南水北調(diào)中線穿黃工程二次襯砌預(yù)應(yīng)力環(huán)形張拉施工技術(shù)

蔣元勇

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

環(huán)形張拉結(jié)構(gòu)是一種實(shí)用的大跨度空間柔性結(jié)構(gòu)體系，它是由連續(xù)的拉索和不連續(xù)的撐桿構(gòu)成，其初始狀態(tài)的確定與預(yù)應(yīng)力分布是環(huán)形張拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［1］，國外對(duì)這一問題的研究大多沒有公開核心部分，國內(nèi)學(xué)者的部分相關(guān)研究仍處于探索階段。自Senlson在1948年制作了第一個(gè)張拉整體模型以來，在過去的60多年里，學(xué)者們對(duì)各種不同的張拉整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛研究，如正圓柱形張拉整體結(jié)構(gòu)和球形張拉整體結(jié)構(gòu)［2－3］，但是作為另一種基本的幾何拓?fù)湫螒B(tài)——環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)卻很少受到學(xué)者和工程師們的關(guān)注。文獻(xiàn)［4－9］結(jié)合具體工程對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)進(jìn)行了研究和探討;文獻(xiàn)［10－11］討論了后張法預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)和質(zhì)量控制措施。這些文獻(xiàn)主要對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)和質(zhì)量控制措施進(jìn)行了分析和總結(jié)，環(huán)形張拉施工在國內(nèi)應(yīng)用較少，且主要應(yīng)用于核電站;因此，針對(duì)盾構(gòu)隧道的預(yù)應(yīng)力環(huán)形張拉技術(shù)，可參考借鑒的文獻(xiàn)很少。

南水北調(diào)中線穿黃工程是南水北調(diào)中線的咽喉工程，特別是穿黃隧道工程埋深大、施工難度大、地質(zhì)條件復(fù)雜，且工程屬薄壁結(jié)構(gòu)環(huán)形預(yù)應(yīng)力施工，厚度只有45 cm，又屬于深層隧洞張拉施工，地下埋深50 m，與傳統(tǒng)張拉施工不同。通過對(duì)環(huán)形張拉施工工藝進(jìn)行總結(jié)，從隧道環(huán)形預(yù)應(yīng)力施工的角度出發(fā)，對(duì)環(huán)形張拉技術(shù)在深層隧洞中的應(yīng)用展開探討，以期為隧道環(huán)形預(yù)應(yīng)力施工積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

南水北調(diào)中線穿黃工程位于鄭州市以西、黃河上游約30 km的河段上，南起滎陽市李村村西，北至焦作市溫縣陳溝村西。穿黃工程是南水北調(diào)中線總干渠穿越黃河的控制性工程，工程的目標(biāo)是使?jié)h江丹江口水庫中的水順利下穿黃河，通過輸水工程將漢江水輸送到北京、天津、河北和河南等省市，解決城市的生活和工業(yè)用水，改善生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水。

穿黃隧洞由盾構(gòu)法施工，由7塊管片拼裝成型，再進(jìn)行二次混凝土襯砌施工。內(nèi)襯采用混凝土現(xiàn)澆法施工(二次襯砌)，為后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，采用C40.W12.F200預(yù)應(yīng)力混凝土，直徑7 m，厚45 cm，標(biāo)準(zhǔn)分段長度為9.6 m。在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋直徑為90 mm的波紋管，在邊頂拱施工完畢后，進(jìn)行鋼絞線穿索。預(yù)應(yīng)力錨索間距為45 cm，每束由12根預(yù)應(yīng)力鋼絞線集束而成，鋼絞線強(qiáng)度為1 860 MPa，公稱直徑為15.24 mm，公稱面積為140 mm2。

由于穿黃隧洞埋深達(dá)50 m，屬于有壓力承水隧洞，采用普通混凝土達(dá)不到結(jié)構(gòu)的安全性要求，因此，采用預(yù)應(yīng)力混凝土保證通水過程的結(jié)構(gòu)安全。

2 環(huán)形預(yù)應(yīng)力施工方法

環(huán)形預(yù)應(yīng)力施工主要有孔道清理、穿索、錨板安裝、預(yù)緊和張拉。施工前先對(duì)錨具槽進(jìn)行鑿毛處理，張拉完畢后對(duì)錨具槽進(jìn)行回填，再進(jìn)行孔道灌漿。內(nèi)襯鋼絞線張拉施工工藝如圖1所示，預(yù)應(yīng)力張拉順序如圖2所示。

圖1 張拉施工工藝Fig.1 Technical flowchart of pre-stress tensioning

2.1 波紋管清理、檢驗(yàn)

