CCS電站輸水隧洞TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)

楊軍義　陳丹　劉新云　董甲甲

摘要：對厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞工程TBM管片的設(shè)計和生產(chǎn)過程進(jìn)行總結(jié)，首先根據(jù)工程地質(zhì)情況，綜合考慮洞徑、受力特征和施工難易程度對管片進(jìn)行了選型;然后參照美國規(guī)范推薦的修正慣用法，采用有限元分析軟件ANSYS對管片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析和配筋計算;最后根據(jù)管片混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)過程的各種工藝，制定了管片生產(chǎn)全過程的技術(shù)要求及出廠驗收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過分析明確了管片選型的方法和結(jié)構(gòu)的受力特征，總結(jié)了管片混凝土原材料檢驗、混凝土配制、混凝土振搗、混凝土養(yǎng)護(hù)和管片出廠檢驗等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：TBM;管片;選型;設(shè)計;生產(chǎn);CCS水電站

中圖分類號：TV672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.022

隨著中國水電行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，中國水電設(shè)計和施工企業(yè)承接的國外項目越來越多。這些國外水電工程主要分布在亞、非、拉和南美洲，所在國家科學(xué)技術(shù)水平相對較低，往往沒有自己國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一般采用歐美標(biāo)準(zhǔn)。全斷面隧道掘進(jìn)（TBM）技術(shù)在1956年由美國工程師研制成功，此后在隧洞工程中得到了大量使用，國外許多著名的大工程都采用了該技術(shù)[1]，例如英吉利海峽隧道工程、瑞士費爾艾那鐵路隧道、日本的東京灣高速公路工程、南非的萊索托水工隧洞工程等。中國在20世紀(jì)90年代初從國外引進(jìn)該技術(shù)及裝備，先后應(yīng)用于甘肅省引大人秦工程、山西省引黃人晉工程、西康鐵路秦嶺隧道、遼寧省大伙房輸水隧洞、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、陜西省引漢濟(jì)渭工程輸水隧洞等。近30 a的使用過程中，我國設(shè)計和施工企業(yè)逐步掌握并豐富和完善了TBM技術(shù)中設(shè)備制造、線路選擇、管片設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。本文以厄瓜多爾COCACODO SINCLAIR（簡稱CCS）水利樞紐工程為例，詳細(xì)介紹TBM管片設(shè)計和生產(chǎn)過程中一些關(guān)鍵問題。

CCS水電站工程主要任務(wù)為發(fā)電，電站總裝機容量1500 MW，安裝8臺沖擊式水輪機組，年發(fā)電量88億kW.h。CCS水電站主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道和地下廠房等。輸水隧洞全長24.8 kM.隧洞內(nèi)徑8.2 m，除部分洞段采用鉆爆掘進(jìn)施工外，其余洞段由兩臺TBM設(shè)備同時從兩側(cè)向中間掘進(jìn)。TBM施工段采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌厚度0.3 m。

1 工程地質(zhì)條件

工程處于地震和火山活動多發(fā)地區(qū)，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，輸水隧洞沿程斷層多達(dá)25條，TBM段隧洞圍巖以Ⅲ類和Ⅳ類為主，并且存在以下工程地質(zhì)問題[2]。

（1）高地應(yīng)力。隧洞沿線處于地震多發(fā)區(qū)，構(gòu)造運動相對頻繁，地震在一定層面上對地應(yīng)力的釋放有利，但是區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造運動導(dǎo)致斷層相對發(fā)育，巖石以堅硬較脆的侵入巖和火山巖為主，容易產(chǎn)生地應(yīng)力聚集。

