特大城門型水工隧洞快速襯砌施工技術(shù)

丁 善 鋒， 羅 文 廣

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概況與背景

巴塘水電站是金沙江上游河段十三級開發(fā)的第九級，以發(fā)電為主。電站裝機(jī)750 MW，為二等大(2)型工程。導(dǎo)流洞斷面為城門洞型，是有壓洞，開挖斷面15.6 m×17.5 m(寬×高)，開挖斷面面積258 m3，襯砌厚度1.1～1.8 m，襯砌后尺寸為12 m×14 m(寬×高)，為特大型斷面的水工隧洞。本工程導(dǎo)流洞受“白格堰塞湖”和2020年“新冠疫情”等因素影響，要實(shí)現(xiàn)2020年底導(dǎo)流目標(biāo)，并需預(yù)留導(dǎo)流洞過流質(zhì)量監(jiān)督、安全鑒定和驗(yàn)收時間，工期很緊。

現(xiàn)階段國內(nèi)特大型水工隧洞邊頂拱混凝土采用穿行式臺車襯砌，月高峰強(qiáng)度10倉，主要受制于端模封堵時間、入倉持續(xù)時間和頂拱脫模時間。巴塘導(dǎo)流洞平均高程2 485 m，巴塘導(dǎo)流洞混凝土襯砌時段為2020.06～2020.10，正值夏秋季節(jié)，隧洞內(nèi)氣溫高22 ℃，混凝土強(qiáng)度上升快，有利于頂拱脫模。

巴塘導(dǎo)流洞標(biāo)準(zhǔn)段混凝土77倉，兩套穿行式鋼模臺車，月平均需完成混凝土襯砌8倉。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)常規(guī)混凝土施工方法月平均襯砌7～8倉，2020年6月僅完成6倉，襯砌進(jìn)度不滿足導(dǎo)流目標(biāo)要求，為達(dá)到導(dǎo)流目標(biāo)要求，混凝土襯砌需在5個月內(nèi)完成。

2 快速施工需研究的問題

(1)受導(dǎo)流洞進(jìn)出口不良地質(zhì)條件影響，進(jìn)出口工作面均不具備作為交通通道的條件，施工支洞下支洞為導(dǎo)流洞和泄洪放空洞施工的唯一交通通道。底板和邊頂拱混凝土如何快速同向襯砌施工，必須對交通通道規(guī)劃、混凝土襯砌工藝開展技術(shù)研究，找到科學(xué)有效的方法。

(2)導(dǎo)流洞底板混凝土襯砌后，需對底板成型混凝土開展車輛通行保護(hù)措施分析研究并制定可行措施。

(3)導(dǎo)流洞洞徑大于10 m，根據(jù)模板規(guī)范[1]規(guī)定“洞徑不大于10 m的隧洞頂拱混凝土強(qiáng)度可按達(dá)到5.0 MPa控制，洞徑大于10 m 的隧洞頂拱混凝土拆模強(qiáng)度應(yīng)通過計算及試驗(yàn)復(fù)核”。需開展邊頂拱脫模時間技術(shù)研究，確保頂拱混凝土結(jié)構(gòu)自穩(wěn)。

3 工程措施

目前國內(nèi)特大型水工隧洞用常規(guī)方法邊頂拱混凝土襯砌，月平均量是7～8倉，月高峰強(qiáng)度為10倉。從混凝土全工序進(jìn)行分析制約導(dǎo)流洞襯砌速度的主要因素有：邊頂拱鋼筋運(yùn)輸和安裝、端模封堵和澆筑持續(xù)時間、工序銜接和邊頂拱待強(qiáng)脫模時間等。為有效控制各工序持續(xù)時間，減少混凝土施工關(guān)鍵線路項目或工序，改善水工隧洞文明施工形象差的現(xiàn)象，巴塘公司制定了一系列相應(yīng)措施。

3.1 底板分幅襯砌與保護(hù)

3.1.1 底板分幅襯砌

本工程導(dǎo)流洞襯砌后斷面尺寸為12.0 m×14.0 m，隧洞上下游混凝土分別由起點(diǎn)和終點(diǎn)樁號向施工下支洞方向襯砌，襯砌通道僅有施工支洞下支洞。全幅底板和邊頂拱混凝土采用同步同向襯砌，底板超前邊頂拱混凝土不宜大于5倉。因頂拱鋼筋轉(zhuǎn)運(yùn)占底板混凝土施工直線工期，因此，頂拱混凝土澆筑泵管布置受到一定影響，導(dǎo)致相互干擾和制約，容易窩工。

