超大直径预应力矿井筒仓滑模施工技术

[摘要]以西山煤电集团西曲矿贮煤仓工程为例,介绍“超大直径矿井筒仓中心井架环式平台滑模施工技术”。针对矿井筒仓特点,结合现有滑模施工工艺进行了改进,既满足矿井筒仓滑模施工操作需要,又能解决仓顶结构施工承重问题。对于30米以上超大直径矿井筒仓滑模施工,具有明显的技术优势。

[关键词]超大直径 矿井筒仓 滑模施工 环式平台 中心井架 预应力

中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920130-03

西山煤电集团西曲矿贮煤仓工程,由圆形筒仓结构、仓上结构组成。煤仓内径30米,总高73.8米,仓体储煤高度54.73米,单仓储煤能力为3万吨。仓顶为钢筋混凝土正截锥壳结构,筒仓漏斗以下壁厚为600㎜,漏斗以上壁厚为400㎜。仓内增设4个钢筋混凝土预应力锚固柱,预应力钢绞线成束状布置,按包角180°环向铺放。混凝土强度等级C40。

这种超大直径筒仓是近几年来来为适应矿山建设发展的环保要求,出现的一种新型结构形式,具有直径大、高度高、储量大,仓壁为预应力结构等特点。

一、施工方案

筒仓漏斗以上采用液压滑模施工,漏斗以下由于平台多、砼量大,采用常规倒模方法施工。起滑位置设在漏斗上口200～300mm处,停滑位置设在仓壁顶端环梁底标高处,滑升总高度52.6m。

因为传统的平行式操作平台滑模工艺已不能满足现有使用要求,针对矿井筒仓特点,结合现有的滑模工艺技术,提出了“超大直径矿井筒仓中心井架环式平台滑模技术”(以下简称中心井架滑模技术)。示意见图1。

1-提升架2-托架3-中心井架4-轻型桁架5-钢环梁(构造)6-钢环梁(下)7-水平支撑8-“米”形水平撑9-圆形连接钢板10-操作平台11-中心千斤顶12-承重杆

图1中心井架滑模示意图

中心井架滑模技术工艺由模板系统、中心井架、操作平台系统和液压提升系统四部分组成。与传统滑模技术相比,中心井架滑模技术做了很多改进,主要体现在如下几点:

⑴操作平台、中心井架和内环梁根据筒仓直径的大小可进行工具式组合;⑵中心井架和操作平台既考虑滑模施工操作,又重点解决仓顶锥壳混凝土结构施工需要;⑶大吨位千斤顶及承重钢管在结构内、外的布置,保证了操作平台布置的灵活性及滑模系统的整体稳定性;⑷改变了外模斜度,解决了表面水泥浆流坠问题。

轻型钢桁架呈环向放射状布置,操作平台采用中心井架支撑,是本技术的核心内容。在设计施工中需要处理好以下三个难点部分。

二、设计施工难点

(一)中心井架

中心井架采用扣件式φ48×3.5mm钢管脚手架搭设,作为内环梁的支撑结构,将操作平台传来的荷载向漏斗传递;仓顶锥壳结构施工时,作为模板支撑架,亦承受仓顶的施工荷载。其搭设参数根据筒仓直径大小和上部结构荷载确定。

仓顶锥壳结构情况:梁最大截面600×1150mm,板厚150mm。为减小施工时的荷载,仓顶锥壳钢筋混凝土分三段施工:斜墙为第一部分;锥壳梁第二部分,施工缝在板下20～30mm处;锥壳板第三部分。

本工程中心井架平面尺寸为15×15m,立杆纵、横间距1m,步距1.2m,搭设高度52.6m,板下垂直面荷载3.75KN/m²,梁下线荷载24.25KN/m,内环梁线荷载达33.2KN/m,属于典型的重荷载、超高模板支撑架体系。技术风险大,施工难度高,必须在构造上予以强化,并对承载力和稳定性进行复核。

