升船机施工安全控制技术研究

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随着我国水利水电工程的大规模建设，解决高坝快速通航问题显得尤为迫切。升船机在过坝时具有不耗水、过闸时间短等优点，是通航建筑的重要组成部分。升船机为超高层薄壁混凝土建筑物，现场施工点多、范围广、高差巨大而且存在交叉作业，给现场安全管理带来严峻挑战，在模板施工、金结施工、顶部梁系施工、高空作业平台施工等安全方面体现尤为明显，施工安全控制难度远超一般的水利水电工程。本文以三峡升船机工程为研究对象，围绕塔柱模板、金结设备安装操作平台、顶部混凝土梁系支撑系统、交叉作业等安全风险较为突出的方面，进行了一系列系统性的研究和技术应用，通过技术措施与安全管理措施并重的方式成功解决了上述问题。

1三峡升船机施工要求及技术措施

三峡升船机为齿轮齿条垂直爬升式升船机，通航规模为3000t级船队，建筑总高168.15m，塔柱墙体一般厚度为1m，属于超高层薄壁混凝土建筑物。升船机为混凝土建筑与金结设备的完美结合，为了满足升船机运行要求，对混凝土及金结安装精度要求极高：混凝土精度控制要求±5mm，金结安装精度控制要求不大于0.2mm，顶部横梁及平台板均为现浇钢筋混凝土结构，结构跨度及重量极大，且处于高悬空部位。同时，由于齿轮齿条爬升式升船机对于施工程序的特殊要求，金结施工需跟进土建施工进行，以保证金属结构的受力要求，从而形成多重立体交叉作业的情况。三峡升船机三维图见图1。针对以上要求，本文对三峡升船机施工安全控制问题展开研究，采用复杂结构塔柱群液压自升式模板安全施工技术、多功能高空作业平台安全施工技术、大跨度高位现浇混凝土贝雷架安全施工技术、升船机立体交叉作业风险控制技术等，通过应用这些技术措施，降低升船机施工安全风险。

2复杂结构塔柱群液压自升式模板安全施工技术

2.1模板选型三峡升船机塔柱类似房屋建筑的框架结构，既有剪力墙、筒体，还布置有楼梯及各种板梁、门窗洞等结构，结构复杂，混凝土精度控制要求达到±5mm以内，建筑总高度168.15m。混凝土精度要求高、且存在巨大高差，模板选型需兼顾安全与精度要求，同时还需满足快速提升、施工人员、施工材料、机械设备大面积铺开的要求。在模板选型阶段对滑模、悬臂模板和自升式悬臂模板三种方案进行了比选：1)滑模方案存在顶升系统同步性要求较高、支承杆易失稳等问题；2)悬臂模板方案存在依赖起吊设备、上升速度慢等问题；3)自升式悬臂模板结合了悬臂模板与自爬升模板的优势，虽然模板投入费用较高，但更加安全可靠，可实现自爬升，不占用起吊手段，大大降低了爬升过程中的安全隐患，适合对混凝土精度及施工进度控制要求较高的大型工程。模板为塔柱施工的主要依托工具，绝大部分的人员、材料、设备均在模板上展开工作，正确选择模板从源头上降低了各施工工序的安全风险。2.2模板及平台系统设计模板采用芬兰板+木围令的形式，之后采用横向及纵向的槽钢围令连接在爬架上，模板结构稳固、安全，芬兰板的混凝土成型效果好。鉴于升船机独特的薄壁结构，采用高强对穿螺杆对模板形成对拉，以承受混凝土浇筑时的压力，使得混凝土的压力仅靠对拉便予以解决，大大降低了结构受力安全隐患；平台的自爬升机构安全可靠，无需借助大型起吊设备及大量操作工人，大大降低了安全事故的发生概率[1]。平台系统设计为五层平台，能够满足钢筋绑扎、混凝土浇筑、模板安装及调整、自爬升装置操作、混凝土修补等要求。模板及平台系统见图2。

