高壓輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌錨具槽優(yōu)化及免拆模板成槽技術(shù)研究

李曉克, 曹國(guó)魯,, 姚廣亮, 嚴(yán)振瑞, 丁新新,3, 趙順波

(1.華北水利水電大學(xué) 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046;2.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510635; 3.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045)

輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌施工依據(jù)內(nèi)槽口環(huán)錨預(yù)應(yīng)力技術(shù)體系[1-2]。內(nèi)槽口在襯砌混凝土澆筑時(shí)預(yù)留,為預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉和錨固以及環(huán)錨安放提供作業(yè)空間。預(yù)應(yīng)力施工完成后,內(nèi)槽口回填的混凝土成為環(huán)錨和槽口內(nèi)鋼絞線的保護(hù)體。因此,內(nèi)槽口在襯砌施工階段歷經(jīng)預(yù)留成型和混凝土回填工序,在襯砌運(yùn)行階段則須與襯砌主體結(jié)構(gòu)共同承受外部荷載作用。內(nèi)槽口施工質(zhì)量與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系的耐久性密切相關(guān),也關(guān)系到襯砌結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行,是襯砌施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵部位之一。

目前,我國(guó)已在多個(gè)水工隧洞工程中采用環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu),但在錨具槽成型與混凝土澆筑回填方面尚未形成統(tǒng)一技術(shù)方法[3]。在清江隔河巖水電站引水隧洞、天生橋一級(jí)水電站引水隧洞、南水北調(diào)中線工程穿黃隧洞、遼寧省大伙房水庫(kù)輸水隧洞和吉林省中部城市引松供水工程隧洞的襯砌工程中,均采用組合模板方式預(yù)留并成型錨具槽,施工過程中，還須在預(yù)應(yīng)力張拉施工前，對(duì)槽口內(nèi)壁混凝土進(jìn)行人工鑿毛處理并清除槽內(nèi)殘?jiān)黐1-5]。黃河小浪底水利樞紐工程排沙洞襯砌,采用裝配式鋼板錨具盒外貼泡沫塑料板成型錨具槽,具體方法為:當(dāng)澆筑的襯砌混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后,移除鋼板錨具盒、清除泡沫塑料板、人工鑿毛槽口內(nèi)壁混凝土并清除槽內(nèi)殘?jiān)黐1]。內(nèi)槽口回填混凝土一般采用與襯砌混凝土相同強(qiáng)度等級(jí)的無收縮或微膨脹混凝土。天生橋一級(jí)水電站引水隧洞襯砌錨具槽回填混凝土采用了鋼纖維混凝土。目前，既有工程多采用矩形口常規(guī)錨具槽,成型方式雖有所不同,但成型后均需模板拆除、槽壁鑿毛和殘?jiān)謇淼裙ば?。由于錨具槽內(nèi)已安裝鋼絞線,槽內(nèi)作業(yè)空間狹小,因此人工操作困難，致使質(zhì)量難以保證。同時(shí),因拆除模板產(chǎn)生廢棄聚苯乙烯泡沫板、槽壁鑿毛產(chǎn)生混凝土垃圾,造成了資源浪費(fèi)和施工環(huán)境污染。

此外,由于襯砌結(jié)構(gòu)的槽口區(qū)域處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),在鋼絞線張拉過程中,槽口角部易因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫[6]。由于槽口內(nèi)需進(jìn)行環(huán)錨安裝和定位、鋼絞線張拉和錨固等作業(yè),槽內(nèi)回填混凝土施工難度加大,易造成混凝土不密實(shí)、與襯砌混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度不足等缺陷,致使在運(yùn)行時(shí)混凝土出現(xiàn)裂縫而產(chǎn)生無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線保護(hù)油脂外滲現(xiàn)象,嚴(yán)重影響襯砌預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[7]。

