李 勇，張 濤

(湖北省宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局，湖北宜昌 443100)

1 工程概述

大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程是當(dāng)前我國灌區(qū)建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)［1，2］。而大型灌區(qū)中的病險(xiǎn)工程大多出現(xiàn)在大壩和渡槽兩類工程中［3］。雖然在渡槽施工工藝方面先后開展過較多的研究，如大型渡槽關(guān)鍵技術(shù)［4］、渡槽的施工方案研究及優(yōu)選［5］等方面的研究，但專門針對大跨度雙曲連拱渡槽方面的研究較少。本文針對紅星渡槽重建過程中所面臨的技術(shù)難題，開展了大跨度雙曲連拱渡槽施工方法及技術(shù)決策方面的研究。

紅星渡槽是湖北省東風(fēng)渠灌區(qū)的標(biāo)志性建筑物之一，以自流方式灌溉東風(fēng)渠灌區(qū)百萬畝農(nóng)田，是向宜昌市城區(qū)百萬人口提供飲用原水的引水咽喉工程。渡槽位于宜昌市夷陵區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，橫跨長江一級支流黃柏河。因老渡槽病險(xiǎn)嚴(yán)重，危及輸水安全，重建渡槽采用大跨度雙曲連拱結(jié)構(gòu)支承，整體結(jié)構(gòu)宏偉、壯觀，為湖北省近年來新建最大跨度的雙曲雙拱式渡槽工程(見下頁圖1)。

圖1 紅星渡槽立視圖

重建渡槽位于原渡槽軸線上游40m。重建渡槽全長269m，縱坡1/800，最大高度57.7m，設(shè)計(jì)引水流量15.0m3/s。采用雙跨等截面懸鏈線無鉸雙曲拱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);單拱凈跨70m，矢高17m，矢跨比1/4.12，拱軸導(dǎo)數(shù)m為1.347，寬跨比為1/17.77。雙曲拱拱圈由拱肋、肋間橫系梁、拱波及拱板組成(見圖2);拱肋間橫系梁截面尺寸為40cm×40cm，水平間距3m;拱波跨度1.25m、厚8cm;為減輕拱上荷載及便于施工，拱板布置呈折線型。

圖2 雙曲拱橫剖圖 (單位:cm)

2 雙曲連拱拱圈施工方法及技術(shù)決策

雙曲拱起拱線距中墩建立面高28.7m，凈高17.8m。為降低臨時(shí)工程投資，確保施工時(shí)支撐體系的穩(wěn)定和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量，采用鋼構(gòu)支架、軍用梁及碗扣式腳手架組成的聯(lián)合支撐體系，以控制好支撐體系的非彈性變形和彈性變形，避免現(xiàn)澆高度20m以上混凝土常出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷現(xiàn)象。

2.1 拱圈支撐體系布置

拱圈施工支架選用軍用梁支撐碗扣滿堂腳手架的方式，根據(jù)無絞拱受力位移影響線和軍用梁拼接跨度等要素，在拱變形最大位置布置鋼支架，每跨均勻布置3組(見圖3)。根據(jù)地形，左拱布設(shè)4跨軍用梁;右拱布置3跨軍用梁、1跨置于岸坡上的碗扣滿堂腳手架。為減少軍用梁上碗扣腳手用量，拱跨中部軍用梁高于兩端軍用梁8.45m。軍用梁型號為“六四式”，每跨擱置4片。

圖3 雙曲拱施工支架布置圖

拱肋現(xiàn)澆施工的支撐由豎向與橫向結(jié)構(gòu)共同組成。豎向結(jié)構(gòu)采用型鋼支架，由∠140、∠100、∠50三種角鋼在工地現(xiàn)場焊接加工成型，橫向結(jié)構(gòu)軍用梁上鋪裝Ι20a工字鋼，間距1500mm，用U形卡扣件與軍用梁固定。軍用梁上鋪裝［100槽鋼作為碗扣式支撐基礎(chǔ)，在碗扣鋼管頂部設(shè)置螺旋頂托，適應(yīng)拱弧線變化和卸拱需要。用∠50角鋼加工成的桁架梁連接鋼支架，以增強(qiáng)縱向穩(wěn)定性。

