在水电工程施工领域, 金属结构设备的安装及二期混凝土施工等作业通常在主体结构浇筑完成后跟进施工, 需有专门的操作平台进行作业。多功能高空作业施工操作平台相较于传统的吊挂排架及满堂排架施工方法, 以其安全稳定、便于施工、提升便捷等优势成为二期设备安装、二期混凝土施工的首选。

三峡升船机为齿轮齿条爬升、长螺母柱、短螺杆安全机构、全平衡垂直升船机, 过船规模为3 000t级、最大提升高度为113m、最大提升质量为15 500t, 是目前世界上规模最大、技术难度最高的升船机^[1]。在三峡升船机的施工中, 齿条、螺母柱、平衡重、纵导向导轨等金属结构设备均为主体结构浇筑完成后跟进施工, 施工部位约42处, 安装高度为130m左右, 均需土建、机电、金结、测量各专业配合施工, 工艺、工序关系复杂。塔柱筒体与二期埋件安装、二期混凝土、机电设备安装、PAGEL灌浆施工形成多重立体交叉作业工况, 对于操作平台有着较高要求^[2], 升船机三维模型如图1所示。

针对以上情况, 对多功能高空作业施工操作平台展开研究, 根据不同部位的不同要求设计了自爬升式、电动葫芦提升式、卷扬机提升式3种提升系统控制升降平台的上升和下降, 进行金属结构一期埋件缝面处理及钢筋污染清理、二期金属结构埋件吊装及调校、立模及混凝土浇筑、三期机电设备安装及灌浆, 极大地缩短了金属结构埋件与土建施工转序时间, 加上一整套严格的安全检查程序, 确保了高空施工人员安全、升船机多工序高空作业转序施工要求和施工安全。

可供选择的提升方式有:自爬升式、电动葫芦提升式、卷扬机提升式3种方式。3种方式各有优劣, 其中在使用方面自爬升式为最优方式, 转换速度快、使用便捷, 但对周边结构环境要求较苛刻, 且费用也最高;卷扬机提升式需有专门的卷扬机平台, 卷扬机平台为封闭式的大型平台, 会对其他施工产生干扰;电动葫芦提升式需有可布置电动葫芦轨道梁的混凝土结构, 电动葫芦提升式与卷扬机提升式二者价格相近。

纵导向导轨施工部位为完全开敞式结构且无任何其他结构干扰, 无交叉作业问题, 故采取自爬升式系统;平衡重所处的平衡重井为封闭式结构, 适合布置电动葫芦轨道梁, 且轨道梁不占空间, 不影响设备吊装及其他施工, 故采取电动葫芦提升式系统;齿条、螺母柱所处部位为开敞式的凹槽结构, 不适合布置电动葫芦轨道梁, 故采取卷扬机提升式系统。

齿条、螺母柱分别为升船机的驱动系统及安全锁装置, 对称布置于升船机4个塔柱中部, 根据结构特点, 施工操作平台设计成L形, L边尺寸为9.55m×13.45m, 平台高6.5m, 共3层, 下挂电动吊篮, 以满足多个工作面同时工作的要求。由于施工高差过大, 卷扬机平台分2次布置在塔柱的中部高程和顶部高程, 在平台上布置5台卷扬机, 其中齿条升降平台采用2台卷扬机提升, 螺母柱升降平台采用3台卷扬机提升, 施工升降平台就位后顶部采用4个3t的手拉葫芦固定, 并设置4根吊挂连墙杆作为保险装置。为满足施工人员交通以及螺母柱二期埋件工装加固需要, 在齿条、螺母柱部位的升降平台之间布置交通爬梯。齿条、螺母柱施工操作平台布置如图2所示。

平衡重为升船机的平衡系统, 布置于升船机的16个平衡重井内, 操作平台平面尺寸设计为3.15m×2.1m, 高16m, 共8层, 可满足1节轨道的安装和一节轨道的二期混凝土施工同时进行的要求, 由于施工高差过大, 电动葫芦轨道梁分2次布置在塔柱的中部高程和顶部高程, 平台工作时采用多个硬支撑及手拉葫芦固定在墙面预先埋设的吊点上。平衡重吊挂平台布置如图3所示。

纵导向升降平台为自爬升式升降平台, 操作平台平面尺寸设计为6.0m×4.45m, 高6.98m, 共3层, 依靠附墙式爬架及自升系统进行爬升, 平台工作时需进入锁定状态, 保证平台具有相当的承载力, 纵导向施工操作平台布置如图4所示。

在地面将提升平台分为3部分拼装, 拼装3个平台的支撑牛腿。将牛腿组件吊装到结构面上, 用M48螺栓固定, 将提升平台吊装在牛腿上, 用螺栓和焊接方式将提升平台的3个部分连接为整体。最后将卷扬机及控制系统安装在平台上。