1.构造设计

设计原则:通过构造设计,使中心井架接近或达到几何不变体系,确保轴力较大部位的承载力和受变形约束能力,确保中心井架的整体刚度和稳定。

(1)设置具有强劲约束作用的水平刚性加强层。在井架顶部、底部(扫地杆位置)和中部每隔4.8～6米处设置,采用水平斜杆形式,局部地方采用水平剪刀撑且与立杆相连接。设置斜杆的框格数≥水平层框格数的1/3。

(2)在外立面整个长度和高度连续设置剪刀撑,剪刀撑倾角控制40～60°之间,斜杆与每相交立杆用旋转扣件连接。

(3)对于受力较大的部位:内环梁两侧及梁下模板的立柱,采用双立杆。双立杆之间用扣件扣紧,中心距≤200mm,双立杆按步距满设双向水平杆。

(4)立杆顶部装设U型可调托撑,U型可调托撑上用[16槽钢做主龙骨,50×100mm方木作次龙骨。为使荷载均匀分布到已作加密的一定宽度的架体上,梁下的方木应平行于梁轴线铺放,梁下的方木应平行垂直于梁轴线铺放,可调托撑至支架顶层横杆的高度≤0.3米。

(5)为限制中心井架的整体侧移,在井架的四个方向采用双排脚手与已浇筑仓壁进行刚性连接。

(6)由于漏斗表面高低不平,所以立杆底部不在一个水平面上,为确保井架的稳定性和承载力,底部采取加密水平杆和增设斜杆办法,每600mm设双向水平杆将立杆联系起来,漏斗上表面设一道水平加强层。

2.计算复核

中心井架承受的最大荷载为支撑仓顶锥壳梁时施工荷载,依据最不利原则,取用仓顶锥壳结构施工荷载及此时井架高度作为计算依据,进行井架承载力和稳定性计算。

(1)仓顶锥壳施工荷载传力途径:

(2)立杆稳定性

通过构造设计,中心井架整个体系接近“几何不变杆系结构”,整体稳定可转化为对长度为步距h的立杆稳定性验算。第二部分锥壳梁施工时,内环梁周围底层立杆所受轴向力最大,对其进行验算。因井架在筒仓内搭设,不考虑风荷载组合。

①立杆竖向承载力设计值

脚手架结构及构配件自重标准值NG1k+NG2k=7.60kN;

立杆竖向荷载标准值(包括施工人员、模架自重和浇筑混凝土时的荷载)∑NQk=17.1kN;

单立杆竖向承载力:N=1.2(NG1k+NG2k)+1.4∑NQk=32.9kN。

②因市场供应钢管壁厚在3.0～3.5mm之间,为安全起见计算时壁厚取3.0mm,即钢管φ48×3的计算参数:截面面积A=424mm²,回转半径i=15.8

mm,抗压强度设计值=205N/mm²。

立杆计算长度偏于安全取lo=kμh=1.155×1.50×1.2=2.079m〔式中计算长度附加系数k取1.155;脚手架的计算长度系数μ=1.50(因脚手架排数≥5,按两步三跨考虑)〕;

长细比:λ=lo/i=2.079×1000/15.8=131.58,查JGJ130-2001附录C表C得φ=0.386;

ΦAf=0.386×424×205=33551N=33.51kN。

③N=32.9kN≤φAf=33.51kN,单立杆稳定性满足。

注:实际按双立杆布置,据有关资料,承载力可增加15～20%;此时千斤顶承重钢管亦参与工作,作为安全储备,计算时未考虑。

(3)其它验算

锥壳梁下荷载,通过梁下方木与槽钢及顶层水平加强层分配到周围立杆,槽钢[16满足要求;

内环梁下水平杆与立杆连接扣件采用双直角扣件,抗滑承载力设计值=12kN,因内环梁下立杆为轴心受压,满足要求。

(二)承重杆

1.承重杆采用φ48×3.5mm钢管,是千斤顶向上爬升的轨道,又是滑动模板装置的承重支柱,承受着施工过程中的全部荷载。布置在结构体内、外,滑模最大脱空长度≤2.2m。仓壁外承重杆的稳定性,采用水平钢管在纵横方向与中心井架立杆相连,与中心井架连接构成几何不变体系,既可确保立杆在x,y方向的稳定性,又可将承重杆上的荷载传递到周围立杆上,从而保证承重杆稳定性。