由于導(dǎo)流洞工期緊，任務(wù)重，為加快隧洞襯砌施工進(jìn)度，經(jīng)多次襯砌工藝研討，底板采用左右半幅襯砌，鋼筋直接由汽車吊吊運(yùn)至已襯砌半幅底板上(見圖1)，邊頂拱混凝土同步同向緊跟底板襯砌(見圖2)。右半幅底板(邊墻按設(shè)計澆筑，與底板形成“L”墻結(jié)構(gòu))先襯砌，左半幅底板為交通通道，中部設(shè)一處2倉全幅底板暫不澆筑，用于車輛調(diào)頭和錯車。在先襯砌半幅底板滿足通行后，鋪筑無砂混凝土形成交通通道，再襯砌另半幅底板混凝土。

3.1.2 成型底板施工及保護(hù)措施

圖1 隧洞混凝土施工工序示意圖

圖2 隧洞混凝土澆筑順序圖

導(dǎo)流洞襯砌后底板寬度為12.0 m，采取左右分幅襯砌，左右半幅均滿足車輛通行要求。成型底板作為交通通道需采取保護(hù)措施：

(1)澆筑低標(biāo)號混凝土，但待強(qiáng)時間久，拆除難度大。

(2)鋪設(shè)土工膜+砂礫石(或骨料)，以滿足立即車輛通行要求，但易出現(xiàn)車轍溝保護(hù)失效。

(3)鋪設(shè)土工膜+鋪筑無砂混凝土，鋪筑24 h后滿足車輛通行要求，拆除簡便，透水性強(qiáng)，不易形成路面積水，在國內(nèi)海綿城市建設(shè)和透水管中已廣泛應(yīng)用。

(4)導(dǎo)流洞成型底板混凝土采取鋪設(shè)一層土工膜+10 cm無砂混凝土保護(hù)工藝。無砂混凝土在底板混凝土澆筑7天后鋪筑，先人工鋪設(shè)12.0 m寬土工膜，兩側(cè)各預(yù)留2.0 m排水溝，中部8.0 m鋪筑無砂混凝土。模板采用工字鋼或槽鋼，驗(yàn)收合格后由自卸汽車運(yùn)輸，人工輔助倒退式鋪筑，平整后采用小型電動夯夯實(shí)，鋪筑4小時后灑水養(yǎng)生。

3.2 邊頂拱鋼筋安裝措施

底板分輻施工解決了邊頂拱鋼筋占直線工期問題，為避免鋼筋制約邊頂拱襯砌進(jìn)度。本工程建設(shè)有2座鋼筋加工廠，其中1號鋼筋加工廠建筑面積1 750 m2，布置2臺門式起重機(jī)，一期獨(dú)立用于導(dǎo)流洞工程約3 200 t鋼筋制作，鋼筋制作強(qiáng)度滿足安裝進(jìn)度要求。鋼筋制作前，需合理規(guī)劃和計算鋼筋下料長度、接頭位置和接頭連接方式，鋼筋臺車設(shè)計結(jié)構(gòu)和作業(yè)層要高度有利于作業(yè)人員安裝。邊墻和頂拱鋼筋由“雞公吊”吊運(yùn)至鋼筋安裝臺車，再由人工安裝，較傳統(tǒng)人工用滑輪吊運(yùn)速度大幅提高。邊墻鋼筋接頭選用正絲直螺紋套筒連接，頂拱鋼筋接頭選用正反絲直螺紋套筒。鋼筋安裝臺車與混凝土襯砌臺車同軌設(shè)計，減少軌道重復(fù)鋪設(shè)和固定，為隧洞邊頂拱混凝土快速襯砌創(chuàng)造了條件。