在齿条、螺母柱底部的船厢底板上搭设数个1m高支座用于施工平台拼装, 将上层平台拼为一体、下层平台拼为一体, 将下层平台吊放在底板事先搭好的支座上;将上层平台吊起距平台下层2.05m高度处, 拼装中间层支撑, 利用螺栓将上、下层连接紧固;依次安装导向滚轮、上层翻转踏板、上层周围栏杆。

将卷扬机钢丝绳采用2倍率形式放下, 卷扬机分别起吊升降的各个吊点, 采用同步控制方式将平台提升到所需高程, 利用手拉葫芦及调整拉杆将升降平台固定在筒体墙上, 松开卷扬机钢丝绳但不卸下钢丝绳, 作为升降平台保险。

电动葫芦在航槽底板采用16t起重机拼装成整体, 利用塔式起重机吊入平衡重井内安装部位附件, 再利用手拉葫芦辅助就位, 然后进行负荷试验, 试验完成后投入运行。

施工平台在航槽底板采用16t起重机拼装成2个8m高吊装单元, 先利用塔式起重机将底部吊装单元吊入平衡重井内底板上, 再利用塔式起重机将上部吊装单元吊入平衡重井内并与底部单元进行连接, 最后由电动葫芦吊至施工部位进行附墙连接工作, 施工平台就位后顶部采用4个3t的手拉葫芦固定并设置4根吊挂连墙杆作为保险装置, 平台下部设置限位固定装置。

在基础部位钻孔, 浇筑固定好地脚螺栓, 利用起重机将升降平台的基本部分起吊后安装在事先浇筑好的混凝土基础上, 并将主、副底架利用螺栓连接好。安装驱动架和标准节, 之后通电试运行, 确保各个动作准确无误后, 将下限位碰块和下极限碰块安装好, 以防平台撞底。进行导轨架接高及附着架的安装作业, 继续进行升降平台的接高作业, 直到需要的工作高度。

多功能高空施工操作平台安装完成后在投入运行前必须通过空载、额定荷载、1.1倍荷载、1.25倍静荷载试验, 纵导向升降平台还需进行防坠试验, 试验完成并按检查表检验无异常后方可使用。

1) 操作卷扬机, 将卷扬机钢丝绳勒紧后停止 (将钢丝绳保险状态调整为提升状态) 。

2) 解除平台下层调整拉杆上端与墙体的固定螺栓, 将调整拉杆上端收回的铁丝捆绑在升降平台立柱上。

3) 解除平台上层调整拉杆下端与平台的连接螺栓。

4) 提升平台, 解除上层调整拉杆与墙体的固定螺栓、解除手拉葫芦链条上端与墙体的固定螺栓, 将上层调整拉杆及手拉葫芦放在平台上。

5) 继续提升平台上升到施工部位以上2~3m处, 停止卷扬机。

6) 将上层调整拉杆的上端、手拉葫芦链条上端固定在墙体上, 下放平台到施工部位。

7) 将上层调整拉杆的下端利用螺栓与平台连接, 将下层调节拉杆分别与墙体和平台连接。

8) 收紧手拉葫芦链条、卷扬机钢丝绳 (将钢丝绳由提升状态调整为保险状态) 。

1) 齿条二期埋件施工 提升平台就位→对一期混凝土缝面处理、钢筋污染处理 (完成后转序给金结) →二期埋件吊装, 进行测量、调校、定位 (完成后转序给土建) →提升升降平台到下一个仓位就位→土建备仓 (绑扎钢筋、立模、验收) →混凝土浇筑、凝期、模板拆除 (完成后转序给金结) →二期埋件混凝土后清理与复测→下一个循环。

2) 螺母柱二期埋件施工 提升平台就位→对一期混凝土缝面处理、钢筋污染处理、U形筋焊接 (完成后转序给金结) →二期埋件吊装, 利用手拉葫芦将二期埋件固定在一期钢筋上→拆、装埋件固定工装→二期埋件精确调整、复测 (完成后转序给土建) →备仓 (绑扎钢筋、同时埋件验收、前一仓的混凝土后复测、立模) →验收、混凝土浇筑、水平缝面处理、凝期、模板拆除 (完成后转序给金结) →二期埋件混凝土后清理与复测→下一个循环施工。

1) 齿条三期设备安装施工 提升平台就位→齿条吊装并初步定位→安装样架、放点、进行测量、调校、穿螺杆张拉、精确定位、验收 (完成后转序给土建) →齿条与二期埋件间的钢筋网安装、立模、压水测漏、复测→进行PAGEL灌浆、凝期、拆模 (完成后转序给金结) →齿条复测、利用升降平台下挂建筑吊篮对前一仓齿条预应力钢筋安装及张拉→下一个循环施工^[3]。

