变顶高尾水隧洞挂顶混凝土浇筑施工技术.pdf

西 北水 电 2 0 1 4年 第 5期 5 7 文章 编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 5 7 0 4 变顶 高尾水隧洞挂顶混凝 土浇筑施工技术 周鹏涛 ( 中国水利水电建设工程咨询西北有限公司向家坝工程监理中心， 云南省水富县6 5 7 8 0 0 ) 摘要： 向家坝水电站变顶高尾水隧洞体型巨大， 地质条件复杂， 实施挂顶混凝土浇筑， 有效地抑制了洞顶围岩的 变形， 同时也降低了后期钢模台车的施工难度 ， 使施工的安全 、 质量和进度得到了保障。 关键词： 变顶 ； 高尾水 ； 隧洞； 钢模台车； 混凝土； 先拱后墙 ； 安全监测 中图分类号： T V 5 4 4 ； T V 5 5 4 文献标识码： A Te c h no l o g y o n Co n c r e t e Pl a c e me nt o f Hi g h Ta i l r a c e Tunn e l wi t h Va r i e d Cr o wn ZHOU Pe ng t a o ( S u p e r v i s i o n C e n t e r o f X i a n g j i a b a H y d r o p o w e r P r o j e c t ， C h i n a Hy d r o C o n s u h i n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， N o r t h w e s t B r a n c h ， S h u i f u ， Y u n n a n 6 5 7 8 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e h i g h t a i l r a c e t u n n e l w i t h v a r i e d c r o w n o f X i a n g j i a b a H y d r o p o w e r P r o j e c t i s l a r g e i n s c a l e ， w h e r e t h e g e o l o g i c al c o n d i t i o n s a r e c o mp l i c a t e dAp pl i c a t i o n o f c o n c r e t e p l a c e me n t o f t h e c r o wn e f f e c t i v e l y r e s t r a i n s t he d e f o r ma t i o n o f t h e s u r r o u nd i ng r o c k o f t h e c r o wn S i muha ne o us l y，t hi s o p e r a t i o n a l s o r e du c e s t h e c o ns t r uc t i o n di f f i c u l t y i n a p p l i c a t i o n o f t h e f o r m t r o l l e y，s e c u r i n g c o n s t r u c t i o n s a f e t y，q u al i t y a nd p r o g r e s s Ke y wo r d s ： v a ri e d c r o wn ；h i g h t ail r a c e ；t u n n e l ；s t e e l for m t r o l l e y ；c o n c r e t e ；c o n c r e t e p l a c e me n t o f c r o w n b e f o r e w a l l ； s a f e t y mo n i t o r i n g 1 工程概述 向家坝水 电站是金沙江梯级开发中的最后一座 水 电站 ， 位于 四川省与云南省交界处 的金沙江下游 河段 。