盾构隧洞环向预应力锚索智能张拉施工管理技术.pdf

施 工 安 全水上安全 2023 年 第10 期172第一作者简介：瞿加俊，男，本科，工程师，研究方向为市政、水利工程施工技术管理。盾构隧洞环向预应力锚索智能张拉 施工管理技术瞿加俊，孙翰阳（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都 610041）摘要：在水工隧洞结构中采用后张拉法预应力混凝土衬砌，以承受高内水压力，是一种可代替钢板衬砌，既经济又实用的方法。目前后张法无黏结预应力水工隧洞衬砌在我国的应用较少，且规模有限。文章以珠江三角洲水资源配置工程，在有压隧洞衬砌中使用后张法环向无黏结预应力钢绞线为基础，结合智能张拉技术进行分析和总结，该方案具有经济、高效、结构易布置、结构应力均匀、张拉施工简便等特点，确保了预应力衬砌施工的安全和高效。关键词：水资源；隧洞；无黏结；钢绞线；智能张拉0 引言珠江三角洲水资源配置工程是我国确定的 172项节水供水重大水利工程之一，工程输水线路总长113.1km，计划总投资约 338 亿元，是迄今为止广东省历史上投资额最大、输水线路最长、受水区域最广的水资源调配工程。由于输水隧洞的特殊性，部分有压隧洞的二次衬砌均采用无黏结预应力钢绞线1。为了提升项目建设质量和施工效率，项目采用智能张拉控制系统进行钢绞线的张拉。通过该系统进行操作，张拉前预设工艺参数，能够实现钢绞线张拉的一键智能张拉自动化控制，张拉力、位移、伸长量、张拉实时曲线、保压、释放等过程一目了然、实时采集显示，张拉数据自动记录存储，通过 4G 和无线网络实时上传到后方管理平台，实现张拉数据的信息化、数据化管理等2。1 工程概况本工程某施工标段工程量主要穿越东莞市沙田镇、厚街镇和虎门镇，线路全长 8774m、3 个外径8300mm 的区间隧洞，拱顶埋深 43 45m。隧道开挖采用直径 8.6m 的盾构机掘进，衬砌 350mm 厚的C50 预制混凝土管片。内径 7.5m 的隧道洞通后，在隧洞内安装钢筋、钢绞线、监测管线，进行 C50W12F50预应力混凝土的二次衬砌等。项目包含标准长度为11.84m 的 710 个浇筑仓段，共需 16330 束锚索。预应力张拉设计采用型号为 1*7-15.2mm、抗拉强度标准值 1860N/mm2、公称直径为 15.2mm，公称截面面积 140mm2的高强度低松弛预应力热镀锌无黏结钢绞线。每束 8 根钢绞线双层双圈环形布置（局部区段为 6 根钢绞线）。无粘接护套厚度 1.8mm，锌层重量不小于 300g/m2。钢绞线符合以下规范的规定：1）SL/T2122020水工预应力锚固技术规范；2）GB/T52242014预应力混凝土用钢绞线；3）GB/T333632016预应力热镀锌钢绞线。防腐润滑油脂应符合以下规范的规定：1）JG/T4302014无粘结预应力筋用防腐润滑脂中 2 号油脂的要求；2）JG/T1612016无粘结预应力钢绞线。护套性能应符合以下规范的规定：1）GB/T111152009聚乙烯（PE）树脂；2）JG/T1612016无粘结预应力钢绞线。采用密度在 0.942 0.965g/cm3范围内的高密度聚乙烯树脂制作护套。锚具、夹具和连接器应符合 GB/T143702015 预应力筋用锚具、夹具和连接器的规定。锚具采用 HM15-8、HM15-6 环锚体系，锚具槽纵向中心间距为 500mm，左、右两侧 45位置交替布置，标准仓有 23 个锚具槽，锚具槽模板采用超高韧性纤维混凝土（ultra-hightoughnesscementitious-composites，UHTCC）预制成组合免拆式（每套由 2 个侧模、2 个端模、1 个底模共 5 块组成）。施 工 安 全Maritime Safety 水上安全1732 内衬施工工艺流程及施工管理要点图 1 为二次衬砌施工主要工艺流程图。施工单位应尽早与设计单位进行充分的沟通，并开展工艺试验和确认设计图，及时审批和完善施工方案，以利于后续各施工资源的组织和准备，比如人员组织、材料和设备组织等。