件一般,河床 表层地基承载力较低。 槽车。④提槽机装一片渡槽到轮轨式运槽车上,运槽车运渡 槽到第2孔门式架槽机内。⑤门式架槽机起吊待架渡槽向 前移到第3孔并下落渡槽至距墩顶0.5 m处,然后向左横移 到位并落放在桥墩上。⑥运槽车返回预制场运送下一片渡 槽,门式架槽机后退一跨准备安装下一片渡槽。⑦运槽车运 第二片渡槽到位,门式架槽机起吊渡槽向前移到第3孔并下 落渡槽2.5 m停止,向右横移后继续下落渡槽在桥墩上。⑧ 第3孔渡槽架设完毕,两台门式架槽机走行到下导梁中部并 通过锁定装置锁定在下导梁上。⑨运槽车横梁与下导梁后 方连接,拆除下导梁与托架之间的斜撑杆。⑩运槽车驱动架 槽机前进一孑L到位。安装下导梁与托架之间的斜撑杆。⑥ 2渡槽施工方案研究 u形渡槽上部结构单槽单跨自重约1 200 t,对于上部结 构施工,曾研究多种施工方案,即整孔架设法、预制拼装法、 满堂红脚手架浇筑法、造槽机法、架槽机法等。经初步分析 比较,U形梁渡槽槽身施工较为合理的方案可以归纳为架槽 机、造槽机和满堂红脚手架浇筑法3种施工方案。 2.1架槽机施工方案 架槽机结构如图1所示。 一墨 图1架槽机结构图 Fig.1 Structure of aqueduct—installing machine 架槽机法施工即是使用大型起吊设备,进行整孔预制梁 槽的架设安装工作,分预制、运输、安装3个阶段。主要包括 槽身凝土构件的预制、大吨位跨墩提槽机、大吨位轮轨式运 槽车、起升机构与专用吊具等要素(如图1)。整体预制安装 方案对于保证质量、缩短工期、降低造价方面具有较大优势。 2.1.1预制场布置 预制场布置在沙河渡槽进口处。渡槽的内外模均采用 整体式模板。外模上布置有附着式振动器,混凝土分层浇 筑,底部园弧段浇筑时利用内模预留天窗完成。钢筋采用预 制台座外绑扎、龙门吊整体吊装到位的方式。 2.1.2槽身预制 ①槽身预制台座。台座采用钢筋混凝土,尺寸按照槽身 底部尺寸设计,台面表面铺一层5 mm厚钢板,根据总工期 要求,每月应完成8榀槽身预制。每个台座使用周期为45 d,需11个台座。②槽身预制模板。制作定型成套模板,一 套模板有外模和内模组成。按计划每月需完成8榀槽身预 制,共需要4套模板。③混凝土浇筑。槽身混凝土一次浇筑 完成。④成品养护。采用蒸汽养护。 2.1.3渡槽的吊装 架槽机的主要施工工序如下。①先行施工渡槽下部结 构,在第1孔和第2孔左侧设置预制台座及存梁台座。②存 梁台座上的待架渡槽通过横移方式进入跨墩提槽机内, 用 提槽机安装右线第1、第2孔渡槽,见图2。③在第1孔一3 孔处地面组装下导梁、门式架槽机,用提槽机安装在右线的 第2、第3跨。在右线第l、第2孔已架渡槽顶安装轮轨式运 .14. 南承|。北 讽 “÷ 利用辅助吊车将1号桥墩处的托盘支撑系统转移到第5号 桥墩处安装,架槽机完成一个架梁及过孔循环。⑥运槽车返 回预制场运送下一片渡槽。⑩按照以上④至⑥步骤依次架 设第4孔至最后一孔渡槽安装完毕。⑩运槽车驮运架槽机 返回1号墩处,提梁机将架槽机及运槽车倒放至左线,重复 以上④~⑩步骤依次架设左线第3孔至最后一孔,渡槽安装 完毕,运槽车驮运架槽机返回1号墩处拆除架槽机¨2]。 图2吊装示意图 Fig.2 Schematic diagram of hoisting 2.1.4架槽机主要技术参数 ①施工适应纵坡±5‰。②过孔移位速度O~2 m/min。 ③整机作业功效为片/2 d。④移位过孔稳定系数K>1.5。 ⑤架槽机承重梁挠跨比 ̄L/700。⑥架槽机机外轮廓尺寸为 86 mX 29 mX 32 m(长×宽×高)。⑦架槽机总功率2×200 kW=400 kW。⑧架槽机总重量1 050 t。⑨轮轨式运槽车 走行速度0.6 km/h(重载),1 km/h(空载)。⑩轮轨式运槽 车总重量500 t。⑩轮轨式运槽车总功率110 kw。 2.1_5架桥机主要组成及结构验算 架桥机由提槽机、运槽车、门式架槽机、特制吊具、下导 梁、托架支撑系统、槽顶运梁轨道等7大部分组成。为保证 架桥机整体结构的强度、刚度、稳定性、运行安全等技术性 能,采用有限元分析程序ANSYS的BEAM188梁单元和 SHEI I 63板单元建立分析计算模型,对结构强度、刚度进行 验算_3 』。