2.2 預(yù)拱度計(jì)算與選擇

在大跨度拱式渡槽的施工期及運(yùn)行期，臨時(shí)支撐系統(tǒng)在施工荷載作用下發(fā)生的各項(xiàng)非彈性變形和彈性變形、地基沉陷位移以及運(yùn)行期各種荷載組合出現(xiàn)的撓度大小等若不嚴(yán)格控制，多年后現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)將會出現(xiàn)大量裂縫。為使變形后拱軸線符合設(shè)計(jì)要求，故在施工時(shí)須預(yù)留一定的與變形方向相反的校正量。

通過預(yù)壓荷載試驗(yàn)可消除支撐系統(tǒng)的非彈性變形，同時(shí)取得支撐系統(tǒng)的彈性變形的實(shí)際數(shù)值，得出支撐系統(tǒng)荷載～撓度曲線，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。預(yù)拱度主要為支撐系統(tǒng)彈性變形值和拱結(jié)構(gòu)撓度，支撐系統(tǒng)的彈性變形取Δl1=σl/E=30kN×l/A×E=0.3×l(mm)，雙曲拱結(jié)構(gòu)撓度通常取Δl2=l2/6000f～l2/4000f;經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn)，預(yù)拱度為0～120mm，在裝拱肋底模前，通過支撐頂托調(diào)整的拱頂預(yù)拱度最大值為120mm，拱腳預(yù)拱度最小值為0mm，拱圈各部位預(yù)拱度以拱的懸鏈線方程的曲線對應(yīng)調(diào)整。

2.3 模板結(jié)構(gòu)形式與安裝

拱肋模板安裝分:拱肋底?？刂泣c(diǎn)設(shè)置、底模支撐架安裝、底模安裝及調(diào)校、側(cè)模及蓋模安裝及調(diào)校、拱圈軸線復(fù)核等5個(gè)步驟。

a.控制點(diǎn)的設(shè)置。以拱軸與邊墩相交點(diǎn)為原點(diǎn)，以拱跨為X軸，拱高為Y軸，均勻測出拱肋底模下緣上48個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)作為控制點(diǎn)。

b.底模支撐采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)。垂直軸線向，將100mm×100mm的木方固定在碗扣式腳手架可伸縮的頂托上。順軸線向，拱肋底模位置滿鋪板筋(50mm×100mm)，在對應(yīng)木方倒角處，將底模板筋鋸深20mm的縫，經(jīng)壓載形成水平間距600mm的小折線，保證拱弧線。

c.模板安裝及調(diào)校。拱圈底模按照順序依次鋪裝，在控制支撐架上連成拱。邊模制作安裝時(shí)兼顧拱上二期混凝土，做到一次立模到位。側(cè)模調(diào)整及加固后等距間隔封蓋模2m，利于混凝土進(jìn)倉和插入式振動棒振搗，前段2m拱圈混凝土澆筑后封閉該段2m蓋模。

d.拱圈軸線復(fù)核。待底模、側(cè)模、等距間隔蓋模安裝完成后，再次對拱軸線校驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行校核，以降低誤差。

2.4 預(yù)壓及支架預(yù)拱度測設(shè)

為檢驗(yàn)支架穩(wěn)定性及地基強(qiáng)度，消除支撐系統(tǒng)的非彈性變形和地基沉降，在支架及底模鋪設(shè)完畢后，進(jìn)行支撐系統(tǒng)預(yù)壓。預(yù)壓荷載綜合取拱肋自重的1.2倍，預(yù)壓材料為沙袋。預(yù)壓嚴(yán)格模擬拱肋混凝土施工加載程序。在加載完成后，對所有支架螺栓連接部位進(jìn)行檢查并加固。

a.預(yù)壓時(shí)間。由于拱離地面較高，加載材料轉(zhuǎn)運(yùn)較困難，加載歷時(shí)共3天，預(yù)壓時(shí)間為加載完成后72h。

