南水北調(diào)穿黃隧洞有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力施工重難點分析

孫振川，仲生星

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

南水北調(diào)穿黃隧洞有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力施工重難點分析

孫振川，仲生星

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

南水北調(diào)穿黃隧洞工程為我國首次采用盾構(gòu)管片拼裝式結(jié)構(gòu)與襯砌預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型雙層復(fù)合襯砌型式，隧洞內(nèi)襯直徑7 m，襯砌厚度45 cm，僅為直徑的1/16，較常規(guī)混凝土偏薄，而且要承受單束錨索2 250 kN的張拉力，預(yù)應(yīng)力偏高。為了解決薄壁混凝土環(huán)錨預(yù)應(yīng)力施工中出現(xiàn)的錨具槽裂紋、鋼絞線伸長值不足及預(yù)埋波紋管堵塞的難題，依托南水北調(diào)穿黃隧洞工程，采取理論分析計算、現(xiàn)場張拉試驗等方法，探討并解決了隧洞薄壁混凝土有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力施工的技術(shù)難題，相關(guān)研究成果可供類似工程借鑒。

南水北調(diào)；穿黃隧洞；有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力；裂紋；錨索伸長值；波紋管堵塞

0 引言

現(xiàn)澆后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)型式之一。后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌為主動式預(yù)應(yīng)力，國外在20世紀70年代已應(yīng)用于引水隧道中[1]。國內(nèi)于20世紀80年代末至90年代初在清江隔河巖大型水電站引水隧道工程中亦首例開發(fā)并成功應(yīng)用[2]，其后在天生橋電站引水隧道和小浪底水利樞紐排砂洞中推廣應(yīng)用[3]。后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌的工藝特點是通過張拉預(yù)應(yīng)力筋，在混凝土構(gòu)件中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，張拉完后灌漿，使預(yù)應(yīng)力筋與混凝土可靠粘結(jié)，充分發(fā)揮材料的強度并使所建立的預(yù)壓應(yīng)力有更好的保障。文獻[1]和文獻[2]從設(shè)計角度出發(fā)介紹了張拉施工原理及技術(shù)要點，文獻[3]對隧洞環(huán)錨預(yù)應(yīng)力分布進行了研究。相關(guān)文獻對預(yù)應(yīng)力的理論分析較多，但對施工中存在的問題涉及較少。穿黃隧洞作為薄壁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和小半徑多曲線預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，施工中遇到的問題較典型。本文通過施工實踐，對環(huán)錨預(yù)應(yīng)力張拉中存在的問題進行系列研究，并找出解決方法，以期為類似工程提供借鑒。

1 施工概況

穿黃隧洞為大型壓力水工隧洞，地處黃河典型游蕩性河段，位于VII度地震區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜。隧洞除需承受外部水、土荷載外，還要承受大于0.5 MPa的內(nèi)水壓力。為解決穿黃隧洞在復(fù)雜地質(zhì)條件下遇到的難題，設(shè)計單位研發(fā)出雙層復(fù)合襯砌。外襯為拼裝式管片環(huán)，在盾構(gòu)施工過程中完成，內(nèi)襯為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)外襯以排水墊層分隔，具單獨受力特性，在基本荷載組合下，全截面受壓，滿足結(jié)構(gòu)承載與正常使用的要求。此種結(jié)構(gòu)型式在國內(nèi)盾構(gòu)隧道施工中尚屬首例，為創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)[4]。

穿黃隧洞全長4 250 m，隧洞外襯由泥水盾構(gòu)掘進后拼裝管片形成，外徑8.7 m，管片厚40 cm；隧洞內(nèi)襯直徑7.0 m，外徑7.9 m，厚度45 cm，采用C40.W12.F200預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆法施工，為后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隧洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。隧洞內(nèi)襯標準分段長9.6 m，標準段布置21束錨索，單束錨索由12根φ15.2 mm的鋼絞線集束而成，控制張拉力為2 250 kN。隧洞預(yù)應(yīng)力設(shè)計如圖2所示。

2 施工工藝

隧洞預(yù)應(yīng)力施工采用HM環(huán)錨預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，即通過HM錨具，將一束鋼絞線沿環(huán)向集于一端，利用變角張拉裝置和千斤頂在槽外進行張拉。HM錨固系統(tǒng)采用HM15-12型錨具。張拉時，錨板受張拉設(shè)備頂壓，隨錨索張拉伸長做反向游動，襯砌則在錨索滑動伸長過程中形成預(yù)應(yīng)力。張拉機具置于槽外，由專門的弧形墊座伸入槽內(nèi)聯(lián)接錨板和張拉機具，以完成力的傳遞。環(huán)錨預(yù)應(yīng)力施工工藝在近年來得到了較快發(fā)展，其工藝已相對成熟，主要工藝如圖3所示。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.1 Typical cross-section of pre-stressed lining of Yellow River Crossing Tunnel (mm)