3多功能高空作业平台安全施工技术

3.1操作平台选型。三峡升船机为齿轮、齿条爬升式垂直升船机，齿条、螺母柱、平衡重、纵导向导轨等金结设备均为主体结构浇筑完成后跟进施工，施工部位多，安装高差大，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。操作平台需同时满足不同工序的作业空间、载荷、迫近距离要求，且需要快速完成各工序的作业转换。传统的满堂排架方案搭设工程量庞大，易发生垮塌，吊挂排架方案对排架自身的结构稳定要求、悬挂系统的受力要求较高，安全风险极大。为此，针对升船机的结构特点定制了多功能高空作业平台，摒弃了传统的高风险施工方案，大幅降低了安全管控的难度。3.2提升系统设计。纵导向导轨施工部位为完全开敞式结构、且无任何其它结构干扰，无交叉作业问题，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，因此，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，采取卷扬机提升式系统[2]。3.3操作平台设计。齿条、螺母柱分别为升船机的驱动系统及安全锁装置，对称布置于升船机四个塔柱的中部，根据结构特点，施工操作平台设计成L型，平台高6.5m，共3层，下挂电动吊篮，用以满足多个工作面同时工作的要求。设置卷扬机平台，布置5台卷扬机用于平台提升，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见图3。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2.1m×3.75m，高16m，共8层，可满足一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，电动葫芦轨道梁分两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。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，纵导向升降平台布置见图4、图5。

4大跨度高位现浇混凝土贝雷架安全施工技术

4.1支撑方案。三峡升船机在塔柱顶部布置有中控平台、观光平台和数根横梁等现浇混凝土结构，将塔柱连接形成整体结构，塔柱梁系为现浇钢筋混凝土结构，横梁高度2.75m，最大跨度25.8m，最大宽度2m，最重横梁重达354.75t，且处于离地146m的高空，施工支撑结构设计难度大，横梁结构见图6。图6横梁结构经过比选，预制梁整体吊装方案无法解决起吊重量限制的问题，整体式钢桁架梁方案无法解决起吊重量和技术要求的问题，实施困难。最终采用“贝雷架+排架”的支撑方式施工，由于贝雷架可分散拼装，解决了建塔起吊重量不够的问题，施工完成后，贝雷架可由厂家回收再利用，经济环保。由于贝雷架跨度大、自重大、承重要求高等特点，面临支座设计、起吊、自身结构稳定性等诸多问题。4.2薄壁墙体大荷载贝雷架钢结构支座。升船机为薄壁混凝土结构，墙体厚度均在1m左右，贝雷架单边最大支座反力达4830kN，且需设置在薄壁砼上，支座设计难度大，支座安全直接关系到整个支撑体系的安全。根据支座的受力要求及升船机的结构特点，研发了薄壁墙体大荷载贝雷架钢结构支座，见图7，钢结构支座通过高强度螺栓与埋件连接，安装时对高强度螺栓施加一定的预紧力，通过支座与埋件结合面的静摩擦力承受支座荷载，大大提高了支座的承载力[3]。4.3贝雷架支撑体系设计。贝雷架跨度为25.8m，所支承的横梁最重达354.75t，跨度大、承重大，且还需考虑起吊重量的限制，以及贝雷架自身的挠度及侧弯问题；同时，搭设在贝雷架上的排架还需考虑贝雷架的弯曲变形因素。这些因素造成整个贝雷架支撑体系面临极大的安全风险。考虑到横梁的结构特点、承载情况以及现场起吊手段，有针对性地提出了三排为单个单元组合形式以及“连接板+连接框”连接型式。贝雷架增设A型加强弦杆、水平连接框、斜杆外，在贝雷架上部设横向连杆，保证了支撑系统联合整体稳定。根据排架受力特点，研发了“浇筑大跨度混凝土梁用组合式贝雷架承重排架”，每根排架钢管均有专用的排架底座，防止钢管受贝雷架弯曲变形影响而移位或倾倒，在集中受力部位将钢管局部加密，布置多层水平剪刀撑，加强排架的侧向稳定。4.4贝雷架空中拼接技术。因贝雷架长度过大，重量较重，升船机现场起吊手段和起吊能力均不能满足整体直接吊装要求。需将2～3片贝雷架梁连接为一组作为一个起吊单元，采用两台建塔进行双机抬吊，将贝雷架吊装到位，然后在空中连接形成整体，见图8。经计算，每组贝雷架吊装单元重量均在建塔起吊能力范围内，抬吊重量按两建塔起吊能力的75%控制。在塔柱墙体贝雷架支撑体系下部设置了可移动的高空安全操作、隔离平台，解决了贝雷架梁高空安装过程中长度过长、自身变形大等难题，实现了贝雷架的空中连廊。

