襯砌混凝土全自動養護控制系統在特大斷面導流洞中的應用

侯 樹 芃， 龔 澤 鵬， 李 召 杰， 王 國 陽

(華電金沙江上游水電開發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的界河上，是金沙江上游河段十三級開發的第八級電站，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)，其中洞身結構段長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)，其中洞身結構段長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 傳統襯砌混凝土養護方式存在的問題

在特大斷面導流洞混凝土襯砌施工過程中，傳統襯砌混凝土養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，水溫與養護面溫差大，易導致襯砌混凝土產生溫度裂縫，影響襯砌混凝土質量；

(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。

養護灑水系統需運行簡便、自動進行，以降低操作難度，減少人工參與，節約施工資源，因此，為提高隧道襯砌施工質量，避免混凝土由于養護不及時發生裂縫，又能有效控制灑水速度，研究出養護專用設備尤為關鍵。

3 全自動養護控制系統的研發和應用

通過多次在施工現場組織勘察，提出了將養護設施做成如同鋼模臺車覆蓋整個養護斷面的想法。參建各方迅速成立“全自動養護控制系統”專項研發小組，根據導流洞襯砌臺車確定出養護控制系統的尺寸。行走系統利用兩側排水溝，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護系統的使用壽命。2021年2月，全自動灑水養護控制系統已具雛形，首次在導流洞得到成功應用。

全自動灑水養護控制系統具體方案為：通過兩臺動力馬達帶動滾輪移動，兩側共四臺馬達將行走系統串聯在一起，并在行走系統平臺上各焊接一個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每50 cm設一個噴水孔，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護控制系統貼近襯砌面，不占用通道，通過PLC控制驅動系統和噴淋系統，電動馬達帶動行走平臺，實現自動行走[2]。通過控制增壓泵，實現灑水自動化，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性。此裝置避免了由于養護不到位出現混凝土裂縫，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護期的質量。

養護系統運行過程中，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護控制系統上增加補水系統和溫控裝置系統的方案。補水方式由原來灑水車給水箱供水優化為導流洞供水系統補水。2019年12月，承包人根據導流洞工程各部位施工用水需求及結合現場實際地形，充分考慮泵站選址、水池布置、管道敷設等實際情況，擬定導流洞工程總體供水布置方案，并于2020年2月建設完工。采用導流洞供水系統補水，解決了原水箱容量小、單次噴淋結束后補水困難的問題，補水優化后單次補滿水箱僅需30 s，可供襯砌面全面養護500 m，保障了混凝土養護連續不間斷。在養護臺車抽水泵后安裝溫控裝置，通過實時測量導流洞洞內溫度和水溫溫差，實時控制溫差在15 ℃以內[3]，保障了導流洞襯砌混凝土質量。

4 全自動養護控制施工工藝

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

(2)當洞室內二次襯砌混凝土達到齡期后，將養護系統移動至待養護區域，布設好噴水管，主管道接入隧道施工供水管。檢查噴淋管道位置是否準確，若存在偏差可在現場進行微調。根據斷面大小，選擇操作模式(自動模式/手動模式)，確定二次襯砌混凝土養護的時間需求，設定養護系統行進速率，確保養護工作的連續性。

(3)在不同模式下設置好養護系統的相關參數后，即可開始對二襯混凝土進行噴淋養護，在養護工作中，應定時檢查噴淋系統是否能對二襯混凝土全覆蓋養護，若存在養護不到的地方，應及時進行參數調整。

(4)定期將養護系統各部件清洗干凈后放置于不受污染的干燥環境下存放保護，做好下一循環二襯混凝土養護的準備工作。

4.1 自動模式

系統啟動前準備工作，自動模式適用于已襯砌完成，洞內無交叉施工的狀態。根據養護混凝土面的長度，設定行走速度、距離、往返次數，啟動系統工作，當水箱水位低于最低水位時，暫停行走，加完水后再繼續行走，直至設定程序工作完成。

4.2 手動模式

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

5 自動養護的成果

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

通過后期質量驗評數據表明：導流洞工程襯砌混凝土質量優良，裂縫較少。①、②導流洞襯砌混凝土工程單元個數為366個，合格率100%，其中優良單元工程342個，優良率93.4%。圓滿通過質量監督、安全鑒定等專項驗收，按期實現電站大江截流重大節點目標。

6 結 語

全自動養護控制系統的設計旨在簡單、高效并經濟地提高襯砌混凝土養護質量。

(1)全自動養護控制系統采用工業化模塊PLC控制電機驅動，實現了全自動均勻全覆蓋灑水養護，且無需大量養護設備及人工頻繁進出作業面，有效提高混凝土養護質量，又不防礙隧道內其余施工機械施工。

(2)全自動養護控制系統供水管道由多節鍍鋅鋼管現場拼裝組成，成本低、易加工、方便更換、周轉次數多，有效降低了施工成本，提高了施工效益。

(3)自動噴淋系統用水量少，節約施工用水，有利于節能環保。該系統應用后，形成強烈的經濟反差：傳統養護方式需8臺灑水車，投入人工16人，智能化養護系統僅1人，可節約設備、人工成本80%；智能養護系統較傳統養護方式節約養護用水約60%，使養護費用減少約28.8萬元。