压力输水隧洞钢衬混凝土施工技术.pdf

工程施工 东北水利水电 2 0 1 6年第 6期 文章编号 1 0 0 2 -0 6 2 4 ( 2 0 1 6 ) 0 6 -0 0 2 8 -0 2 压力输水隧洞钢衬混凝土施工技术 马亮， 王 国龙 ( 辽宁省水利水电勘测设计研究院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 3 ) 摘 要 采用钢筋混凝土衬砌的压力输水隧洞， 当围岩 中有断层等软弱结构， 抗渗能力较差时。 若处理不当， 内水外渗使隧洞渗水、 漏水， 严重时会导致围岩失稳 。 引起 隧洞结构破坏 ， 严重破 坏上部环境 ； 采用钢板承受内水压力， 可以有效的解决这种问题。通过大伙房水库输水( 二期) 工程的成功 范例 ，归纳总结 了钢村 混凝土技 术的设计理论及施 工方法 ，研 究结果对 于类似 工 程的设计及施工具有参考意义。 关键词 压力隧洞； 钢衬 ； 内水压力 中图分类号 T V 3 3 【 文献标识码】 A 钢筋混凝土衬砌隧洞的常见病害： 衬砌厚度不 足 ， 配筋不满足荷载要求， 抗裂和裂缝宽度不满足 要求， 衬砌混凝土存在裂缝、 碌蚀、 渗漏等问题 ； 随 着有限元等成熟的数学分析方法的采用， 混凝土衬 砌厚度、 配筋等都可以通过科学计算进行确定。 但对于压 力输水隧洞来说 ，在隧洞进 出口等 浅埋段， 围岩抗渗能力差， 内水外渗将导致围岩失 稳 ， 引起隧洞结构破坏 ， 严重破坏 上部环境上部环 境 ；采用钢板作为衬砌内壁能够有效地承担内水 压力， 同时钢板还可以和混凝土联合承受外压， 增 加衬砌结构的稳定性。 1 工程概 况 大伙房水库输水( 二期) 工程抚顺段南郊段全 长 2 9 1 k m， 形式以隧洞为主， 长 2 5 4 k m， 由 1 O条 主洞组成 ， 断面为圆形 ， 成洞直径 6 m， 主洞问由 相同内径的压力钢管道连接； 隧洞为压力隧洞， 内 水压力0 5 5 MP a ， 在隧洞进、 出口段 ， 多为页岩、 泥 岩、 凝灰岩、 辉绿岩等软岩， 岩体破碎， 风化严重。 在围岩抗渗能力差时，内水外渗将导致围岩 失稳 ， 很难处理 ， 必须采取严格的防渗要求 ， 衬砌 结构按抗裂设计。 按抗裂设计的有压输水隧洞， 在 最小覆盖厚度满足要求时，对围岩具备承担内水 压力的 I v， v类围岩段， 须采用预应力混凝土或钢 板衬砌 ； 在最小覆盖厚度不满足要求时， 围岩不具 2 8 备承担内水压力的各类围岩段 ，均须采用预应力 混凝土或钢板衬砌。 2 钢 衬设计 2 1 钢衬材料 钢衬管壁用钢材 为低合金容 器钢 ，钢 牌号为 1 6 Mn R 。补强板、 加劲环等附件及零部件也采用 1 6 Mn R 钢板制作； 非主体用钢( 如临时支撑、 内支 撑、 安装用钢等 ) 选用碳素钢 Q 2 3 5 A 。 1 6 Mn R 钢板的质量符合 G B 6 6 5 4 1 9 9 6 中的有关规定 ， 其化学成分、 机械 性能满足表 1 ， 2的要求 ； Q 2 3 5 A钢板的质量符合 G B 7 0 0 8 8 ( 碳素结构钢 中的要求； 其化学成分、 机械性能应满足表 1 , 2的要求。 1 6 Mn R钢板( 壁厚 6 1 6 mm) 常温下的屈服 应力为 3 4 5 MP a ， 抗拉强度为 5 1 0 MP a 。钢板强度 设计值为 3 4 5 MP a ， 焊缝系数为 O 9 5 。 表 1 材料 化学成分表 2 2 钢衬结构 综合钢衬钢板 运输 、 安装的时效 ， 选择每节钢 衬长度为 2 8 m。钢衬隧洞外部围岩均为全风化、 2 0 1 6年第 6 期 东北水利水电 工程施工 强风化围岩 ， 围岩厚度小于 3 5 i n ， 围岩不能与钢衬 联合受力， 须有钢管单独承受内水压力、 外压力。 表 2 材料机械性能表 牌号钢 mm 度 屈 M P a 磊 弯 溉 舳 ( ) 冲 击 功 皿 钢衬承受的外压力有外水压力、 真空压力、 灌 浆压 力。