圖2 穿黃隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌內(nèi)壁展開圖(單位：mm)

在隧洞內(nèi)襯混凝土強度達到75%以上且回填灌漿達到設(shè)計要求后進行鋼絞線張拉。錨索張拉采用雙控，以應(yīng)力控制為主，同時進行變形控制。錨索張拉過程按單根鋼絞線預(yù)緊、整束張拉分序、同序荷載分級要求進行。

第1序張拉按照水流方向，洞內(nèi)左側(cè)奇數(shù)號錨索按1#，3#，5#，7#，9#，11#，13#，15#，17#，19#，21#錨索順序自小到大，按序張拉；右側(cè)偶數(shù)號按2#，4#，6#，8#，10#，12#，14#，16#，18#，20#錨索順序，自小到大，按序張拉；錨索整束張拉分2級，第1級張拉力為500 kN，第2級張拉力為1 500 kN。第2序張拉順序與第1序相同，即左側(cè)奇數(shù)號錨索按序張拉后，再右側(cè)偶數(shù)號錨索按序張拉；整束張拉分2級，第1級張拉力為1 500 kN，第2級張拉力為1 500～2 500 kN。

圖3 隧洞環(huán)錨預(yù)應(yīng)力施工工藝Fig.3 Flowchart of pre-stressing of secondary lining of Yellow River Crossing Tunnel

錨索張拉合格后，切除多余的鋼絞線，采用微膨脹混凝土進行錨具槽回填，待混凝土強度滿足設(shè)計要求后即可進行孔道灌漿，使鋼絞線與水泥漿可靠粘結(jié)，建立起有效的預(yù)應(yīng)力。

3 施工重難點及對策

3.1 錨具槽周邊出現(xiàn)裂紋

穿黃隧洞在預(yù)應(yīng)力張拉后，沿錨具槽口環(huán)向出現(xiàn)裂紋，裂紋主要為表面裂紋，寬度為0.1～0.2 mm，深度為2～3 cm，長度在0.2～1.3 m，均在張拉鎖定前出現(xiàn)。

在環(huán)錨預(yù)應(yīng)力設(shè)計中，為提高預(yù)應(yīng)力效率，鋼絞線應(yīng)盡量靠近襯砌的外側(cè)布置，但在靠近錨具槽處，由于加載的需要，鋼絞線要在靠近錨具槽口附近通過一段小圓弧向內(nèi)側(cè)彎曲，并要與大圓及連接錨具的直線段相切，最終通過鋼絞線張拉后鎖定。

錨索回縮會受到反向摩阻的作用[5]，因此，錨索并非全程回縮，只是在靠近張拉端的索段發(fā)生回縮。錨索回縮主要分布在小曲線段(即連接錨具槽上下口的小半徑曲線)，該曲線段是大曲線段與錨具槽直線段之間的過渡段，曲率半徑為2 393 mm，是大曲線半徑的0.62倍。若錨索不發(fā)生回縮，該小曲線段錨索對孔道的擠壓力將高出大曲線段的61%，而且靠近襯砌環(huán)內(nèi)壁，受力條件比較惡劣。由于鋼絞線的張拉會在小圓弧范圍內(nèi)的混凝土襯砌內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成該部位擠壓力過大，并造成混凝土漲裂；同時，由于回縮損失，該段錨索拉力變得均勻，對改善錨具槽周邊的應(yīng)力狀態(tài)是有利的，這也從受力方面解釋了錨具槽槽口部位混凝土易產(chǎn)生碎裂的原因。在隧道施工中，設(shè)計單位應(yīng)根據(jù)試驗及理論計算數(shù)據(jù)[6]，對錨具槽喇叭口位置、錨具槽周邊的鋼筋進行優(yōu)化。對錨具槽上下部位加強鋼筋進行加密，由試驗階段的10 cm間距調(diào)整為6 cm，解決了錨具槽口處裂紋的問題。

3.2 錨索伸長值不足

錨索的伸長值是錨索張拉質(zhì)量控制的主要內(nèi)容之一，在隧洞張拉施工中就存在張拉力達到設(shè)計條件，而錨索伸長值未能滿足設(shè)計要求的情況。