2.接头采用丝扣连接:承重杆两端车外丝长30mm(外丝),中间用圆钢φ48连接,圆钢两端车内丝长20mm,采用人工扳手装拆。

3.为防止承重杆接头量过于集中而削弱滑模结构的支撑能力,相邻接头相互错开,使同一标高上的接头率不大于25%。底层加工长度分为4种:2.5m,3.5m,4.5m,5.5m,标准层承重杆长度统一为3m。承重杆轴线与千斤顶轴线一致,允许度偏差2‰。

4.承重杆设计承载力计算:

PO=α·f·φ·An

式中:PO—φ48×3.5钢管的支撑承载力(N)

F—支撑杆钢材强度设计值,取205N/mm²

An—支撑杆的截面积为489mm²

Α—工作条件系数,取0.7

Φ—中心受压杆件的稳定系数,由杆的长细比λ值,查表得到φ(结构体内φ=0.829,结构体外φ=0.775)。(λ=(μL1)/r式中:μ—长度系数,取0.75。L1:支撑杆计算长度(mm)。在结构体内时,为千斤顶下卡头到浇筑混凝土上表面的距离,取1470mm;在结构体外时为千斤顶下卡头到模板下口第一个横向支撑杆扣件节点的距离,取1200mm。r:回转半径,取15.8mm)。

承重杆在结构体内时PO=58.2kN;在结构体外时PO=54.4kN,满足使用要求。

(三)内环梁

内环梁为半径R=6.7m的圆形钢梁2[16,作为操作平台和中心井架联系枢纽,将操作平台系统与中心井架构成一体。

1.内环梁计算复核

内环梁作为操作平台的一端支撑点,将钢桁架的一端支座荷载传递到中心井架上。梁上设20台千斤顶,均匀放置48榀桁架(中心间距438mm),见图2。可转化成n=20支座上的圆弧梁,上部作用均布荷载q=33.2KN/m,据《建筑结构静力计算手册》:

最大剪力Vmax=3.14Rq/n=3.14×6.7×33.2/20=34.9KN;

在二支座间的跨中弯矩M={〔3.14/(n·sinα)〕-1｝qR2={(3.14·sin9°)/20-1｝×33.2×6.72=5.39KN·m;

支座弯矩M={(3.14·ctgα)/n-1｝qR2={(3.14·ctg9°)/20-1｝×33.2×6.72=-1.30KN·m;

最大扭矩T={3.14·sinφ/(20sinα)-φ｝×qR2={3.14·sin7.63°/(20sin9°)-0.133｝×qR2=0.38KN·m(支柱轴线与最大扭矩截面间的中心角φ=7.63°/0.133)。

经计算,2[16槽钢满足要求。

2.构造

(1)为保证中心井架部位桁架的整体性,在圆形环梁部位的桁架顶部增加一道圆形横梁槽钢2[16(构造设计),见图1。

(2)两个槽钢[16之间选用-20钢板(长、宽均为208mm)连接,使2[16形成一体,均匀受力,见图2。

三、滑模机具组装及施工工艺

(一)滑模机具组装

按施工方案进行组装。

1.组装顺序

定位放线→立提升架→装内外围檩及安装中心井架→挂内、外模板→装内托架、外挑架→安放轻型钢桁架→装水平、垂直支撑→铺内、外操作平台→装安全设施→装液压提升系统→调试→插支承杆。

2.组装方法

(1)定位放线:在漏斗上口平面放出中心线,在仓壁上放出内外模板边线、标高控制线、提升架的定位线以及中心井架立杆控制线等。(2)模板系统组装。模板系统包括滑升模板注释①、围圈、提升架和附属配件等。

①外模采用5mm厚冷轧钢板,每@300mm设置-50×5的扁钢带,以增加模板抗变形能力,模板之间采用螺栓连接;内模采用普通55型组合小钢模板,以P1512为主,配少量P2012,用于调整模板模数。为了防止混凝土在浇筑时的外溅,外模板上端比内模板应高出50mm,下端比内模板高出30mm。

