三峡升船机船厢室施工程序研究

2013-01-02曾明

中国工程科学 2013年9期

曾明

（中国葛洲坝集团股份有限公司三峡分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峡工程升船机是当今世界上规模最大的升船机，采用齿轮齿条爬升—长螺母柱短螺杆安全机构的结构型式，具有船厢与塔柱结构变形协调性要求高、塔柱混凝土施工精度要求高、船厢机构埋件和船厢设备施工安装精度要求高、不同的施工过程对埋件精度和设备安装影响大等特点与要求。

船厢室段是升船机船厢垂直升降的区域，由塔柱和顶部机房、船厢及机械设备、平衡重系统等部分组成。船厢室段塔柱结构由“墙-筒体-墙-筒体-墙”组成，长为119m，每侧宽为16m，每侧的墙与筒体之间由纵向联系梁连接，对称布置在升船机中心线两侧，左、右侧塔柱在顶部高程196.00m处由7根横梁和两个平台连接。驱动系统齿条和安全机构螺母柱均安装在塔柱筒体部分凹槽内的墙壁上。左、右侧塔柱内各设有8个用于容纳平衡重组升降运行的平衡重井[1]。

齿条、螺母柱、纵横向导向是保障升船机安全可靠运行的重要装置，也是承船厢与塔柱之间在不同条件下的支撑点。上述支撑点通过施工复杂的精细埋件结构将塔柱与船厢相连，随塔柱变形而产生相应的变位[2]。因船厢及平衡重荷载对螺母柱、齿条和纵向导向变位有较大影响，而这些部位的相对变位又与船厢和平衡重荷载的施加顺序密切相关，因此不合理的施工顺序将会对升船机的正常运行产生不利影响。

本文根据中国水利水电科学研究院的仿真计算分析结果，通过分析先挂平衡重和船厢与后挂平衡重和船厢两种工况下螺母柱、齿条、纵向导向部位横河向、顺河向和竖向位移变化情况，研究出了合理的施工和设备安装顺序方案，并通过优化施工程序编制出合理的施工总进度，以期为三峡升船机船厢室的施工提供指导，确保三峡升船机船厢室的施工安全并满足升船机试运行要求。

2 总体施工程序研究

2.1 前期施工程序

塔柱结构浇筑至高程196.00m后便可进行螺母柱、齿条、纵导向轨等二期埋件安装及二期混凝土浇筑。

1）塔柱结构混凝土及一期埋件施工至高程196.00m（包括平衡重导轨宽槽施工）→齿条、螺母柱二期埋件、纵向导轨安装及二期混凝土施工→齿条、螺母柱安装→齿条、螺母柱预应力张拉。

2）4个塔柱筒体结构优先并同时浇筑上升，塔柱筒体结构高差不大于6m，筒体内板、梁及筒体外剪力墙、纵向联系梁随后跟进施工，相应部位混凝土滞后筒体混凝土至少1个月施工。

3）塔柱浇筑至高程196.00m且横向联系梁已浇筑完成后，开始齿条、螺母柱二期混凝土施工及二期埋件安装、纵导向轨二期混凝土及纵导向轨安装。

4）齿条、螺母柱二期混凝土及埋件施工完成后，进行齿条、螺母柱安装及间隙灌浆。

2.2 塔柱结构仿真变形分析

根据中国水利水电科学研究院的仿真计算分析工作[3，4]，分别研究了先挂平衡重和船厢与后挂平衡重和船厢对塔柱埋件结构部位变形的影响。计算结果选取184.00m、160.00m、123.00m、84.00m和58.00m高程作为典型点，以金属结构安装时刻为位移计算的起点。

2.2.1 横河向

先挂平衡重和船厢与后挂平衡重和船厢两种工况下螺母柱、齿条、纵向导向部位横河向位移包络值如图1～图3所示。以金属结构安装时刻为起点，先挂平衡重和船厢时，螺母柱的横河向位移包络值为-0.24～0.27 cm，齿条的横河向位移包络值为-0.18～0.21 cm，纵向导向的横河向位移包络值为-0.14～0.12 cm；后挂平衡重和船厢时，螺母柱的横河向位移包络值为-0.57～0.21 cm，齿条的横河向位移包络值为-0.50～0.10 cm，纵向导向的横河向位移包络值为-0.42～0.17 cm。先挂后挂两种工况下84m以上高程的螺母柱、齿条、纵向导向等部位横河向位移差异较大，后挂平衡重和船厢引起左右两侧塔柱向外侧臌出，其最大差值分别为0.34 cm、0.32 cm、0.37 cm，位于110.00～160.00m高程。

2.2.2 顺河向

先挂平衡重和船厢与后挂平衡重和船厢两种工况下螺母柱、齿条部位顺河向位移过程线分别如图4、图5所示。由位移过程线可以看出平衡重、船厢荷载先挂与后挂对塔柱顺河向位移影响不大。

2.2.3 竖向

图1 先挂工况与后挂工况螺母柱部位横河向位移包络图Fig.1 Envelope diagram of thenutdisp lacement in the direction across the river under hang condition and after hanging condition