根據(jù)文獻[7]，環(huán)錨預(yù)應(yīng)力伸長值

(1)

式中：Δl為預(yù)應(yīng)力筋的伸長值，mm；p為預(yù)應(yīng)力筋的張拉力，N；l為預(yù)應(yīng)力筋從張拉端至計算截面的管道長度，mm；θ為預(yù)應(yīng)力筋從張拉端至計算截面曲線管道部分切線的夾角之和，rad；k為預(yù)應(yīng)力管道局部偏擺系數(shù)，穿黃隧洞k=0.001 5；μ為預(yù)應(yīng)力筋與管道壁的摩擦因數(shù)；E為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量，MPa；A為預(yù)應(yīng)力筋的截面積，mm2。

從式(1)中可以看出，在張拉力固定的情況下，影響錨索伸長值的主要因素是孔道摩阻因數(shù)μ。文獻[8]對曲線預(yù)應(yīng)力伸長值做過研究，穿黃隧洞預(yù)應(yīng)力筋是個多曲線組合型預(yù)應(yīng)力筋，其張拉伸長值應(yīng)分段計算累加后反推其摩阻因數(shù)。

計算方法為：張拉過程中錨索錨固于千斤頂活塞端部的工具錨板上，錨索隨活塞運動而伸長，活塞的行程即為錨索的總伸長值ΔS。錨索的總伸長值由5部分組成，如圖4所示。

圖4 錨索伸長值計算示意圖

1)Δl0為弧形墊座上端—工具錨板之間的直線段伸長值；2)ΔS0為弧形墊座曲線段伸長值；3)Δl1為弧形墊座下端直線段伸長值，Δl1=Δl′+Δl″，其中，Δl′為弧形墊座下端—限位板—游動錨板的直線距離伸長值，Δl″為錨索兩側(cè)第1曲線段始端之間直線索段的伸長值；4)ΔS1為第1曲線段伸長值；5)ΔS2為第2曲線段伸長值。

得到總伸長值

ΔS=Δl0+ΔS0+Δl1+ΔS1+ΔS2。

(2)

將各部分伸長值算式代入式(2)，并經(jīng)整理后得到波紋管孔道與錨索之間的摩阻因數(shù)

(3)

式中：ΔT0為千斤頂拉力增量(為提高精度，按增量計算(下同))；ΔS為活塞伸長增量；l0為弧形墊座上端—工具錨板的直線段長度(現(xiàn)場實測)；EF為錨索彈性模量與截面積的乘積；ΔT1為弧形墊座下端的拉力增量，ΔT1=ΔT0e-μθ；μ0為弧形墊座孔道摩阻因數(shù)，按錨具靜載組裝件試驗成果取為0.084 6；R0，θ0分別為弧形墊座孔道半徑和包角，R0=500 mm，θ0=40°；l1為弧形墊座下端—第1曲線段始端的直線段長度(現(xiàn)場實測)；ΔT2為第1曲線段末端的拉力增量；R1，θ1(R2，θ2)分別為第1(或第2)曲線段的半徑和包角；ΔT3為第2曲線段末端的拉力增量。

錨索伸長值由活塞伸長值扣除鋼絞線跟進值得到。通過采用錨索伸長值反演錨索孔道摩阻因數(shù)，可計算張拉力在2 500 kN時，錨索在不同摩阻因數(shù)下的伸長值。

從上述分析中可以看出，孔道摩阻因數(shù)是影響錨索伸長值的主要因素，在不同的摩阻因數(shù)影響下，伸長值各有不同。穿黃隧洞按前期仿真試驗的研究結(jié)果表明，采用波紋管作為穿索孔道，在線型安裝準確的條件下，摩阻因數(shù)可控制在0.18～0.22，小于規(guī)范要求(μ=0.25)。為此，在隧洞內(nèi)通過對3個階段的生產(chǎn)性試驗，每個階段通過不同的措施進行伸長值比較，從而研究錨索伸長值不足的問題。試驗張拉段伸長值如表1所示。