工程开发以发 电为主 ， 同时改善航运条件 ， 兼 顾 防洪、 灌溉 ， 并具有拦沙和对溪洛渡水 电站进行反 调节等综合作用。该工程右岸地下厂房尾水系统采 用 2机 1洞变顶高方案 。 2 变顶高尾水隧洞的结构特点 变顶高 尾水隧洞 的起点 在 1 、 3号机 闸门井后 2 8 9 0 m处 ， 每 2条尾水支洞接入 1条变顶高尾水 隧洞。变顶高尾水 隧洞采用城 门洞形 ， 出 口底部高 程为 2 4 4 0 0 m， 出口顶部高程为 2 7 8 O 0 m。1号尾 水隧洞长 2 6 3 7 8 m， 开挖 断面高度 3 4 2 23 8 2 0 m； 2号尾水隧洞长 1 9 9 7 8 m， 开挖断面高度 3 5 1 0 3 8 2 0 1 13 ； 开挖宽度均为 ： 2 2 32 4 3 m。尾水 隧 洞混凝土衬砌后出 口断面尺寸为 2 0 mx 3 4 m( 宽 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 2 2 8 作者简 介： 周鹏涛 ( 1 9 8 6 一) ， 男 ， 陕西 省乾县人 ， 助理工 程师 ， 从 事水利水电 工程监趣工作 高) ， 变化范围( 见图 1 ) 底部坡度为 3 ， 顶部坡度 为 4 ， 控制尾水洞的最大出口流速不超过 4 m s 。 3 水 文地 质条件 变顶高尾水隧洞段洞身位于 T ； 、 T ； 的缓 倾角岩层中， 主要为厚 巨厚层 的砂岩 ， 除 顶 部岩层呈薄至 中厚层状外 ， 多呈厚层至巨厚层状 ， 岩 体呈微风化 新鲜。围岩类型顶拱 以 类 为 主， 边墙以 类为主， 局部节理裂隙发育段为 类 ， 软弱夹层为V类。岩层 中未见较大断层分 布， 出露 的层间破碎夹泥层主要有 J C 2 2和 J C 2 3 。洞室顶 拱层状结构面与节理切割形成 的柱状块体稳定性较 差 ， 易 出现洞顶掉块。尾水隧洞出 口段位于强卸荷 带 内， 分布有夹泥的长大裂隙 ， 围岩类别为 类 ， 出 有压满流段I无压明流段 _ _ _ _ _- - _ _ _ 。_ - _ _ _ - - _ _ _ _ 图 1 变顶高尾水隧洞示意图 水位 5 8 周鹏涛 变顶高尾 水隧洞挂 顶混凝 土浇筑施 工技术 口边坡上部的 岩组有民间采煤历史 ， 浅部煤层采 挖较严重， 地质条件复杂。洞室区水文地质条件复 杂 ， 分布有上 、 下 2层基岩裂隙水 ， 下层地下水位低 ， 与江水关系密切 ； 边坡浅部卸荷岩体透水性较强 ， 岩 体渗透性具有 明显的非均质性 ， 主要渗透通道为节 理密集带、 断层破碎带等透水率较强的岩体带 。 4 施工方案 的确定 变顶高尾水隧洞衬砌混凝土浇筑方案一般有 2 种 。 常规混 凝土方案 。先浇筑底 板 ， 再 浇筑边 墙、 顶拱。 先拱后墙方案。在洞室顶拱开挖、 支 护完成后 ， 随即进行顶拱衬砌混凝土的浇筑 ， 然后再 进行洞室下部岩层的开挖 ， 最后再进行底板 、 边墙的 衬砌混凝土浇筑 。 4 1 技术可行性 比较 采用常规混凝土方案 ， 即先浇筑底板 ， 再浇筑边 墙 、 顶拱。在爆破参数设计不考虑其对混凝土造成 影响的前提下 ， 总体上技术上是可行的。 采用先拱后墙方案， 在技术方面， 重点需要解决 爆破震动对挂顶混凝土结构的破坏及 自身稳定的影 响； 爆破震动对挂顶混凝土结构的破坏可以通过优化 爆破设计 、 控制质点震速来解决 ； 顶拱混凝土 自身稳 定通过理论计算可以满足。在技术上优于常规方案。 4 2洞室稳定性 比较 在常规混凝土方案中， 针对变顶高尾水隧洞地 质条件差 ， 跨度大 ， 首层开挖完成后顶拱虽进行 了初 期支护措施 ， 洞室整体稳定性较差。 