图2 先挂工况与后挂工况齿条部位横河向位移包络图Fig.2 Hang condition linked toworking conditions and the rear partof the rack to the disp lacementenvelope Yokogawa

图3 先挂工况与后挂工况纵向导向部位横河向位移包络图Fig.3 Envelope diagram of the verticalguide disp lacement in the direction across the river under hang condition and after hanging condition

图4 先挂工况与后挂工况螺母柱部位顺河向位移过程线Fig.4 Envelope diagram of the nut displacement in the direction along the river under hang condition and after hanging condition

图5 先挂工况与后挂工况齿条部位顺河向位移过程线Fig.5 Hydrograph of the rack disp lacement in the direction along the river under hang condition and after hanging condition

先挂平衡重和船厢与后挂平衡重和船厢两种工况下螺母柱、齿条、纵向导向部位竖向位移包络值如图6～图8所示。以金属结构安装时刻为起点，先挂平衡重和船厢时，螺母柱的竖向位移包络值为-1.90～1.02 cm，齿条的竖向位移包络值为-1.96～1.18 cm，纵向导向的竖向位移包络值为-2.02～1.21 cm；后挂平衡重和船厢时，螺母柱的竖向位移包络值为-2.12～1.02 cm，齿条的竖向位移包络值为-2.15～1.18 cm，纵向导向的竖向位移包络值为-2.33～1.21 cm。因此，先挂、后挂两种工况下84m以上高程的螺母柱、齿条、纵向导向等部位竖向位移有一定差异，后挂平衡重和船厢引起塔柱下沉，其最大差值分别为0.29 cm、0.24 cm和0.41 cm，位于184.00m高程。

图6 先挂工况与后挂工况螺母柱部位竖向位移包络图Fig.6 Envelope diagram of the nutdisp lacem ent in the verticaldirection under hang condition and after hanging condition

图7 先挂工况与后挂工况齿条部位竖向位移包络图Fig.7 Envelope diagram of the rack displacement in the verticaldirection under hang condition and after hanging condition

图8 先挂工况与后挂工况纵向导向部位竖向位移包络图Fig.8 Envelope diagram of the verticalguide disp lacement in the verticaldirection under hang condition and after hanging condition

2.2.4 结果分析

根据中国水利水电科学研究院的仿真计算分析，后挂平衡重和船厢时，由平衡重和船厢荷载产生的变形需要叠加到螺母柱等部位的变形中去，因此，先挂、后挂两种工况下84.00m以上高程的螺母柱、齿条、纵向导向等部位横河向位移有一定差异，后挂平衡重和船厢引起左右两侧塔柱向外侧臌出，其最大差值分别为0.34 cm、0.32 cm和0.37 cm，位于110.00～160.00m高程。

平衡重与船厢的先挂与后挂对塔柱顺河向位移影响不大。

先挂、后挂两种工况下84.00m以上高程的螺母柱、齿条、纵向导向等部位竖向位移有一定差异，后挂平衡重与船厢引起塔柱下沉，其最大差值分别为0.29 cm、0.24 cm和0.41 cm，位于高程184.00m处。

2.3 调整后的施工程序

根据上述仿真计算分析，为减少塔柱变形对齿条和螺母柱安装精度的影响，确保升船机安全可靠运行，对三峡升船机齿条、螺母柱施工程序进行了如下重大调整。

较高高程的齿条、螺母柱及其二期埋件在塔柱承受全部船厢结构及其设备、水和平衡重的荷载之后进行安装。即：塔柱承重结构高程196.00m横向联系未形成前，齿条、螺母柱二期埋件开始安装和浇筑二期砼，完成量不超过1/2总高度；齿条和螺母柱开始安装、灌浆和预应力钢筋张拉施工，完成量不超过1/3总高度。塔柱承受全部船厢结构以及设备、水和平衡重的荷载之后，完成余下齿条、螺母柱及其二期埋件的施工，然后再进行升船机无水和有水调试。

总体施工程序为：塔柱结构混凝土及一期埋件施工，高程110.00m以下齿条、螺母柱及其二期埋件施工、纵导向轨道安装及二期混凝土施工→顶部桥机轨道及桥机安装、屋架安装→临时桥机、船厢结构及设备安装、平衡重挂装及船厢加载施工→高程110.00m以上齿条、螺母柱及其二期埋件施工→无水调试、有水调试、试运行。

3 优化后总体施工进度分析

3.1 先加载方案低高程螺母柱二期埋件安装高度

根据仿真计算分析，塔柱加载后，螺母柱、齿条、纵导向处的横河向最大变形值分别为3.4mm、3.2mm和3.7mm，最大变形部位发生在高程123.00～160.00m。综合考虑低高程采用300 t履带吊吊装，根据其起重特性，其吊装高度约60.00m。因此，塔柱加载前，螺母柱等二期埋件按安装至高程110.00m左右控制，螺母柱等安装至高程100.00m左右。