水工隧洞襯砌底板防碾壓保護層混凝土保護技術研究

王 雷

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213）

0 前 言

在我國的水電站建設項目中，“邊開挖、邊襯砌，先底板、后頂拱”的施工方式在國內水電工程隧洞施工中使用不多，多數工程采用10 mm厚度的鋼板與橡膠帶結合的方式保護成品混凝土，少數工程采用澆筑混凝土保護層加橡膠墊層的方式，雖然已有相關專利被申請，但其施工方法較為復雜，工序較多，實際施工過程不太方便，因此我們采用一種工序更簡單的混凝土成品保護技術：底板混凝土保護技術。

1 工程概述

涼山州木里河固增水電站工程引水隧洞總長約11 km，縱坡i為2.0795‰，引水隧洞襯砌后斷面尺寸6.1 m×7.8 m，隧洞斷面采用馬蹄型斷面形式，用現澆鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖洞段襯砌厚度分別為0.30 m、0.40 m和0.60 m，典型斷面形式見圖1。

為加快工程進度，在保證工程質量的前提下，總承包項目部決定對底板混凝土采取保護措施，保護措施主要有以下幾種：（1）在澆筑成型的底板上鋪筑3 m寬、8 mm厚度的鋼板；（2）在澆筑成型的底板上鋪筑3 m寬草墊，在新澆混凝土上鋪5 mm厚度的鋼板；（3）在底板混凝土中間澆筑3 m寬、5 cm厚的保護層混凝土，混凝土層間鋪筑塑料隔膜，便于后期拆卸。三個方案的優缺點分析如下：第一種方案，整個引水隧洞工程需要3.9萬m2、厚度為8 mm的鋼板，約145萬元的成本，鋼板折舊后，能回收約45萬，本方案總成本約100萬，此方案雖然施工速度快，但鋼板吊裝麻煩，并且比較容易造成鋼板對底板混凝土的沖擊破壞；第二種方案，鋪4.4萬m2的草墊，成本大約在44萬，加之運行過程草墊容易損毀，最終總成本達到60萬，但是此方法洞內交通條件不太好，且洞內文明施工較差；第三種方案，需要澆筑2 000 m3墊層混凝土，總成本約60萬，此方法施工速度稍慢，但洞內文明施工條件較好，兩側低洼處正好是過水通道，路面長期保持干燥。

結合工程實際情況，項目部最終決定采用第三種方案，洞內環水保整齊，后續拆拆方便，成本總體最省。

圖1 引水隧洞斷面布置示意（單位：mm）

2 技術實施方法

2.1 保護層混凝土技術的內容

為實現工程目標，需要對5 cm厚保護層混凝土進行如下內容的技術探討：5 cm厚保護層混凝土的配合比、強度以及通車時間的研究；塑料隔膜的厚度及材質對底板混凝土質量，以及后續拆除方便的影響；5 cm厚保護層對已澆筑的底板混凝土質量的影響。

2.2 研究及實施過程

2.2.1 5 cm厚保護層混凝土的配合比、強度以及通車時間的研究

5 cm保護層混凝土最不利的工況見圖2，需要計算混凝土罐車時，混凝土的最低強度。

圖2 保護層混凝土最不利工況示意

根據材料力學計算公式得出：

式中，δ為保護層混凝土承受應力值；G為罐車自重分配到單輪的重量。考慮12 m3罐車在滿載時自重50 t，一共10個輪胎受力，考慮單輪受力為5 t，所以G=50 kN；f為罐車驅動摩擦力，f=μ×G，μ取0.2，則f=0.2×50 kN=10 kN；L為輪胎壓地長度，根據實測，L取17 cm；W為輪胎寬度，根據實測，W為25 cm；w為保護層混凝土厚度，取5 cm。由此得出：

再適當考慮1.5的安全系數，為滿足過車要求，保護層混凝土強度不小于3.55 MPa。

為了保證工程進度，預計固增電站隧洞開挖施工平均月強度80 m。由于襯砌稍微滯后，所以底板襯砌的施工速度應該大于85 m／月（以滿足混凝土襯砌能夠及時跟上洞挖施工）。

由于保護層混凝土的通車時間決定了通車剛棧橋的拆除時間，也決定了下一倉底板混凝土的施工啟動時間，所以盡快滿足通車要求，是保護層混凝土施工的關鍵。

根據以下底板作業循環時間（見表1），得出可供保護層混凝土等強的常規時間只有24 h。

表1 底板施工循環時間

經過以上分析，擬定了C10、C20、C30三種強度的配合比，如表2所示。為保證混凝土抹面平整，統一采用一級配混凝土。通過配合比試驗測定上述三種配合比標養混凝土的24 h強度。