首先，在孔道內(nèi)注入清水，封閉喇叭口后采用空壓機(jī)對(duì)孔道內(nèi)打壓，利用孔內(nèi)壓力對(duì)波紋管內(nèi)雜物進(jìn)行吹掃和清洗，清洗后再用真空泵抽干積水;然后，采用視頻探頭檢查孔道內(nèi)的清洗狀況，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行穿束工作。

2.2 鋼絞線制作、編束、穿束

1)鋼絞線制作。按設(shè)計(jì)圖紙中的下料長度(L=26 m)進(jìn)行下料，用切割機(jī)將鋼絞線定長下料，然后沿長度方向放在方木(或跳板)上，每下好1束，將下好的12根鋼絞線兩端逐根用膠布或油漆編號(hào)，編號(hào)要明確清晰，并將鋼絞線一端對(duì)齊放好。下料過程中鋼絞線要輕拿輕放，嚴(yán)禁撞擊，不宜放在地上或潮濕處。

2)編束。按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诰幨苌线M(jìn)行編束，編束順序?yàn)?將6#、5#鋼絞線用鐵絲扎牢—將 2#、1#、9#扎牢—將 10#、4#、3#、11#扎牢—將 12#、8#、7#扎牢。分層捆扎完畢后，依次按圖2所示的順序再整束采用細(xì)鐵絲綁扎。編簾時(shí)將鋼絞線鋪設(shè)平直，編簾扎束中鋼絞線不得相互交叉，且每根鋼絞線的兩端要相互對(duì)應(yīng)。整束綁扎時(shí)，中間每隔1 000～2 000 mm用細(xì)鐵絲綁扎，防止運(yùn)輸時(shí)穿索松散。

圖2 隧洞預(yù)應(yīng)力張拉順序示意圖(單位:mm)Fig.2 Pre-stress tensioning sequence(mm)

3)穿束。采用卷揚(yáng)機(jī)牽引、人工輔助的形式進(jìn)行錨索的穿索作業(yè)。用先穿入孔道內(nèi)的掃孔鋼絞線將卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩通過導(dǎo)向輪由下行方向引進(jìn)孔道，并從上行端穿出，引出的鋼絲繩與錨索端部的導(dǎo)向帽利用卸扣連接，即可開始穿索。啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，人工配合將導(dǎo)向帽一端送入孔口，在卷揚(yáng)機(jī)的牽引下，錨索徐徐進(jìn)入孔道，直至從另一端穿出并達(dá)到要求的長度為止(設(shè)計(jì)要求被動(dòng)端(下端)外露長度為800 mm，主動(dòng)端(上端)外露長度為2 080 mm左右)。編束、穿束示意如圖3所示。

圖3 編束、穿束示意圖Fig.3 Tying and installing of steel strands

2.3 預(yù)應(yīng)力HM15環(huán)錨安裝

見圖4。在安裝HM15環(huán)錨時(shí)，對(duì)已編號(hào)的鋼絞線對(duì)準(zhǔn)錨板上設(shè)計(jì)的孔號(hào)進(jìn)行穿索，對(duì)鋼絞線預(yù)緊后，依圖4所示的順序進(jìn)行安裝，安裝應(yīng)嚴(yán)格按照鋼絞線的設(shè)計(jì)孔道進(jìn)行。

圖4 HM15環(huán)錨安裝示意圖Fig.4 Installation of HM15 anchor

3 預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)要求

穿黃隧洞預(yù)應(yīng)力錨索張拉采用“雙控”，以應(yīng)力控制為主，同時(shí)進(jìn)行變形控制。錨索張拉過程中，按單根鋼絞線預(yù)緊、整束張拉分序和同序荷載分級(jí)要求進(jìn)行。

第1 序按 1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#、19#、21#錨索順序，自小到大按序張拉，第 2 序按 2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#錨索順序，自小到大按序張拉。張拉工序?yàn)?1)對(duì)單根鋼絞線預(yù)緊，預(yù)緊力為42 kN;2)錨索整束張拉分2階段，第1階段為kNkN，第2階段為kNkN，每階段張拉完成后持荷10 min。張拉過程中及時(shí)對(duì)張拉數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、記錄。

4 模型計(jì)算及數(shù)據(jù)建立

4.1 鋼絞線伸長值及摩阻因數(shù)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)張拉數(shù)據(jù)進(jìn)行伸長量核算。本工程根據(jù)2種不同半徑的環(huán)型孔道和1種直線孔道來計(jì)算鋼絞線伸長量，計(jì)算簡圖如圖5所示。

圖5 環(huán)錨張拉計(jì)算示意圖(單位:mm)Fig.5 Calculation of anchor tensioning(mm)

設(shè)計(jì)文件要求伸長值不得小于104 mm，假定摩阻因數(shù)為一個(gè)定值，在直線段不考慮摩阻因數(shù)，則換算簡化后直線段AB伸長量