珠江三角洲水資源配置工程穿越該區(qū)域核心城市群,在平均埋深40.00～60.00 m的地下空間建造[8]。干線工程單線盾構(gòu)隧洞內(nèi)徑為6.40 m,無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌厚度為0.55 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,為內(nèi)槽口環(huán)錨錨固體系。隧洞襯砌設(shè)計(jì)最大內(nèi)水壓力為1.30 MPa。由于隧洞內(nèi)水壓力高,已突破現(xiàn)有工程設(shè)置錨具槽的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值。本文在既有錨具槽設(shè)計(jì)與成型技術(shù)的基礎(chǔ)上,開展了高壓輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌錨具槽優(yōu)化與成型技術(shù)研究,成果為工程建設(shè)提供了重要技術(shù)支撐。

1 錨具槽設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 基本形狀和尺寸

一般情況下,錨具槽以矩形斷面為主。錨具槽長(zhǎng)度需滿足襯砌混凝土澆筑時(shí)鋼絞線能順利交疊放置于錨具盒內(nèi),還需滿足環(huán)錨錨塊定位后的鋼絞線穿過錨具限位板、偏轉(zhuǎn)器、千斤頂和進(jìn)行張拉錨固所需的最小空間。錨具槽最小寬度與高度需保證環(huán)錨在槽內(nèi)順利安放,并在錨塊兩側(cè)和底部與錨具槽內(nèi)壁間預(yù)留一定空間澆筑回填混凝土,且錨塊與襯砌內(nèi)表面的最小距離要滿足規(guī)范要求的最小混凝土保護(hù)層厚度[1-2]。錨具槽尺寸的確定以滿足預(yù)應(yīng)力張拉施工為前提,不宜加大,盡量減小內(nèi)槽口對(duì)其周圍襯砌混凝土受力狀態(tài)的不利影響。

1.2 形狀和尺寸優(yōu)化

錨具槽形狀優(yōu)化的基本原則:①滿足張拉需求的最小尺寸,以有利于減少槽口附近局部應(yīng)力集中現(xiàn)象為目標(biāo)。為此,錨具槽為沿環(huán)向進(jìn)行變寬度設(shè)計(jì),寬面長(zhǎng)度以保證張拉千斤頂不接觸襯砌混凝土為基本條件，寬度滿足環(huán)錨錨塊安放需求。錨具槽窄面長(zhǎng)度和寬度以滿足張拉端鋼絞線安放需求為基本條件，寬面至窄面采用45°角過渡。②回填混凝土與槽口內(nèi)壁為可靠嵌固黏結(jié)。槽口側(cè)壁向槽口內(nèi)傾斜形成縮口,以利于對(duì)回填膨脹性混凝土形成約束。對(duì)槽口側(cè)壁進(jìn)行鑿毛處理,以利于提升黏結(jié)界面的嵌固質(zhì)量[9-10]。按此原則設(shè)計(jì)的錨具槽如圖1所示,其環(huán)向展開圖和徑向剖面圖如圖2所示。

圖1 錨具槽布設(shè)(單位:mm)

圖2 錨具槽的尺寸

錨具槽尺寸計(jì)算公式為:

lc=lc1+lc2，

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

bc2=bmk+25，

(6)

dc=hm+c+hg。

(7)

式中:lc、lc1和lc2分別為錨具槽的長(zhǎng)度、環(huán)錨錨板厚度中心到錨固端錨具槽內(nèi)表面的距離和環(huán)錨錨板厚度中心到張拉端錨具槽內(nèi)表面的距離；tm和Δlp分別為環(huán)錨錨板的厚度和鋼絞線在錨固端的張拉伸長(zhǎng)量；hd、lz和ld分別為張拉鋼絞線時(shí)錨夾片限位板的厚度、偏轉(zhuǎn)器的弧線長(zhǎng)度和張拉千斤頂需要夾持的鋼絞線長(zhǎng)度；lg、lzt和ly分別為錨具槽側(cè)模板寬面端直線長(zhǎng)度、張拉鋼絞線時(shí)偏轉(zhuǎn)器在錨具槽的投影長(zhǎng)度和延長(zhǎng)筒在錨具槽的投影長(zhǎng)度；bc1、bc2分別為錨具槽的寬端面寬度、窄面端寬度；bm、bmk分別為環(huán)錨錨板的寬度、最外側(cè)兩孔間的寬度；hm、hg分別為環(huán)錨錨板的高度和環(huán)錨錨板到錨具槽底部的垂直距離；α為模板側(cè)面與底面的夾角；dc為錨具槽的高度；c為混凝土保護(hù)層厚度。

