白鹤滩水电站导流洞顶拱异形模板的设计与应用

吉 婷

(葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45km，距昆明约260km，至重庆、成都、贵阳均在400km左右。电站上接乌东德梯级，下邻溪洛渡梯级，距溪洛渡水电站195km。白鹤滩水电站是西电东送骨干电源点之一，装机容量约16000MW。

导流洞顶拱异形模板为喇叭口形，顶拱使用异形模板，可以提高隧洞混凝土衬砌施工的机械化程度，提高混凝土的表观质量，减少对洞内其他施工作业和工程运输的干扰，加快施工进度。

2顶拱异性模板的设计方案

导流洞顶拱异形模板(以下简称“顶模”)，是专门为工程隧洞喇叭形进口混凝土整体衬砌而设计的一种大型异形模板。通过项目的实施，对顶模的结构组成、工作原理、施工工艺等进行研究，以掌握该顶模的设计、制造及施工应用技术。该顶模主要由面板系统、支撑系统、主桁架、附墙支架和锚固系统等部件组成，各部件独立设计，组装成整体后又紧密联系，互为依存。

顶模设计为一次立模，混凝土分层浇筑，分层高度2m，顶模带有一定高度的闸墩模板。闸墩施工到一定高程时，预埋锚固部件，安装附墙支架，形成三个主桁架平台。吊装由主桁架、支撑轴杆、面板组成的拼装组件，完成顶拱模架的安装。导流洞顶拱异形模板方案，见图1、图2所示。

图1 导流洞顶拱异形模板方案立面

图2 导流洞顶拱异形模板方案平面

2.1 面板系统

面板系统由渐变段和洞身段两部分组成，进水口渐变段分成两段单独衬砌，通过面板保证渐变段的浇注质量。

顶拱面板按结构线设计，从桩号0－0m到0－20m共分成12环，1～10环面板横向每环由3块顶模组成，11、12环由4块顶模组成，共38块。其中，MB12－03最大，单块尺寸为5.8m×1.6m×2.8m，单块重量为1.73t。

贴靠边墩的模板设计有30cm侧墙模板，贴靠中墩的模板设计有50cm的侧墙模板，用以实现与先期浇筑的侧墙压接。每块侧墙模板上开设3个拉条孔，起拉紧模板、压紧先期混凝土的作用。

面板间采用螺栓联接，并通过调节丝杆与桁架相联。当调节丝杆收缩时，在侧向调节丝杆的作用下与浇筑面脱开，完成顶模和左右侧模板的收缩。

每环模板上开设有拉条孔，在浇筑前进行预埋，脱模时起承受吊钩的作用。

面板采用5mm钢板，总厚度255mm。拱形筋板采用10mm钢板，宽度250mm;顶模拱板上开设轴杆孔，通过轴杆传力给支撑桁架。纵向筋板采用6mm钢板，宽度150mm，间距约300mm。

在桩号0+000m到0－015m之间的模板，筋板平行于侧墙布置。在桩号0－015m到0－020m之间的模板，筋板按断面圆的法线布置。

靠边墙两侧的每块模板，均大于或等于30cm边墙模板，实现渐变段与墩柱的相贯线，由车间模板放样制作，保证相贯线的浇筑质量，同时实现立模压紧老混凝土大于5cm以上。

加强设计。在顶模的幅中加设了δ10mm×h200mm加强拱板，以保证承受混凝土自重和浇筑压力最大部位的刚度及平整度。

进水口渐变段从桩号0－0m到0+30m的模板，模板结构0－0m到0－20m结构相同，模板在纵向按1.5m分块，横向按三段分块。

2.2 支撑轴杆

支撑轴杆主要由钢管、螺母、螺杆、耳板、连接销组成，将模板与主桁架连成整体，传模板受力于主桁架。

2.3 主桁架

顶拱钢模板采用钢桁架支撑，钢桁架纵向共布置14榀，分三段为一基础平面布置。钢桁架间距为:桩号0+000m～0－004.62m为1340mm，0－008.52m～0－015m为1236mm，0－015m～0－020m为1200mm。钢桁架纵向采用［12和∠90×56×6角钢连接，以保证纵向整体稳定性。

钢桁架采用［12mm和回60×5mm方管组成，最小尺寸为1592mm×8525mm(为投影长度)，单重约1272kg;最大尺寸为3242mm×13835mm(为投影长度)，单重约3229kg。

钢桁架固定采用钢牛腿和定位锥两个组件。定位锥需提前预埋在混凝土中，用于钢牛腿定位与固定。

3 顶拱异形模板实施情况

该顶模试制成功后，对其性能做了一个综合评定，主要包括顶模面板及整体桁架结构的稳定性、轴杆的可操作性，所得出的各项数据均符合该项目的要求。

该顶模成功应用于白鹤滩水电站右岸导流隧洞工程。通过现场使用验证，该顶模结构布局科学、合理、安全、可靠，操作简单、方便、快捷、快速，混凝土表面光滑、平整，曲线表面过渡平滑、美观，达到了顶模研发的预期目标。异形顶模安装后效果如图3所示。

图3 异形顶模安装效果

4 该顶模的优点及效益分析

4.1 优点

与国际国内现有技术比较，该顶拱异形模板设计、制造及应用技术与国内外同类研究、同类技术相比，具有以下优点:

(1)借助于计算机建模，通过分层分段切割，获得喇叭段任意断面完美曲线，便于采用平面形式展现;

(2)适用于大跨度承重模板、喇叭口形隧洞混凝土结构，解决钢筋密集、横向跨度较大、垂直高度大的难题;

(3)适用于喇叭口形隧洞混凝土快速施工模式。该顶模结构布局型式模似了喇叭口隧洞圆渐变断面的布局形态，与设计轮廓最大限度匹配，满足隧洞曲面平滑过渡，混凝土表观质量较高;桁架两端支撑在钢牛腿上，底部空间非常大，可以满足25t吊车作业空间需求，且不影响混凝土正常施工，可以多层次、多元化立体作业，有效缩短混凝土施工周期，为工程节约时间;

(4)操作简单、方便、安全性强。面板安装、拆除通过机械丝杆执行，机械丝杆易于操作，伸缩灵活，动作简单，效果显著，安全性强;

(5)采用桁架支撑，桁架设计简单化，规格统一，可进行批量生产，从而加快施工进度;

(6)模板系统整体性强、钢度大、稳定牢固，适合大体积混凝土施工。

4.2 经济和社会效益分析

该顶模造价偏高，但与传统施工工艺相比，总工程成本降低。经测算，在白鹤滩水电站使用，节约钢材约100t，缩短工期2个月。

该顶模的成功研发与应用，为工程导流隧洞喇叭形出口混凝土快速施工提供了全新的概念和全套的模板技术，解决了大跨度承重模板、喇叭口形隧洞混凝土结构钢筋密集、横向跨度较大、垂直高度大的难题，充分体现其适用性强、加快施工进度、降低总投资的优点，其市场前景广阔，经济效益、社会效益显著。

5 结语

该顶模打破传统作风，解决了混凝土施工工期紧、方量大、任务重、隧洞表观质量要求高的难题，并总结出一套行之有效的顶拱异形模板技术。在白鹤滩水电站右岸导流隧洞工程上首次使用，即引起业内专家及相关单位的密切关注，赢得了高度评价，同时为类似工程异形模板的使用提供有力的依据。