壓力輸水隧洞鋼襯混凝土施工技術

馬 亮，王國龍（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110013）

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壓力輸水隧洞鋼襯混凝土施工技術

馬 亮，王國龍
（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110013）

［摘 要］采用鋼筋混凝土襯砌的壓力輸水隧洞,當圍巖中有斷層等軟弱結(jié)構(gòu)，抗?jié)B能力較差時,若處理不當,內(nèi)水外滲使隧洞滲水、漏水，嚴重時會導致圍巖失穩(wěn)，引起隧洞結(jié)構(gòu)破壞，嚴重破壞上部環(huán)境；采用鋼板承受內(nèi)水壓力，可以有效的解決這種問題。通過大伙房水庫輸水（二期）工程的成功范例，歸納總結(jié)了鋼襯混凝土技術的設計理論及施工方法，研究結(jié)果對于類似工程的設計及施工具有參考意義。

［關鍵詞］壓力隧洞；鋼襯；內(nèi)水壓力

鋼筋混凝土襯砌隧洞的常見病害：襯砌厚度不足，配筋不滿足荷載要求，抗裂和裂縫寬度不滿足要求，襯砌混凝土存在裂縫、碌蝕、滲漏等問題；隨著有限元等成熟的數(shù)學分析方法的采用，混凝土襯砌厚度、配筋等都可以通過科學計算進行確定。

但對于壓力輸水隧洞來說，在隧洞進出口等淺埋段，圍巖抗?jié)B能力差，內(nèi)水外滲將導致圍巖失穩(wěn)，引起隧洞結(jié)構(gòu)破壞，嚴重破壞上部環(huán)境上部環(huán)境；采用鋼板作為襯砌內(nèi)壁能夠有效地承擔內(nèi)水壓力，同時鋼板還可以和混凝土聯(lián)合承受外壓，增加襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程概況

大伙房水庫輸水（二期）工程撫順段南郊段全長29.1 km，形式以隧洞為主，長25.4 km，由10條主洞組成，斷面為圓形，成洞直徑6 m，主洞間由相同內(nèi)徑的壓力鋼管道連接；隧洞為壓力隧洞，內(nèi)水壓力0.55 MPa，在隧洞進、出口段，多為頁巖、泥巖、凝灰?guī)r、輝綠巖等軟巖，巖體破碎，風化嚴重。

在圍巖抗?jié)B能力差時，內(nèi)水外滲將導致圍巖失穩(wěn)，很難處理，必須采取嚴格的防滲要求，襯砌結(jié)構(gòu)按抗裂設計。按抗裂設計的有壓輸水隧洞，在最小覆蓋厚度滿足要求時，對圍巖具備承擔內(nèi)水壓力的IV，V類圍巖段，須采用預應力混凝土或鋼板襯砌；在最小覆蓋厚度不滿足要求時，圍巖不具備承擔內(nèi)水壓力的各類圍巖段，均須采用預應力混凝土或鋼板襯砌。

2 鋼襯設計

2.1 鋼襯材料

鋼襯管壁用鋼材為低合金容器鋼，鋼牌號為16 MnR。補強板、加勁環(huán)等附件及零部件也采用16 MnR鋼板制作；非主體用鋼（如臨時支撐、內(nèi)支撐、安裝用鋼等）選用碳素鋼Q235A。

16 MnR鋼板的質(zhì)量符合GB6654-1996《壓力容器用鋼板》中的有關規(guī)定，其化學成分、機械性能滿足表1，2的要求；Q235A鋼板的質(zhì)量符合GB700-88《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中的要求；其化學成分、機械性能應滿足表1,2的要求。

16 MnR鋼板（壁厚6～16mm）常溫下的屈服應力為345 MPa，抗拉強度為510 MPa。鋼板強度設計值為345 MPa，焊縫系數(shù)為0.95。

表1 材料化學成分表%

2.2 鋼襯結(jié)構(gòu)

綜合鋼襯鋼板運輸、安裝的時效，選擇每節(jié)鋼襯長度為2.8 m。鋼襯隧洞外部圍巖均為全風化、強風化圍巖，圍巖厚度小于35 m，圍巖不能與鋼襯聯(lián)合受力，須有鋼管單獨承受內(nèi)水壓力、外壓力。

表2 材料機械性能表

鋼襯承受的外壓力有外水壓力、真空壓力、灌漿壓力。真空壓力為0.05 MPa，灌漿壓力為0.2 MPa?？紤]折減系數(shù)，外水壓力小于0.2 MPa；內(nèi)水壓力為0.55 MPa，按1.3的安全系數(shù)，鋼襯最大設計內(nèi)壓為0.715 MPa。

按照DL/T5141-2001《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》相關要求進行計算，鋼襯計算壁厚為14mm，考慮2mm銹蝕厚度，鋼里襯設計壁厚為16mm；根據(jù)外壓校核鋼襯穩(wěn)定，光面管不能滿足穩(wěn)定要求，需設置加勁環(huán)。經(jīng)穩(wěn)定核算，加勁環(huán)間距為1.4 m，環(huán)高100mm，環(huán)厚20mm。