式中:K為每m偏轉(zhuǎn)摩阻因數(shù)，一般取0.001 5，或按規(guī)范進(jìn)行取值;P0為設(shè)計(jì)最終張拉力;μ為摩阻因數(shù)，可在0.17～0.30之間依次進(jìn)行取值，以便更好地對(duì)伸長值(104 mm)進(jìn)行核算。

CD，DA段也采用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

4.2 數(shù)據(jù)建立

通過上述計(jì)算可以建立數(shù)據(jù)表格。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行張拉后，鋼絞線的伸長值就可以直接算出來，再對(duì)照表格中的摩阻因數(shù)就可以將鋼絞線的摩阻因數(shù)求出。伸長值與摩阻因數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1 伸長值與摩阻因數(shù)的關(guān)系Table 1 Relationship between extended length and friction coefficient

4.3 張拉效果

通過預(yù)應(yīng)力張拉施工，在“雙控”條件下達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使隧洞內(nèi)襯提前進(jìn)行預(yù)受力，為后期有壓力通水提供保障。

5 環(huán)形預(yù)應(yīng)力施工難點(diǎn)、重點(diǎn)及處理

1)環(huán)形張拉預(yù)應(yīng)力施工在穿索過程中有波紋管堵塞現(xiàn)象，由于波紋管環(huán)形布置，環(huán)形波紋的疏通存在很大難度，一般的工具無法操作，達(dá)不到規(guī)定要求的穿索效果。因此，應(yīng)采用軟軸疏通裝置，最長達(dá)12 m，以磨為主，對(duì)波紋管進(jìn)行疏通，從而達(dá)到較好的疏通效果。

2)在前期進(jìn)行試驗(yàn)段張拉施工時(shí)，在張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，伸長值達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，不能滿足“雙控”要求。采用在穿鋼絞線時(shí)，在鋼絞線上涂石墨粉的方法減小摩擦，保證張拉時(shí)鋼絞線的伸長值，每束涂石墨粉 0.75 kg。

6 環(huán)形張拉與普通直線張拉的主要區(qū)別

1)環(huán)形張拉在錨板鎖定時(shí)，只用一個(gè)錨板雙向進(jìn)行鎖定，一頭張拉;直線張拉是兩頭進(jìn)行鎖定，一頭張拉或兩頭同時(shí)張拉。

2)環(huán)形張拉過程中除了受鋼絞線的拉力外，還受環(huán)形結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絞線的作用力;直線張拉過程中只受鋼絞線的張拉力和結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絞線的作用力。

3)環(huán)形張拉鋼絞線全長范圍內(nèi)是彎曲的，普通張拉鋼絞線全長范圍內(nèi)為直線，無豎彎及平彎角度。

7 環(huán)形張拉注意事項(xiàng)

1)波紋管安裝應(yīng)平順，單孔線型應(yīng)在同一投影面上，錨具槽兩端的小半徑波紋管應(yīng)嚴(yán)格加固控制，增設(shè)軌道筋加固波紋管，保證波紋的設(shè)計(jì)線型。對(duì)于波紋管堵塞問題，現(xiàn)場(chǎng)要給予高度重視，避免波紋管堵塞。

2)穿束前對(duì)波紋管進(jìn)行清理和清洗，保證穿束時(shí)的暢通。

3)在張拉前期伸長量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況下，采用加石墨粉的方法減小摩阻，在鋼絞線上加石墨粉要適量，不能過多，要以施工現(xiàn)場(chǎng)的張拉伸長量為參考。

4)張拉前對(duì)錨具槽喇叭口進(jìn)行打磨處理，避免鋼絞線在張拉過程中與喇叭口摩擦，影響張拉效果。

5)施工前要加強(qiáng)作業(yè)層的培訓(xùn)，嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行施工，保證張拉施工按照技術(shù)要求有序進(jìn)行。

6)每21束張拉完成2 d后進(jìn)行錨具槽回填，在回填7 d后進(jìn)行孔道灌漿，完成張拉施工工序。

8 討論

穿黃隧洞內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力施工先后經(jīng)過多次1∶1仿真試驗(yàn)和地面模擬試驗(yàn)，獲得了施工的各項(xiàng)參數(shù)。在正式環(huán)形張拉施工后，又進(jìn)行了3個(gè)月的生產(chǎn)性試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)各階段的生產(chǎn)性試驗(yàn)情況進(jìn)行總結(jié)，并采取了一系列措施對(duì)施工工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。施工過程中對(duì)張拉施工數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)核算，保證了張拉施工質(zhì)量的有效控制，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，減少對(duì)張拉施工的影響，節(jié)約投資，該方法有利于環(huán)形張拉施工的廣泛應(yīng)用。

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