高寒環(huán)境下涵洞邊頂拱高性能混凝土襯砌加固技術

馬 軍

(新疆水利廳頭屯河流域管理處，新疆昌吉 831100)

高寒環(huán)境下涵洞邊頂拱高性能混凝土襯砌加固技術

馬 軍

(新疆水利廳頭屯河流域管理處，新疆昌吉 831100)

以新疆頭屯河水庫為例，介紹高寒環(huán)境下涵洞壓力段結構加固過程中邊頂拱高性能混凝土的襯砌加固技術。在頭屯河水庫除險加固施工過程中，經歷了新疆60年一遇嚴寒的極端氣候，為保證混凝土襯砌加固質量和工期要求，在混凝土拌制、輸送及澆筑過程中采取了多項溫控措施，并采用鋼模臺車對邊頂拱用30 cm厚的二級配C40F200W8高性能混凝土(摻粉煤灰及礦粉)進行襯砌加固。該工程經質量驗收評定，工程質量等級達到優(yōu)良，表明在高寒環(huán)境下，涵洞邊頂拱高性能混凝土襯砌加固技術對提高施工功效、保證施工質量發(fā)揮了重要的作用。

高寒環(huán)境;涵洞壓力段;高性能混凝土;襯砌加固;頭屯河水庫

1 頭屯河水庫涵洞壓力段基本情況

在頭屯河水庫除險加固前，涵洞進口無事故檢修門，涵洞壓力段洞內和洞外水壓力處于平衡狀態(tài)。該水庫于2007年1月被列入第二批全國病險水庫除險加固工程專項規(guī)劃［1］，在涵洞進口增加了事故檢修門，改變了原涵洞壓力段的運行狀態(tài)，即在事故檢修門關閉時，洞內無水，洞外有水壓力，涵洞壓力段原結構設計不再滿足要求，需進行加固，襯砌加固厚度為30cm。涵洞全長300.2 m，其中洞身段長213.7 m，中間設工作閘門井，工作弧門以上為有壓洞段，以下為明流段。涵洞壓力段長93.2 m，包括進口漸變段、6個壓力段管節(jié)及出口漸變段，斷面為城門洞形(圖1)，凈寬4.0m，側墻高2.0m，圓拱內半徑2.0 m，底板縱向坡比1∶100［2］。此次混凝土襯砌加固部位主要在6個壓力段管節(jié)的邊頂拱處，在底板澆筑完成并形成工作面的基礎上進行襯砌加固［2］。

圖1 涵洞壓力段斷面示意圖(單位:cm)

2 高寒環(huán)境下主要施工保溫措施

頭屯河水庫位于新疆寒冷地區(qū)，屬大陸性氣候。每年11月下旬至來年3月上旬有110d日平均氣溫在－3℃以下，元月氣溫最低，月平均氣溫為－17.5℃，極端最低氣溫為 －38℃［3］。水庫除險加固工程于2009年11月10日進入冬季施工，根據(jù)總工期安排，2009年11月16日至2010年3月30日為涵洞施工期，期間經歷了新疆60年一遇嚴寒，氣溫在－20℃以下有49 d，氣溫在－25℃以下有11 d，氣溫在－30℃以下有7 d，最低氣溫達－38℃。因此施工過程中采取冬季施工保溫措施至關重要。

第1道保溫層(作業(yè)區(qū)外):涵洞進口檢修閘門井緊鄰涵洞壓力段，在空間上屬上下游關系，在施工安排上，檢修閘門井基礎緊前施工，涵洞壓力段緊后施工。使用8號和16號鋼絲繩縱橫交叉做骨架，在順水流方向基坑外上游949 m高程處和下游957 m高程處用16號鋼絲繩(間隔1m)縱跨80m地錨錨固好，在垂直水流方向順基坑外地勢用8號鋼絲繩(間隔1 m，搭在16號鋼絲繩上面)橫跨60 m地錨錨固好。骨架搭設好后，用復合土工膜鋪蓋做保溫層，再用帆布覆蓋，復合土工膜和帆布周邊均錨固好以防風吹掀起。檢修閘門井基礎面積為20 m×16 m。暖棚搭設面積約5000m2，棚內空間最高16m，最低8m，平均高度約為12 m，總空間為3900 m3，棚內有80cm口徑的火爐及煙管40套，保證棚內溫度在5℃以上。為防止煤煙中毒和防火，在棚內設6套干粉消防滅火器，暖棚在火爐處開有通風和通氣孔，暖棚進口處設有棉被門簾，每隔1h由專人開簾通風、通氣。

