襯砌混凝土全自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)在特大斷面導流洞中的應(yīng)用

侯 樹 芃， 龔 澤 鵬， 李 召 杰， 王 國 陽

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

拉哇水電站位于金沙江上游河段四川省和西藏自治區(qū)的界河上，是金沙江上游河段十三級開發(fā)的第八級電站，屬一等大(Ⅰ)型工程，電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下廠房等建筑物組成，總裝機容量2 000 MW。大壩施工采用隧洞導流方式，2條導流洞布置于右岸，洞軸線中心距35m。導流洞布置平面呈微S型。①導流洞標準斷面尺寸17 m×19 m(寬×高)，其中洞身結(jié)構(gòu)段長2 126.75 m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.7～3 m；②導流洞標準斷面尺寸為7.5 m×8 m(寬×高)，其中洞身結(jié)構(gòu)段長2 208.95 m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5～2 m。工程規(guī)模大，其中①導流洞屬特大型襯砌斷面，且過流期長，過流流速高。

2 傳統(tǒng)襯砌混凝土養(yǎng)護方式存在的問題

在特大斷面導流洞混凝土襯砌施工過程中，傳統(tǒng)襯砌混凝土養(yǎng)護方式存在諸多不足：

(1)灑水覆蓋不均勻，導流洞斷面過大，頂拱較高，無法全面進行養(yǎng)護；

(2)人工操作效率低，無法控制灑水量，導致水資源浪費大，養(yǎng)護過程中形成的污水橫流，文明施工形象差；

(3)溫度無法控制，水溫與養(yǎng)護面溫差大，易導致襯砌混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響襯砌混凝土質(zhì)量；

(4)噴淋管路布置需要打插筋，影響隧洞外觀形象，且補水困難，需要灑水車時刻補水。

養(yǎng)護灑水系統(tǒng)需運行簡便、自動進行，以降低操作難度，減少人工參與，節(jié)約施工資源，因此，為提高隧道襯砌施工質(zhì)量，避免混凝土由于養(yǎng)護不及時發(fā)生裂縫，又能有效控制灑水速度，研究出養(yǎng)護專用設(shè)備尤為關(guān)鍵。

3 全自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

通過多次在施工現(xiàn)場組織勘察，提出了將養(yǎng)護設(shè)施做成如同鋼模臺車覆蓋整個養(yǎng)護斷面的想法。參建各方迅速成立“全自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)”專項研發(fā)小組，根據(jù)導流洞襯砌臺車確定出養(yǎng)護控制系統(tǒng)的尺寸。行走系統(tǒng)利用兩側(cè)排水溝，極大限度保護了已襯砌底板的混凝土，臺車骨架采用鍍鋅鋼管來提升養(yǎng)護系統(tǒng)的使用壽命。2021年2月，全自動灑水養(yǎng)護控制系統(tǒng)已具雛形，首次在導流洞得到成功應(yīng)用。

全自動灑水養(yǎng)護控制系統(tǒng)具體方案為：通過兩臺動力馬達帶動滾輪移動，兩側(cè)共四臺馬達將行走系統(tǒng)串聯(lián)在一起，并在行走系統(tǒng)平臺上各焊接一個2 m3水箱，水箱底部接一根水管(帶控制閥)連接增壓泵，沿著導流洞襯砌面30 cm處設(shè)置兩條直徑30 mm、長60 m的焊接鋼管，兩條鋼管通過交錯鋼筋焊接加固，鋼管沿混凝土面一側(cè)每50 cm設(shè)一個噴水孔，通過增壓泵將水箱里的水壓送至鋼管，達到噴水養(yǎng)護的目的，以保證噴淋灑水均勻，使水能全覆蓋噴灑在混凝土面上。

襯砌混凝土全自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)貼近襯砌面，不占用通道，通過PLC控制驅(qū)動系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，電動馬達帶動行走平臺，實現(xiàn)自動行走[2]。通過控制增壓泵，實現(xiàn)灑水自動化，當水箱里的水低到一定程度時，通過浮球控制增壓泵停止工作，關(guān)閉閥門，水箱加水，同時啟動另一個水箱工作，保證了自動灑水工作的連續(xù)性。此裝置避免了由于養(yǎng)護不到位出現(xiàn)混凝土裂縫，又減少人工的投入，改善工作面文明施工形象，有效地保障了混凝土養(yǎng)護期的質(zhì)量。

養(yǎng)護系統(tǒng)運行過程中，得到多方面指導，不斷改進。2021年3月，提出了在全自動灑水養(yǎng)護控制系統(tǒng)上增加補水系統(tǒng)和溫控裝置系統(tǒng)的方案。補水方式由原來灑水車給水箱供水優(yōu)化為導流洞供水系統(tǒng)補水。2019年12月，承包人根據(jù)導流洞工程各部位施工用水需求及結(jié)合現(xiàn)場實際地形，充分考慮泵站選址、水池布置、管道敷設(shè)等實際情況，擬定導流洞工程總體供水布置方案，并于2020年2月建設(shè)完工。采用導流洞供水系統(tǒng)補水，解決了原水箱容量小、單次噴淋結(jié)束后補水困難的問題，補水優(yōu)化后單次補滿水箱僅需30 s，可供襯砌面全面養(yǎng)護500 m，保障了混凝土養(yǎng)護連續(xù)不間斷。在養(yǎng)護臺車抽水泵后安裝溫控裝置，通過實時測量導流洞洞內(nèi)溫度和水溫溫差，實時控制溫差在15 ℃以內(nèi)[3]，保障了導流洞襯砌混凝土質(zhì)量。