2 錨具槽成型技術(shù)

2.1 錨具槽預(yù)制裝配式免拆模板設(shè)計(jì)

2.1.1 裝配式免拆模板組裝方案

裝配式免拆模板采用混凝土分片預(yù)制,厚度為20 mm,通過內(nèi)大外小的榫形卡口相互咬合形成錨具槽。裝配成型后的錨具槽是一個(gè)上寬240 mm、下寬185 mm的弧形槽體,如圖3所示。

2.1.2 裝配預(yù)制部件

錨具槽裝配預(yù)制部件包括:①沿襯砌環(huán)向的側(cè)模板。其為直線形下邊、下凹弧線形上邊、水平折線形長(zhǎng)邊的等厚度預(yù)制板,其兩端和下邊設(shè)置榫形卡口,如圖4(a)所示。②沿襯砌環(huán)向的底模板,為變截面等厚度平板,沿四周設(shè)置榫形卡口,如圖4(b)所示。③寬面端模板。其按照張拉端鋼絞線位置布設(shè)穿線孔,兩側(cè)和底邊設(shè)置榫形卡口,頂邊設(shè)置水平沿,如圖4(c)所示。④窄面端模板。其按照固定端鋼絞線位置布設(shè)穿線孔,兩側(cè)和底邊設(shè)置榫形卡口,頂邊設(shè)置水平沿,如圖4(d)所示。

圖4 槽口模板預(yù)制件(單位:mm)

預(yù)制模板連接采取楔口插入連接方式,不需要其他輔助件即可實(shí)現(xiàn)可靠連接。待預(yù)制模板通過榫形卡口連接完成錨具組裝后,采用襯砌構(gòu)造用鋼筋固定其設(shè)計(jì)位置,待穿入鋼絞線后,采用如圖5所示的變寬度等厚弧形頂面鋼模板嵌入封口。待襯砌混凝土澆筑成型后,拆除頂面鋼模板,即可得錨具槽。待襯砌混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求，按工序開展后續(xù)的鋼絞線張拉及錨固施工。

圖5 預(yù)制弧形頂面鋼模板(單位:mm)

2.2 模板制作

2.2.1 模板材料的選用

為了保證免拆模板預(yù)制成型質(zhì)量,選取鋼纖維輕質(zhì)混凝土、自密實(shí)鋼纖維混凝土、混雜纖維細(xì)骨料混凝土和超高韌性細(xì)石混凝土進(jìn)行了可行性研究。鋼纖維輕質(zhì)混凝土具有自重小、抗裂性好的優(yōu)點(diǎn),但模板成型過程中因原材料密度差異較大易出現(xiàn)輕骨料上浮和鋼纖維下沉的問題[11-13]。自密實(shí)鋼纖維混凝土具有無振搗自流平成型、高延性、高抗拉強(qiáng)度和強(qiáng)抗裂性能的優(yōu)點(diǎn),但鋼纖維用量較高才能滿足模板預(yù)制對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗裂性能的要求[14-16]?；祀s纖維細(xì)骨料混凝土具有良好的抗裂性能[17-19]。超高韌性細(xì)石混凝土具有高強(qiáng)度、高韌性的優(yōu)點(diǎn)[20-22]。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比,超高韌性細(xì)石混凝土更適用于制作厚度僅為20 mm的錨具槽預(yù)制裝配式免拆模板,以使錨具槽具備足夠的強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能。

2.2.2 模板表面處理

為了保證模板內(nèi)表面與回填混凝土界面、外表面與襯砌混凝土的黏結(jié)性能,需要對(duì)模板表面進(jìn)行粗糙化處理[10]。在超高韌性細(xì)石混凝土初凝前,采用鋼絲刷對(duì)模板內(nèi)表面進(jìn)行毛化處理,使其形成粗糙面。模板外表面則采用在制作鋼模上預(yù)留刻槽的方式形成凹形條帶,增大錨具槽預(yù)制裝配式免拆模板與襯砌混凝土的界面嵌固力和有效黏結(jié)界面面積[10,23],如圖6所示。