第2道保溫層(作業(yè)區(qū)內):在涵洞壓力段進口、工作閘室、明流段出口三處搭設帆布和加厚棉氈以形成門簾封閉洞身，門簾頂部預留排煙口，澆筑倉面前后封閉，采用爐火和電暖氣加溫，溫度保證在5～14℃之間。為防煤煙中毒和防火，倉內設2套干粉消防滅火器，由專人24h隨時開簾通風、通氣。

3 施工流程

混凝土襯砌施工工序如下［4］:鑿毛→鉆孔→插筋→澆筑面清理→涂刷水泥凈漿→鋼筋制作安裝→預埋灌漿管→止水安裝→測量放樣→鋼模臺車安裝→涂刷脫模劑→模板安裝及校核→堵頭模板封堵→混凝土澆筑(泵送)→脫?！克B(yǎng)護劑。施工時，自下游往上游進行，即從第6管節(jié)壓力段開始到第1管節(jié)壓力段結束。

4 主要施工方法及技術措施

4.1 鋼筋制作安裝

插筋制作安裝:插筋縱、橫向間距均為1 m，均勻布置于涵洞壓力段內，插入原混凝土50 cm深，采用手風鉆鉆孔，插筋采用直徑為18 mm的螺紋鋼筋［5］。插筋孔注漿前要進行清洗，其直徑大于插筋直徑。水泥砂漿采用高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，水泥砂漿強度等級不低于20 MPa，并摻入UEA型膨脹劑，摻量為水泥質量的10%，砂漿配合比為1∶1.5，水灰比為0.45，砂子采用最大粒徑不超過2.5 mm的細沙。初凝前將插筋插入到設計深度，并振動或輕敲，以確保砂漿密實。邊頂拱鋼筋按 DL/T 5169—2002《水工混凝土鋼筋施工規(guī)范》［6］要求進行制作安裝。

4.2 鋼模臺車安裝

根據(jù)本工程特點，選用14 m長的邊頂拱鋼模臺車。鋼模臺車由鋼模板、臺車、軌道、支承四部分組成。鋼模包括頂模和側模;臺車及軌道為鋼模安裝、拆卸及行走工具;支承為鋼模的定位支承。臺車為半自行式，臺車行走需要鋪設軌道，軌道鋪設好后由2臺5t電動葫蘆作為牽引動力。涵洞壓力段底板混凝土達到設計強度后，由廠家鋪設行走軌道并組裝臺車。臺車安裝流程為:鋪設軌道→安裝行走輪架總成→安裝底部兩側縱梁→安裝門形架→安裝頂部上縱梁→安裝上立桿、頂?！惭b側模板→安裝側?？v梁和支撐系統(tǒng)→安裝液壓及電器系統(tǒng)→安裝附件及其他設備→驗收、使用。

4.3 模板安裝及校核

臺車安裝好后，進行模板校驗，模板合格后進行側模板安裝和堵頭模板封堵。堵頭模板采用3 cm厚木板、10 cm×40 cm方木作為背枋及背擋。在臺車模板端部焊制鋼筋套環(huán)，將10 cm×10 cm背枋穿入鋼筋套環(huán)并固定在鋼模臺車上，另一端用直徑為12 mm的拉筋固定，使整個堵頭模板穩(wěn)固。拉筋沿邊頂拱布置2排，排距約為50 cm，拉筋焊接在牢固插筋或鋼筋上。為防止漏漿，堵頭模板應拼接嚴密，靠模板邊的縫隙環(huán)向襯1圈10 cm寬的3層板。