通過試驗，得到以下試驗數據（見表3），由表3數據得出C10混凝土作為保護層理論上是可行。

根據實測洞內外溫差（見圖3）和C10混凝土現場養護強度情況（見圖4），考慮洞內由于施工活動導致的溫升有利于混凝土的強度發展，表2中配合比為C10的一級配混凝土作為隧洞底板混凝土保護層就能夠滿足快速施工要求。

表2 擬采用混凝土配合比設計

表3 實測各配合比混凝土標養強度數據

2.2.2 塑料薄膜的厚度及材質對底板混凝土質量以及后續拆除的影響

模擬洞內塑料薄膜的工況，規劃以下現場試驗。

試驗方案：模擬洞內潮濕、有水的環境，在澆筑20～30 cm厚度的地坪混凝土完成后12 h，鋪筑0.014 mm、0.08 mm、0.12 mm塑料薄膜。模擬實驗布置如圖5所示。

圖3 施工保護層混凝土時環境溫度變化曲線

圖4 現場養護混凝土強度增長實測曲線（單位：MPa）

選取在3號支洞洞內25 m樁號，實施上述試驗。在其上澆筑上述確定的保護層混凝土，等強36 h后，測定保護層混凝土強度，并過50 t的混凝土罐車碾壓20次。28 d后，用裝載機將保護層混凝土拆除，觀察以下內容：

（1）地坪混凝土是否會因為未采用常規養護手段造成開裂。

（2）是否有因薄膜損壞引起的兩層混凝土擴散，導致拆除表層混凝土時造成底板混凝土缺陷。

（3）在拆除表層混凝土時，裝載機是否會對底板混凝土造成刮痕缺陷。

（4）薄膜鋪筑是否會對底板混凝土的混凝土抹面質量造成影響。

（5）現場試驗時，出現的未能預計到的問題。

圖5 保護層混凝土現場模擬試驗布置

2.2.3 5 cm厚保護層對于已澆筑的底板混凝土質量的影響

通過上述現場試驗，多次碾壓保護層混凝土（不少于20次／d），在保護層混凝土拆除后，觀察以下內容：

（1）底板混凝土的外觀，并取芯試驗測定其強度是否滿足設計要求。

（2）對比鋪有保護層混凝土和未鋪保護層混凝土的底板混凝土外觀差異情況。

試驗段混凝土澆筑完成28 d后，對保護層混凝土進行了拆除。試驗后，待驗證的內容試驗結果如表4所示。

表4 薄膜厚度差異和保護層混凝土對底板混凝土質量的影響試驗結果

3 結 語

采用5 cm厚的C10混凝土作為隧洞襯砌底板的過車保護層，0.08 mm薄膜作為混凝土分隔層，能夠滿足隧洞襯砌底板的施工質量要求，底板施工理論循環時間3.75 d，底板施工理論月循環次數8次。成果適用邊界條件：

（1）隧洞底板主要交通設備為3 m3斗容裝載機，25 t自卸汽車。通過實際試驗，履帶式設備建議在保護層混凝土等強3天以后再通過，以確保保護層混凝土不被履帶震裂。

（2）洞外溫度不低于本工程外溫，實際上由于隧洞未能貫通，隧洞掌子面的溫度，經過現場實測一般都在14℃以上，在借鑒此技術成果時，也可以適當考慮隧洞較深處的實際溫度。

（3）混凝土各種原材料品質、等級對結果有一定的影響。

（4）循環時間清底、立模、鋼筋綁扎有關聯，有一定的提升空間。

（5）經濟效益與各類材料的實際價格有關，需要成果使用人根據實際情況重新計算。

（6）當底板需要過履帶式挖掘機或者輪胎綁鏈條裝載機時，則應配置一套12 m長、5 mm厚鋼板作為新澆筑保護層混凝土的防應力集中保護板。

本工程采用的5 cm保護層混凝土保護技術解決了水工隧洞“邊挖邊襯”過程中對底板混凝土的保護問題，提高了水工隧洞施工速度，減少了二襯間隔時間，降低了水工隧洞施工安全風險，使工程能夠順利進行。這樣既保證了工程質量，加快了工期，又提高了工程的經濟效益。