b.變形觀測。加載前在拱肋底模設(shè)定檢測點(diǎn)并測出各點(diǎn)坐標(biāo)，完成后對各坐標(biāo)點(diǎn)觀測三次，預(yù)壓72h對各點(diǎn)觀測三次;卸載后間隔6h、12h、24h對各點(diǎn)觀測三次。取得支撐系統(tǒng)的彈性變形的實(shí)際數(shù)值，得出支撐系統(tǒng)荷載～撓度曲線。

c.預(yù)壓效果。統(tǒng)計(jì)預(yù)壓檢測測量數(shù)據(jù)，支架承臺基礎(chǔ)最大沉降位移為8mm，卸載后基礎(chǔ)無明顯回彈;支架最大沉降量為22mm，支撐系統(tǒng)的彈性變形與設(shè)計(jì)值基本吻合，根據(jù)拱圈預(yù)拱度最后一次校正底模并加固。

2.5 混凝土澆筑

2.5.1 混凝土施工方法的合理性論述

無絞拱拱肋混凝土的分段、分期澆筑主要是考慮溫度、混凝土干縮、自身體積變形、徐變等因素會產(chǎn)生不利裂縫，影響拱結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因本工程拱肋混凝土澆筑時(shí)間為2月底～3月初，根據(jù)本地區(qū)歷史氣溫推測和天氣預(yù)報(bào)，該時(shí)段氣溫處于逐漸回升期間，從而在拱肋成型后，溫升效應(yīng)會導(dǎo)致拱軸線變長l1=L×α×Δt=1.10cm;混凝土的干縮(含部分自身體積變形)因素影響下，拱軸線收縮l2=L×β=1.22cm;因采用有支架施工，在拱肋成型后，與支架聯(lián)合承受拱肋自重，故不考慮混凝土徐變影響(L拱軸線取81.2m，采用石灰?guī)r粗骨料、天然細(xì)骨料α線膨脹系數(shù)綜合取0.9×10-5/℃，Δt平均溫升取15℃，β干縮率取1.5×10-4mm)。通過計(jì)算認(rèn)為溫升與干縮、體積變形對拱軸線的影響基本相抵消，且拱肋分期澆筑合龍通常在混凝土干縮及自身體積變形完成后進(jìn)行(約15d)，影響下一步拱上作業(yè)、加載約20d，拱肋不分期澆筑能大大加快施工進(jìn)度，綜合分析選取分段不分期澆筑方式。

拱支架經(jīng)過預(yù)壓試驗(yàn)，充分驗(yàn)證先澆拱頂1/3段，再自兩拱腳短間歇對稱交替上升直至合龍的澆筑順序是成功的?？紤]支架為簡支形式，兩跨拱肋混凝土不必同時(shí)澆筑，可減小施工強(qiáng)度。兩個(gè)倉面混凝土入倉澆筑間隔時(shí)間嚴(yán)格控制在混凝土凝結(jié)前，杜絕施工冷縫的產(chǎn)生，保證拱的整體性。鑒于拱肋混凝土的嚴(yán)格對稱澆筑施工順序的要求和高空作業(yè)的難度，采用混凝土攪拌車中轉(zhuǎn)運(yùn)料，臂長42m混凝土汽車高壓輸送泵布料入倉。

2.5.2 混凝土生產(chǎn)及配合比選取

本工程選用外購商品混凝土、自行式混凝土泵車入倉的施工方式。拱肋混凝土選用C30二級配(5～31.5mm)泵送混凝土，塌落度120～140mm，摻加粉煤灰和緩凝高效減水劑，運(yùn)輸進(jìn)場耗時(shí)約45min。