②提升架将模板系统和操作平台系统连成一体,将其全部荷载传给千斤顶和支撑杆。提升架采用双横梁、双立柱式开字架,横梁采用[14,立柱采用2[8。横梁和立柱之间采用螺栓连接。

③围圈把模板与提升架联系在一起,保证模板所构成的几何形状及尺寸。围圈采用[12,布置在提升架的两侧,沿模板高度设上下两道,间距以模板受混凝土侧压力和振动冲击力时变形最小为原则,距模板上口250mm,距模板下口350mm,围圈的连接采用等效刚度的型钢螺栓连接。提升架竖立时中心对准仓壁中心,立柱垂直度、横梁水平度不大于1mm。

(3)操作平台系统组装。操作平台系统包括环式中心井架环式内操作平台注释②、外操作平台和下辅助操作平台。

①中心井架环式内操作平台由中心井架配合48榀轻钢桁架(每榀长8.4m,高0.8m)搭设,桁架径向环形布置。一端安装在托架上(与仓壁提升架对应布置),一端安装在中心井架内环梁上。

通过上下水平支撑(在桁架两端各1/3处)和垂直支撑∠63×6连接,保证了桁架的侧向稳定性,将操作平台连成刚性整体。

②外操作平台为挑架式三角形桁架,用角钢∠45×5制作;下辅助操作平台为吊脚手架,供检查仓体混凝土质量和修饰、调整和拆除模板、引设轴线、高程等操作之用。下辅助操作平台为吊脚手架,悬挂在提升架外侧立柱和三角挑架上。

(4)液压提升系统组装。液压提升系统是承担全部滑升模板装置、设备及施工荷载向上滑升的动力装置。由承重杆、液压千斤顶、液压控制台和油路等部分组成。

液压提升以单仓为系统进行布置,每仓设一台HY-56型液压控制台。千斤顶采用大吨位GYD-60型,油路采用分级布置,仓壁周圈和中心各设一组分油器(一级)。其中仓壁周圈54台千斤顶设9组分油器(二级),每组供6台千斤顶(三级);仓中心16台千斤顶设3组分油器(二级),其中两组各供5台千斤顶、一组供6台千斤顶(三级)。

组装后进行千斤顶流量调整、密封性试验和整体空载试车(不少于3次)。待全面检查无误后,插入支撑杆。

承重杆接头必须打磨平整,以保证能顺利通过千斤顶。

(5)中心井架。安装围圈的同时进行中心井架部位内环梁定位、安装。安装前,在将中心井架最上层横杆调平,找平、就位后将接头部位扣接牢固。然后开始布置环梁上的千斤顶(承重杆不得与脚手架立管位置重合),使其均匀的布置在环梁上。

立柱垂直度偏差≤1/500,必须采用对接扣件,不允许用搭接接头,保证立柱接头垂直受力、不弯曲。对接接头在平面内应错开布置,同一平面内≤25%;在竖向,同一步高内错开距离≥500mm。

节点处各扣件采用测力矩扳手拧紧,使其扭力矩保持在45～60KN·m。

(二)施工工艺

1.工艺流程。仓壁钢筋绑扎→布置预应力筋→浇灌砼→初升→正常滑升→滑模结束→预应力筋张拉→仓顶锥壳施工→模具拆除。

2.仓壁钢筋绑扎。仓壁配筋设计为双层,立筋在内,环筋在外。施工时立筋采用直螺纹套筒连接,环筋采用绑扎搭接。为防止环筋接头蹦出砼表面,每个环筋接头应绑扎牢固,或用电焊点焊不少于3处。

3.预应力筋施工。无粘接预应力钢绞线束状布置,两端张拉,每束为7φ15.4钢绞线。从筒仓漏斗上口开始布置,从下到上间距分别为330mm、400mm、500mm和1000mm。在仓壁内呈水平布置,钢绞线中心线与仓壁外皮距离为150mm。