4.4 施工窗口及下料口

臺車總長14 m，底板以上1.5 m的兩側模板上各開有3個窗口(窗口尺寸40 cm×40 cm，窗口間距5 m，窗口邊距2 m)，用于觀察及輔助振搗。沿頂拱中心線開3個孔(孔間距5 m，孔邊距2 m)，此3孔與混凝土泵送管末端軟管連接(設有卡鎖)，作為混凝土入倉口，當一孔澆筑時，其他兩孔鎖閉防止漏漿。在堵頭模板頂拱最高處預埋一短制鋼管，作為倉面混凝土是否滿實的觀察孔，此孔同時也是排氣孔，保證混凝土澆筑時倉面空氣全部排出。澆筑過程末期，隨時觀察此孔，一旦出現(xiàn)漿液溢流，說明倉面混凝土已滿實，立即停泵澆筑。

4.5 混凝土澆筑

4.5.1 混凝土配合比

邊頂拱混凝土為摻粉煤灰及礦粉的二級配C40F200W8，混凝土配合比如下:水泥標號為42.5，水灰比為0.32%，砂率為40%，坍落度為220 mm，含氣量為 5.7%，水泥、水、砂、小石(粒徑 5～20 mm)、中石(粒徑20～40 mm)、粉煤灰、礦粉的用量分別為217kg、129kg、720kg、432kg、648kg、73kg、73 kg。水泥采用新疆屯河水泥有限責任公司生產的42.5R高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，粉煤灰采用新疆新華天粉煤灰技術開發(fā)有限責任公司生產的一級粉煤灰，礦粉采用新疆西域水泥有限責任公司生產的礦渣微粉，減水劑(DF-1)、引氣劑(DF-9)均由北京鑫源科建科技有限公司生產，膨脹劑(ZYH型)由新疆研科節(jié)能科技有限公司生產。根據(jù)混凝土骨料的超遜徑及含水量指標進行施工配合比的調整。

4.5.2 混凝土拌制及溫控措施

根據(jù)現(xiàn)場布置，在拌和站15m處搭設600m2的砂石骨料場鋼架暖棚，暖棚內設80 cm口徑火爐及煙管8套，保證棚內溫度為10～18℃。根據(jù)混凝土澆筑總量，足量砂石骨料在上凍1個月前在室外攤曬堆放備料，入冬時，用復合土工膜和棉氈覆蓋料場，澆筑時提前1星期將砂石骨料(按每倉混凝土澆筑所用量的1.5倍考慮)裝運至棚內預熱。拌和用水采用5 m3鋼制水罐(用厚棉氈包裹)加熱至60～70℃(根據(jù)外界氣溫變化進行調控)。

混凝土拌和站采用HZS-60型拌和設備，配料由磁鐵式自動計量裝置配送(料斗為JS-1000型)，用JS-2000自動計量強制式攪拌機拌制混凝土［5］?；炷僚淞蠙C與攪拌機配合使用，理論生產能力為25～30 m3/h。配料機除了主要工作外露部位，其他部位均用棉氈圍護，并在運料皮帶下方設爐火加溫。為防止煙火，各工作點均設有干粉消防滅火器，由專人監(jiān)管使用。

混凝土拌制時，水溫控制在60～70℃，水泵從水罐中抽取熱水進入攪拌機，投料順序為:先投入砂石骨料和熱水，再投入水泥、粉煤灰、礦粉及外加劑，攪拌時為防止水泥的假凝現(xiàn)象，先使水和砂石攪拌一定時間，然后再加入水泥［7］。水泥自動計量上料，粉煤灰、礦粉及外加劑嚴格按照施工配合比采用質量法配置并人工上料，砂石骨料使用ZL30裝載機上料至配料機。混凝土攪拌時間不少于3 min，在機口除正常的溫度監(jiān)測外，每4h檢測1次混凝土拌和物的坍落度，每2 h檢測1次含氣量。

拌制時溫度監(jiān)測:室外及砂石骨料棚內溫度每2 h測量1次;水溫及砂石骨料溫度每1 h測1次;混凝土機口溫度每1h監(jiān)測1次，溫度計插入深度不小于10cm。氣象信息每周提前收集，定時監(jiān)測當天氣溫，以掌握現(xiàn)場氣溫、溫控和拌和規(guī)律。通過以上措施，機口出料溫度保證在7～12℃之間。

