有壓隧洞預應力混凝土襯砌工藝的研究與應用

孔祥春 遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順市 113007

有壓隧洞預應力混凝土襯砌工藝的研究與應用

孔祥春 遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順市 113007

有壓隧洞預應力混凝土施工面臨施工不便和環(huán)形支撐的不利條件，施工難度較大。本文通過大伙房水庫輸水工程的實踐，總結了有壓隧洞預應力混凝土襯砌施工的關鍵工藝。介紹了開挖斷面的確定、全圓混凝土襯砌一次成型、鋼筋束定位以及無黏結預應力筋的張拉等關鍵工藝；可供從事有壓隧洞施工的工程技術人員參考。

有壓隧洞；工藝；研究

1 問題的提出

為解決遼寧中部地區(qū)水資源短缺問題，遼寧省在十一五期間興建了大伙房水庫輸水工程。輸水工程是由一期的85.4km的隧洞和二期的25.5km隧洞以及260km的管線組成，隧洞施工占總工程量的比重較大，而且隧洞施工受地質(zhì)及工藝條件的限制，施工難度較大，客觀上要求我們必須對施工藝進行改進。

隧洞工程位于遼寧省東部丘陵向遼河平原的過渡帶，隧洞埋深較淺，圍巖風化嚴重，溝壑密集，地下水發(fā)育不良地址段比例大，Ⅳ～V類圍巖比例達44%。這種地質(zhì)特點不但加大了隧洞開挖難度，而且對有壓隧洞的受力狀態(tài)極端不利，所以采用了雙層雙圈無黏結后張法預應力混凝土襯砌。而此設計結構在我國目前尚無成熟的施工工藝，因此我們成立了專題研究小組進行攻關——即大伙房水庫二期輸水工程中，有壓隧洞預壓力混凝土襯砌的工藝研究與應用。

2 工藝研究的主要內(nèi)容

2.1 隧洞開挖斷面的確定

隧洞設計為圓形斷面。由于采用鉆爆法施工，考慮施工的可能性（出渣，噴錨，綁扎鋼筋，澆筑混凝土等交通需要），必須先將開挖斷面設計為馬蹄形，待一期支護完成后，用帖角混凝土將馬蹄形修成為接近圓形，才可以進行預應力混凝土襯砌，這樣可保證襯砌厚度的均勻性，同時也就保證了預應力的均勻性。

2.2 應用全圓針梁模板臺車使襯砌混凝土一次成型

全圓針梁模板臺車的特點是，將全圓模板支撐在針梁上，針梁的支撐柱立在混凝土澆筑面外，這樣可以做到整個12m澆筑段全圓襯砌一次完成，沒有施工縱縫；保證了襯砌的整體性，提高了抗拉能力。

2.3 鋼絞線的編束與定位

圖1 錨具槽平面布置圖

預應力鋼絞線的長度，排列、位置是需要非常準確的，而且還要保證在施工中不變形、不移位、這樣才能保證后期張拉的安全和混凝土預加壓力的均勻性，是預應力施工的關鍵環(huán)節(jié)。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗，我們總結出了鋼絞線廠家定尺，洞外編束，架立筋定位，用F型托架固定的施工流程；確保了混凝土澆筑時鋼絞線不走形，不變位，保證了后期張拉的安全與質(zhì)量。

2.4 錨具槽的位置、尺寸和拆裝結構

錨具槽是預應力張拉的部位，它的位置要便于后期預應力張拉，錨具防腐與錨具槽的回填。此外更重要的還要考慮布置的均勻性，不能過于影響預應力分布的規(guī)律性。

最后將錨具槽位置定位于反拱中心40°夾角，兩側布置；槽長130cm、寬20cm、槽深22cm間距38.6cm。由于錨具槽數(shù)量太多（約27510個）(見圖1)。

為經(jīng)濟和快速施工，采用了拆裝式鋼模板結構。

2.5 預應力混凝土襯砌參數(shù)確定實驗

施工前在劉山出口選擇兩個洞段（每段12m）進行實驗，埋設了錨鎖測力計，鋼筋應力計、混凝土應變計、混凝土表面應變計、測縫計、土壓力計等，目的是通過實驗確定預應力筋張拉時與管壁的摩擦系數(shù)、張拉端偏轉(zhuǎn)器摩阻損失、預應力筋的各級拉力下的伸長值以及預應力筋安全的分級張拉程序等。