圖6 錨具槽模板外表面效果圖

2.3 裝配式免拆模板錨具槽的工程應(yīng)用

裝配式免拆模板錨具槽在珠三角水資源配置工程高水壓輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌工程中得到了成功應(yīng)用。如圖7所示，通過在錨具槽兩側(cè)及端部的襯砌混凝土內(nèi)布置15個(gè)應(yīng)變計(jì)(編號(hào)如圖7(b)所示)對(duì)錨具槽口周圍混凝土的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉后和槽內(nèi)回填混凝土后實(shí)測(cè)的混凝土應(yīng)力值見表1。

圖7 預(yù)制裝配式錨具槽的工程應(yīng)用實(shí)例

由表1可知,錨具槽的上端面(應(yīng)變計(jì)2、3、4、13)和下端面(應(yīng)變計(jì)10、11、12、15)的環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,且在錨具槽四角的混凝土環(huán)向壓應(yīng)力大于相應(yīng)端面中間點(diǎn)的應(yīng)力。同時(shí),在角部的應(yīng)變計(jì)5和9測(cè)得沿隧道軸向的混凝土拉應(yīng)力,說明錨具槽角部存在混凝土應(yīng)力集中現(xiàn)象。在槽內(nèi)回填混凝土后,槽端面混凝土環(huán)向壓應(yīng)力有所減小,但沿隧道軸向的拉應(yīng)力有所增大。由于拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.64 MPa,滿足施工階段錨具槽區(qū)域襯砌混凝土拉應(yīng)力設(shè)計(jì)控制要求。其他沿隧洞軸向布置在槽側(cè)邊的應(yīng)變計(jì)均測(cè)得混凝土應(yīng)力為拉應(yīng)力,且在槽內(nèi)回填混凝土后有增大趨勢(shì)。在實(shí)測(cè)拉應(yīng)力已超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的位置,理論上將出現(xiàn)裂縫,但在檢查襯砌混凝土后沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。在經(jīng)過充水加壓試驗(yàn)后,用裂縫探測(cè)儀檢測(cè)這些位置處也未發(fā)現(xiàn)裂縫。這表明選用的混凝土強(qiáng)度具有一定的保證率,用于實(shí)際襯砌混凝土在抗裂性能方面是可靠的。

表1 襯砌混凝土實(shí)測(cè)應(yīng)力值與計(jì)算應(yīng)力值

將該技術(shù)與常規(guī)錨具槽成型技術(shù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明:襯砌混凝土澆筑裝配式免拆模板錨具槽采取單片預(yù)制、外側(cè)成槽的生產(chǎn)工藝,將其安裝于襯砌部位,所需安裝時(shí)間短、方便快捷,施工質(zhì)量易于保證,且端模板兼具鋼絞線精確定位功能;襯砌混凝土澆筑后,免拆模板錨具槽和襯砌混凝土形成整體,提高了槽壁因拉應(yīng)力集中現(xiàn)象而沿角部開裂的抵抗能力。此外,因避免了模板拆除、槽壁鑿毛、殘?jiān)謇淼裙ば?切實(shí)提高了施工效率,降低了成本,為營(yíng)造無廢渣、無揚(yáng)塵的清潔施工環(huán)境起到了積極作用。

3 結(jié)論

1)針對(duì)高壓輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌施工,在既有常規(guī)錨具槽周圍襯砌混凝土局部應(yīng)力、回填混凝土與襯砌混凝土整體性等問題研究的基礎(chǔ)上,以滿足預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉錨固為優(yōu)化條件,設(shè)計(jì)了一種沿環(huán)向變截面、沿徑向縮口形預(yù)制裝配式免拆錨具槽。

2)明確了預(yù)制裝配式免拆錨具槽的預(yù)制部件細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)和組裝成型工藝。采用超高韌性細(xì)石混凝土預(yù)制模板部件組裝成型的錨具槽在工程原型試驗(yàn)中得到了成功應(yīng)用。

3)裝配式免拆模板錨具槽可抵抗槽口拉應(yīng)力集中而降低襯砌混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn),有利于提高施工效率、降低工程成本,避免了由于槽壁鑿毛處理而產(chǎn)生廢棄混凝土,可顯著改善施工環(huán)境。