長距離引水隧洞底拱混凝土襯砌無軌滑模施工技術(shù)創(chuàng)新與應用

(中國華電科工集團有限公司，北京 100070)

引水式水電站開發(fā)建設中，根據(jù)地形地質(zhì)條件，大多數(shù)電站往往需要設計布置較長的引水隧洞才能得到合理的利用水頭。引水隧洞施工往往成為控制發(fā)電工期的關鍵線路，也是水電站參建各方需要通過技術(shù)創(chuàng)新、合理規(guī)劃和加強管理等手段重點突破解決的難題之一[1]。在長期工程實踐中，引水隧洞混凝土襯砌方式也在不斷探索和創(chuàng)新，具體襯砌方案需要根據(jù)不同工程實際情況進行針對性的分析研究。阿薩漢一級水電站引水隧洞洞線較長，為潛在的制約發(fā)電工期的關鍵線路，通過采用合理的底拱混凝土襯砌技術(shù)，較好地解決了存在的問題。

1 工程概況

阿薩漢一級水電站位于蘇門達臘島，距北蘇門達臘省會棉蘭市約130km。該電站為引水式電站，以發(fā)電為主，裝有2臺水輪發(fā)電機組，單機容量90MW，總裝機容量180MW，年保證發(fā)電量11.75億kW·h，電站設計水頭163.5m，設計流量125.8m3/s。主要樞杻建筑物包括擋水壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力斜井、地面發(fā)電廠房和升壓開關站。其中，擋水壩最大壩高39m，擋水壩工程土建和金結(jié)閘門安裝，以及233m導流隧洞由其他承包商早在1981年就已建成運行，其余建筑物均為本電站新建，已建導流隧洞改建后及其進水口閘門和攔污柵經(jīng)檢查修復處理后，作為本電站引水系統(tǒng)進口段的一部分，后接新建引水系統(tǒng)工程。

2 隧洞襯砌難點分析

2.1 隧洞沿線布置施工支洞的條件有限

由于引水隧洞穿越的山體比較雄厚，沿河山坡地形陡峻，臨時施工道路修建困難，隧洞沿線布置施工支洞的條件有限，致使約6.5km的引水隧洞只能布置3條支洞，2個支洞之間工作面距離長，很難同時組織多工作面進行混凝土襯砌施工。

2.2 塌方較多

引水隧洞開挖由于2號支洞上游面主洞發(fā)生較大塌方，塌方處理耗費了約10個月時間，直接影響隧洞總體開挖進度，壓縮了后期隧洞混凝土襯砌工期。

2.3 混凝土澆筑困難

由于單工作面距離長，并且一條引水隧洞有2個長工作面需要同時組織施工，采用常規(guī)的單倉12m逐倉立模襯砌的方式無法按確定工期完成混凝土施工，而且逐倉立模澆筑方式勞動強度大、施工成本高。采用常規(guī)的立模澆筑混凝土的襯砌方式，引水隧洞底拱容易產(chǎn)生氣泡、水紋和麻面等質(zhì)量缺陷，而底拱部位更易造成水流沖刷，需要改善混凝土質(zhì)量。

3 底拱無軌滑模方案

3.1 底拱襯砌思路

通過對引水隧洞襯砌施工難點的綜合分析，底拱襯砌主要從以下方面考慮：

若采用常規(guī)的每12m分倉分塊逐倉襯砌澆筑的方式很難滿足工期要求，而且勞動強度大、施工成本高，需要考慮一種連續(xù)襯砌澆筑方式；若采用全圓針梁鋼模臺車進行全斷面混凝土砌襯，則需要制作多臺套針梁鋼模臺車，制作成本高，而且針梁鋼模臺車底拱部位混凝土容易產(chǎn)生氣泡和麻面，質(zhì)量缺陷難以消除[2]；若采用底拱翻模技術(shù)[3]進行底拱襯砌，雖能夠解決底拱混凝土產(chǎn)生氣泡的問題，但施工進度不能滿足要求。

經(jīng)過綜合分析，采用引水隧洞底拱和邊頂拱分開澆筑的方式，先襯砌底拱，邊頂拱鋼模臺車襯砌跟進[4]，底拱襯砌采用滑模施工方案[5]，并嘗試創(chuàng)造性地采用無軌滑模施工技術(shù)。

3.2 無軌滑模設計

無軌滑模指在底拱倉面兩側(cè)不單獨進行“Ⅰ”字鋼軌道安裝，滑模直接在混凝土表面滑軌上滑行，節(jié)省軌道安裝的工期和成本，滑模運行操作更簡單方便?；＝Y(jié)構(gòu)見圖1，滑模面板展開尺寸見圖2。

圖1 滑模結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 滑模面板展開

滑模制作成“燕尾”式，滑模全長9m，由6段長度為1.5m定型鋼模板通過螺栓連接而成?；Ｕw由5部分組成：?模板，包括面板、弧板和肋板；?模板支撐架；?模板滑道；?模板配重；?模板牽引系統(tǒng)；?抹面平臺。

