水工隧洞襯砌底板防碾壓保護(hù)層混凝土保護(hù)技術(shù)研究

王 雷

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213）

0 前 言

在我國的水電站建設(shè)項(xiàng)目中，“邊開挖、邊襯砌，先底板、后頂拱”的施工方式在國內(nèi)水電工程隧洞施工中使用不多，多數(shù)工程采用10 mm厚度的鋼板與橡膠帶結(jié)合的方式保護(hù)成品混凝土，少數(shù)工程采用澆筑混凝土保護(hù)層加橡膠墊層的方式，雖然已有相關(guān)專利被申請，但其施工方法較為復(fù)雜，工序較多，實(shí)際施工過程不太方便，因此我們采用一種工序更簡單的混凝土成品保護(hù)技術(shù)：底板混凝土保護(hù)技術(shù)。

1 工程概述

涼山州木里河固增水電站工程引水隧洞總長約11 km，縱坡i為2.0795‰，引水隧洞襯砌后斷面尺寸6.1 m×7.8 m，隧洞斷面采用馬蹄型斷面形式，用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖洞段襯砌厚度分別為0.30 m、0.40 m和0.60 m，典型斷面形式見圖1。

為加快工程進(jìn)度，在保證工程質(zhì)量的前提下，總承包項(xiàng)目部決定對底板混凝土采取保護(hù)措施，保護(hù)措施主要有以下幾種：（1）在澆筑成型的底板上鋪筑3 m寬、8 mm厚度的鋼板；（2）在澆筑成型的底板上鋪筑3 m寬草墊，在新澆混凝土上鋪5 mm厚度的鋼板；（3）在底板混凝土中間澆筑3 m寬、5 cm厚的保護(hù)層混凝土，混凝土層間鋪筑塑料隔膜，便于后期拆卸。三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：第一種方案，整個(gè)引水隧洞工程需要3.9萬m2、厚度為8 mm的鋼板，約145萬元的成本，鋼板折舊后，能回收約45萬，本方案總成本約100萬，此方案雖然施工速度快，但鋼板吊裝麻煩，并且比較容易造成鋼板對底板混凝土的沖擊破壞；第二種方案，鋪4.4萬m2的草墊，成本大約在44萬，加之運(yùn)行過程草墊容易損毀，最終總成本達(dá)到60萬，但是此方法洞內(nèi)交通條件不太好，且洞內(nèi)文明施工較差；第三種方案，需要澆筑2 000 m3墊層混凝土，總成本約60萬，此方法施工速度稍慢，但洞內(nèi)文明施工條件較好，兩側(cè)低洼處正好是過水通道，路面長期保持干燥。

結(jié)合工程實(shí)際情況，項(xiàng)目部最終決定采用第三種方案，洞內(nèi)環(huán)水保整齊，后續(xù)拆拆方便，成本總體最省。

圖1 引水隧洞斷面布置示意（單位：mm）

2 技術(shù)實(shí)施方法

2.1 保護(hù)層混凝土技術(shù)的內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，需要對5 cm厚保護(hù)層混凝土進(jìn)行如下內(nèi)容的技術(shù)探討：5 cm厚保護(hù)層混凝土的配合比、強(qiáng)度以及通車時(shí)間的研究；塑料隔膜的厚度及材質(zhì)對底板混凝土質(zhì)量，以及后續(xù)拆除方便的影響；5 cm厚保護(hù)層對已澆筑的底板混凝土質(zhì)量的影響。

2.2 研究及實(shí)施過程

2.2.1 5 cm厚保護(hù)層混凝土的配合比、強(qiáng)度以及通車時(shí)間的研究

5 cm保護(hù)層混凝土最不利的工況見圖2，需要計(jì)算混凝土罐車時(shí)，混凝土的最低強(qiáng)度。

圖2 保護(hù)層混凝土最不利工況示意

根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算公式得出：

式中，δ為保護(hù)層混凝土承受應(yīng)力值；G為罐車自重分配到單輪的重量?？紤]12 m3罐車在滿載時(shí)自重50 t，一共10個(gè)輪胎受力，考慮單輪受力為5 t，所以G=50 kN；f為罐車驅(qū)動摩擦力，f=μ×G，μ取0.2，則f=0.2×50 kN=10 kN；L為輪胎壓地長度，根據(jù)實(shí)測，L取17 cm；W為輪胎寬度，根據(jù)實(shí)測，W為25 cm；w為保護(hù)層混凝土厚度，取5 cm。由此得出：

再適當(dāng)考慮1.5的安全系數(shù)，為滿足過車要求，保護(hù)層混凝土強(qiáng)度不小于3.55 MPa。

為了保證工程進(jìn)度，預(yù)計(jì)固增電站隧洞開挖施工平均月強(qiáng)度80 m。由于襯砌稍微滯后，所以底板襯砌的施工速度應(yīng)該大于85 m／月（以滿足混凝土襯砌能夠及時(shí)跟上洞挖施工）。

由于保護(hù)層混凝土的通車時(shí)間決定了通車剛棧橋的拆除時(shí)間，也決定了下一倉底板混凝土的施工啟動時(shí)間，所以盡快滿足通車要求，是保護(hù)層混凝土施工的關(guān)鍵。

根據(jù)以下底板作業(yè)循環(huán)時(shí)間（見表1），得出可供保護(hù)層混凝土等強(qiáng)的常規(guī)時(shí)間只有24 h。