2) 螺母柱三期设备安装施工 提升平台就位→螺母柱吊装→提升升降平台到下一个仓位就位→螺母柱精确调整、定位、验收 (完成后转序给土建) →扎钢筋、立模、压水侧漏, 同时螺栓紧固、复测→进行PAGEL灌浆、凝期、拆模→预应力钢筋安装及张拉→下一个循环施工

1) 单个平衡重轨道部位配置1个型钢施工平台, 平台尺寸为3.15m×2m×16m (长×宽×高) , 平台内部设置层高2m的工作平台, 满足土建打毛、钢筋绑扎、立模、混凝土浇筑、金属结构埋件焊接、测量放样需要。平台最下面一层设置外伸防护平台, 兼作平衡重轨道节间焊缝操作平台。施工平台利用平衡重导轨安装设置的电动葫芦轨道梁及电动葫芦进行垂直高度的提升。

2) 在平台轨道侧、航槽侧各设置3层滚轮方便平台上升。其中平衡重轨道侧中间一层滚轮设置成可折叠形式以满足工装提升要求。对于剪力墙部位的提升平台, 航槽侧平台上设置5层滚轮连接点, 确保滚轮能够支撑在纵向连梁混凝土面上。

3) 施工平台就位后, 顶部采用4个3t的手拉葫芦固定并设置4根吊挂连墙杆作为保险装置。

4) 平衡重单个吊挂施工平台额定总限载30k N, 顶部平台可承受25k N荷载, 其余层平台单层限载3k N, 单个16m高施工平台总限载30k N。施工荷载要求均匀分布在各层施工平台。

5) 在试验方案的基础上加大平台连接钢板尺寸, 增加与平台杆之间的焊缝长度, 保证施工安全。

6) 将施工平台上的交通爬梯布置位置错开, 并加大爬梯口尺寸, 方便施工人员通行。

7) 为满足垂直交通及测量需要, 在平衡重轨道外侧布置竖向封闭钢爬梯, 钢爬梯20m左右设置1层休息平台, 爬梯利用筒体一期混凝土预留的多卡锚锥作为固定点。

1) 升降平台使用前, 进行运行前检查, 确保运转正常时方可开始使用。

2) 纵导向施工操作平台为自爬升式平台, 专人操作运行, 根据施工需要上升到施工部位, 并锁定。

3) 升降平台荷载分2种工况 (1) 施工工况:每个升降平台荷载8k N, 2个升降平台2×8k N; (2) 浇筑工况:每个升降平台荷载30k N, 严禁超载运行。

1) 摒弃了传统的金属结构与土建在高空作业同步进行时搭设排架施工方法, 将金结与土建因转序而导致的不停地拆装排架转为简单的升降平台来满足金结与土建施工, 相应编制了一整套安全管理规定并配置专业的操作人员及现场监控和管理体系, 减轻了施工人员劳动强度, 确保了安全施工, 开创了高空、凹槽金结、土建同步施工新工艺。配置了一套行之有效的现场管理体系, 提高了生产率, 确保了安全施工。

2) 开创了新的施工工艺, 确保了金结埋件施工精度及埋件二期混凝土浇筑质量。

3) 在保证精度及质量的前提下, 缩短金结与土建同步施工时间, 最大程度地减少了人工及排架材料投入, 节约了施工成本。

4) 施工平台有着可靠的提升系统和锁定装置, 及成熟的安装、运行、拆除工艺, 安全可靠, 降低了安全风险。

5) 施工平台根据不同部位的不同要求合理配置了吊挂平台的提升系统, 分别采用了卷扬机提升系统、电动葫芦提升系统、自爬式提升系统, 既提高了工作效率, 又最大程度地减少了资源投入、减少了工期成本。

多功能高空作业施工设施从2011年8月在三峡升船机投入使用, 已完成了齿条、螺母柱、平衡重、纵导向导轨的二期埋件施工、三期设备安装及二期混凝土浇筑。达到了各项高标准要求, 使施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态, 施工质量、安全生产、文明施工等得到业主、设计单位及监理单位的高度评价, 工程质量优良率>97%, 无安全生产事故发生。

本技术综合性地解决了水电工程金属结构设备的安装及二期混凝土施工中的操作平台设计、安装、拆除过程中的一系列技术难题, 圆满地解决了不同高程上各道工序的同时施工及施工部位快速转换的要求, 确保了金结与土建转序施工间的顺利进行、缩短了施工工期, 并最大程度地降低了安全风险, 对类似工程具有非常高的借鉴意义。