特大城門型水工隧洞快速襯砌施工技術

丁 善 鋒， 羅 文 廣

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概況與背景

巴塘水電站是金沙江上游河段十三級開發的第九級，以發電為主。電站裝機750 MW，為二等大(2)型工程。導流洞斷面為城門洞型，是有壓洞，開挖斷面15.6 m×17.5 m(寬×高)，開挖斷面面積258 m3，襯砌厚度1.1～1.8 m，襯砌后尺寸為12 m×14 m(寬×高)，為特大型斷面的水工隧洞。本工程導流洞受“白格堰塞湖”和2020年“新冠疫情”等因素影響，要實現2020年底導流目標，并需預留導流洞過流質量監督、安全鑒定和驗收時間，工期很緊。

現階段國內特大型水工隧洞邊頂拱混凝土采用穿行式臺車襯砌，月高峰強度10倉，主要受制于端模封堵時間、入倉持續時間和頂拱脫模時間。巴塘導流洞平均高程2 485 m，巴塘導流洞混凝土襯砌時段為2020.06～2020.10，正值夏秋季節，隧洞內氣溫高22 ℃，混凝土強度上升快，有利于頂拱脫模。

巴塘導流洞標準段混凝土77倉，兩套穿行式鋼模臺車，月平均需完成混凝土襯砌8倉。參考類似工程經驗常規混凝土施工方法月平均襯砌7～8倉，2020年6月僅完成6倉，襯砌進度不滿足導流目標要求，為達到導流目標要求，混凝土襯砌需在5個月內完成。

2 快速施工需研究的問題

(1)受導流洞進出口不良地質條件影響，進出口工作面均不具備作為交通通道的條件，施工支洞下支洞為導流洞和泄洪放空洞施工的唯一交通通道。底板和邊頂拱混凝土如何快速同向襯砌施工，必須對交通通道規劃、混凝土襯砌工藝開展技術研究，找到科學有效的方法。

(2)導流洞底板混凝土襯砌后，需對底板成型混凝土開展車輛通行保護措施分析研究并制定可行措施。

(3)導流洞洞徑大于10 m，根據模板規范[1]規定“洞徑不大于10 m的隧洞頂拱混凝土強度可按達到5.0 MPa控制，洞徑大于10 m 的隧洞頂拱混凝土拆模強度應通過計算及試驗復核”。需開展邊頂拱脫模時間技術研究，確保頂拱混凝土結構自穩。

3 工程措施

目前國內特大型水工隧洞用常規方法邊頂拱混凝土襯砌，月平均量是7～8倉，月高峰強度為10倉。從混凝土全工序進行分析制約導流洞襯砌速度的主要因素有：邊頂拱鋼筋運輸和安裝、端模封堵和澆筑持續時間、工序銜接和邊頂拱待強脫模時間等。為有效控制各工序持續時間，減少混凝土施工關鍵線路項目或工序，改善水工隧洞文明施工形象差的現象，巴塘公司制定了一系列相應措施。

3.1 底板分幅襯砌與保護

3.1.1 底板分幅襯砌

本工程導流洞襯砌后斷面尺寸為12.0 m×14.0 m，隧洞上下游混凝土分別由起點和終點樁號向施工下支洞方向襯砌，襯砌通道僅有施工支洞下支洞。全幅底板和邊頂拱混凝土采用同步同向襯砌，底板超前邊頂拱混凝土不宜大于5倉。因頂拱鋼筋轉運占底板混凝土施工直線工期，因此，頂拱混凝土澆筑泵管布置受到一定影響，導致相互干擾和制約，容易窩工。

由于導流洞工期緊，任務重，為加快隧洞襯砌施工進度，經多次襯砌工藝研討，底板采用左右半幅襯砌，鋼筋直接由汽車吊吊運至已襯砌半幅底板上(見圖1)，邊頂拱混凝土同步同向緊跟底板襯砌(見圖2)。右半幅底板(邊墻按設計澆筑，與底板形成“L”墻結構)先襯砌，左半幅底板為交通通道，中部設一處2倉全幅底板暫不澆筑，用于車輛調頭和錯車。在先襯砌半幅底板滿足通行后，鋪筑無砂混凝土形成交通通道，再襯砌另半幅底板混凝土。