5升船机立体交叉作业风险控制技术

5.1升船机施工安全问题分析。升船机工程施工过程中存在着许多安全隐患，土建、金结设备安装、测量等工作同步开展，存在着多重立体垂直交叉施工，易发生高空坠落、物体打击、机械伤害等事故，大型设备的起吊、安装、运行与拆卸的过程会加大危害事件发生概率和加剧危害事件后果的严重程度。在这样的施工环境下，如何保障人身安全问题，如何保证精密、复杂的升船机运行设备在安装过程中不遭受物体打击，如何确保多种大型施工设备互不干扰地运行，如何进行有针对性、实效性的安全防控，都是亟需研究解决的问题。5.2立体交叉作业风险控制。安全组织结构在安全管理中起着重要的作用，是危险源控制措施得以实施的有效组织支撑。在分析三峡升船机立体交叉作业施工组织结构过程中，作业人员是主导因素，如何在立体交叉作业情况下建立合理的施工组织结构，对控制立体交叉作业危险源起着至关重要的作用。为了保证立体交叉作业能按照施工组织设计要求完成，制定组织结构模式时，应考虑项目部的职能部门对立体交叉作业施工项目的进度、质量、安全及现场管理等进行必要的检查。水力发电三峡升船机施工安全控制技术研究与应用三峡升船机工程组织结构的构建思路是组织结构中设置“一纵一横”两大管理层面，见图9，其中，“一纵”是指以项目相关各方、各施工单位、施工作业班组构成的生产执行轴；“一横”是指以项目经理、施工负责人、施工班组长构成的决策层，以及管理层、执行层构成的监督管理轴。建立了立体交叉作业协调管理机制：1)决策层根据三峡升船机的施工进度、施工要求、各个施工段的施工方案进行施工作业上层沟通，制定整体的交叉作业施工方案和信息沟通表，总体协调；2)管理层根据决策层制定的整体立体交叉作业施工方案与本单位施工内容相结合，与各个施工单位进行作业信息沟通，形成立体交叉作业协调管理信息流；3)执行层制定的每天施工的具体施工内容，融洽各个作业班组之间的交叉施工内容[4]。同时还采取了各类防护措施，在高空作业平台底部、塔柱顶部平台及横梁部位等存在物体打击风险的高危部位采取搭设全封闭平台防护的措施；在底部存在交叉作业风险的部位设置安全警戒线、安全哨；在船厢底板交通通道部位设置防护棚。通过以上立体交叉作业协调管理机制和防护措施，有效避免了安全事故的发生。

6结语

本文系统分析、总结了特大型升船机在施图9三峡升船机立体交叉作业组织结构工过程中的主要安全控制技术问题，从模板、操作平台、顶部梁系支撑系统、交叉作业等安全风险较为突出的方面进行了研究，并成功应用于三峡升船机工程，施工过程中未发生任何安全事故，升船机建设做到了安全、优质、高效，达到了各项高标准指标要求，有效降低了大型升船机施工过程中的安全风险，提高了施工效率。本文的研究思路和成果能够为今后的大型升船机施工提供借鉴。

参考文献：

[1]戴志清．三峡升船机液压自升式模板施工技术[J]．中国工程科学，2013，15(9)：22-26．

[2]马少甫．多功能高空操作平台施工研究与应用[J]．施工技术，2018，47(2)：84-87．

[3]朱俊杰，李士华．三峡升船机塔柱横梁支撑系统设计[J]．中国工程科学，2013，15(9)：64-69．

[4]王建平，聂本武，张丰宇，等．水利水电工程立体交叉作业安全管理执行传递机制设计[J]．中国安全科学学报，2014，24(6)：116-122．

作者:马少甫 单位:1.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司 2.中国能建工程研究院水电施工设计研究所