珠江三角洲水資源配置工程預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌足尺模型試驗關(guān)鍵施工工藝研究

羅 晶，唐欣薇，莫鍵豪

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣州 511300；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510640)

1 研究背景

珠江三角洲水資源配置工程為實現(xiàn)“少征地、少拆遷、少擾民”的目標(biāo)，打造新時代生態(tài)智慧水利工程，該工程采用深埋盾構(gòu)隧洞的方式，將隧洞建設(shè)在地下40～60 m，最大設(shè)計內(nèi)壓高達1.30 MPa，是目前世界上盾構(gòu)輸水隧洞壓力最大的調(diào)水工程。為滿足工程的高內(nèi)壓需求，設(shè)計人員提出采用預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌，即以管片為外襯，以預(yù)應(yīng)力混凝土為內(nèi)襯(如圖1所示)，其工作原理為張拉預(yù)埋在內(nèi)襯混凝土中的鋼絞線，使內(nèi)襯受壓，進而增強其抗裂性能，以抵抗高內(nèi)水壓力[1-2]。預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌在我國南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程、引松供水工程等大型水利工程均有所應(yīng)用，推動了此類襯砌設(shè)計方法和施工工藝的發(fā)展[3-6]。

圖1 預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌示意(單位：mm)

然而，相比于現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌工程案例，珠江三角洲水資源配置工程的內(nèi)壓更大，結(jié)構(gòu)型式更復(fù)雜，對施工工藝的要求更高，現(xiàn)有工程案例無法作為直接參考。為確保工程建設(shè)質(zhì)量及運行安全，有必要針對該襯砌結(jié)構(gòu)型式的施工工藝開展專門的試驗研究。預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌的施工難點在于內(nèi)襯鋼筋安裝、鋼絞線的安裝張拉、混凝土的整體澆筑與振搗。為此，工程開展了預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌的洞外足尺模型試驗，針對上述施工難點展開專門研究，為后期洞內(nèi)開展預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌施工提供重要技術(shù)支撐。

2 洞外試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

為模擬真實的施工條件，工程技術(shù)人員對預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌開展立式足尺模型試驗研究，試驗?zāi)Ｐ椭饕苫⑼庖r管片和內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土組成(如圖2a所示)。其中，基座是實現(xiàn)洞外立式加載的關(guān)鍵，為襯砌結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定支撐。外襯管片由1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)和4塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1～B4)通過螺栓連接成環(huán)，外徑為8.3 m，厚度為0.4 m，寬度為1.6 m(如圖2b所示)，混凝土等級為C55，試驗?zāi)Ｐ凸舶?環(huán)管片，長度為11.2 m。

a 足尺模型

由于該模型尚需作為預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌承載機理的研究對象，為對比不同受力體系、鋼絞線布置、鋼絞線防腐方式及內(nèi)襯混凝土等級對襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特性的影響，試驗將內(nèi)襯分為3個節(jié)段，具體尺寸及結(jié)構(gòu)形式見表1，節(jié)段之間設(shè)置寬度為30 mm的止水縫。

表1 預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯各節(jié)段特性

3 足尺模型的施工工藝流程及作業(yè)臺車研制

3.1 施工內(nèi)容

根據(jù)試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計，本次原型試驗的施工內(nèi)容主要包括模型基座施作、管片拼裝、內(nèi)襯鋼筋安裝、鋼絞線安裝張拉和內(nèi)襯混凝土整體澆筑等(工藝流程見圖3)。