（2）高地溫。工程處于火山活動多發(fā)區(qū)，地下巖漿活動比較劇烈。

（3）高地下水位。隧洞埋深較大，最大埋深大于700 m，一般埋深為300 - 600 m，地下水主要以雨水沿山體裂隙下滲為主，因此地下水位隨時間和空間變化較大。

（4）圍巖穩(wěn)定性差。隧洞沿程斷層發(fā)育，巖石較為破碎，加之高地應(yīng)力和高地下水位的作用，圍巖穩(wěn)定性相對較差。

2 TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 管片的選型

輸水隧洞管片的形狀主要有平行四邊形、左右通用矩形、六邊形三種（管片襯砌環(huán)分別見圖1-圖3），采用平行四邊形管片的工程有老撾Theun HinbounExpansion項目等，采用左右通用矩形管片的工程有掌鳩河供水工程等，采用六邊形管片的工程有引大人秦調(diào)水工程、伊犁河81大坂隧洞、萬家寨引黃工程、引大濟(jì)湟工程等。不同形狀的管片在結(jié)構(gòu)、受力形式和施工難易程度等方面存在以下不同[3-4]：①平行四邊形、左右通用矩形管片外形簡單，環(huán)間縫面垂直軸線，縱向縫面為直線，相比于六邊形管片，便于縫面之間止水安裝。②與左右通用矩形管片和平行四邊形管片相比，六邊形管片各類螺栓孔布置較少，這有利于管片混凝土立模和澆筑，簡化了管片的拼裝。③矩形管片間縱向接縫平行于隧洞軸線，使得管片之間傳力方式明確且受力均勻，而六邊形管片相互交錯咬合，管片間環(huán)向傳力需要一個管片向與其相接的兩個管片分配，并且存在尖角，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。④相較于六邊形管片，楔形塊的存在使得左右通用矩形管片可以通過環(huán)寬方向調(diào)整相應(yīng)的楔形塊形狀，輕松地實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和糾偏。⑤相較于左右通用矩形管片，六邊形管片和平行四邊形管片每環(huán)的位置確定不用通過調(diào)整管片位置避免通縫，有利于布置軌道平臺、施工期排水溝和墊座。

鑒于左右通用矩形管片應(yīng)用較成熟，且可在環(huán)寬方向設(shè)計一定的楔形量，通過調(diào)整各管片的相對位置，方便地在隧洞掘進(jìn)過程中轉(zhuǎn)彎和糾偏。該工程管片形狀采用左右通用矩形管片，每環(huán)有A、B、C、D、E、F、G（楔形塊）共7塊管片組成，管片厚度為30 cm，管片沿隧洞方向?qū)挾葹?80 cm。管片型式采用B、D兩種，兩種型式采用統(tǒng)一的外觀尺寸，只在配筋量上加以區(qū)分，根據(jù)隧洞斷面位置揭露的圍巖類型確定管片，當(dāng)圍巖為I、Ⅱ、Ⅲ類時采用B型管片襯砌，當(dāng)圍巖為Ⅳ、V類時采用D型管片襯砌。

2.2 管片的結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)美國規(guī)范.TBM管片計算采用修正慣用法[5-6]。根據(jù)輸水隧洞的施工過程及運行條件，分別考慮施工期軌道運輸、完建期、無壓運行期、有壓運行期、地震5種工況，各工況荷載組合見表1。其中根據(jù)《Tunnels and Shafts in Rock》（ EMII10-2-2901）中9-1節(jié)h條規(guī)定[7]，在有效排水情況下，外水壓力水頭取0.25倍總水頭與3倍洞徑的小者，即在完建期、無壓運行期按27.3 m外水壓力水頭考慮，有壓運行期按沒有外水壓力考慮。

采用大型通用有限元計算程序ANSYS進(jìn)行管片內(nèi)力計算，該軟件可用于平面、三維、桿系等的內(nèi)力計算分析。按隧洞受力特點，襯砌采用二維梁單元模擬;為充分反映地層與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，地層約束以彈性鏈桿模擬（只能傳遞法向壓力，不能傳遞法向拉力和切向剪力），其剛度根據(jù)地基彈性抗力系數(shù)及襯砌單元包含的地基面積確定。計算模型節(jié)點總數(shù)為292個，襯砌單元146個，地基抗力單元153個，模型見圖4。

以Ⅲ類圍巖典型斷面為例，其最大內(nèi)力計算結(jié)果見表2，有壓運行工況內(nèi)力云圖見圖5-圖7。

3 混凝土管片生產(chǎn)過程控制

在管片生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)設(shè)計圖紙、規(guī)范及現(xiàn)場設(shè)備對各工序進(jìn)行合理管控，以確保生產(chǎn)成型后的管片質(zhì)量滿足工程要求，生產(chǎn)進(jìn)度滿足合同要求。TBM管片的生產(chǎn)過程如圖8所示。

3.1 拌制和澆筑質(zhì)量控制

為了保證管片混凝土的澆筑質(zhì)量，必須根據(jù)ASTM規(guī)范和ACI318規(guī)范控制管片澆筑過程中的各工序。管片混凝土拌制過程中，根據(jù)ACI318規(guī)范和合同中的技術(shù)要求，必須將水、水泥和外加劑的稱重誤差控制在1%以下，骨料的稱重誤差控制在2%以下。制備好的混凝土人模前需要對其溫度、含氣量和塌落度進(jìn)行檢驗，脫模后需要檢查混凝土的脫模強度及7d、14 d、28 d、90 d強度。為了取得良好的澆筑質(zhì)量，通過大量前期試驗，拌和好的混凝土塌落度控制在70-90 mm。混凝土澆筑時，采用氣動振搗器進(jìn)行振搗，為了取得較好的澆筑質(zhì)量，并且控制管片表面的氣泡，需安裝壓力表.實時監(jiān)控振搗過程中的風(fēng)壓力，形成標(biāo)準(zhǔn)的混凝土振搗過程。管片的標(biāo)準(zhǔn)塊和楔形塊的振搗標(biāo)準(zhǔn)見表3。