4.5.3 混凝土輸送及保溫措施

拌和站至涵洞進口運距為1 000 m，使用10 m3攪拌罐車運至涵洞進口。攪拌罐外包裹棉氈，在拌和站進料前先用70℃熱水泵入5 m3鋼制罐車內進行洗罐和預熱，然后全部倒出再裝料，料罐溫度能維持在15～20℃之間。為減少沿程混凝土熱量散失，對運距1000 m的施工路線進行調整，優(yōu)化為800 m運距，路面用黃土和碎石進行碾壓硬化，局部低洼處填平并設排水溝，配置專用裝載機隨時推雪和平整路面，保證了道路的暢通和運輸?shù)母咝А?/p>

涵洞進口處采用HBT80A型混凝土地泵通過管徑150 mm泵管接入澆筑倉內。泵管總長100 m，管徑150 mm，涵洞壓力段外泵管均包裹棉氈，為減少爆管和堵管，靠近泵車的導管采用4 m新管，為便于拆裝，倉面內接近入料口處的導管采用1～2 m短導管，入料口接彎管和3 m鋼絲橡膠軟管。通過以上措施，罐車出料溫度保證在5～10℃之間，混凝土進入倉面溫度保證在5～7℃之間。

4.5.4 混凝土澆筑及溫控措施

臺車頂拱有3個入倉口，采用先中間、后下游、再上游的順序入倉，保證倉面內空氣全部被排除，倉內混凝土填充滿實?；炷翝仓r先鋪1層5 cm厚的同標號水泥砂漿，混凝土澆筑層厚度控制在40 cm以內，澆筑速度控制在1 m/h以內，兩邊墻混凝土均勻上升，澆筑高差小于40 cm。隨著澆筑高度的增加，為便于排水，每層混凝土由中部向兩邊分坡(倉內混凝土高差以不大于40 m為原則)。澆筑過程末期，隨時觀察堵頭模板頂拱最高處預埋的短制鋼管的溢漿情況，倉面由專人手持對講機與地泵操作員進行通信聯(lián)系，一旦出現(xiàn)漿液溢流，立即停泵澆筑。

混凝土振搗采用固定在臺車上的9臺2.2 kW附著式振搗器，備置3臺ZX-50插入式振搗棒，輔助附著式振搗器進行振搗。附著式振搗器由專人操作，根據(jù)振搗試驗結果，振搗間隔時間選用20 s。

根據(jù)施工條件，在倉面內上、中、下游分別放3個溫度計，由專人隨時監(jiān)測并記錄倉內環(huán)境溫度變化情況，各工作點爐火加溫控制也由專人負責?，F(xiàn)場倉內環(huán)境溫度控制在5～14℃，混凝土進倉溫度控制在5～7℃，澆筑后混凝土溫度變化不大。

4.6 脫模及養(yǎng)護

邊頂拱混凝土澆筑完成后，晝夜派專人看護，定時檢查倉內溫度及倉外遮蓋保溫情況。根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，36 h以上的臺車脫模時間效果較好。脫模后對邊頂拱混凝土表面涂刷2遍養(yǎng)護劑進行養(yǎng)護，用爐火及電暖氣加溫，為減少新老混凝土的溫度應力，保證新老混凝土結合良好，倉面溫度維持在5～14℃。養(yǎng)護時每日早、午、晚各測一次室外、棚內及倉內溫度。涵洞壓力段于2009年12月14日至2010年3月24日進行施工，2009年1月31日暫停施工，2010年2月22日復工。期間室外溫度變化范圍為－38～0℃;棚內(第1道保溫層)溫度變化范圍為3～9℃;倉內(第2道保溫層)溫度變化范圍為5～14℃。