2.2 鋼襯防腐

鋼襯內(nèi)表面的除銹清理工作采用噴射或拋射除銹。除銹后，除銹等級應為GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》標準中規(guī)定的Sa21/2級。鋼襯外表面的除銹清理工作采用機械或手工除銹。除銹后，除銹等級應為GB8923-88標準中規(guī)定的Sa1級。

鋼襯內(nèi)壁涂GZ-2新型高分子防腐涂料，涂裝后干膜厚度為600 μm。

2.3 鋼襯混凝土及灌漿

回填混凝土厚500mm，采用C25W12F150，為保證鋼板與混凝土緊密結(jié)合，回填混凝土采用膨脹混凝土。

在頂拱120°范圍內(nèi)進行回填灌漿，灌漿孔排距為3 m，每排設置3～2個灌漿孔，灌漿壓力為0.2 MPa；混凝土澆筑60 d后，對襯砌底部120°范圍內(nèi)，進行接觸灌漿，灌漿孔排距為3 m，每排設置3～2個灌漿孔，灌漿壓力為0.2 MPa；灌漿孔在鋼襯制作時提前預留。

3 施工組織

3.1 鋼襯的組裝及就位

受安裝洞徑的影響（管外壁到洞壁只有500mm的間距），鋼管洞內(nèi)安裝受現(xiàn)場條件的限制，鋼襯節(jié)間的焊接應盡量在洞口外進行；洞口及洞內(nèi)鋪設軌道以便將組裝好的鋼襯牽引進洞內(nèi)，軌道安裝根據(jù)洞室中心線進行布置，軌距2 m，軌道安裝的高度應保證運輸鋼管中心高程略低于鋼管安裝中心高程，以便于鋼管安裝調(diào)整，同時應提前在洞頂設天錨以便調(diào)整鋼管高程。

每4節(jié)鋼襯作為一個單元在洞外焊接好后，在每節(jié)鋼襯加勁環(huán)的底部用型鋼焊接鐵鞋，作為運輸支撐；用固定卷揚設備將鋼襯通過軌道牽引進洞并就位，利用天錨、千斤頂及拉緊器等設備對鋼襯位置進行調(diào)整（中心線、高程），調(diào)整合格后用型鋼加固鋼襯；鋼襯就位后需加設內(nèi)支撐，防止變形。

3.2 混凝土澆筑

由于洞內(nèi)工作空間狹小，應將頂拱及邊墻不影響鋼襯進洞位置鋼筋提前安裝并焊接，鋼襯就位后，進行底部鋼筋安裝及焊接；同時在洞內(nèi)3點、9點、12點位置布置3根下料管，保證下料管穩(wěn)定并可以抽送自如，管口設在倉內(nèi)最深處；倉口處用鋼、木板封堵，確保混凝土入倉后不外漏。

3根下料管同時泵送混凝土，鋼襯內(nèi)壁設置多個附著式振搗器保證混凝土入倉后振搗密實；按入料能力推斷混凝土填滿整倉時間，當時間接近填滿時，前后抽送下料管，當抽送逐漸困難時，緩慢將料管從倉內(nèi)抽出；封堵管孔，待混凝土達到脫模時間后，拆除封堵板進行下一循環(huán)工序。

3.3 現(xiàn)場焊縫的防腐蝕

鋼管現(xiàn)場焊縫防腐蝕采用手工除銹、手工涂涮。

3.4 灌 漿

鋼襯混凝土的回填灌漿在頂拱120°范圍內(nèi)進行，采用預留的灌漿孔，灌漿前擰開預留孔絲堵，灌漿后擰上絲堵，電焊封堵、磨平并進行防腐處理；接觸灌漿工藝與回填灌漿類似，不同的是，接觸灌漿灌漿孔布置在底拱120°范圍，除在預留孔位置灌漿外，還應采用錘擊法判斷鋼襯混凝土澆筑的致密度，通過錘擊聲音找出空腔位置，進行二次開孔接觸灌漿。

4 結(jié) 語

預應力襯砌混凝土和鋼襯混凝土都是解決壓力隧洞圍巖抗?jié)B能力差的方法，預應力襯砌對鋼絞線的定位和張拉要求很高，鋼襯混凝土則受制于施工空間狹小，難度大、工效低，同時附著式振搗器往往效果不理想，近年來，自密實混凝土逐漸采用，這種不需要附加振動的混凝土較好地解決了鋼襯混凝土不密實的難題。

總之，壓力輸水隧洞的抗?jié)B作為地下工程的一個重要課題，結(jié)構(gòu)設計和施工組織應得到重視，涉及到的理論依據(jù)和設計、施工規(guī)范應更加完善具體，這一點值得相關從業(yè)的科研技術人員深入研究。

［參考文獻］

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［2］SL279-2002，水工隧洞設計規(guī)范［S］.

［3］韓俊杰.壓力鋼管道鋼襯接觸灌漿施工［J］.西部探礦工程，2006（12）.

［中圖分類號］TV33

［文獻標識碼］A

［文章編號］1002－0624（2016）06－0028－02

[收稿日期]2016-03-01