整个模型共有节点(Nodes)54 542个 单元(Ele— 王玉华等・南水北调中线沙河渡槽施工方案研究及优选 ments)54 210个(见图3一图5),验算结果合格。 向合拢再次形成施工平台,完成下一孔施工。造槽机每移动 一次可以现浇一孔渡槽,能够适应跨越江河、软土地基或障 碍物渡槽施工。 2.2.2造槽机组成 主要由3套支腿系统、1套上主梁系统、1套吊挂桁架 系统、1套外侧模及底模系统、2套内梁及内模系统、液压系 统、电气控制系统及安全装置等组成(见图6)。 图3轮轨式运槽车荷载分布图 Fig.3 Load distribution for wheel—track tanker 虽 图6造槽机结构示意图 Fig.6 Structural diagram of aqueduct—making machine 2.2.3造槽机设计指标及设计性能 ①适应纵坡±5‰。②整机过孔移位速度1.5 m/min。 ③整机总功率150 kw(不含震动器)。④整机作业功效22 d/跨。⑤造槽机承重梁挠跨比≤L/1 000。⑥移位过孔稳定 图4槽身有限元模型图 系数K>1.5。⑦整机总重量900 t。⑧整机外型尺寸为长 Fig.4 Finite element model of aqueduct body 88 m,宽13.6 nl,高16.65 ITI。 2.2.4渡槽造槽机施工程序 造槽机支腿、主梁、吊挂桁架及外模、底模系统就位一安 装调整一钢筋成型绑扎、布管一内模支立、安装顶拉杆一混 凝土浇注一养生一内模脱模一张拉一侧模、底模脱筷一外模 系统开启一主梁及外模系统过孔一主梁及模板系统横移合 拢就位、模板支立一进入下一孔作业循环(见图7)。 ∞ 图5集中荷载作用在渡槽跨中时纵向应力分布图 Fig.5 Vertical stress distribution for concentrated load at midspan of aqueduct 2.2造槽机施工方案 造槽机即移动模架,是一种自带模板,利用模架梁支承 模板,逐孔进行原位现场浇筑混凝土梁体的施工机械。该技 图7造槽机内外模开启断面图 术1959年起源于德国。我国在厦门海沧大桥、南京二桥、洛 Fig.7 Section of internal and external templates removal of aqueduct making machine 阳吉利黄河桥和东海大桥等工程中也成功地应用了该技 术_6。]。采用移动模架现浇施工桥梁或渡槽,可明显提高机 2.2.5整体结构的强度、刚度、稳定性 械化程度,具有结构简便、安全可靠、施工速度快、缩短工期 造槽机结构的强度、刚度、稳定性是设备安全可靠的最 和节约投资等特点。 基本因素。在专题研究中采用有限元程序对造槽机的整体 2.2.1 设计原理 结构在各种不利工况条件下的刚度和应力进行了分析计算, 造槽机利用槽墩安装主支腿。主支腿支撑主梁系统,外 确保强度和稳定性满足有关规范要求,同时根据水利渡槽混 模及模架安装在主梁系统上,形成一个可以纵向移动的渡槽 凝土施工特点,主承载结构在混凝土浇筑时弹性变形控制在 制造平台,完成渡槽的施工。底模下落脱模,移动模架横向 L/800以内(桥梁上一般取L/400~L/600),确保渡槽混凝 分离,使其能够通过槽墩,纵向前移过孔到达下一施工位,横 土浇筑质量。 4 。南 水 妃 讽 . . 第9卷总第54期・南水北调与水利科技・2011年第3期 2.3满堂红脚手架施工方案 通过上述比较分析,沙河梁式渡槽施工选用架槽机安装 满堂红脚手架施工法以支架为支承,在支架上立模浇筑 工法。该施工方法优点是,预制渡槽其质量、安全有保证,架 梁槽混凝土,是一种传统的桥梁上部结构施工方法。一般适 设速度快,可保证工期,节约总体费用。目前沙河渡槽架槽 用于上部荷载相对较小、下部基础承载力较高、净空较低的 机正在架设施工中,这对其他渡槽的施工具有推广和示范作 条件。沙河梁式渡槽槽底与地面高差多在10 m以内,经脚 用,可推进渡槽施工工艺,提高渡槽施工技7f 。 手架支撑计算,可以采用满堂红支架法施工。但基于现场地 质情况,需要对地基进行处理,以达到地基承载力要求(不小 参考文献(References): 于242 kPa。现地基承载力标准值^一150 kPa)。同时支架 [1]河南省水利勘测设计研究有限公司.南水北调中线沙河渡槽工 及底模搭好后,要按设计荷载的110 进行预压 。 