先拱后墙方案通过系统锚杆及后期预应力锚杆 将混凝土拱、 岩石连成一整体 ， 能有效地抑制洞顶变 形和掉块现象 ， 洞室整体稳定性较好。 4 3施工难度、 安全性比较 根据常规混凝 土方案的特点 ， 边墙和顶拱的施 工是难点， 主要体现在： 钢模台车自身系统， 如采 用全断面设计 ， 安装及运行困难 ， 运行风险大 ； 开 挖完成后 ， 高边墙和顶拱混凝土施工安全 问题较为 突出， 施工材料及人员 、 设备垂直运输 比较 困难 ； 尾水隧洞洞室高度大， 混凝土施工及其后续灌浆作 业难度大； 若采用满堂红脚手架， 施工工期长， 安 全风险高 ， 施工比较困难。 先拱后墙方案在顶拱开挖 、 支护完成后随即进 行顶拱衬砌混凝土的浇筑 ， 不存在上述常规方案 中 顶拱施工的困难和施工安全风险。 综上所述， 向家坝水电站右岸地下厂房变顶高 尾水隧洞采用先拱后墙 方案 ， 即挂顶混凝土方案 比 较合理。 5 挂顶 、7 昆 凝 土施工工艺 变顶高尾水 隧洞第 1层开挖、 支护完成后进行 挂顶混凝 土衬砌 ， 第 1层开挖高度为 1 31 4 m， 宽 度为 2 2 3 2 4 3 m； 挂顶混凝土衬砌范围为顶拱 和 拱角 以下边墙 3 m。后期再浇筑下部边墙 ， 存在新 老混凝土结合的问题 ， 为此将边墙底部的结合面设 计为斜面( 见图 2 ) ， 并利用尾水隧洞顺水流方 向设 计 4 纵坡的有利条件 ， 将 最顶部 5 0 e m高度 的边 墙采用流动性好的 自密实混凝土 ， 使其受重力的作 用沿 2个方向流动， 浇筑 时观察最高处有混凝土溢 出， 说明已将结合面浇筑密实。其 次是在下卧开挖 前将挂顶混凝土结合面凿毛 ， 结合面外露钢筋涂 刷 锌粉 ， 避免长期暴露而腐蚀。混凝 土衬砌后跨度为 2 0 m， 衬砌混凝土设计标号为 C 2 5 ， 尾水隧洞挂顶混 凝土浇筑 ， 采用泵送入仓方式 。 图2 衬砌 2 m挂顶体形图 单位 ： m m 5 1 钢模台车制作及安装 变顶高尾水隧洞挂顶混凝土衬砌采用大型钢模 台车进行浇筑。由于钢模 台车 自身重量较大 ， 挂顶 混凝土最大设计衬砌厚度为 2 m， 加 之顶拱局部地 质超挖厚度 0 21 m， 为保证钢模 台车不沉降变形 和台车使用安全 ， 在开挖面上用 C 2 5混凝土浇一轨 道梁 ， 轨道梁断面尺寸为 5 0 c m 3 0 c m( 宽 高) ， 轨 道梁 内预埋角钢 ， 钢轨放在角钢 内， 并对称加 固钢 轨 ， 保证台车运行可靠。 5 2钢筋、 模板安装 边墙及顶拱钢筋安装按 照设计蓝图进行施工 ， 钢筋安装的位置 、 间距 、 保护层及各部分钢筋的大小 尺寸均应符合设计文件的规定和相关规范要求。 模板严格按照设计测量放点支立 ， 支立固定完 西 北水 电 2 0 1 4年 第 5期 5 9 毕进行复测 ， 确保结构偏差满足设计及规范要求 ， 如 图 3 。 Zi ： 2 0 图 3 钢模 台车侧墙 底部模板安装示意 图 单位 ： m m 钢模 台车脱膜后 ， 首先对 台车模板进行清理 ， 在 台车就位前 刷脱模剂 ， 刷脱模 剂时 防止 污染钢筋 。 钢模台车堵头及边墙底模安装采用组合木模和小钢 模 ， 组合模板使用专 门的连接件支立 ， 使其达到牢 固 稳定 、 体型规则 的 目的 ， 同时满足刚度要求 ， 在浇筑 前涂刷脱模剂 。 5 3混凝 土浇 筑 挂顶混凝土使用钢模台车浇筑在 1 号尾水隧洞 分 2 1 个仓号 ， 长度 1 01 2 m。衬砌厚度为 1 5 m， 其它洞段衬砌厚度为 1 m。 5 3 1 混凝 土拌 和质 量控 制 拌和站每次搅拌前 ， 检查拌 和计量控制设备 的 技术状态 ， 以保证按施工配合 比计量拌和。混凝土 从拌和站运至施工现场后 ， 现场试验人员依据配合 比， 对每车混凝土进行检测 ， 检查混凝土 的坍落度 、 和易性、 混凝土人仓温度等是否满足入模要求， 否则 不得使用 。 