3.1.2 成型底板施工及保護措施

圖1 隧洞混凝土施工工序示意圖

圖2 隧洞混凝土澆筑順序圖

導流洞襯砌后底板寬度為12.0 m，采取左右分幅襯砌，左右半幅均滿足車輛通行要求。成型底板作為交通通道需采取保護措施：

(1)澆筑低標號混凝土，但待強時間久，拆除難度大。

(2)鋪設土工膜+砂礫石(或骨料)，以滿足立即車輛通行要求，但易出現車轍溝保護失效。

(3)鋪設土工膜+鋪筑無砂混凝土，鋪筑24 h后滿足車輛通行要求，拆除簡便，透水性強，不易形成路面積水，在國內海綿城市建設和透水管中已廣泛應用。

(4)導流洞成型底板混凝土采取鋪設一層土工膜+10 cm無砂混凝土保護工藝。無砂混凝土在底板混凝土澆筑7天后鋪筑，先人工鋪設12.0 m寬土工膜，兩側各預留2.0 m排水溝，中部8.0 m鋪筑無砂混凝土。模板采用工字鋼或槽鋼，驗收合格后由自卸汽車運輸，人工輔助倒退式鋪筑，平整后采用小型電動夯夯實，鋪筑4小時后灑水養生。

3.2 邊頂拱鋼筋安裝措施

底板分輻施工解決了邊頂拱鋼筋占直線工期問題，為避免鋼筋制約邊頂拱襯砌進度。本工程建設有2座鋼筋加工廠，其中1號鋼筋加工廠建筑面積1 750 m2，布置2臺門式起重機，一期獨立用于導流洞工程約3 200 t鋼筋制作，鋼筋制作強度滿足安裝進度要求。鋼筋制作前，需合理規劃和計算鋼筋下料長度、接頭位置和接頭連接方式，鋼筋臺車設計結構和作業層要高度有利于作業人員安裝。邊墻和頂拱鋼筋由“雞公吊”吊運至鋼筋安裝臺車，再由人工安裝，較傳統人工用滑輪吊運速度大幅提高。邊墻鋼筋接頭選用正絲直螺紋套筒連接，頂拱鋼筋接頭選用正反絲直螺紋套筒。鋼筋安裝臺車與混凝土襯砌臺車同軌設計，減少軌道重復鋪設和固定，為隧洞邊頂拱混凝土快速襯砌創造了條件。

3.3 施工工藝再造應用

本工程導流洞兩側邊墻端頭模板高度為11.0 m×2，頂拱端頭模板長度為15.9 m，端頭模板封堵施工是穿行式臺車精確定位后占直線工期的重要工序，為壓縮混凝土全工序持續時間，施工人員提出施工工藝再造技術，即端頭模板封堵一次驗收優化為兩次安裝和驗收。首倉邊頂拱混凝土不采用該技術，在第二、第三倉施工過程中詳細記錄邊墻端模封堵和頂拱端模封堵持續時間，以及邊墻混凝土澆筑持續時間。經過3～4倉固化施工工藝的使用，及作業人員對施工工藝熟練過程，逐倉增加二次驗收端頭模板面積，直到二次驗收擴大至全頂拱端頭模板。根據記錄數據分析，邊墻混凝土澆筑持續時間較頂拱端模封堵持續時間長，具備采用施工工藝再造技術條件。

模板臺車精確定位后，啟動臺車端頭模板封堵施工，端頭模板封堵采用自下而上對稱施工。端頭模板封堵工藝完成后，再進行邊墻封堵，但須待倉位驗收合格后開倉澆筑。封堵完成，申請二次端頭模板驗收，該工藝每循環節約工期約4～6 h。

3.4 邊頂拱脫模時間

經查閱資料[3]小灣導流洞斷面尺寸16.0 m×19.0 m頂拱脫模時間為24 h，白鶴灘導流洞斷面尺寸18.0 m×20.0 m頂拱脫模時間大于24 h。同流域的葉巴灘水電站導流洞12.0 m×14.0 m頂拱脫模時間16 h。

本工程導流洞凈跨12.0 m大于規范規定的洞徑10.0 m，其頂拱脫模時間不同于小型洞室，在借鑒類似工程的基礎上，根據模板規范規定其頂拱混凝土拆模時間應進行計算和試驗復核，以控制頂拱脫模時間。規范和模板臺車廠家技術要求，邊頂拱混凝土入倉上升速度不大于1.5 m/h，兩側邊墻混凝土高差不大于0.5 m，即入倉澆筑時間不具備壓縮條件。為將邊頂拱混凝土澆筑持續時間控制在16～20 小時，襯砌厚度1.1 m和1.3 m時，1臺HBT-80C型臥泵利用溜槽對稱入倉，1臺臥泵備用；襯砌厚度1.5 m和1.8 m時，2臺HBT-80C型臥泵對稱入倉；實際統計邊墻混凝土澆筑需9～11 h ，頂拱混凝土澆筑需7～9 h。

3.4.1 邊頂拱混凝土結構受力計算[4]