2.5.3 拱肋混凝土澆筑

為防止混凝土澆筑時(shí)，拱頂?shù)啄Ｆ鸸?，避免拱軸線變陡而產(chǎn)生整體偏差及拱肋模板的失穩(wěn)，混凝土澆筑按分環(huán)多工作面均衡進(jìn)行，即先拱頂、后拱腳，先中肋、后邊肋的澆筑順序進(jìn)行?；炷翝仓r(shí)先澆拱頂1/3分段壓頂，再由兩拱腳澆起，兩側(cè)混凝土基本交替升高到1/3分段處合龍，按此澆筑順序，拱頂逐漸合龍正好適應(yīng)支架體系跨中撓度增到最大的變形。鑒于拱頂段澆筑完到封拱，歷時(shí)20h，拱頂段混凝土己終凝，為保證封拱接頭的聯(lián)結(jié)緊密，在封拱處加高側(cè)模，并裝蓋模保證下端混凝土料面高于且蓋住上端(拱頂段)混凝土頂面，避免泵送混凝土料因坍落度大，下座造成結(jié)合不緊密。將接頭縫面處理為垂直拱軸向，澆筑前涂刷水泥凈漿。右拱肋于2月22日11時(shí)～23日13時(shí)完成，歷時(shí)26h;左拱肋于2月26日10時(shí)～27日9時(shí)完成，歷時(shí)23h。

2.5.4 拱肋封拱溫度控制

設(shè)計(jì)封拱溫度控制在15℃，考慮澆筑期間氣溫影響，將封拱定在上午的溫度回升時(shí)間內(nèi)完成，盡量控制在多年平均氣溫范圍內(nèi)，以保證雙曲拱受力曲線最優(yōu)。左、右拱肋封拱溫度為12℃和17℃。

2.5.5 拱板混凝土澆筑

拱板混凝土在拱肋成型21d后進(jìn)行，自拱腳到拱頂?shù)臐仓樞?。右拱板?月19日11～23時(shí)完成，歷時(shí)12h;左拱板于3月25日9～22時(shí)完成，歷時(shí)13h。拱板封拱溫度12℃。

2.5.6 澆筑期間支架位移觀測

在混凝土澆筑過程中，須嚴(yán)格控制對稱進(jìn)行。通過觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，支架體系變形可控、穩(wěn)定。

2.6 多點(diǎn)卸拱施工

為了使拱圈體逐漸均勻地降落、受力并防止不對稱卸拱造成連拱垮塌事故或產(chǎn)生不利裂縫，拱支架應(yīng)在拱結(jié)構(gòu)混凝土齡期達(dá)28 d后，按各支點(diǎn)分三次卸落完成。單跨拱卸拱人數(shù)分2組，每次均按兩跨從拱頂至拱腳同步、對稱、勻速的順序進(jìn)行，其間密切觀測拱圈撓度和基礎(chǔ)沉降情況，一旦出現(xiàn)異常，立即停止，進(jìn)行全面檢查。

第一次:松動拱支架上頂托2.5mm左右。第二次:在首次卸落后一天開始進(jìn)行，第二次卸落5mm左右。第三次:第二次卸落后密切觀察主拱受力情況，無異常方進(jìn)行第三次卸落，拱支架徹底脫離拱結(jié)構(gòu)體，并實(shí)現(xiàn)力的轉(zhuǎn)移。

卸拱后檢查拱圈，未發(fā)現(xiàn)裂縫，局部缺陷處理完后，全面拆除拱支架體系。支架脫拱后，再拉起風(fēng)纜繩，增加側(cè)向穩(wěn)定，防止在拆除支架期間遭遇大風(fēng)，造成事故。

3 施工效果評價(jià)

實(shí)踐表明，本工程雙曲連拱結(jié)構(gòu)的施工經(jīng)過合理計(jì)算后，巧妙地利用鋼支架的設(shè)計(jì)布置，改變拱肋混凝土的澆筑順序以適應(yīng)并調(diào)節(jié)拱架變形順序，采用不分期、分肋多工作面對稱澆筑法，在一定程度上突破了無絞拱的常規(guī)施工方法，且有力地保障了工程質(zhì)量，加快了工程進(jìn)度，對類似工程施工有一定的參考價(jià)值?！?/p>

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