滑模采用12mm厚鋼板做弧板、采用8mm厚鋼板做面板加工而成，[16槽鋼做肋板，上部支撐架采用[20槽鋼和∠63×63角鋼制作而成，單塊1.5m長模板和支撐架重約1200kg，全部模板和支撐架重約7000kg。

滑模采用1臺5t卷揚機向前牽引滑行，采用一組動滑輪，牽引力達100kN，卷揚機放置在滑模前端第1塊鋼模板正中。同時，在模板底部安裝4臺附著式振搗器，用于混凝土振搗和提漿，在滑模滑行時將振搗器開啟以減少模板與混凝土之間的黏結(jié)力；另在滑模尾部設置抹面平臺，滑?；泻笤儆扇斯つ媸展狻?/p>

在滑模底部正中和左、右兩側(cè)翼緣處設計混凝土面縱向分別安裝1根φ48鋼管作為滑模的支撐滑軌，同時作為混凝土的抹面樣架，鋼管滑軌用鋼筋牢固支撐在巖面上，并與底拱面層鋼筋網(wǎng)穩(wěn)定連接成整體。

底拱滑?；炷烈r砌角度為93°，邊頂拱襯砌鋼模臺車與底拱襯砌混凝土之間兩側(cè)有10cm搭接長度，防止混凝土接縫錯臺。

4 無軌滑模施工布置

引水隧洞設置有1號、2號+、2號、3號施工支洞，1號和2號+施工支洞之間需襯砌長度2854.3m，2號+和2號施工支洞之間襯砌長度504m，2號和3號施工支洞之間襯砌長度2258m，根據(jù)施工需要和襯砌規(guī)劃，需制作3套無軌滑模，并根據(jù)隧洞開挖貫通情況合理安排各工作面襯砌順序和時間。

底拱襯砌采用無軌滑模施工，混凝土襯砌分塊長度由原設計12m一倉調(diào)整為48m一倉，各分塊之間設置一道伸縮縫并安裝橡膠止水。

滑模安裝就位后，對其兩側(cè)每隔1.5m用內(nèi)拉條進行加固，以抵抗混凝土下料和振搗時對滑模產(chǎn)生的較大浮托力。內(nèi)拉條采用φ16彎鉤螺栓，一端掛在底拱外層鋼筋的主筋上，另一端與滑模兩側(cè)的肋板通過螺栓固定。

底拱滑模襯砌按每48m一段(倉)進行澆筑，為確?；炷翝仓B續(xù)性，在澆筑前一倉混凝土時，平行組織下一倉的清倉和鋼筋綁扎等準備工作，混凝土泵和運輸車等設備布置在準備倉的前面，如此循環(huán)推進?；Ｊ┕て矫娌贾靡妶D3。

圖3 滑模施工平面布置

5 滑模混凝土施工

5.1 混凝土拌制

引水隧洞施工戰(zhàn)線長，1號拌和樓承擔1號施工支洞上、下游工作面混凝土襯砌，布置1臺HZ75型拌和機；2號拌和樓布置2臺HZ75型拌和機，主要承擔2號+支洞上、下游工作面和2號支洞下游、3號支洞上游面混凝土襯砌施工。

襯砌混凝土等級為C20，采用二級配，骨料最大粒徑40mm，每立方米混凝土水泥用量為309kg，采用的混凝土配合比(重量比)水 ∶水泥 ∶人工砂 ∶天然砂 ∶小石(粒徑0～20mm) ∶中石(粒徑20～40mm) ∶減水劑 ∶引氣劑=0.56 ∶1 ∶1.37 ∶1.37 ∶1.92 ∶1.28 ∶0.015 ∶0.001，混凝土坍落度14～18mm。

水泥采用TYPE-Ⅰ水泥(相當于國內(nèi)P·O42.5普通硅酸鹽水泥)；粗骨料采用凝灰?guī)r人工碎石，細骨料采用人工砂摻當?shù)刭徺I的天然砂；外加劑選用Sikament-NN型減水劑和Sika AER型引氣劑。其中，減水劑摻量為水泥摻量的1.5%，引氣劑摻量為水泥摻量的0.1%，拌和用水采用沉淀后的河水。

5.2 混凝土澆筑

混凝土運輸采用8m3混凝土攪拌車運輸?shù)浆F(xiàn)場，每個工作面采用1臺HBTS60泵，5臺φ70插入式振搗器配4臺附著式振搗器振搗?；炷翝仓捎闷戒伔ㄤ伭?，首先在底部中間分層下料振搗，當混凝土澆筑至模板底部時，再從兩側(cè)對稱下料，插入式振搗器振搗，保證兩側(cè)均衡上升，兩側(cè)混凝土高差不宜超過30cm,混凝土下料速度控制在12～15m3/h。澆筑過程中，注意觀察兩側(cè)內(nèi)拉條的緊固情況和模板抗浮情況，確?；炷猎O計體型尺寸。