通过充分的准备和策划，可以节约工期成本，利于项目有序施工，避免作业面展开后的施工无序、被动3。隧洞二衬施工不同于露天施工，多数材料、作业面可根据需要及作业面的推进分批次进场。隧洞施工所需材料只能通过竖井、洞口，将钢筋、钢绞线提前运输到安装工作面，避免因模板台车及钢筋台车进洞后材料运输困难。因此需要根据进场施工计划，核实供货单位的供货能力并确定好供货计划，同时还应做好材料货款的资金预算策划，避免因材料供应不及时、资金短缺造成项目运行困难及物资采购货款不能按时支付的违约风险。随着隧道技术的智能化，土建施工阶段需要安装运营期所需的各种监控管线。安装前应定位和固定准确，安装后做好防护，特别是钢筋焊接和混凝土浇筑，应做好安全防护措施。避免因人为原因造成损失和堵塞，造成后期穿线困难。钢绞线下料及安装前需尽早开展工艺实验，确定最佳下料长度，以免造成材料耗损。安装后应注意隧洞内的通风和防火，做好安全措施。本工程的锚具槽采用免拆模板，模板安装应确保端模板方向正确，有缺棱掉角及质量缺陷的不得投入使用，安装后还应保证模板的各接合面连接紧密（视需要进行填缝密封处理）、各模板连接定位连接牢固，防止浇筑时漏浆和跑模。内衬混凝土浇筑过程中，若由于特殊原因导致混凝土超出初凝时间会出现混凝土整环或其他全仓纵向裂缝的情况，则应停止浇筑。钢绞线张拉前应检测混凝土的密实度、强度和顶拱脱空情况。遇有特殊情况要采取可行的针对性措施进行处理后方可张拉。张拉前应通过工艺试验确定合理的施工工艺，每一名张拉施工人员都要认识到张拉的重要性。锚固系统的张拉工程量大，各工序的安装和张拉都需要精心组织、认真施工，杜绝马虎大意会带来的问题。同时由于隧洞线性施工的特殊性，应合理组织多个工作面，每道工序同步进行，避免因赶工而造成资源过度投入。3 智能张拉施工工艺流程及施工管理要点3.1 智能张拉主要工艺流程及施工要点图 2 为智能张拉主要工艺流程图。为了确保张拉的速度和效率，正式张拉前先进行钢绞线工作段 PE 套环切剥除；张拉时用被动端钢绞线端头确保抽拉长度精准，每根长度偏差应控制在 10mm 范围内；同时注意对锚具槽端头模板的保护，避免张拉时损坏模板。张拉开始前，应确保工具锚具、工作锚具、张拉端、锚固端的防腐件（密封保护管、密封钢垫板、密封橡胶管）的安装正确。3.2 智能张拉控制系统根据本工程张拉技术要求，标段采用 ZLC-2000 型智能张拉控制系统。系统主要由伺服控制器、触摸式平板电脑、压力传感器、位移传感器、无线网桥、张拉软件、液压泵站、千斤顶等组成。技术人员经工艺试验后预设张拉施工的工艺参数，张拉负责人通过触摸式平板图 1 二次衬砌施工主要工艺流程图基面清理安装监测管线安装外层及固定钢筋、安装伸缩缝铜止水安装预埋管道安装钢绞线及锚具槽定位装置安装内层钢筋钢绞线、钢筋验收模板台车就位安装行车道钢筋封端模浇筑前验收浇筑灌浆张拉锚具槽回填止水/施工缝回填隧洞内壁防护施工图 2 智能张拉主要工艺流程图锚具槽清理锚固段PE套剥除及抽动至标准长度安装橡胶防腐件安装工作锚具安装工具锚具智能张拉设备安装调试分级张拉锁定拆除张拉机具切断张拉端多余钢绞线安装防腐密封锚具锚具槽回填施 工 安 全水上安全 2023 年 第10 期174电脑进行本地操作，实现钢绞线张拉的一键智能张拉自动化控制。张拉力、位移、伸长量、张拉实时曲线、保压持荷、释放等过程一目了然、实时采集显示，张拉数据自动记录存储，通过第四代移动通信技术（fourthgenerationmobilecommunicationtechnology，4G）和无线网络实时上传到后方管理平台，实现张拉数据的信息化、数据化管理。该系统自动智能化的特点，界面简洁明了，操作简单易掌握。张拉负责人根据工艺准备情况，通过本地操作进行一键启动，过程中无须手动调整，但异常情况发生时需及时停机。降低了人工劳动强度，同时减少了人为操作的随意性与失误，确保工程施工质量、安全与进度。整个张拉过程系统自动升压、持荷保压和卸荷，并及时生成、存储和上传相应的施工参数，确保了锚固系统技术要求的实现。