3.3 施工工藝再造應(yīng)用

本工程導(dǎo)流洞兩側(cè)邊墻端頭模板高度為11.0 m×2，頂拱端頭模板長度為15.9 m，端頭模板封堵施工是穿行式臺車精確定位后占直線工期的重要工序，為壓縮混凝土全工序持續(xù)時間，施工人員提出施工工藝再造技術(shù)，即端頭模板封堵一次驗(yàn)收優(yōu)化為兩次安裝和驗(yàn)收。首倉邊頂拱混凝土不采用該技術(shù)，在第二、第三倉施工過程中詳細(xì)記錄邊墻端模封堵和頂拱端模封堵持續(xù)時間，以及邊墻混凝土澆筑持續(xù)時間。經(jīng)過3～4倉固化施工工藝的使用，及作業(yè)人員對施工工藝熟練過程，逐倉增加二次驗(yàn)收端頭模板面積，直到二次驗(yàn)收擴(kuò)大至全頂拱端頭模板。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析，邊墻混凝土澆筑持續(xù)時間較頂拱端模封堵持續(xù)時間長，具備采用施工工藝再造技術(shù)條件。

模板臺車精確定位后，啟動臺車端頭模板封堵施工，端頭模板封堵采用自下而上對稱施工。端頭模板封堵工藝完成后，再進(jìn)行邊墻封堵，但須待倉位驗(yàn)收合格后開倉澆筑。封堵完成，申請二次端頭模板驗(yàn)收，該工藝每循環(huán)節(jié)約工期約4～6 h。

3.4 邊頂拱脫模時間

經(jīng)查閱資料[3]小灣導(dǎo)流洞斷面尺寸16.0 m×19.0 m頂拱脫模時間為24 h，白鶴灘導(dǎo)流洞斷面尺寸18.0 m×20.0 m頂拱脫模時間大于24 h。同流域的葉巴灘水電站導(dǎo)流洞12.0 m×14.0 m頂拱脫模時間16 h。

本工程導(dǎo)流洞凈跨12.0 m大于規(guī)范規(guī)定的洞徑10.0 m，其頂拱脫模時間不同于小型洞室，在借鑒類似工程的基礎(chǔ)上，根據(jù)模板規(guī)范規(guī)定其頂拱混凝土拆模時間應(yīng)進(jìn)行計算和試驗(yàn)復(fù)核，以控制頂拱脫模時間。規(guī)范和模板臺車廠家技術(shù)要求，邊頂拱混凝土入倉上升速度不大于1.5 m/h，兩側(cè)邊墻混凝土高差不大于0.5 m，即入倉澆筑時間不具備壓縮條件。為將邊頂拱混凝土澆筑持續(xù)時間控制在16～20 小時，襯砌厚度1.1 m和1.3 m時，1臺HBT-80C型臥泵利用溜槽對稱入倉，1臺臥泵備用；襯砌厚度1.5 m和1.8 m時，2臺HBT-80C型臥泵對稱入倉；實(shí)際統(tǒng)計邊墻混凝土澆筑需9～11 h ，頂拱混凝土澆筑需7～9 h。

3.4.1 邊頂拱混凝土結(jié)構(gòu)受力計算[4]

初步確定頂拱脫?；炷翉?qiáng)度，依據(jù)混凝土抗壓與抗拉強(qiáng)度關(guān)系估算最優(yōu)脫?；炷磷钚】估瓘?qiáng)度(表1～2)。

表1 各截面應(yīng)力計算成果表

表2 各強(qiáng)度等級混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度表[5]

由表2可知，C30混凝土fck/ftk=10，在頂拱混凝土脫模強(qiáng)度低于30 MPa時，即30 MPa標(biāo)準(zhǔn)的混凝土fck/ftk<10。

① 表1(y=r+yh)時，邊墻軸向力最大值為640.37 kN。

結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.2，邊墻厚1.3 m，按單寬1.0 m。

即，混凝土脫模最低強(qiáng)度=1.2×640.37 kN÷(1.3 m×1.0 m)=0.59 MPa

② 表1(α=0)時，頂拱混凝土內(nèi)緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，σ內(nèi)拉應(yīng)力值為0.224 MPa。

為確保頂拱脫模時，頂拱混凝土不坍塌、未下沉變形和出現(xiàn)裂縫等，頂拱混凝土抗拉強(qiáng)度最小值應(yīng)大于內(nèi)緣應(yīng)力σ內(nèi)。fck/ftk按10取值計算，結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.2。