程初步设计报告[R].2009.(Henan Water&Power Engineer— ing Consulting Co.,LTD.Preliminary Design Report for Shahe 3施工方案优选 Aqueduct of Middle Route Project of South—-to-North Water iD—— 3.1技术先进性 version[R].2009.(in Chinese)) 满堂支架法施工时需要大量的辅助机械和操作工人,材 [2]河南省水利勘测设计研究有限公司.南水北调中线一期工程沙 料用量大;造槽机、架槽机安装工法是采用机械化整套设备 河段工程梁式渡槽架槽机施工方案专题研究报告[R].2009. (Henan Water&Power Engineering Consulting Co.,LTD. 来完成渡槽的现场浇筑和预制安装作业,设备采用机械、液 Research Report for Construction Scheme of Aqueduct—-Instal—- 压、电气控制技术,机械化程度高,减少了大量辅助机械和工 ling Machine in the First—Phase Project of Middle Route Project 人操作,代表着施工行业发展方向。 of South-to-North Water DiversionER].2009).(in Chinese)) 3.2安全可靠性 [3]崔娟玲,郭昭胜.利用Ansys oSlid65单元分析钢筋混凝土结构 满堂支架法施工为线性多点作业,工序繁杂,施工质量 [J].山西建筑,2006,(1).(CUI Juan-ling,GUO Zhao—sheng. 不易保证,安全可靠性不高;造槽机、架槽机安装工法采用标 Analysis for Reinforced Concrete Structure with Ansys Solid65 准化的作业流程,不受河滩软弱地基或水中的地理环境影 口].Shanxi Architecture,2006,(1).(in Chinese)) 响,施工质量和安全有可靠的保证。 [4]潘旦光,张国栋,李峥,等,超大型U型渡槽有限元分析[J].武 3.3场地适应性 汉水利电力大学(宜昌)学报,2000,(1).(PAN Dan-guang, 满堂支架法受地形、地貌、地质、水流以及交通等条件制 ZHANG Guo dong,LI Zheng,et a1.Finite Element Analysis for 约,对于软基、深水地段,施工困难,场地的适应性差;造槽机 Super Large U—Shaped Aqueduct[J].Journal of Wuhan Univer— 和架槽机施工作业面主要在渡槽墩台的顶部,不受河滩软弱 sity of Hydraulic and Electric Engineering/Yichang,2000,(1) 地基或水中、汛期等地理环境影响,场地的适应性较强。 .(in Chinese)) 3.4施工进度 [5]司炳君,孙治国,艾庆华.Solid65单元在混凝土结构有限元分 析中的应用[J].工业建筑,2007,(1).(SI Bing-jun,SUN Zhi— 满堂支架法现场操作施工,工序多,速度慢,每片渡槽从 guo,AI Qing—hua.Application of Solid65 Element in the Finite 地基处理、支架与模板安装到绑扎钢筋、浇筑混凝土、养护、 Element Analysis of Concrete Structures[J].Industrial Con— 张拉、拆模的整个施工周期需要45 d左右。 struction,2007,(1).(in Chinese)) 造槽机采用移动式的模架系统,加快了过孑L移位的速 [6]河南省水利勘测设计研究有限公司.“十一五”国家科技支撑计 度,提高了模板周转效率,1台造槽机相当于2~3套满堂支 划课题总结报告《大流量预应力渡槽设计和施工技术研究》 架的施工效率。采用架槽机安装施工速度最快,可以达到每 (2006BAB04A05 3)[R].2010.