表1 試驗張拉段伸長值Table 1 Elongation value of anchor cable mm

采用常規(guī)的清洗波紋管孔道、在錨具喇叭口處增加墊片等措施，效果不明顯，后又采取鋼絞線涂刷石墨粉后進行穿束張拉，降低了孔道摩阻因數(shù)，效果較好，基本滿足設(shè)計要求。這說明，孔道摩阻因數(shù)較大是影響伸長值的主要因素，具體表現(xiàn)為波紋管預(yù)埋安裝中存在線型不準確、波紋管接頭連接不平順等。根據(jù)試驗成果，在現(xiàn)場預(yù)埋孔道時應(yīng)嚴格控制波紋管線型及間距，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曲線段應(yīng)作為安裝控制的重點，增設(shè)軌道筋加固波紋管，線型嚴格按5點法控制。在后續(xù)的施工中，通過上述改進措施，成功地解決了錨索伸長值不足的問題。

3.3 鋼絞線斷絲

鋼絞線斷絲的原因較多，主要因素有鋼絞線損傷、夾片齒形及硬度不合規(guī)、錨具的加工與安裝不合理以及油表失靈、張拉力過大等都會造成鋼絞線斷絲[9]。穿黃隧洞在施工初期預(yù)應(yīng)力張拉中亦存在斷絲問題。根據(jù)設(shè)計要求，確定最終張拉應(yīng)力為2 500 kN，每束鋼絞線斷絲數(shù)量≥2絲均視為不良錨索。在生產(chǎn)性試驗階段，每倉(21束)預(yù)應(yīng)力張拉過程中均存在斷絲問題。以第3試驗階段為例，張拉總倉數(shù)為20，統(tǒng)計斷絲、裂縫情況如表2所示。

現(xiàn)場在排除了鋼絞線下料、夾片、錨具安裝、千斤頂校驗等因素后，對錨索進行退錨檢查，發(fā)現(xiàn)斷絲主要表現(xiàn)在靠近預(yù)埋錨墊板(喇叭口)處，以內(nèi)側(cè)4根鋼絞線斷絲問題較為突出，呈剪切破壞。按設(shè)計原理，錨索在穿過預(yù)埋錨墊板(喇叭口)后，鋼絞線通過小曲線的切線，在錨具槽內(nèi)變?yōu)橹本€段；而在實際張拉中，由于千斤頂張拉力的增加，工作錨產(chǎn)生少量位移，導(dǎo)致鋼絞線向內(nèi)弧面收縮，而在預(yù)埋錨墊板與波紋管相接處，錨墊板有5 mm的臺階，內(nèi)層鋼絞線擠壓在該臺階處，由于受力不均，造成剪切破壞。

表2 斷絲、裂縫匯總Table 2 Statistics of broken wires and cracks

現(xiàn)場試驗表明，鋼絞線預(yù)緊對防止斷絲有較大作用，施工中采用分級預(yù)緊或整束預(yù)緊后再單根預(yù)緊，從而降低鋼絞線在孔道內(nèi)的不均勻性。采用在錨具槽預(yù)埋錨墊板處增加鋁塑墊片等方式進行試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，增加墊片后斷絲問題基本得到解決，但增加墊片導(dǎo)致了孔道摩阻的增加，影響了錨索伸長值，隨后通過采取打磨錨墊板處的臺階、優(yōu)化錨墊板加工等措施，解決了斷絲問題。

穿黃隧洞錨索張拉量大，隧洞共有9 185束鋼絞線，每個標準倉有21束鋼絞線，施工中存在工具錨夾片處斷絲問題。在此處斷絲的鋼絞線是由于工具錨長期工作后出現(xiàn)疲勞變形、錨固性能下降、工具夾片咬合不良導(dǎo)致鋼絞線剪斷，從現(xiàn)場施工來看，普通工具錨在張拉4～5倉后就要進行更換。

對于不良錨索，采取了特制退錨器進行退錨處理，重新穿入鋼絞線后進行張拉。

3.4 預(yù)埋波紋管堵塞

波紋管堵塞是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工的難題，堵管會導(dǎo)致后期預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿束無法通過，或張拉預(yù)應(yīng)力時鋼絞線實際伸長值與設(shè)計計算值相差很大，且由于曲線管道疏通處理非常麻煩，既影響了工期，又耗費了人力。從穿黃隧洞施工情況來看，造成波紋管堵塞的主要原因有：1)波紋管接頭密封不好。施工中對波紋管接頭處理不好，造成混凝土在澆筑過程中由于振搗導(dǎo)致管道接頭松動漏漿，進而造成堵塞。 2)混凝土澆筑壓力過大。隧洞襯砌一般采用模板臺車澆筑，在澆筑過程中，尤其是封頂時，由于澆筑壓力過大，造成預(yù)埋波紋管擠壓變形。