钢绞线布置时,从一端向另一端单根进行,采取多人同时作业,每穿完7根用胶带绑成一束,并用事先制作的钢筋骨架定位,钢筋骨架在仓壁中的间距约1.5～2m。每束钢绞线呈水平状态,单根应基本顺直,不能扭绞,两端预留外伸长度应大致相等。待混凝土达到设计强度后分圈张拉预应力筋,每圈采用4台千斤顶同步张拉。

4.混凝土施工。

(1)初升。第一次浇筑砼,先浇筑同强度减半石砼约100mm厚,并判断最底层砼强度达到0.2～0.4Mpa时进行初升。将全部千斤顶同时缓慢提升2～4个行程(约50～100mm),然后对滑模装置和砼出模的状态进行全面检查和处理后,即可转入正常滑升。

(2)混凝土浇筑。分层对称浇筑,每层厚300～400mm。每提升一次浇筑一次,以后循环往复进行,并做好混凝土的振捣与养护工作。

(3)正常滑升。每次提升10～12个行程(约250～300mm),与钢筋绑扎、预应力筋布置、砼浇筑穿插进行。两次提升时间间隔不超过2h,当气温较高时,可增加1～2次中间提升(1～2个行程),以减少砼与模板间的摩阻力。

提升间隙可进行钢筋绑扎、直螺纹套筒连接和无粘接预应力钢绞线布置等工作。

(4)滑模结束。当模板滑升到距离仓壁顶端标高1m左右时,就正式进入滑模结束阶段。此时应放慢滑升速度,并对仓壁周圈进行找平找正,使最后一层砼均匀交圈,保证仓壁顶部标高及位置准确。

(5)仓顶锥壳钢筋混凝土施工时,为保证中心井架均衡受载,采用从中部开始、向两边均匀对称的浇筑方法,避免诱发过大水平力作用,增加附加竖向轴力。

四、施工中出现问题及处理

1.筒仓外表面水泥浆流坠,造成混凝土外观质量缺陷。将外模钢板斜度由技术规程中的2～5‰变为0～2‰,斜度减小,摩阻力略微增大,抵消了钢板代替组合小钢模摩阻力减小部分。

2.操作平台刚度小、稳定性差,可能造成仓壁结构变形、偏中和半径偏差。在操作平台中心增设“米”字型连接钢支撑:仓中心设圆形连接板,利用角钢将辐射形桁架与其连接,同时连接板中心增加一台千斤顶和支承杆。筒仓滑升时,先关闭该千斤顶的油路,派专人监测中心部位的滑升标高,一旦出现锅底情况,即刻打开该千斤顶油路,关闭其他千斤顶,使其滑升到与周圈布置的千斤顶同样标高,再继续照常施工。

3.中心井架施工超载,稳定性差。严格控制实际施工荷载不超过设计荷载,在施工中设专人对施工荷载进行监控;仓顶混凝土浇筑开始后,在确保安全的前提下,派人检查井架及其支承情况,发现有下沉、松动和变形情况时,及时予以解决。

五、结束语

超大直径矿井筒仓中心井架环式平台滑模施工技术具有适应性强,操作简单,劳动强度低,施工速度快,质量高等优点。既解决了滑模施工的操作需要和仓顶结构施工支撑问题,又大大缩短了工期,保证了矿山建设的施工质量和安全。适用于20米以上筒仓滑模施工,尤其对30米以上超大直径筒仓具有明显的技术优势,有很好的推广应用前景。

注释:

①滑升模板:注册国家实用新型专利,专利号:ZL 2006 2 0128174.7.

②中心井架环式平台,注册国家实用新型专利,专利号:ZL 2007 2 0138242.2.

参考文献:

[1]邓文芳,《矿井建设技术与管理》,中国矿业大学出版社,1998.

[2]中国建筑科学研究院,《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2001),北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]杜荣军,《建筑施工脚手架实用手册》,北京:中国建筑工业出版社,1994.

作者简介:

付汉江,山西焦煤西山金信建筑有限公司董事长、总经理,硕士学历,高级工程师。