5 施工質量檢驗與驗收評定

涵洞壓力段邊頂拱襯砌加固共分6個單元工程，邊頂拱混凝土抗壓強度試驗檢驗6組，根據(jù)SL176—2007《水利水電工程施工質量檢驗與評定規(guī)程》附錄C中普通混凝土試塊試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法［8］，抗壓性能合格。抗凍試驗檢驗1組，F(xiàn)200彈性模量為83.4%，大于60%，質量損失率為1.5%，小于5%，抗凍性能合格?？?jié)B試驗檢驗1組，加壓至0.8MPa，8h內試件表面均未滲水，抗?jié)B性能合格。經現(xiàn)場質量驗收評定，6個單元工程合格率及優(yōu)良率均為100%，外觀及工程質量優(yōu)良［9］。

6 結語

在高寒環(huán)境下，通過對頭屯河水庫涵洞壓力段作業(yè)區(qū)內外采取多重溫控措施，運用邊頂拱鋼模臺車高性能混凝土襯砌加固技術，壓力段邊頂拱單循環(huán)每倉混凝土澆筑量19 m3，臺車單循環(huán)工作時間平均為4 d，有效地保證了壓力段襯砌加固的施工。該技術在提高涵洞壓力段襯砌質量、表面光潔度和襯砌施工效率等方面的優(yōu)越性在實踐中得到了充分體現(xiàn)，為今后類似工程積累了經驗。

［1］馬軍.頭屯河水庫除險加固工程施工導截流設計［J］.水科學與工程技術，2012(1):21-22.(MA Jun.Design of construction diversion and river closure in Toutun River reservoir reinforcement project［J］.Water Science and Engineering Technology，2012(1):21-22.(in Chinese))

［2］馬軍.球墨鑄鐵襯護技術在頭屯河水庫涵洞底板抗沖磨加固中的應用［J］.水利水電技術，2012，43(7):77-80.(MA Jun.Application nodular cast iron to abrasionresistant reinforcement of bottom slab of draw-off for Toutun River［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2012，43(7):77-80.(in Chinese))

［3］陳亞寧.新疆頭屯河流域山地侵蝕與減沙治理研究［M］.烏魯木齊:新疆人民出版社，1995.

［4］SL303—2004 水利水電工程施工組織設計規(guī)范［S］.

［5］馬軍，艾克拜爾·買買提.高落差涵洞事故門井筒加固施工技術［J］.水利水電科技進展，2012，32(4):66-69.(MA Jun，MAIMAITI A.High performance concrete lining reinforcement technology of side and top arch of culvert in alpineenvironment［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(4):66-69.(in Chinese))

［6］DL/T5169—2002 水工混凝土鋼筋施工規(guī)范［S］.

［7］DLT5144—2001 水工混凝土施工規(guī)范［S］.

［8］SL176—2007 水利水電工程施工質量檢驗與評定規(guī)程［S］.

［9］SL223—2008 水利水電建設工程驗收規(guī)程［S］.

High-performance concrete lining reinforcement technology forsideand top arch ofculvertin alpine environment

MA Jun(Toutun River Basin Management Office of Xinjiang Water Resources Bureau，Cangji831100，China)

Taking the Toutun River Reservoir in Xinjiang as an example，the high-performance concrete lining reinforcement technology for the side and top arch of a culvert during the structural reinforcement of the culvert pressure section in the alpine environment is introduced.During the construction process of the Toutun River Reservoir，extremely cold weather of 60-year return period occurred in Xinjiang.To ensure high quality of concrete lining reinforcement and timely completion，multiple measures were taken for temperature control during the processes of concrete stirring，transferring，and pouring，and the C40F200W8 second-grade high-performance concrete with a thickness of 30 cm，mixed with fly ash and slag，was selected for lining reinforcement using a steel form jumbo.According to the results of quality inspection and assessment，the project’s construction achieves excellent quality.Practice has proved that this technology plays an important role in enhancing the construction efficiency and guaranteeing the construction quality in the alpine environment.

alpine environment;culvert pressure section;high-performance concrete;lining reinforcement;Toutun River Reservoir

TV521;TU528.57

A

1006-7647(2013)06-0091-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.020

馬軍(1972—)，男，新疆昌吉人，高級工程師，主要從事水利工程建設與管理工作。E-mail:mjwy.728210@163.com

2012-12-20 編輯:駱 超)