淺談馬蹄形大斷面引水隧洞弧形底板混凝土澆筑施工技術(shù)

趙信 李昱 普曉華 楊磊 石宇雷

摘要：對大斷面引水隧洞馬蹄形襯砌弧形底拱襯砌混凝土施工工裝選型及創(chuàng)新，以“底拱液壓自行式棧橋+縱向滑動模板”的結(jié)構(gòu)裝置，優(yōu)化底拱施工工藝工法、提升水工隧洞混凝土施工質(zhì)量管控水平，最終滿足設(shè)計、規(guī)范以及現(xiàn)場施工生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：大斷面引水隧洞 馬蹄形襯砌 弧形底拱 施工技術(shù)

引言

目前國內(nèi)公路、鐵路對于仰拱混凝土施工，普遍采用“液壓自行式仰拱棧橋”或簡易加工棧橋，仰拱及底板澆筑普遍采用簡易鋼模板或木模板。簡易棧橋行走需借助施工機械牽引，只能從事鋼筋或混凝土的單工序施工，工效低、工序交叉作業(yè)頻繁，不利于施工組織，且混凝土質(zhì)量外觀通病得不到有效解決。

滇中引水工程針對底拱混凝土施工，借鑒以往類似工程施工經(jīng)驗，采用“底拱液壓自行式棧橋+全弧模板”或“底拱液壓自行式棧橋+環(huán)向滑?！?，但以上兩種工裝在底拱圓弧段至邊墻內(nèi)角點位置，混凝土的外觀質(zhì)量問題依然突出，存在氣泡、泛砂、麻面、空腔不密實等缺陷，混凝土施工質(zhì)量始終難以達到輸水隧洞的過流要求?；谝陨显颍捎谩暗坠耙簤鹤孕惺綏?縱向滑動模板”的結(jié)構(gòu)裝置，優(yōu)化底拱施工工藝工法、提升水工隧洞混凝土施工質(zhì)量管控水平。

1 工程概況

滇中引水工程是國務(wù)院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程中的標志性工程，也是中國西南地區(qū)規(guī)模最大、投資最多的水資源配置工程，是我國在建最大引水工程。工程由水源工程和輸水工程兩部分組成，水源工程位于玉龍縣石鼓鎮(zhèn)，從石鼓鎮(zhèn)上游約1.5公里的金沙江取水，由泵站提水至總干渠。輸水工程自麗江石鼓鎮(zhèn)望城坡開始，途經(jīng)麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，終點為紅河州新坡背。全線各類建筑物總長755.44公里，其中輸水總干渠總長664.24公里，共有58座主隧洞長611.99公里;有施工支洞120條長91.2公里。

楚雄段輸水總干渠楚雄段起于大理州普淜鎮(zhèn)，分布于楚雄州姚安縣、南華縣、 牟定縣、祿豐縣和武定縣。楚雄段共包括 18 座建筑物，其中：隧洞9條，總長129.915km，占全長 90.97%;倒虹吸4座，總長12.088km，占全長 8.46%;渡槽3座，總長0.627km，占全長 0.44%;暗涵2條，總長0.187km，占全長0.13%。

隧洞結(jié)構(gòu)采用標準Ⅱ型馬蹄形斷面，設(shè)計流量 120m3 /s～100m3 /s。

2 施工要求以及襯砌同步實施的特點、難點

2.1施工要求

楚雄段隧洞工程地質(zhì)以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖等為主的“滇中紅層”為主，隧洞圍巖差，安全風險高，要求隧洞二襯邊挖邊襯，邊挖邊襯洞段底板與開挖掌子面的距離最大不超過120m。

2.2隧洞開挖與襯砌同步實施的特點及難點

⑴邊挖邊襯洞段混凝土澆筑與開挖掌子面的距離短，組織要求高

按照招標文件要求，邊挖邊襯洞段混凝土澆筑與開挖掌子面的距離最大不超過120m，且邊挖邊襯洞段混凝土澆筑與開挖掌子面的距離較短，特別是不良地質(zhì)洞段，各工序交叉作業(yè)多，受洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報、超前灌漿、開挖支護、安全監(jiān)測、底板及邊頂拱混凝土施工、灌漿施工等工序影響，施工干擾大，施工組織管理難度大。

洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報實施、超前灌漿漿液組織及灌漿設(shè)備布置、超前支護措施、開挖支護、安全監(jiān)測、底板及邊頂拱混凝土施工等實施工序多，作業(yè)區(qū)域受邊挖邊襯洞段混凝土澆筑與開挖掌子面的距離的約束，掌子面作業(yè)區(qū)布置緊張，施工組織管理難度大。

⑵開挖與襯砌同步實施運輸組織運輸強度高、難度大

按Ⅳ類圍巖開挖支護襯砌同步實施計算隧洞的運輸強度，高峰期最大運輸量約為：出渣948m3/d、混凝土運輸132m3/d、排水量7354.32m3/d、鋼材45t/d、水泥漿1000m3/d，運輸強度高，而常規(guī)自卸汽車、混凝土運輸車輛等設(shè)備不具備洞內(nèi)掉頭條件，洞內(nèi)運輸組織是控制主洞施工進度的關(guān)鍵因素;運輸組織難度大;洞內(nèi)物流組織管理是開挖與襯砌同步實施確保主洞施工進度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

⑶輸水隧洞內(nèi)混凝土襯砌外觀質(zhì)量及實體質(zhì)量要求高

邊挖邊襯洞段施工，混凝土襯砌面與開挖面距離近，開挖爆破振動問題、混凝土施工期間掌子面施工車輛通行干擾、底板混凝土澆筑后需短時間恢復(fù)交通等成為混凝土質(zhì)量保障的難題。

⑷洞內(nèi)混凝土襯砌段底板保護難度大

洞內(nèi)邊挖邊襯洞段，襯段底板為洞內(nèi)交通路面，施工期內(nèi)底板混凝土的外觀及內(nèi)在質(zhì)量的保護范圍廣、難度大。

3 底板施工設(shè)備方案優(yōu)化

通過比較傳統(tǒng)的全弧模設(shè)計與滑模設(shè)計，滑模設(shè)計更好的契合了引水隧洞底板混凝土一次成型的要求，混凝土外觀、平整度均可以得到有效的控制。

4 施工工藝及操作流程

底板棧橋縱向攤鋪裝置即實現(xiàn)混凝土攤料、收面及底拱混凝土一次成形的裝置。施工過程中需要充分了解機械設(shè)備性能，熟練掌握各工序操作要點，并結(jié)合水工隧洞工況，提高底板成品混凝土的外觀質(zhì)量要求。棧橋主要分為主橋和滑膜小車，由主橋、前后引橋、縱向滑模、行走系統(tǒng)及電控液壓平衡系統(tǒng)構(gòu)成。有效工作長度為24m，即12m混凝土施工空間+12m鋼筋施工空間，混凝土施工空間配置長度為6m的縱向滑膜，縱向滑軌行程13m，滑模可整體抬高10～15cm。電控液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)棧橋的整體自動縱向前進、液壓橫向移動，棧橋行走速度8m/min。

4.1 施工工藝流程

“滑模棧橋”施工工藝有其特定的優(yōu)勢。對于滑模工藝，頂模采用縱向運動軌跡，能更好的解決底拱混凝土潛在的外觀、質(zhì)量問題;其施工工藝相對簡單，具備較強的可操作性。

4.2 施工操作要點

4.2.1 測量放樣

根據(jù)設(shè)計標高及底板尺寸，精確放樣出底板邊界尺寸及混凝土墊層開挖深度。

4.2.2底板開挖

人工配合機械開挖，即先使用挖掘機開挖，預(yù)留距墊層設(shè)計底高程5～10cm采用人工開挖。

4.2.3墊層澆筑

墊層混凝土采用C20素混凝土，厚20cm;混凝土由拌和站統(tǒng)一提供，罐車運輸至現(xiàn)場，采用人工配合機械進行澆筑。墊層施工完成后，于距兩側(cè)拱腳30cm處留置臨時排水溝（寬20cm、深10cm），作為洞內(nèi)排水溝渠。