真 空压 力为 0 0 5 MP a ，灌浆压 力为 0 2 MP a 。 考虑折减系数， 外水压力小于 0 2 MP a ； 内水 压力为 O 5 5 MP a ， 按 1 3 的安全系数 ， 钢衬最大设 计 内压为 0 7 1 5 MP a 。 按照 D L T 5 1 4 1 2 0 0 1相关要求进行计算 ，钢衬计算壁厚为 1 4 n皿，考虑 2 r m 锈蚀厚度 ， 钢里衬设计壁厚为 1 6 m m； 根据外压校核钢衬稳定 ， 光面管不能满足稳 定要求， 需设置加劲环。经稳定核算 ， 加劲环间距 为 1 4 m， 环高 1 0 0 m m ， 环厚 2 0 mmo 2 2 钢衬防腐 钢衬内表面的除锈清理工作采用喷射或抛射 除锈。除锈后， 除锈等级应为 G B 8 9 2 3 8 8 ( 涂装前 钢材表面锈蚀等级和除锈等级标准 中规定的 S a 2 1 2 级。钢衬外表面的除锈清理工作采用机械 或手工除锈 。除锈后 ，除锈等级应为 GB 8 9 2 3 8 8 标 准中规定的 S a l 级 。 钢衬内壁涂 G Z 一 2 新型高分子防腐涂料 ， 涂 装后干膜厚度为 6 0 0 m。 2 3 钢衬混凝土及灌浆 回填混凝土厚 5 0 0 m m， 采用 C 2 5 W1 2 F 1 5 0 ， 为 保证钢板与混凝土紧密结合，回填混凝土采用膨 胀 混凝土 。 在顶拱 1 2 0 范围内进行回填灌浆， 灌浆孔排距 为 3 m， 每排设置 3 2 个灌浆孔 ， 灌浆压 力为 O 2 MP a ； 混凝土浇筑 6 0 d 后， 对衬砌底部 1 2 0 范围内， 进行接触灌浆 ， 灌浆孔排距为 3 m， 每排设置 3 2 个灌浆孔， 灌浆压力为 0 2 MP a ； 灌浆孔在钢衬制 作时提前预留。 3 施 工组织 3 1 钢衬 的组装及就位 受安装洞径的影响( 管外壁到洞壁只有 5 0 0 m m 的间距 ) ， 钢管洞内安装受现场条件的限制， 钢衬 节间的焊接应尽量在洞口外进行 ；洞口及洞内铺 设轨道以便将组装好的钢衬牵引进洞内，轨道安 装根据洞室中心线进行布置 ， 轨距 2 m， 轨道安装 的高度应保证运输钢管中心高程略低于钢管安装 中心高程 ， 以便于钢管安装调整， 同时应提前在洞 顶设天锚以便调整钢管高程。 每 4 节钢衬作为一个单元在洞外焊接好后， 在 每节钢衬加劲环 的底部用型钢焊接铁鞋 ， 作 为运输 支撑： 用固定卷扬设备将钢衬通过轨道牵引进洞并 就位 ， 利用天锚、 千斤顶及拉紧器等设备对钢衬位 置进行调整( 中心线、 高程 ) ， 调整合格后用型钢加 固钢衬； 钢衬就位后需加设内支撑， 防止变形。 3 2 混凝土浇筑 由于洞 内工作空间狭小 ， 应将顶拱及边墙不影 响钢衬进洞位置钢筋提前安装并焊接 ，钢衬就位 后 ，进行底部钢筋安装及焊接；同时在洞内 3 点、 9 点、 1 2 点位置布置 3 根下料管， 保证下料管稳定并 可以抽送自如 ，管口设在仓内最深处 ；仓 口处用 钢、 木板封堵 ， 确保混凝土入仓后不外漏。 3根下料管同时泵送混凝 土 ， 钢衬内壁 设置 多 个附着式振捣器保证混凝土入仓后振捣密实 ： 按 入料能力推断混凝土填满整仓时间，当时间接近 填满时 ， 前后抽送下料管， 当抽送逐渐困难时， 缓 慢将料管从仓内抽出： 封堵管孔 ， 待混凝土达到脱 模时间后， 拆除封堵板进行下一循环工序。 3 3 现场焊缝的防腐蚀 钢管现场焊缝防腐蚀采用手工除锈、 手工涂涮。 3 4 灌浆 钢衬混凝土的回填灌浆在顶拱 1 2 0 范围内进 行， 采用预留的灌浆孔， 灌浆前拧开预留孔丝堵 ， 灌浆后拧上丝堵 ，电焊封堵、磨平并进行防腐处 理； 接触灌浆工艺与回填灌浆类似， 不同的是， 接 触灌浆灌浆孔布置在底拱 1 2 0 范围，除在预留孔 位置灌浆外，还应采用锤击法判断钢衬混凝土浇 筑的致密度， 通过锤击声音找出空腔位置， 进行二 次开孔接触灌浆。 ( 下转第 3 2页) 2 9 工程施工 东北水利水电 2 0 1 6年第 6 期 盐水泥并掺入少量的粉煤灰 ) ， 水灰比0 5 ， 注浆压 力控制在 O 1 0 2 MP a 。在管内用单螺杆泵压注， 压浆体凝结后( 一般 2 4 h ) 拆除管路。 置换注浆时特别要加强道路路基下方的补 浆 ， 可通过该处顶管上方的注浆孔注入水泥砂浆， 填补道路路基基础下方土体的空隙。待管壁外水 泥浆液强度达到设计值后 ，对已完成的顶管进行 第二次注浆 ，以确保钢筋混凝土套管外壁均给水 泥浆液充满 ， 以保证现有道路的使用安全可靠。 第二次注浆前，需要用雷达设备对已第一次 注浆土体 进行探 测 ，以便第二次注浆施工更具针 对性， 确保没有遗漏部分。 4 ) 加强对施工人员的教育 ， 使其时刻保持高 度警惕心理，避免因松懈而导致施工质量问题的 出现 。 5 ) 加强施工期间的监控措施 ， 加强管理措施 ， 使施工过程在可控范围内， 确保高速公路的安全。 5 顶管施工过程中的应急措施 1 ) 顶管遇到特殊地质( 砂层 ) 的顶进措施。由 于顶管掘进机是全封闭的， 不会有流砂进入。 在砂 层中顶进时可以适当加快推进的速度，减少出泥 量。如果在施工中遇到粉细砂流入速度加快的情 况 ， 则立即关 闭出泥管 阀门 ， 防止塌陷。再通过掘 进机前端 的进水孔注入水泥和粉煤灰的混合浆 液 ， 以稳定土体 ， 在采取了土体改良措施后 ， 保证 土体稳定的情况下才能继续顶进。 2 ) 顶管遇到孤石等障碍物的顶进措施。如果 顶管过程中遇到孤石等障碍物，可采用下列方法 清除： 遇孤石在道路 以外地方 ， 有开挖条件 的， 可以采用开挖搬迁。石头体积较小的， 可直接用刀 盘切削， 切碎后与泥浆一起排出。 遇孤石在道路 下方， 无开挖条件 ， 可采用气压仓清障。气压仓施 工如下：制作一气压仓放在工作井内与混凝土管 连接， 用主顶油缸顶住气压仓， 通进压缩空气 ， 使 管道内保持定气压， 把机头前土体、 水分利用气 压压 回去 ， 防止塌方。屏气一段时间 ， 然后把气压 释放 ， 操作人员进入管道内， 打开机头前方安装好 的操作 门， 进行清理孤石工作。 为 确保安全起见 ， 在使用气压前 ， 必要 时可适 当在机头前端先进行注浆加固土体。清障过程中 如土体有松动、 渗水现象出现， 操作人员立即撤出 管道后，立即进行气仓加压一定时间后继续进行 操作， 直至清障完毕。 3) 顶 管顶进 时路 面沉降的应急 措施。现场准 备高压注浆设备和水泥 、 粉煤灰等材料 ， 发现路面 有沉降时立即停止施工 ，采取通过管道上的注浆 孔进行高压注浆的紧急处理措施 ，填充管道和土 体之间的空隙 ， 防止沉降。 【 收稿E t 期】 2 0 1 8 - 0 8 - 0 2 ( 上接第 2 9页 ) 4 结语 预应力衬砌混凝土和钢衬混凝土都是解决压 力隧洞围岩抗渗能力差的方法，预应力衬砌对钢 绞线的定位和张拉要求很高 ，钢衬混凝土则受制 于施工空间狭小， 难度大、 工效低 ， 同时附着式振 捣器往往效果不理想， 近年来 ， 自密实混凝土逐渐 采用，这种不需要附加振动的混凝土较好地解决 了钢衬混凝土不密实的难题。 总之，压力输水隧洞的抗渗作为地下工程的 一 个重要课题， 结构设计和施工组织应得到重视 ， 涉及到的理论依据和设计、施工规范应更加完善 3 2 具体 ，这一点值得相关从业 的科研技术人员深入 研究。 参 考 文 献 1 胡小龙 ， 张国正， 钟红春 圆形水工隧洞钢衬加固技术 I 人民长江， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 5 6 5 9 2 S L 2 7 9 2 0 0 2 ， 水工隧洞设计规范 s 3 韩俊杰 压力钢管道钢衬接触灌浆施工 J 西部探矿工 程 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) 【 收稿E t 期】 2 0 1 6 - 0 3 - 0 1