5.3 模板滑行

滑模底部和兩側(cè)均充滿混凝土并經(jīng)充分振搗后即準備滑行，初始滑行要求混凝土強度達到0.1～0.3MPa，初始試滑行距離為10cm?；星盎Ｇ斑叺幕炷梁突壱謇砀蓛簦摻z繩與滑?；蟹较蛞恢?，滑行后觀察出模的混凝土強度，以兩側(cè)混凝土能自穩(wěn)不垮塌為宜?；；芯嚯x一次性不宜過大，滑動要勤、滑動距離要短，一般每10～15min滑動一次，距離大致以50～60cm為宜?；泻罄^續(xù)進行混凝土下料澆筑，滑?；信c混凝土入倉交替進行。

起始段混凝土澆筑時，滑模兩側(cè)尾部2塊“翼形”模板需安裝在堵頭模板外，底拱中間部位混凝土充滿振搗后，開始進行試滑行，初始試滑行距離為10cm。當滑模滑至分縫處接近收倉時，先將滑模的船頭部分滑出分縫以外，主滑模要覆蓋分縫端模板，再將底拱剩余混凝土澆筑滿。此時，混凝土對滑模的浮托力也較大，應在兩側(cè)用內(nèi)拉條進行加固。混凝土充滿并經(jīng)振搗后約1.0～1.5h，可將滑模拖至下一個澆筑倉。

5.4 混凝土抹面

每次滑?；泻?，將已準備好的抹面樣架安裝就位，由5個抹面工進行抹面，抹面分兩次進行，第1次按樣架進行局部找平、壓實，第2次進行整體抹面壓光，要求表面光潔、均勻、平整。抹面過程中，注意防止頂拱巖體滴水，加強混凝土表面保護。

5.5 混凝土養(yǎng)護

底拱混凝土面采用濕麻袋和草席進行覆蓋，人工灑水進行保濕養(yǎng)護，保持混凝土表面處于濕潤狀態(tài)，養(yǎng)護時間不少于14天。

6 實施效果

無軌滑模技術(shù)在引水隧洞底拱混凝土襯砌中取得了成功，達到了預期的效果。

a.無軌滑模結(jié)構(gòu)設計相對簡單、制作成本相對較低、施工操作方便，對長距離多工作面引水隧洞底拱混凝土襯砌施工具有較強的適用性。

b.無軌滑模一次制作、長期連續(xù)使用，周轉(zhuǎn)次數(shù)高，可節(jié)省大量施工材料和勞動力成本。實踐證明，一套無軌滑模在日常維護到位的情況可連續(xù)澆筑底拱混凝土1.5km以上，并且由于拆裝方便，可在不同工作面之間轉(zhuǎn)移使用。

c.無軌滑模技術(shù)實現(xiàn)了底拱混凝土的連續(xù)澆筑，澆筑和備倉作業(yè)同步進行，加快了施工進度，單倉48m平均澆筑時間為18～20h，底拱月最高澆筑記錄達360m，搶回了開挖耽誤的工期，有效解決了長距離引水隧洞關鍵線路的工期緊張問題。

d.無軌滑模施工通過人工抹面作業(yè)，消除了常規(guī)施工方法中存在的底拱混凝土氣孔和麻面多的質(zhì)量缺陷，混凝土表面平整光滑，外觀質(zhì)量優(yōu)良(見圖4)。在電站投入運行1年后，進入隧洞進行全程檢查，未發(fā)現(xiàn)隧洞底拱有明顯的沖刷痕跡，說明施工質(zhì)量優(yōu)良。

圖4 底拱混凝土外觀質(zhì)量

e.經(jīng)過對無軌滑模施工的底拱混凝土體型尺寸和平整度進行檢查，水平方向平均偏差1.78cm，垂直方向平均偏差1.82cm，不平整度平均偏差1.93cm，體型尺寸控制較好。底拱兩側(cè)滑模與邊頂拱臺車搭接的部位，未見明顯錯臺，混凝土連接平順，質(zhì)量控制較好(見圖5)。

圖5 隧洞混凝土襯砌體型(轉(zhuǎn)彎段)

7 結(jié) 語

無軌滑模技術(shù)在水電站引水隧洞混凝土襯砌中應用并不多見，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒。無軌滑模與大型鋼模臺車相比，結(jié)構(gòu)設計簡潔、重車輕、制作成本相對較底、施工操作簡單靈活，周轉(zhuǎn)次數(shù)高，施工速度快，本工程實踐證明，月最高底拱混凝土襯砌記錄可達360m，有效解決了引水隧洞關鍵線路的工期滯后問題。同時，無軌滑模施工通過人工抹面，消除了底拱混凝土常見的氣泡、麻面等質(zhì)量缺陷，提高了混凝土質(zhì)量。在施工技術(shù)、成本和質(zhì)量控制等方面，無軌滑模技術(shù)可為同類型長距離引水隧洞混凝土襯砌提供有益的借鑒和參考。