即，混凝土最低強(qiáng)度為1.2×10×0.224 MPa=2.7 MPa。

③ 表1(y=r+0.75yh處)時，邊墻內(nèi)緣出現(xiàn)拉應(yīng)力,σ的內(nèi)拉應(yīng)力值為0.830 4 MPa。

即，邊墻混凝土最低強(qiáng)度為1.2×10×0.830 4 MPa=9.96 MPa。

在頂拱混凝土強(qiáng)度滿足要求時，邊墻混凝土待強(qiáng)時間為16 h+頂拱混凝土澆筑7～9 h，約為24 h，其邊墻混凝土強(qiáng)度大于10 MPa，滿足要求。

3.4.2 邊頂拱混凝土不同齡期試塊

選取導(dǎo)流洞前三倉邊頂拱混凝土不同齡期6組試塊，分別將12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、24 h試塊同條件養(yǎng)護(hù)，并準(zhǔn)確記錄取樣時間、養(yǎng)護(hù)時間、環(huán)境溫度。不同齡期同條件養(yǎng)護(hù)試塊混凝土抗壓試塊抗壓強(qiáng)度檢測成果見表3：

表3 各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計表

由表3顯示，同齡期24 h混凝土試塊抗壓強(qiáng)度不低于10.0 MPa，16 小時混凝土試塊抗壓強(qiáng)度不低于5.9 MPa，頂拱端模側(cè)回彈檢測強(qiáng)度不低于6.4 MPa，滿足頂拱混凝土脫模最小強(qiáng)度要求。初步確定邊墻脫模時間不小于24 h，頂拱脫模時間不小于16 h。

3.4.3 邊頂拱脫模試驗(yàn)

首倉混凝土頂拱18 h后脫模，脫模后由測量人員進(jìn)行頂拱下沉測量，頂拱無下沉；第2倉17 h后脫模，頂拱無下沉；第3倉16 h后脫模，頂拱無下沉。根據(jù)葉巴灘導(dǎo)流洞脫模經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范要求和計算成果，邊墻脫模時間為24 h，頂拱脫模時間為16 h。

3.5 工序管理及臺車共軌設(shè)計

端頭模板采用施工工藝再造技術(shù)，使持續(xù)時間得到有效壓縮。混凝土全工序持續(xù)時間最長的兩個工序?yàn)榛炷寥雮}和頂拱混凝土待強(qiáng)持續(xù)時間，施工中采取措施控制在32～36 h?？焖偈┕た刂乒ば蜚暯訒r間是關(guān)鍵，須安排專人協(xié)調(diào)管理，務(wù)必在上道工序完成后，立即啟動下道施工工序，避免因協(xié)調(diào)管理問題浪費(fèi)工序銜接時間。

在軌道鋪設(shè)時，應(yīng)嚴(yán)格控制軌道鋪設(shè)誤差，左右誤差宜在±2 cm內(nèi)，以減少模板臺車定位左右調(diào)節(jié)次數(shù)，同時，避免模板臺車左右調(diào)節(jié)造成搭接部位混凝土的破壞。在模板臺車就位后，用全站儀測設(shè)定位隧道頂拱中線，再精確調(diào)節(jié)模板臺車的左右和上下油缸，使臺車頂拱中線與隧道中線重合為止。啟動邊墻模板液壓油缸使模板下邊緣與矮邊墻緊密貼合，最后依次旋緊邊墻模板各層千斤頂，完成臺車就位和精確定位，持續(xù)時間不大于4 h。

4 結(jié) 語

本工程導(dǎo)流洞底板混凝土表面采用鋪設(shè)土工膜+10 cm無砂混凝土保護(hù)，消除了洞內(nèi)灌漿階段文明施工較差的現(xiàn)象。底板和邊頂拱襯砌施工工藝的優(yōu)化，不僅解決了底板與邊頂拱混凝土相互制約的難題，也解決了邊頂拱鋼筋運(yùn)輸占直線工期的難題，實(shí)現(xiàn)了隧洞混凝土快速襯砌。單套穿行式臺車月襯砌邊頂拱混凝土創(chuàng)下15倉的記錄，月平均完成12倉，較首月襯砌速度提高了71 %。實(shí)踐證明，鋪設(shè)土工膜+無砂混凝土有效保護(hù)底板混凝土表面質(zhì)量，改變了傳統(tǒng)水工隧洞施工形象差現(xiàn)象。本工程優(yōu)化隧洞底板和邊頂拱施工工藝，利用“施工工藝再造”壓縮倉位準(zhǔn)備時間，實(shí)現(xiàn)穿行式臺車快速襯砌邊頂拱的經(jīng)驗(yàn)值得類似工程借鑒。