5 3 2浇筑 质 量控 制 尾水隧洞挂顶混凝土浇筑从钢模台车两侧对称 下料 ， 两侧高差不大于 5 0 e m， 仓内下料高度不大于 1 5 m， 混凝 土铺料厚度控制在 3 04 0 c m， 混凝 土 振捣至不 冒气但不得过振 为准 ， 以免引起混凝 土中 粗骨料下沉 。对底部承重模板 ， 必须 加强检查 、 维 护 ， 还必须 由有经验 的人 员进行监 测 ； 如模 板有变 形 、 走位 ， 应立 即采取措施 ， 必要时暂停混凝土浇筑。 5 3 3浇筑施 工技 术措施 ( 1 )混凝土浇筑顶拱封拱措施 当混凝土浇筑至顶拱时 ， 采用 自密实混凝土 ， 为 保证顶拱混凝土与岩面结合紧密， 在钢模 台车顶部 预埋 4根冲天管 ， 冲天管距岩面 2 0 c m， 浇筑 时逐一 进行封堵 ， 按仓位浇筑方量和现场实际情况观测浇 满时 ， 加大混凝土泵 的压力将顶部剩余空间填满。 ( 2 )温控措施 挂顶混凝土衬砌浇筑 中采取 了温控措施 ， 以便 有效地控制因混凝 土内部温度过高而产生裂缝 ， 保 证尾水隧洞挂顶混凝土衬砌施工质量。 尾水隧洞衬砌混凝土浇筑温度 ： 1 2月一次年 3 月 ， 混凝土采用 自然人仓 ； 4 1 1月， 浇筑温 度为 1 8 。据此 ， 采用高温型高效缓凝减水剂尽量减少胶 凝材料用量以降低水化热； 采用高粉煤灰掺量的配 合 比；拌和楼出机 口温度按照 1 21 4控制； 混凝 土罐车控制运输人仓时间在 4 5 m i n以内； 通水冷却 等措施 ， 效果 良好 。 5 3 4拆模 时 间控制 混凝土浇筑完成后 ， 严格控制钢模 台车和边墙 底部承重模板的拆模时间， 钢模 台车脱模待混凝土 达到初期强度后 ， 根据混凝土实际硬化过程 ， 按 4 8 h 以上控制 ， 严禁钢模台车提前脱模 ， 边墙底模待混凝 土强度达到设计强度 ( 2 8 d ) 方可拆除。 5 4 后 期预 应 力锚杆 技术 5 4 1锚 杆布 置 挂顶混凝土后期预应力锚杆布设在隧洞拱角部 位 ， 两 端拱 角各 布 置 3根 后 期 预 应 力 锚 杆 ( 1 0 0 k N O b 3 2， L = 9 m) ， 拱角下部 1 m布置 1 根 ， 拱角 以上 沿圆周 0 5 m和 1 5 m各布置 1根( 详见图 4) ， 挂 顶混凝土衬砌厚度 1 、 1 5 m段后期预应力锚杆排距 1 5 m， 衬砌厚度 2 m段后期预应力锚杆排距 1 m。 挂顶混凝土衬砌 时在预应力锚杆相应位置 预埋 铁 盒 ， 预应力锚杆施工完成后对预 留埋件孔洞采用预 缩 M3 0砂浆进行人工分层封堵密实 。 图4 后期预应力锚杆布置图 单位： mm 周 鹏涛 变顶 高尾水隧洞挂顶混凝土浇筑施工技 术 5 4 2 锚杆施工质量控制 ( 1 )锚杆安装锚杆安装采取先注浆后插杆的方 式。首先 ， 检查锚杆孑 L 和杆体的质量 ， 锚杆孔要求冲 洗干净 、 孔 内无积水 ， 杆体要求无锈蚀 、 符合设计规 格且杆体设置对中支架 ， 保证其在孔 内居 中； 其次 ， 控制现场砂浆拌制的稠度 ， 严格按照配合 比拌制； 再 次 ， 锚杆注浆分为 2个阶段 ， 注浆管插入孔底后先进 行掺有速凝剂 的锚 固段( 长 2 m) 注浆 ， 随着砂浆的 注入， 注浆管缓慢 向外 移动， 待锚 固段注浆完成后 ， 立即清洗砂浆搅拌 系统和注浆管 ， 进行掺有缓凝剂 的张拉段砂浆拌制、 注入 ， 待孔 口完全溢浆后 ， 插入 锚杆安装其配套的锚具附件托板 、 螺帽等并完成初 期张拉 。 ( 2 )锚杆张拉 根据实验 ， 锚杆安装完成后 81 2 h ， 采用率定 合格的 2 0 t 扭力扳手进行预应力张拉 ， 一次张拉至 设计张拉力的 1 1 0 ( 1 1 0 k N) 。 5 5 爆破控制及防护 5 5 1 爆破 质 点震速 控制 挂顶混凝土浇筑完成后 ， 进行洞室下部开挖时 ， 考虑近距离爆破震动对衬砌结构的影响， 经计算分 析 ， 爆破质点震速宜控制在 6 8 c m s ， 确保挂顶混 凝土结构安全。 