穿黃隧洞高強度環(huán)錨預應力一次性張拉施工工藝研究

李　霞，　王 吉 成

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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穿黃隧洞高強度環(huán)錨預應力一次性張拉施工工藝研究

李霞，王 吉 成

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：南水北調(diào)穿黃隧洞采用后張法有粘結環(huán)形環(huán)錨預應力混凝土雙層襯砌結構，襯砌厚度為45 cm，鋼筋密集，預應力張拉為一次性張拉，張拉難度較大。介紹了該工程的施工難點，分析總結了薄壁環(huán)錨預應力混凝土張拉的施工工藝及其創(chuàng)新方案，可為今后同類型工程提供技術參考。

關鍵詞：穿黃工程；薄壁環(huán)錨預應力；一次性張拉；施工工藝

1工程概述

南水北調(diào)穿黃隧洞位于河南省鄭州市以西30 km處的孤柏山彎橫穿黃河，隧洞全長4 250 m。隧洞為雙線布置，斷面為底板加邊頂拱圓斷面，內(nèi)徑7 m，外徑8.7 m。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；最小曲線半徑800 m，為大型壓力輸水隧洞。內(nèi)襯采用現(xiàn)澆法施工，為后張法有粘結環(huán)形預應力鋼筋混凝土結構，厚45 cm，其為國內(nèi)外工程中較為罕見的薄壁結構，且一次性張拉，較國內(nèi)外同類型工程施工難度大。環(huán)形預應力錨索間距為45 cm，襯砌標準段(長度9.6 m)共設置21束錨索，每束由12根預應力鋼絞線集束而成，共計9 184束。底部設3.1 m寬平臺。

2環(huán)錨張拉施工的難點

該工程預應力錨索工程量為9 184束，工程量大。錨索間距45 cm，工作面鋼筋分布緊密，洞內(nèi)施工狹窄，操作空間小。

環(huán)錨張拉預應力施工高強度快速穿錨部分的施工難點為：現(xiàn)場在綁扎鋼筋中，由于受鋼筋設計尺寸限制，鋼筋安裝基本無調(diào)整空間，安裝極為困難，且箍筋接頭全部放在底部，造成了下部無入料空間，穿錨難度大、精度要求高。一次性預應力張拉的難點在于：混凝土襯砌厚度極薄，為45 cm且環(huán)錨一周槽口位置僅有一個，即為一次性張拉，張拉強度不宜控制，張拉過程中的過大拉力或出現(xiàn)應力集中都會造成斷絲或混凝土出現(xiàn)裂紋，進而導致張拉失敗(表1)。

表1　與國內(nèi)外同類技術施工難易程度比較表

3主要施工工藝

針對以上問題，該工程在施工過程中采取了各種有效措施并利用試驗證明其可行性。

3.1高強度快速穿錨施工工藝

對于施工空間不足的問題，專門設計了鋼絞線堆放平臺和編索平臺。

為了加快穿錨速度，提高穿錨精度及后續(xù)張拉工作的準確度，該工程對錨索進行編錨，將12根鋼絞線分為4層，利用編簾組裝法進行編索，首先將鋼絞線分層：第一層2根，第二層3根，第三層4根，第四層3根。第一層編簾將6#與5#進行捆扎；在進行第二層編簾時，對2#與1#鋼絞線先捆扎，再與9#捆扎；第三層編簾時，10#與4#進行第一組捆扎，3#與11#進行第二組捆扎，完成后再將兩組進行整體捆扎；第四層編簾方法同第二層。這樣實施可使錨索在張拉前、錨具安裝時兩端鋼絞線對應關系準確，從而避免了錨索在孔道內(nèi)的交叉疊壓，減少了張拉過程中的預應力損失。具體分層編簾及編號情況見圖1。同時，在穿索時采用卷揚機牽引、人工輔助推送的方式。

圖1　分層編簾及編號圖

為了減少摩擦，穿索之前，在整束錨索上涂刷了石墨粉。對于發(fā)生牽引鋼絲繩斷裂或穿束不進等現(xiàn)象，預應力科技小組立即研究出了解決辦法。

將高位錨具槽從下端穿入環(huán)錨孔道，低位錨具槽從上端穿入孔道。當錨索從另一端穿出后，將錨具槽上端穿出的錨索一端作為主動張拉端，預留出足夠的環(huán)錨錨具安裝和張拉長度，另一端作為被動張拉端并預留出足夠的鎖定長度。由于孔道孔徑φ90與索體直徑φ65及導向帽直徑φ75之間間隙太小，導致穿索施工相當困難。

3.2預應力張拉施工

鋼絞線張拉采用雙控，即以應力控制為主，同時進行變形控制。錨索張拉過程按單根鋼絞線預緊、整束張拉分序、同序荷載分級要求進行。張拉時應到前束張拉完成、后束安裝及預緊完成，兩序和兩施工段銜接緊湊，形成流水、不干擾作業(yè)，減少無用功并縮短工時、提高張拉效率。

張拉前，根據(jù)張拉對預留槽張拉設備等的需要提前做好準備工作。為了使張拉工作更為順利，該工程施工前進行了一系列試驗，為后續(xù)工作的成功打下了基礎。

為了檢驗錨具組裝件的靜載錨固性能是否符合要求，進行了環(huán)錨錨具組裝件靜載試驗。試驗先后進行了3次，且試驗在分級循環(huán)預緊后開始整束張拉，在整個預緊和各級張拉的過程中未發(fā)現(xiàn)配套組裝件發(fā)生異常情況，試驗結果均滿足要求。試驗結果表明：由OVM公司生產(chǎn)制造的HM15-12型錨具的錨固性能能夠滿足設計及規(guī)范要求，申請批準其投入施工生產(chǎn)使用。