通過實驗測定的預應力筋張拉時與管道壁的摩擦系數(shù)μ=0.0533～0.0551，μ的平均值為0.0544，千斤頂和整體變角器的摩阻測試損失不大于9%，預應力張拉荷載以拉力為主，伸長值校核為輔。張拉程序為左側錨具槽0～50%設計荷載；右側錨具槽0～100%設計荷載；左側錨具槽50%～100%設計荷載，經(jīng)過實測在張拉應力為1.03бcon (即設計應力)預應力筋實測伸長值為：內(nèi)層237.9mm、外層244.1mm、平均值241.0mm,作為施工控制值。

2.6 鋼絞線與錨具夾片硬度合理匹配試驗

根據(jù)邱姆錨具公司提供環(huán)錨塊厚度100mm，進行了錨具夾片的硬度匹配實驗。目的是鋼絞線預應力筋的鎖定是靠錨具夾片將鋼絞線咬死，其關鍵是鋼絞線與錨具夾片硬度匹配，夾片的硬度要大些才能咬住鋼絞線后不滑絲，但夾片的硬度不能過大，否則可能將鋼絞線咬斷，而使預應力失效。經(jīng)過多次的實驗，確定鋼絞線與夾片的硬度的合理匹配值為100:110～100:115。

2.7 無黏結預應力筋的張拉

無黏結預應力筋張拉，是預應力混凝土襯砌的關鍵性工藝環(huán)節(jié)。

首先是設備選用與校正，所選的千斤頂和整體變角器的磨阻測試損失不得大于9%，張拉千斤頂采用穿心式雙作用千斤頂，額定張拉噸位為張拉力的1.2～1.5倍，張拉前應進行校正。

在混凝土強度達到設計強度的100%時，襯砌回填灌漿與阻水灌漿結束后，方可進行預應力鋼絞線束的張拉，張拉以一個襯砌段（12米）為一個作業(yè)單元。

張拉一般要求：最大的拉應力不宜大于 0.75fptk（fptk=1860Mpa）即1395Mpa，鎖定前錨具處每束錨索的張拉力為1150kN；鎖定后錨具處每束錨索的張拉力為1100kN。

張拉荷載主要以控制拉力為主，伸長值校核為輔。張拉應均勻加荷，加載速度按無黏結筋應力增100Mpa/Min的速度為宜。張拉起始應力為0.1～0.2 бcon(設計應力）達到1.03бcon為止，且滿足伸長要求時進行錨固。

全部張拉鎖定后24小時，經(jīng)檢查無滑絲后，即可進行防腐及回填。

2.8 錨具與鋼絞線防腐

錨具與鋼絞線防腐是確保工程耐久性至關重要的環(huán)節(jié)，如果只依靠錨具槽二期混凝土回填來進行對錨具與鋼絞線的防腐，可能由于一、二期混凝土結合質(zhì)量整體性較差，形成水的滲透通道，而腐蝕錨具與鋼絞線，此外二期混凝土為非預應力區(qū)，是整個預應力體系的薄弱部位，承受內(nèi)水壓力時產(chǎn)生拉應力，經(jīng)分析二期混凝土可能出現(xiàn)結合縫隙與受拉裂縫而導致滲水，影響錨具與鋼絞線的使用壽命。

基于上述原因，我們采用了內(nèi)部封錨防護技術，確保無黏結預應力體系的安全與耐久性。

防腐材料采用的是SLF-2型高分子液體環(huán)氧涂料，其主要工藝流程：鋼絞線表面除油，除銹，固定密封灌注套管 — 調(diào)配SLF雙組分涂料 — 高壓無氣設備灌注—養(yǎng)護。

2.9 錨具槽回填

錨具槽回填采用微膨脹C40混凝土，膨脹量控制在1.0～2.0×10-4。 回填混凝土前，將槽內(nèi)鑿毛處理，用高壓水清除浮渣，在槽壁涂刷混凝土黏結劑，以保證新老混凝土接合良好，外露的回填混凝土表面必須抹平壓光。

3 結論

大伙房水庫輸水二期工程經(jīng)過4年6個月緊張施工，于2010年8月已全部完成，并通過了水利部安全鑒定與驗收，目前大伙房水庫的水已輸送到營口。

通過我們的研究與實驗，對有壓隧洞預應力混凝土襯砌，總結出了一套技術先進，操作安全，質(zhì)量保證，經(jīng)濟合理的施工方法與工藝，是繼黃河小浪底水庫泄洪洞之后，第二個成功的范例，為我國今后有壓隧洞預應力混凝土的使用與推廣，起到示范作用。

[1]水工隧洞設計規(guī)范.SL279-2002

[2]無黏結預應力混凝土結構技術規(guī)范.JGJ92-2004

[3]錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范.GB50086-2001

[4]水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范.SL62-1994

[5]水工混凝土施工規(guī)范.DL/T5144-2001

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.046

孔祥春，遼寧省撫順市人，高級工程師，在遼寧省大伙房水庫管理局從事工程管理工作。