4 全自動養(yǎng)護控制施工工藝

(1)在準備工作中，要認真閱讀設(shè)計圖紙，選取適用圖紙的自動噴淋管道尺寸，噴淋管道應(yīng)盡量貼合二次襯砌內(nèi)輪廓[4]；根據(jù)隧道斷面尺寸合理采取增壓泵的功率，在施工現(xiàn)場合適位置安裝完成養(yǎng)護系統(tǒng)各部件。

(2)當洞室內(nèi)二次襯砌混凝土達到齡期后，將養(yǎng)護系統(tǒng)移動至待養(yǎng)護區(qū)域，布設(shè)好噴水管，主管道接入隧道施工供水管。檢查噴淋管道位置是否準確，若存在偏差可在現(xiàn)場進行微調(diào)。根據(jù)斷面大小，選擇操作模式(自動模式/手動模式)，確定二次襯砌混凝土養(yǎng)護的時間需求，設(shè)定養(yǎng)護系統(tǒng)行進速率，確保養(yǎng)護工作的連續(xù)性。

(3)在不同模式下設(shè)置好養(yǎng)護系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)后，即可開始對二襯混凝土進行噴淋養(yǎng)護，在養(yǎng)護工作中，應(yīng)定時檢查噴淋系統(tǒng)是否能對二襯混凝土全覆蓋養(yǎng)護，若存在養(yǎng)護不到的地方，應(yīng)及時進行參數(shù)調(diào)整。

(4)定期將養(yǎng)護系統(tǒng)各部件清洗干凈后放置于不受污染的干燥環(huán)境下存放保護，做好下一循環(huán)二襯混凝土養(yǎng)護的準備工作。

4.1 自動模式

系統(tǒng)啟動前準備工作，自動模式適用于已襯砌完成，洞內(nèi)無交叉施工的狀態(tài)。根據(jù)養(yǎng)護混凝土面的長度，設(shè)定行走速度、距離、往返次數(shù)，啟動系統(tǒng)工作，當水箱水位低于最低水位時，暫停行走，加完水后再繼續(xù)行走，直至設(shè)定程序工作完成。

4.2 手動模式

系統(tǒng)啟動前準備工作，手動模式適用于洞內(nèi)正在施工，利用遙控控制系統(tǒng)行走速度，避免出現(xiàn)安全事故，當水箱水位低于最低水位時，暫停行走，加完水后再繼續(xù)行走，直至襯砌混凝土養(yǎng)護工作完成。

5 自動養(yǎng)護的成果

隧道中襯砌混凝土，由于環(huán)境中的CO2含量常年較高，碳化深度加大，降低了混凝土抗彎拉性能。通過養(yǎng)護系統(tǒng)進行隧道襯砌混凝土的養(yǎng)護，混凝土的表面強度有所提高，混凝土的碳化深度降低。隧道襯砌經(jīng)養(yǎng)護后，表面強度提高百分比達到預期，碳化深度明顯降低。采用隧道襯砌養(yǎng)護臺車進行襯砌的初期養(yǎng)護能夠有效提高襯砌質(zhì)量和壽命[5]。

通過后期質(zhì)量驗評數(shù)據(jù)表明：導流洞工程襯砌混凝土質(zhì)量優(yōu)良，裂縫較少。①、②導流洞襯砌混凝土工程單元個數(shù)為366個，合格率100%，其中優(yōu)良單元工程342個，優(yōu)良率93.4%。圓滿通過質(zhì)量監(jiān)督、安全鑒定等專項驗收，按期實現(xiàn)電站大江截流重大節(jié)點目標。

6 結(jié) 語

全自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)的設(shè)計旨在簡單、高效并經(jīng)濟地提高襯砌混凝土養(yǎng)護質(zhì)量。

(1)全自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)采用工業(yè)化模塊PLC控制電機驅(qū)動，實現(xiàn)了全自動均勻全覆蓋灑水養(yǎng)護，且無需大量養(yǎng)護設(shè)備及人工頻繁進出作業(yè)面，有效提高混凝土養(yǎng)護質(zhì)量，又不防礙隧道內(nèi)其余施工機械施工。

(2)全自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)供水管道由多節(jié)鍍鋅鋼管現(xiàn)場拼裝組成，成本低、易加工、方便更換、周轉(zhuǎn)次數(shù)多，有效降低了施工成本，提高了施工效益。

(3)自動噴淋系統(tǒng)用水量少，節(jié)約施工用水，有利于節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)應(yīng)用后，形成強烈的經(jīng)濟反差：傳統(tǒng)養(yǎng)護方式需8臺灑水車，投入人工16人，智能化養(yǎng)護系統(tǒng)僅1人，可節(jié)約設(shè)備、人工成本80%；智能養(yǎng)護系統(tǒng)較傳統(tǒng)養(yǎng)護方式節(jié)約養(yǎng)護用水約60%，使養(yǎng)護費用減少約28.8萬元。