表1 底板施工循環(huán)時(shí)間

經(jīng)過以上分析，擬定了C10、C20、C30三種強(qiáng)度的配合比，如表2所示。為保證混凝土抹面平整，統(tǒng)一采用一級配混凝土。通過配合比試驗(yàn)測定上述三種配合比標(biāo)養(yǎng)混凝土的24 h強(qiáng)度。

通過試驗(yàn)，得到以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表3），由表3數(shù)據(jù)得出C10混凝土作為保護(hù)層理論上是可行。

根據(jù)實(shí)測洞內(nèi)外溫差（見圖3）和C10混凝土現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度情況（見圖4），考慮洞內(nèi)由于施工活動導(dǎo)致的溫升有利于混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，表2中配合比為C10的一級配混凝土作為隧洞底板混凝土保護(hù)層就能夠滿足快速施工要求。

表2 擬采用混凝土配合比設(shè)計(jì)

表3 實(shí)測各配合比混凝土標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

2.2.2 塑料薄膜的厚度及材質(zhì)對底板混凝土質(zhì)量以及后續(xù)拆除的影響

模擬洞內(nèi)塑料薄膜的工況，規(guī)劃以下現(xiàn)場試驗(yàn)。

試驗(yàn)方案：模擬洞內(nèi)潮濕、有水的環(huán)境，在澆筑20～30 cm厚度的地坪混凝土完成后12 h，鋪筑0.014 mm、0.08 mm、0.12 mm塑料薄膜。模擬實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示。

圖3 施工保護(hù)層混凝土?xí)r環(huán)境溫度變化曲線

圖4 現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度增長實(shí)測曲線（單位：MPa）

選取在3號支洞洞內(nèi)25 m樁號，實(shí)施上述試驗(yàn)。在其上澆筑上述確定的保護(hù)層混凝土，等強(qiáng)36 h后，測定保護(hù)層混凝土強(qiáng)度，并過50 t的混凝土罐車碾壓20次。28 d后，用裝載機(jī)將保護(hù)層混凝土拆除，觀察以下內(nèi)容：

（1）地坪混凝土是否會因?yàn)槲床捎贸Ｒ?guī)養(yǎng)護(hù)手段造成開裂。

（2）是否有因薄膜損壞引起的兩層混凝土擴(kuò)散，導(dǎo)致拆除表層混凝土?xí)r造成底板混凝土缺陷。

（3）在拆除表層混凝土?xí)r，裝載機(jī)是否會對底板混凝土造成刮痕缺陷。

（4）薄膜鋪筑是否會對底板混凝土的混凝土抹面質(zhì)量造成影響。

（5）現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)的未能預(yù)計(jì)到的問題。

圖5 保護(hù)層混凝土現(xiàn)場模擬試驗(yàn)布置

2.2.3 5 cm厚保護(hù)層對于已澆筑的底板混凝土質(zhì)量的影響

通過上述現(xiàn)場試驗(yàn)，多次碾壓保護(hù)層混凝土（不少于20次／d），在保護(hù)層混凝土拆除后，觀察以下內(nèi)容：

（1）底板混凝土的外觀，并取芯試驗(yàn)測定其強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）對比鋪有保護(hù)層混凝土和未鋪保護(hù)層混凝土的底板混凝土外觀差異情況。

試驗(yàn)段混凝土澆筑完成28 d后，對保護(hù)層混凝土進(jìn)行了拆除。試驗(yàn)后，待驗(yàn)證的內(nèi)容試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 薄膜厚度差異和保護(hù)層混凝土對底板混凝土質(zhì)量的影響試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語

采用5 cm厚的C10混凝土作為隧洞襯砌底板的過車保護(hù)層，0.08 mm薄膜作為混凝土分隔層，能夠滿足隧洞襯砌底板的施工質(zhì)量要求，底板施工理論循環(huán)時(shí)間3.75 d，底板施工理論月循環(huán)次數(shù)8次。成果適用邊界條件：

（1）隧洞底板主要交通設(shè)備為3 m3斗容裝載機(jī)，25 t自卸汽車。通過實(shí)際試驗(yàn)，履帶式設(shè)備建議在保護(hù)層混凝土等強(qiáng)3天以后再通過，以確保保護(hù)層混凝土不被履帶震裂。

（2）洞外溫度不低于本工程外溫，實(shí)際上由于隧洞未能貫通，隧洞掌子面的溫度，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測一般都在14℃以上，在借鑒此技術(shù)成果時(shí)，也可以適當(dāng)考慮隧洞較深處的實(shí)際溫度。

（3）混凝土各種原材料品質(zhì)、等級對結(jié)果有一定的影響。

（4）循環(huán)時(shí)間清底、立模、鋼筋綁扎有關(guān)聯(lián)，有一定的提升空間。

（5）經(jīng)濟(jì)效益與各類材料的實(shí)際價(jià)格有關(guān)，需要成果使用人根據(jù)實(shí)際情況重新計(jì)算。

（6）當(dāng)?shù)装逍枰^履帶式挖掘機(jī)或者輪胎綁鏈條裝載機(jī)時(shí)，則應(yīng)配置一套12 m長、5 mm厚鋼板作為新澆筑保護(hù)層混凝土的防應(yīng)力集中保護(hù)板。

本工程采用的5 cm保護(hù)層混凝土保護(hù)技術(shù)解決了水工隧洞“邊挖邊襯”過程中對底板混凝土的保護(hù)問題，提高了水工隧洞施工速度，減少了二襯間隔時(shí)間，降低了水工隧洞施工安全風(fēng)險(xiǎn)，使工程能夠順利進(jìn)行。這樣既保證了工程質(zhì)量，加快了工期，又提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益。