圖3 施工工藝流程示意

3.2 作業(yè)臺車研制

內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土施工需完成全周安裝鋼筋、鋼絞線和止水銅片以及整體澆筑混凝土等工序，考慮內(nèi)襯斷面較大，施工團隊專門設(shè)計了鋼筋臺車和鋼模臺車輔助完成上述工序。為優(yōu)化作業(yè)臺車的設(shè)計，本文針對作業(yè)臺車應(yīng)用過程中存在的問題提出改進對策。本次試驗的鋼筋臺車初步考慮擬采用“步進式+自落式軌道”行進系統(tǒng)(如圖4a所示)，其單步行程僅有4.0 m，且行進、就位步驟繁瑣，而模型內(nèi)襯長度為9.9 m，即至少行進3次才能完成試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)襯鋼筋及鋼絞線的安裝。同時，該臺車的軌道需采用枕木等作為支撐體系(如圖4b所示)，導(dǎo)致施工作業(yè)面被占用，影響鋼筋及鋼絞線的安裝。為此，經(jīng)綜合比較后，鋼筋臺車改用“支墩軌行式”行進系統(tǒng)(如圖4c～圖4d所示)，采用多點分散式的液壓鋼柱作為臺車行進軌道的支撐，將鋼柱的尺寸控制在鋼筋間距以內(nèi)，保證了鋼筋及鋼絞線的施工作業(yè)面。同時，改進后的行進系統(tǒng)無步長限制，可極大提高施工效率。

a “針梁式”鋼模臺車

由于常規(guī)木模板安全性能差、材料周轉(zhuǎn)率低、成本投入大，需結(jié)合工程的特點研制專門的鋼模臺車，以實現(xiàn)內(nèi)襯混凝土全斷面整體澆筑[7]。本試驗?zāi)Ｐ偷匿撃Ｅ_車采用了“針梁式”行進系統(tǒng)，并在臺車表面預(yù)留窗口以便振搗混凝土(見圖5a)。由于該臺車預(yù)留的窗口較大(見圖5b)，難以在狹窄的操作空間中打開或關(guān)閉。同時，常規(guī)的混凝土振搗棒難以準(zhǔn)確控制振搗位置，且拱頂區(qū)域的混凝土難以振搗密實，為此，本文建議將預(yù)留窗口面積減小，增加開窗數(shù)量，并通過在拱頂120°范圍采用氣動附著式振搗器，其余范圍采用插入式高頻振搗器，且窗口范圍增加氣動式附著式振搗器，以保證混凝土振搗效果，改進后的鋼模如圖5c所示。

a “步進式+自落式軌道”行進系統(tǒng)

c 改進后的鋼模展開

4 足尺模型試驗關(guān)鍵施工工藝

與常規(guī)的隧洞施工不同，本文的預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌足尺模型缺乏周邊圍巖的約束，造成外襯管片的拼裝面臨較大難度。同時，內(nèi)襯混凝土的鋼筋及鋼絞線布置較密集，對混凝土的工作性能及預(yù)應(yīng)力的實施都提出了更高要求。

4.1 管片拼裝

為了使襯砌模型能穩(wěn)定立于地面，在管片拼裝前，需施作一個弧形基座作為襯砌模型的支撐，再將管片逐塊吊裝至基座上，按照“仰拱-拱腰-拱頂”的順序進行拼裝。拼裝過程中，為避免拱腰上部的管片塊受自重作用發(fā)生收斂變形而影響后續(xù)管片拼裝，應(yīng)使其保持吊起狀態(tài)，直至其與相鄰管片塊拼接完畢。

4.2 混凝土制備與澆筑

完成內(nèi)襯鋼筋和鋼絞線的布置與安裝后，將鋼模臺車推入模型內(nèi)部以整體澆筑內(nèi)襯混凝土。由于內(nèi)襯中布置了密集的鋼筋和鋼絞線，影響了骨料的通過性，增加了混凝土整體澆筑和振搗的難度，容易出現(xiàn)澆筑不密實、脫空等現(xiàn)象。結(jié)合實際施工需求，應(yīng)在保證內(nèi)襯施工質(zhì)量的情況下，盡可能避免在泵送混凝土的過程中發(fā)生離析、堵管等現(xiàn)象[8]。為此，需設(shè)計專門的混凝土配合比以提高混凝土的流動性和抗離析性。