4.2.4底板棧橋就位

根據(jù)測量放線標出的中線位置、高程、施工里程，液壓棧橋就位，底板弧形鋼模懸掛于前橋位置。

4.2.5鋼筋定位、安裝

基面驗收→測量放線→底板定位筋安裝→外側(cè)主筋放樣→外側(cè)主筋定位→外側(cè)鋼筋綁扎→內(nèi)側(cè)定位筋安裝→內(nèi)側(cè)主筋放樣→內(nèi)側(cè)主筋定位→內(nèi)側(cè)主筋綁扎。

4.2.6結(jié)構(gòu)縫及施工縫施工

隧洞段進出口50m洞段每個澆筑段設(shè)置1道結(jié)構(gòu)縫;在巖性變化交界處設(shè)1道結(jié)構(gòu)縫;對于圍巖性質(zhì)均一，洞身段原則每隔3～5個澆筑段設(shè)置1道結(jié)構(gòu)縫;施工過程中對先澆塊與后澆塊澆筑時間超過正常工序銜接時間，為了減少裂縫，設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。

4.2.7預(yù)埋件安裝

固結(jié)灌漿管、回填灌漿管/排水管安裝，根據(jù)施工圖設(shè)計要求段落安裝，測量放線定位，預(yù)埋件與襯砌鋼筋連接牢固，防止?jié)仓炷習(xí)r候發(fā)生位移。當預(yù)埋管與鋼架、連接鋼筋位置有沖突時可適當調(diào)整預(yù)埋管位置。

4.2.8模型安裝

⑴ 施工順序：基面檢查→滑模前端定位→安裝端頭?！炇?。

⑵ 工藝要求

① 基面驗收：再次使用高壓風（或高壓水）沖洗墊層，確保無雜物、積水等。

② 滑模定位：通過傳動裝置移動滑模至12m混凝土施工區(qū)前端（靠掌子面?zhèn)龋?，根?jù)測量放線標出的中線位置、高程，底板模板安放調(diào)整到位，通過兩側(cè)液壓系統(tǒng)將邊模支撐到位。模板各環(huán)向、縱向接縫應(yīng)為一條直線，模板表面平整，局部錯臺錯縫控制在3mm以內(nèi)。模板安裝完成后進行初檢和復(fù)檢，檢查中線、高程、斷面和凈空尺寸。

③ 端模安裝

底板施工每12m設(shè)置一道施工縫（結(jié)構(gòu)縫），端頭模采用棧橋配套定型鋼端模（施工縫處須考慮縱向分布筋過縫，可使用組合木模）;端模安裝時須注意保證止水帶（止水片）安裝居中、牢固。模板安裝必須拼縫嚴密、不會產(chǎn)生漲模及漏漿現(xiàn)象。

4.2.9底板混凝土澆筑

⑴ 工作原理：底板棧橋縱向滑模系統(tǒng)，實現(xiàn)混凝土攤料及收面，以達到底板混凝土澆筑一次成形的裝置，從而提高底拱成品混凝土的外觀質(zhì)量。

⑵ 底板混凝土澆筑流程

底板混凝土的施工要求一次性澆筑完成（12米），不留施工縫?？傮w澆筑順序為“先下后上、先后端后前端”，即，針對6m澆筑段而言，底板混凝土澆筑順序應(yīng)先澆筑底板拱部混凝土、再行澆筑兩側(cè)邊墻混凝土;針對1倉（12m）澆筑段來說，應(yīng)先澆筑后端（靠洞口側(cè)），后澆筑前端（靠掌子面?zhèn)龋?/p>