為了保證環(huán)錨施工從波紋管預埋到孔道灌漿的整個工藝流程滿足要求并測試環(huán)錨張拉過程中預應力損失、以確保本標穿黃隧洞及邙山隧洞內(nèi)襯預應力錨索施工順利進行，該工程于2012年4月1日開始對環(huán)錨預應力進行生產(chǎn)試驗，2012年6月28日生產(chǎn)性試驗完成，共進行了三次總結，完善了環(huán)錨預應力施工方法。試驗通過三個階段進行，每次試驗結束召開試驗總結大會，對該次試驗中出現(xiàn)的問題進行討論、分析原因并提出一系列整改方案，從而制定出下次試驗的內(nèi)容。其中第一階段為初步試驗階段，第二、三階段分別總結了上一階段存在的問題，在上一階段的基礎上進行改進，以獲取更加合理的試驗結果。在三個階段的試驗過程中出現(xiàn)的主要問題有穿束困難、斷絲、混凝土出現(xiàn)裂紋等問題。試驗中不斷總結并分析問題產(chǎn)生的可能原因，及時采取措施，在下次試驗中予以改進。對于以上問題采取的主要措施有：

(1)加強波紋管安裝時的線形控制，在波紋管起坡處到喇叭口采用五點法控制以保證線形平順，同時布設軌道筋以確保其過渡平緩與牢固，在波紋管上設置U型卡以防止波紋管在混凝土澆筑振搗的作用下彎折、扭曲和變形。

(2)加強波紋管的清理和檢查。在穿束前反復用高壓風、清水和振動棒對孔道進行徹底的清理。

(3)將工作錨板的位置在整束張拉前調(diào)整至距上喇叭口30 cm處,以確保工作錨板在張拉過程中有足夠的移動空間，不至于對上喇叭口造成較大的擠壓力。

(4)在穿束前對鋼絞線束體涂刷石墨粉，以降低鋼絞線與孔道的摩阻和鋼絞線相互之間的摩擦力。

該工程施工過程中，在鋼絞線上涂刷石墨粉可以降低鋼絞線與孔道的摩阻和鋼絞線相互之間的摩擦力，加快穿索速度，降低斷絲裂紋數(shù)目，提高施工質(zhì)量。但對于在鋼絞線上涂刷石墨粉是否會影響鋼絞線的錨固力沒有有力依據(jù)，因此，特地進行了鋼絞線錨固試驗。試驗分三組(完全涂抹、輕度涂抹、不涂抹)進行，通過三組試驗取得的結果可以看出三組鋼絞線的拉拔力均達到208 kN，滿足設計要求。結果表明，對每束鋼絞線涂刷1 kg石墨粉對預應力損失及水泥漿粘結力無影響。張拉前，為評估孔道摩阻系數(shù)及其對預應力效果的影響、檢測HM15-12型環(huán)錨系統(tǒng)張拉時變角張拉裝置的摩擦損失值，該工程還進行了車道平臺波紋管摩阻試驗和HM15-12型環(huán)錨弧形墊座摩阻損失檢測試驗。

張拉工序分兩序、五級張拉。第一序張拉：左側(cè)奇數(shù)號錨索按序張拉后，再進行右側(cè)偶數(shù)號錨索按序張拉。張拉時，先對單根鋼絞線進行預緊，再將錨索整束分五級進行張拉，每級張拉力遞增(每級加250 kN)。第二序張拉順序與第一序相同，不進行單根預緊，直接進行錨索整束張拉，最終將張拉力加至2500 kN。

張拉到最后時，對于不良錨索使用YDC240QX千斤頂自下而上逐根將壓力升至計算壓力進行退錨操作，按如下順序逐根進行：12→7→8→11→4→3→10→1→2→9→6→5。

當壓力達到并穩(wěn)壓后，操作人員至錨具槽側(cè)面用工具將夾片撥出錐孔。在單根退錨將主拉端夾片全部取出之后，收縮大頂放張，利用鋼絞線的收縮以退出被拉端夾片。夾片全部退出后，將機具拆除，取出工作錨板，用卷揚機牽引、人工輔助將索體退出孔道。

4結語

通過對國內(nèi)外行業(yè)領域發(fā)展方向和水平的研究分析，針對南水北調(diào)穿黃工程中環(huán)錨預應力快速穿錨及一次性張拉施工的難點和特點展開了研究，對于工程中遇到的問題提出了解決方案并通過一系列檢測和生產(chǎn)性試驗驗證其可行性，從而對現(xiàn)有理論和技術進行了完善與發(fā)展，取得了一套實用、創(chuàng)新的理論和技術成果，為類似高難度、高強度、超薄環(huán)錨預應力施工積累了成功的經(jīng)驗，拓展了環(huán)錨預應力的應用范圍，推動了行業(yè)的發(fā)展。

該施工工藝的研究，不僅對當前南水北調(diào)穿黃隧洞內(nèi)襯環(huán)形錨索預應力施工具有重要意義，還可為今后類似的環(huán)形錨索預應力工程提供重要的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]任海波.無粘結環(huán)錨預應力混凝土襯砌結構優(yōu)化設計研究[D].天津大學建筑工程學院，2007.

[2]付志遠，張傳建，段國學，等.穿黃隧洞襯砌1∶1仿真試驗研究實施報告[R].武漢:長江水利委員會,2005.

李霞(1976-)，女，山東博興人，工程師，從事水利水電工程施工技術及管理工作；

王吉成(1980-)，男，寧夏中寧人，項目總工程師，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術及管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1001-2184(2015)06-0052-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV52;TV554

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