现场施工数据生成和上传过程中，相关单位及管理人员可以通过后方监控平台及时查看和查询各张拉设备的施工情况，进行动态管理，发现异常情况可以及时发出调整、纠偏等指令。根据设计要求和工艺试验张拉结果显示，环锚衬砌浇筑段长度为 11.84m，共有锚具槽 23 个。环锚张拉应力设计值为 1860MPa。8 根绞线同时张拉达到1860MPa 时，千斤顶 100%张拉力为 F=1562.4kN，6根绞线同时张拉达到 1860MPa 时，千斤顶 100%张拉力分别为 F=1171.8kN。任何两个相邻锚具槽所受张拉力差值不得大于50%的荷载设计值，严格按张拉顺序图进行张拉，荷载以应力标准控制为主、以伸长值校核为辅的控制方法。得益于智能张拉控制系统的精准控制，自动控制分级张拉得以实现，张拉、持荷、卸荷持续可控。15.2mm 环锚对应的张拉加载，分别按应力百分比的15%、30%、50%、75%、100%、103%共 6 级 匀 速 加压张拉，并逐级设定张拉力、理论伸长值、稳压时间等分级控制。根据需要可以实现单顶（一台主机对应一套千斤顶）和多顶（一台主机对应 2 4 套千斤顶）同步张拉，确保工程质量的前提下，提高施工效率。4 优化与改进针对项目试验段预应力张拉后锚具槽上端口出现裂缝、张拉端钢绞线与锚具槽上端接触位置 PE套被挤压变形等情况，经与科研团队、施工单位、钢绞线厂家等单位现场核查、研究、试验等，确定了部分优化及改进措施如下：1）锚具安装位置调整。锚具距离锚具槽上端口由350mm调整不小于 400mm（张拉前距离）。调整后降低了钢绞线聚乙烯（polyethylene，PE）套被挤压变形、损坏的风险。2）锚具槽模板回填。钢绞线张拉完毕，锚具槽应在不超过5d 内及时回填微膨胀混凝土，整仓张拉完成，且界面处理剂涂刷后 12 24h完成微膨胀混凝土回填工作。经调整，同时严格执行混凝土湿法养护，回填后的锚具槽混凝土未再出现开裂的现象。3）增加加强钢筋。对于未浇筑衬砌混凝土的仓段，锚具槽模板上端口及下端口分别增加 3根和 2根加固钢筋，并严格按要求安装与验收。经调整，张拉过程中，上下端的锚具槽模板及混凝土未再出现损坏、开裂的现象。4）钢绞线限位钢筋调整。为了限制钢绞线径向移动，调整钢筋网片横向钢筋与钢绞线关系。经调整，增加了钢筋与钢绞线的距离，增强了混凝土的抗拉强度，避免了混凝土的开裂现象。5）张拉工装调整。调整张拉工装的偏转器角度不超过 35。经调整，减少了摩擦阻力，降低了钢绞线的应力损失。6）锚具槽模板孔径调整。针对锚具槽免拆模板未安装仓段，将免拆模板上端板穿索孔由 20mm增加至25mm，并在穿索孔设置聚氯乙烯（polyvinylchloride，PVC）增强软管。经调整，降低了钢绞线 PE 套被挤压变形、损坏的情况。5 结束语一体化自动张拉控制系统、磁通量测量系统的应力为钢绞线的张拉，运行等，实现了动态监管、数据存储及追溯，更符合智能化、数据化的实际需要和趋势。热镀锌无黏结预应力钢绞线大量应用于案例较少的国内水工隧洞，积累了丰富的参数和经验。该项目经过业主单位组织的地面 11 原型试验、标段范围内试验段的施工与评定后，优化了预埋管线保护、锚具槽端模位置钢筋布置等多项优化与调整；通过多种优化完善，确保了张拉工作的顺利进行和质量优良。通过一体化自动张拉控制系统的大量应用，提高了生产效率，同时也提高了质量的有效把控，减少了人为的操作失误和缺陷。经应力检测、质量评定均满足设计要求，得到了业主、设计、质量检测与评定单位的一致好评。6 参考文献1 周学雷.长距离深埋输水隧洞预应力锚索张拉施工技术研究 J.黑龙江水利科技,2021,49(7):158-160.2 官林星,孙巍,张孟喜,等.盾构隧道环向快速连接件力学性能试验研究J.隧道建设(中英文),2022,42(6):967-974.3 丁艳辉,付云升,杨进新,等.盾构输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构有限元分析 J.水利水电技术,2018,49(7):103-108.