具體實施過程包括：施工準備→1處底板→2處底板→3處邊墻→4處邊墻。

底板混凝土采用自行式底板棧橋（縱向滑模）澆注，底板混凝土嚴格按照試驗室提供配比施工，由攪拌站生產(chǎn)提供，不得現(xiàn)場自行攪拌。

首先將模板滑至待澆筑混凝土一側(cè)（2位置），先澆筑1部底板底部，采用溜槽將混凝土由棧橋中部倉位放入底板底部，混凝土分層厚度不大于30cm，塌落度宜控制在160mm～180mm之間;當混凝土面距設(shè)計高程10cm時，坍落度改為190mm～200mm，完成余倉混凝土澆筑。

待1部底板基本澆筑至設(shè)計標高后，改為由邊墻3位置進行下料，坍落度宜控制在180mm～190mm之間，單次下料高度不超過30cm，邊墻下料過程中，由人員從3處邊墻底部空隙處對底板底部和邊墻交接處進行振搗，保障底板底部和邊墻交接處混凝土振搗密實無空洞。

待1部底板及邊墻第一層混凝土澆筑完成后，將滑模由2部移動至1部，移動過程中，對模板到達位置持續(xù)振搗底板混凝土，保證底板混凝土氣泡完全排出。

將滑?；瑒又?部后，開始澆筑3部邊墻位置混凝土，下料塌落度宜采用180mm～190mm，單次下料高度不超過30cm，每當澆筑一層邊墻混凝土?xí)r采用“快插慢拔”進行振搗，插點要均勻排列，逐點移動，順序進行，不得遺漏，做到均勻振實。移動間距不大于振搗棒作用半徑的1.5倍（一般為30-40cm）。振搗上一層時應(yīng)插入下層混凝土5cm，以消除兩層間的接隙。

將1部邊墻混凝土基本澆筑完成后，開始澆筑2部位置混凝土，澆筑過程中順序同1部相同，1、2部位交接處混凝土澆筑完成后，達到移動模板條件時，開始移動滑模，在移動滑模過程中，由人工對1部表面進行收面處理。

在澆筑混凝土?xí)r，凡自由落差大于2m，須要加設(shè)溜槽，防止混凝土因落差太大離析?；炷琳駬v采用插入式振搗器，振搗棒直徑ф50mm。振搗密實，不能漏振和過振。對每一振搗部位，必須振搗到該部位混凝土不再下沉，不再冒氣泡，表面呈現(xiàn)平坦、泛漿為止。在混凝土振搗過程中，嚴禁振搗棒撞擊模板、防水件及預(yù)埋件。當混凝土澆筑結(jié)束時，清除模板下邊緣冒出的少量混凝土。

4.2.10 施工縫處理

施工縫處理，二襯澆筑混凝土前應(yīng)將矮邊墻施工縫表面鑿毛，要求鑿除表面乳皮、浮漿，鑿毛方向沿水流方向鑿毛，不得垂直水流方向鑿毛，鑿毛后使露出新鮮混凝土面積不低于75%，并用水清洗干凈。

4..2.11 脫模養(yǎng)護

邊墻混凝土強度應(yīng)達到2.5MPa以上，方可拆模?；炷脸跄?，開始對混凝土進行養(yǎng)護，混凝土養(yǎng)護時間不得少于28天，且養(yǎng)護不得中斷。

5 底板襯砌保護層

為保證弧形襯砌底板施工后掌子面的正常作業(yè)，需對弧形底板襯砌進行保護。通過對碎石墊層+鋼板、鋼筋混凝土預(yù)制塊、混凝土及洞渣四種保護結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點進行對比分析，包括經(jīng)濟性、適用性及耐久性。最終選定采用素混凝土填充作為底板混凝土的保護結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語

通過對底拱混凝土施工設(shè)備選型，借鑒以往類似工程施工經(jīng)驗，采用“底拱液壓自行式棧橋+縱向滑動模板”的結(jié)構(gòu)裝置，優(yōu)化底拱施工工藝工法、提升水工隧洞混凝土施工質(zhì)量管控水平、保證了施工進度，實現(xiàn)了滇中引水工程楚雄段隧洞施工“邊挖邊襯”要求。

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