在施工 中采取的控制措施 ： 首先进行边墙的预 裂爆破施工 ， 以便阻断或消减震动波传播至边墙 、 顶 拱挂顶混凝土部位 ； 其次单响药量控制考虑一定 的 安全裕度 。在爆破开挖过程中同时进行 3个方 向的 震动测试 ， 根据爆破试验结果进一步优化爆破设计。 5 5 2爆 破 防护 为保证 已浇筑挂顶混凝土体形不受破坏 ， 在下 层开挖时采取防护措施， 对挂顶混凝土拱角以下边 墙及下部外露钢筋采取柔性防护 ， 铺设竹夹板防护， 爆破面采用沙袋压钢丝机编网防护 ， 效果 良好 。 5 6施工 安全 、 质量及 进 度评价 在参建各方 的精心组织和精细控制下 ， 挂顶混 凝土的浇筑从 2 0 0 8年 9月开始 至 2 0 0 9年 1 0月完 成 ， 同时 ， 整个变顶高尾水隧洞工程 的施工于 2 0 1 1 年 1 2月底全部完成 ， 施工期 间未发生人员 、 设备及 工程安全事故 ， 混凝土浇筑施工质量控制 良好 ， 工期 满足要求。 6 安全 监测 为进一步掌握大跨度、 无拱座挂顶混凝土结构 安全 、 可靠 ， 对其进行 了系统的安全监测 ， 其 中 1 、 2 号尾水隧洞分别布置了 3个永久监测断面 ， 每个监 测断面布置 5套多点位移计 、 3台锚索荷载监测 、 3 支锚杆应力计 、 3支钢筋应力计 、 主要用于监测挂顶 混凝土结构稳定 。 1 、 2号尾水隧洞的安全监测及成果 ： ( 1 )多点位移计监测成果 。截止 2 0 1 1年 1 0月， 所有监测断面 中围岩变形最大值为 1 3 2 5 m m， 发生 在 2号尾水隧洞出口断面顶拱中心线的浅表层。 ( 2 )锚杆应力计监测成果 。所有监测断面处锚 杆应力计变化均较小 ， 最大变化为 6 2 3 8 M P a 、 最小 值为一 1 1 8 MP a ， 监测结果表 明应力较小 主要是受 温度影响。 ( 3 )锚索测力计监测成果 。1 号尾水隧洞共 1 1 台监测锚索 ( 均为 1 5 0 0 k N) ， 测力计测得最大损失 率为 8 6 ， 最小损失为 2 7 1 ， 处于稳定状态。 ( 4 )钢筋应力计。1 、 2号尾水隧洞所监测断面 处最大值分别为 2 3 2 0 M P a和 1 5 0 3 MP a( 尾水隧 洞正值固结灌浆) ， 其余测点变化不大。 从 1 ， 2号变顶高尾水隧洞围岩收敛及 围岩支护 的应力变化监测成果来看 ， 顶拱 围岩应力应变主要 发生在顶拱开挖期间， 中下部开挖对顶拱围岩影 响 较小 ， 呈现出平稳 、 小量级增长 ， 大多数仪器测得边 墙 围岩变形小于 1 m m， 最大 2 1 5 mm， 且 已趋 于稳 定 ； 已测 得顶拱最 大 变形 为 1 3 2 5 mm， 与理 论值 1 5 7 2 m m较为接 近， 说明开挖支护 的设计参数合 理 ， 施工程序和方法达到了预定 的目的。 7 结语 向家坝水电站右岸地下厂房变顶高尾水隧洞为 世界第一大尾水隧洞， 体型巨大， 地质条件复杂， 施 工难度大 ， 挂顶混凝土的施 工技术要求高 。实践证 明： 通过采取 了拱座处增设后期预应力锚杆 、 下部提 前预裂及控制爆破等施工技术 的应用 ， 保证 了挂顶 混凝土结构的安全 、 可靠。该项施工方法 的成功应 用为今后地下工程大断面隧洞的施工提供详实的资 料 ， 具有参考和借鉴价值 。 参 考文献 ： 1 S L 1 9 1 2 0 0 8 ， 水工混 凝土设计结构规 范 s 北京 ： 水利水 电 出版社 ， 2 0 0 8 2 D L 一 5 1 4 4 2 0 0 1 ， 水工混凝土施工规范 s 北京 ： 中国电力出 版社 ， 2 0 0 1 3 刘松 涛 ， 林毅 ， 熊道品 向家坝尾水隧洞大跨度 、 无拱座挂顶混 凝土衬 砌施工 J 四川水力发 电， 2 0 1 1 ， ( 3 ) ： 2 3 2 7 4 樊启祥 ， 刘益勇 ， 易志 向家 坝右岸地 下电站 尾水 系统 关键技 术 f J 岩石力学与工程学 报 ， 2 0 1 2， ( 1 2 ) ： 2 3 7 7 2 3 8 8