解決環(huán)形波紋管堵塞問題要以預(yù)防為主。在安裝預(yù)埋波紋管時應(yīng)嚴格控制安裝質(zhì)量，仔細檢查接頭部位及加固部位，防止由于安裝不當(dāng)造成漏漿；澆筑過程中應(yīng)隨時通過錨具槽口處穿好的疏通器拉動檢查，或采用高壓風(fēng)槍吹掃孔道。對于堵塞的波紋管道，在拆模后應(yīng)立即檢查堵塞位置及堵塞長度，現(xiàn)場通過工業(yè)視頻頭穿入管道進行檢查確認，根據(jù)堵塞情況采取不同的處理措施。

1)當(dāng)波紋管內(nèi)壁有少量漿液滲進時，應(yīng)采用疏通器進行常規(guī)的拉動疏通。

2)當(dāng)堵塞段≤1.5 m時，施工現(xiàn)場采用軟軸疏通器(主要由合金鉆頭、連接軟軸和電機組成)，通過電機驅(qū)動鉆頭對堵塞段進行打磨疏通。

3)擠壓變形的波紋管，則通過開槽置換出變形的波紋管后，澆筑高強無收縮混凝土。

穿黃隧洞錨索張拉工程量大，全隧共有9 185束鋼絞線。盡管施工中采取了諸多防護措施，但仍有少量波紋管堵塞，約占錨索總量的1%?，F(xiàn)場通過采取有針對性的措施，解決了波紋管堵塞的難題。

4 結(jié)論與討論

預(yù)應(yīng)力襯砌厚度一般宜取(1/10～1/12)DB(襯砌內(nèi)徑)，穿黃隧洞內(nèi)襯直徑7 m，襯砌厚度45 cm，僅為直徑的1/16，較常規(guī)混凝土偏薄，而且要承受間距為40 cm、單束錨索為2 250 kN的張拉力，預(yù)應(yīng)力偏高。為此，在施工前進行了大型仿真試驗，研究解決設(shè)計和施工中存在的問題；在施工期間，由于特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計及高精度施工要求，結(jié)合現(xiàn)場對有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力張拉施工中出現(xiàn)的典型問題進行了研究，并提出了相關(guān)解決措施。通過不斷優(yōu)化改進施工工藝，保證了預(yù)應(yīng)力張拉施工質(zhì)量。其中，通過伸長值反演計算孔道摩阻因數(shù)，相比較應(yīng)變片測值較為穩(wěn)定真實；對于鋼絞線斷絲的問題，在借鑒相似工程的基礎(chǔ)上進行具體分析，找到了解決辦法。

波紋管堵塞是后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工的一個普遍性難題，曲線孔道堵塞后的處理，尤其是堵塞段較長的孔道，目前大多采用開槽置換的處理方法，但該方法在一定程度上破壞了混凝土結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布。對于堵塞后在不破壞結(jié)構(gòu)的前提下進行疏通處理，仍是一個值得研究的課題。

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KeyPointsinImplementationofBondedCircumferentialPre-stressingofYellowRiverCrossingTunnelonSouth-to-NorthWaterDiversionProject

SUN Zhenchuan,ZHONG Shengxing

(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450003,Henan,China)

Yellow River Crossing Tunnel on South-to-North Water Diversion Project is the first tunnel in China where composite lining consisting of primary segment lining and pre-stressed in-situ-cast reinforced concrete secondary lining is adopted.The diameter of the secondary lining of the tunnel is 7 m,while the thickness thereof is 45 cm,i.e.,only 1/16 of the diameter thereof.Therefore,the pre-stressed in-situ-cast reinforced concrete lining of the tunnel is thinner than that in normal cases.On the other hand,one single anchor cable of the pre-stressed in-situ-cast reinforced concrete lining will undertake 2 250 kN tensioning force,i.e.,the pre-stress is higher.Under these conditions,problems,such as cracks of the anchor tool channels,insufficient elongation of steel stands and jamming of embedded corrugated pipes,may occur.In the paper,solutions for these problems are studied by means of theoretical analysis and in-situ tensioning tests.The paper can provide reference for similar projects in the future.

Yellow River Crossing Tunnel on South-to-North Water Diversion Project; bonded circumferential anchor; pre-stressing; crack; anchor cable elongation value; corrugated pipe jamming

2013-08-20;

2013-12-02

孫振川(1972—)，男，陜西韓城人，1995年畢業(yè)于遼寧阜新礦業(yè)學(xué)院，采礦工程專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，主要從事地下工程技術(shù)及管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.012

U 455

B

1672-741X(2014)01-0073-05