初步確定頂拱脫模混凝土強度，依據混凝土抗壓與抗拉強度關系估算最優脫模混凝土最小抗拉強度(表1～2)。

表1 各截面應力計算成果表

表2 各強度等級混凝土抗壓強度與抗拉強度表[5]

由表2可知，C30混凝土fck/ftk=10，在頂拱混凝土脫模強度低于30 MPa時，即30 MPa標準的混凝土fck/ftk<10。

① 表1(y=r+yh)時，邊墻軸向力最大值為640.37 kN。

結構系數取1.2，邊墻厚1.3 m，按單寬1.0 m。

即，混凝土脫模最低強度=1.2×640.37 kN÷(1.3 m×1.0 m)=0.59 MPa

② 表1(α=0)時，頂拱混凝土內緣出現拉應力，σ內拉應力值為0.224 MPa。

為確保頂拱脫模時，頂拱混凝土不坍塌、未下沉變形和出現裂縫等，頂拱混凝土抗拉強度最小值應大于內緣應力σ內。fck/ftk按10取值計算，結構系數取1.2。

即，混凝土最低強度為1.2×10×0.224 MPa=2.7 MPa。

③ 表1(y=r+0.75yh處)時，邊墻內緣出現拉應力,σ的內拉應力值為0.830 4 MPa。

即，邊墻混凝土最低強度為1.2×10×0.830 4 MPa=9.96 MPa。

在頂拱混凝土強度滿足要求時，邊墻混凝土待強時間為16 h+頂拱混凝土澆筑7～9 h，約為24 h，其邊墻混凝土強度大于10 MPa，滿足要求。

3.4.2 邊頂拱混凝土不同齡期試塊

選取導流洞前三倉邊頂拱混凝土不同齡期6組試塊，分別將12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、24 h試塊同條件養護，并準確記錄取樣時間、養護時間、環境溫度。不同齡期同條件養護試塊混凝土抗壓試塊抗壓強度檢測成果見表3：

表3 各齡期混凝土抗壓強度統計表

由表3顯示，同齡期24 h混凝土試塊抗壓強度不低于10.0 MPa，16 小時混凝土試塊抗壓強度不低于5.9 MPa，頂拱端模側回彈檢測強度不低于6.4 MPa，滿足頂拱混凝土脫模最小強度要求。初步確定邊墻脫模時間不小于24 h，頂拱脫模時間不小于16 h。

3.4.3 邊頂拱脫模試驗

首倉混凝土頂拱18 h后脫模，脫模后由測量人員進行頂拱下沉測量，頂拱無下沉；第2倉17 h后脫模，頂拱無下沉；第3倉16 h后脫模，頂拱無下沉。根據葉巴灘導流洞脫模經驗、規范要求和計算成果，邊墻脫模時間為24 h，頂拱脫模時間為16 h。

3.5 工序管理及臺車共軌設計

端頭模板采用施工工藝再造技術，使持續時間得到有效壓縮。混凝土全工序持續時間最長的兩個工序為混凝土入倉和頂拱混凝土待強持續時間，施工中采取措施控制在32～36 h。快速施工控制工序銜接時間是關鍵，須安排專人協調管理，務必在上道工序完成后，立即啟動下道施工工序，避免因協調管理問題浪費工序銜接時間。

在軌道鋪設時，應嚴格控制軌道鋪設誤差，左右誤差宜在±2 cm內，以減少模板臺車定位左右調節次數，同時，避免模板臺車左右調節造成搭接部位混凝土的破壞。在模板臺車就位后，用全站儀測設定位隧道頂拱中線，再精確調節模板臺車的左右和上下油缸，使臺車頂拱中線與隧道中線重合為止。啟動邊墻模板液壓油缸使模板下邊緣與矮邊墻緊密貼合，最后依次旋緊邊墻模板各層千斤頂，完成臺車就位和精確定位，持續時間不大于4 h。

4 結 語

本工程導流洞底板混凝土表面采用鋪設土工膜+10 cm無砂混凝土保護，消除了洞內灌漿階段文明施工較差的現象。底板和邊頂拱襯砌施工工藝的優化，不僅解決了底板與邊頂拱混凝土相互制約的難題，也解決了邊頂拱鋼筋運輸占直線工期的難題，實現了隧洞混凝土快速襯砌。單套穿行式臺車月襯砌邊頂拱混凝土創下15倉的記錄，月平均完成12倉，較首月襯砌速度提高了71 %。實踐證明，鋪設土工膜+無砂混凝土有效保護底板混凝土表面質量，改變了傳統水工隧洞施工形象差現象。本工程優化隧洞底板和邊頂拱施工工藝，利用“施工工藝再造”壓縮倉位準備時間，實現穿行式臺車快速襯砌邊頂拱的經驗值得類似工程借鑒。