(Henan Water&Power Engi— 天数孑L的安装速度,其工期基本上不受安装施工现场制约 neering Consulting Co.,LTD.Summary Report of“Design and (桩基和槽墩提前施工)。 Construction Technology for Prestressed Aqueduct with High 3.5经济效益分析 Flow(2006BAB04A05—3)”for The Subjects of State Science 经济效益分析见表1。 and Technology Support Plan in the Eleventh-Five Year Period 从投入来看,造槽机、架槽机、满堂支架投资接近,但采 [R_.2010.(in Chinese)) 用造槽机和架槽机施工,由于其机械化施工速度快,所需辅 [7]河南省水利勘测设计研究有限公司.南水北调中线一期工程沙 助机械和人工操作较少,适应性强、技术先进、安全可靠等特 河段工程梁式渡槽造槽机施工方案专题研究报告JR].2009. 点,具有明显的优越性,特别是对于特大型渡槽,其整体经济 (Henan Water Power Engineering Consulting Co.,LTD. 效益更加明显。 Research Report for Construction Scheme of Aqueduct—Making 表1 3种施工方案同跨度同工期投资比较 Machine of Beam-Typed Aqueduct in The First—Phase Project Table1 Comparison of investment for three schemes of Middle Route Project of ScIuth-to-North Water Diversion of same span and construction period . [R].2009.(in Chinese)) 7/元 E8]河南省水利勘测设计研究有限公司.南水北调中线一期工程沙 河段工程梁式渡槽满堂红脚手架施工方案专题研究报告[R]. 2009.(Henan Water&Power Engineering Consulting Co.. LTD.Research Report for Construction Scheme of Full Scaffold of Beam-Typed Aqueduct in the First—Phase Project of Middle (下转第20页) 魉 * et 释 ; ・16・ 南水北调 第9卷总第54期・南水北调与水利科技・2011年第3期 水源区经济结构发生战略性的调整,第二产业比重逐渐减 少,第三产业比重将明显增加。评价结果基本符合水源区经 济变化的实际情况。 Fei,ZOU Le—le,H0U Yun-Bing.The Method of Uncertain AHP Based on Expert Credibilityand Its Application[J].Sys— temsEngineering,2008,(10):101—106.(inChinese)) [61樊治平,潘德惠.不确定性判断矩阵权重计算的一种实用方法 3结语 南水北调中线工程的建设对河南省水源区的经济影响 是多方面,所以不能采用单一指标进行衡量。本论文通过构 建3层16项指标的评价体系,运用基于最优传递矩阵的不 确定型层次分析方法,对中线工程河南省水源区经济影响进 行定量评价,研究结论与实际情况基本吻合,具有一定的实 际应用价值。 [J].系统工程,1996,(3):57—61.(FAN Zhi—ping,PAN De-hui. A Practical Approach or Calculating Weights in Uncertain Judgement Metrix[J ̄.Systems Engineering,1996,(3):57—61. (in Chinese)) [71程菲,罗键.一种改进不确定型AHP算法探讨[J].厦门大学学 报(自然科学版),2006,(2):186—191.(CHENG Fei,I.UO Jian. 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