3.2 混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制

管片的脫模強度為生產(chǎn)過程中重要的質(zhì)量指標(biāo)，根據(jù)ACI318標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，與管片相同的養(yǎng)護(hù)條件下混凝土試塊的抗壓強度不得小于12 MPa。而管片的脫模強度主要由蒸汽養(yǎng)護(hù)的方法保證，管片進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)時，必須嚴(yán)格控制好蒸汽養(yǎng)護(hù)的時間、最高溫度、溫升速度、溫降速度及蒸養(yǎng)間的濕度。為了保證管片的蒸養(yǎng)質(zhì)量和效率，蒸養(yǎng)間用門簾隔成3個獨立的蒸養(yǎng)區(qū)，即升溫區(qū)、恒溫區(qū)和降溫區(qū)。

管片混凝土澆筑人模后，首先靜置1-4 h，然后待混凝土初凝后，依次將其放置于升溫區(qū)、恒溫區(qū)和降溫區(qū)。為防止溫度上升過快導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，溫升區(qū)的溫度上升速度應(yīng)控制在15 ℃/h以內(nèi)，溫升區(qū)的養(yǎng)護(hù)時間為3-4 h：混凝土在恒溫區(qū)的養(yǎng)護(hù)時間不得少于2h.恒溫區(qū)的溫度應(yīng)控制在60 - 70℃，相對濕度大于等于90%：進(jìn)入溫降區(qū)后混凝土的彈性模量已經(jīng)較大，此時劇烈的溫降會產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂[8]，因此溫降區(qū)的溫降速度應(yīng)小于20℃/h。模板拆除后，管片的溫度與環(huán)境溫度盡量接近。各溫度區(qū)域均布設(shè)有溫度和濕度監(jiān)測裝置，每0.5h監(jiān)測一次。模板拆除后，將管片按照編號和型號進(jìn)行分堆堆放，每環(huán)管片分兩堆，一堆4塊、另一堆3塊。同時為保證管片的強度達(dá)到設(shè)計要求，脫模后還要灑水養(yǎng)護(hù)4d，其間每小時灑水一次。管片在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，堆放到管片堆放區(qū)，自然養(yǎng)護(hù)7-14 d。

3.3 管片出廠驗收

按照合同要求和美國ASTM規(guī)范，管片在投入使用前需要首先進(jìn)行混凝土強度檢查，只有滿足強度的混凝土管片才能由后方工廠運送到現(xiàn)場使用。

其次，進(jìn)行管片外觀質(zhì)量檢查，管片的外表面必須平整光滑，各預(yù)留孔洞、預(yù)留槽及預(yù)埋件都不能有損壞，表面的蜂窩、麻面、孔洞、掉塊、裂縫等質(zhì)量缺陷均處理完畢檢查合格后才能使用。

再次，進(jìn)行管片尺寸檢查，每100環(huán)（700塊管片，600個標(biāo)準(zhǔn)塊，100個楔形塊）抽出一組進(jìn)行尺寸檢查。成型后實際的管片尺寸與圖紙尺寸的偏差應(yīng)該小于3 mm，管片內(nèi)表面的不規(guī)則程度為1.5 m內(nèi)不超過1 mm，如檢查發(fā)現(xiàn)管片存在較大的尺寸偏差，需要根據(jù)要求處理合格后方可投入使用。

最后，進(jìn)行拼裝檢查，一般情況下生產(chǎn)出的管片每200環(huán)作一組拼裝檢查，每組三環(huán)。拼裝檢查的主要項目允許誤差如下：縱向縫間隙小于2 mm，每條縫面布置3個測點：環(huán)向縫間隙小于2 mm，每環(huán)布置3個測點：管片成環(huán)后內(nèi)徑和管片成環(huán)后外徑的誤差小于10 mm，每組測4次。

4 結(jié)語

管片的設(shè)計與生產(chǎn)是TBM設(shè)計與施工過程中的重要工作，通過對CCS水利樞紐中TBM管片設(shè)計和生產(chǎn)過程的總結(jié)，有以下幾點認(rèn)識：

（1）采用ANSYS軟件按照美國規(guī)范推薦使用的修正慣用法進(jìn)行管片受力分析，能夠很好地計算出管片的受力情況。參照美國規(guī)范進(jìn)行配筋計算，為其他TBM工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

（2）科學(xué)合理的管片生產(chǎn)過程是決定工程成敗的關(guān)鍵之一，為了保證管片的質(zhì)量，必須建立從原材料到混凝土制備，再到混凝土養(yǎng)護(hù)各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控體系。

（3）管片的出廠檢驗是控制管片質(zhì)量的“最后一道防線”，嚴(yán)格執(zhí)行出廠檢驗的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，才能保證設(shè)計和生產(chǎn)出合格的管片。

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【責(zé)任編輯張華巖】