本工程預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)襯混凝土設(shè)計標(biāo)號為C50、W12，通過對試驗的澆筑情況分析總結(jié)，認(rèn)為混凝土的骨料級配選用一級配為優(yōu)，其坍落度控制在200～230 mm，且坍落度損失需控制在4 h內(nèi)10 mm，具體配合比見表2所示。

表2 內(nèi)襯混凝土配合比

借助圖5a所示的鋼模臺車對內(nèi)襯混凝土進行澆筑，應(yīng)確保鋼模臺車兩側(cè)的混凝土平行灌注，并利用氣動附著式振搗器與插入式高頻振搗器相結(jié)合的振搗系統(tǒng)，對內(nèi)襯混凝土進行充分振搗，進一步保障內(nèi)襯施工質(zhì)量。

4.3 預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉

在完成內(nèi)襯鋼筋布置后，進行鋼絞線下料和安裝，將鋼絞線按照雙層雙圈的型式布置，單個錨具槽需布置8根鋼絞線，建議對鋼絞線粘貼標(biāo)簽或進行顏色區(qū)分，以便后續(xù)開展穿索定位、張拉等工序。本試驗采用了韌性纖維混凝土預(yù)制免拆模錨具槽[9](如圖6所示)，避免了后期鑿毛等表面處理工藝，提高施工效率。

圖6 免拆錨具槽三維示意[9]

待內(nèi)襯混凝土強度達到設(shè)計強度后，可開展預(yù)應(yīng)力張拉工序，預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌通常采用后張法。對于厚度較大的襯砌，若一次張拉至控制應(yīng)力，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中而誘發(fā)開裂[10-11]。同時，預(yù)應(yīng)力張拉的順序直接影響襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的力學(xué)性能，對結(jié)構(gòu)后期的運營產(chǎn)生重要影響[12]。因此，需制定合理的荷載分級和張拉順序。根據(jù)以往的預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯施工經(jīng)驗，對內(nèi)襯混凝土進行預(yù)應(yīng)力張拉時，應(yīng)保證任意相鄰的錨具槽所受荷載偏差不得超過50%[5]。將各錨具槽按照順?biāo)鞣较蜻M行編號，并以張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk=1 395 MPa(fptk為預(yù)應(yīng)力錨索強度標(biāo)準(zhǔn)值，即1 860 MPa)為基準(zhǔn)，按照圖7a所示的順序和荷載分級進行預(yù)應(yīng)力張拉。鋼絞線預(yù)應(yīng)力張拉采用一體化智能張拉設(shè)備(YCW2500C/54-SPT)，如圖7b所示，該設(shè)備可按要求進行分級設(shè)置，能精準(zhǔn)控制張拉應(yīng)力。

a 張拉順序及荷載分級

5 結(jié)語

本文基于對預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌足尺模型試驗，對此類襯砌的關(guān)鍵施工工藝開展研究，為改進施工工藝提供可靠支撐，得到以下結(jié)論：

1)結(jié)合襯砌足尺模型的施工經(jīng)驗，本文建議鋼筋臺車采用“支墩軌行式”行進系統(tǒng)，能充分保證鋼筋和鋼絞線作業(yè)面，且無行進步長限制，極大地提高施工效率。

2)為應(yīng)對狹窄空間中混凝土難以振搗、澆筑密實等難題，本文提出了專門的混凝土配合比，并建議采用優(yōu)化后的鋼模臺車配合氣動附著式振搗器與插入式高頻振搗器相結(jié)合的振搗系統(tǒng)，以保證內(nèi)襯混凝土的澆筑質(zhì)量。

3)為避免預(yù)應(yīng)力張拉導(dǎo)致內(nèi)襯混凝土開裂，在滿足任意相鄰的錨具槽所受荷載偏差不得超過50%的張拉原則下，提出了合理的張拉順序。