隧洞鋼管襯砌鼓包質(zhì)量問題分析及處理措施

李 平（浙江華東工程咨詢有限公司， 浙江 杭州 311122）

1 概 述

某抽水蓄能電站中工程總裝機容量為1 200 MW，地下廠房內(nèi)安裝4臺單機容量為300 MW的水輪發(fā)電機組，為大（1）型一等工程。電站由輸水系統(tǒng)、上水庫、下水庫、地下廠房及地面開關(guān)站等建筑物組成。輸水系統(tǒng)包括引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)，其中尾水系統(tǒng)又包括尾水支管、尾水事故閘門室、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水檢修閘門井及下水庫進/出水口。

尾水隧洞采用兩機一洞的布置方式，2條尾水隧洞平行布置，其隧洞中心距為47.54 m。尾水隧洞內(nèi)徑7.6 m，1號尾水隧洞長1 606.5 m，隧洞底坡坡度為4.68%；2號尾水隧洞長1 668.96 m，隧洞底坡坡度為4.44%。采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.6 m～0.8 m。1條尾水隧洞對應兩條尾水支管，4條尾水支管平行布置，中心間距23.96 m。1號～4號尾水支管內(nèi)徑5.0 m，長170.12 m～212.81 m，自尾水管出口至尾水事故閘門室下游30 m范圍內(nèi)的尾水支管采用鋼板襯砌，鋼襯外回填素混凝土厚0.6 m，其余部分尾水支管采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.6 m。

2 施工工藝簡述

尾水支管鋼板襯砌段由直管、尾水事故閘門鋼閘室及漸變管組成，鋼管制作采用500 MPa級Q345R鋼材，其厚度直管為28 mm、尾水事故閘門鋼閘室與漸變管為32 mm。鋼管設置有加勁環(huán)、止推環(huán)和阻水環(huán)，加勁環(huán)、止推環(huán)環(huán)高150 mm、間距750 mm，阻水環(huán)環(huán)高300 mm、間距400 mm，厚度均為24 mm，材質(zhì)與鋼管母材相同。漸變管上設置有槽型扁鋼，間距600 mm、長邊400 mm、兩條短邊100 mm、厚20 mm。鋼管均在鋼管制造廠采用鋼板卷制再拼接組成，按每節(jié)4 500 mm或6 000 mm長度制作，內(nèi)部設置內(nèi)支撐，完成后運至施工現(xiàn)場，采用吊車、橋機或者天錨吊裝再輔助有軌臺車、千斤頂安裝就位，就位后采用工字鋼、錨桿進行固定，最后進行對接環(huán)縫焊接、防腐。

鋼管安裝完成后，清理建基面、安裝堵頭模板，最后采用10 m3混凝土攪拌車水平運輸、HBT60混凝土泵泵送入倉進行C20F50微膨脹混凝土回填。回填混凝土施工時從鋼管一側(cè)泵管進料，邊進料邊振搗，待另一側(cè)出現(xiàn)混凝土后改由兩側(cè)同時進料，均勻上升至覆蓋整個澆筑段鋼管，保持兩側(cè)均衡上升防止引起鋼管變位。

在回填混凝土強度達到70%后，進行鋼管襯砌頂拱范圍內(nèi)的回填灌漿，灌漿孔采用在鋼管制作時預留的孔再采用手風鉆鉆進成孔，分序灌漿，壓力不超過0.5 MPa；在回填灌漿結(jié)束7 d后進行全管段固結(jié)灌漿施工，灌漿孔成孔方式與回填灌漿一致，入巖3 m，分序灌漿，壓力不超過0.8 MPa；最后，在回填混凝土澆筑結(jié)束60 d后再進行鋼管底部的接觸灌漿，灌漿壓力不超過0.1 MPa。

3 問題及原因分析

3.1 問題描述

2號尾水支管（含事故閘門鋼閘室）已完成鋼襯安裝、混凝土回填及灌漿施工（包括回填、固結(jié)與接觸），但后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)2號尾水支管閘后漸變管底板存在鼓包情況。經(jīng)現(xiàn)場量測，底板中心線最大鼓起為4.2 cm，鼓包面積為8.9 m2。

3.2 原因分析

從尾水支管開挖，鋼管制作、安裝與焊接，混凝土回填再到灌漿整個過程中，相關(guān)人員查閱了資料，并委托有資質(zhì)的相關(guān)單位對鼓包后的鋼管焊縫進行了無損檢測，對鼓包部位是否存在脫空進行了物探檢測，發(fā)現(xiàn)鼓包后兩側(cè)焊縫無異常，但鼓起部位有兩處脫空，面積分別為0.45 m2與0.70 m2。同時，在鼓包最高處開60 cm×60 cm正方形孔，發(fā)現(xiàn)槽型扁鋼被拉斷，加勁環(huán)完好無損，但明顯與混凝土脫離。由此分析，可能導致鋼管鼓包的主要原因如下。

（1）尾水支管圍巖主要為微新的片麻狀閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖及斜長角閃巖。斷層較為發(fā)育，多達7條，其中多條與洞軸線交角較小，不利于洞室圍巖的穩(wěn)定。因此，對應鼓包部位地質(zhì)條件較復雜，周邊地質(zhì)條件對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應力較大，加上鼓包部位為尾水事故閘門鋼閘室連接直管的漸變管，鋼管本身局部應力較大。

（2）混凝土在拌和站拌制后經(jīng)場內(nèi)公路、進場交通洞、尾水施工支洞及尾水隧洞，再到尾水施工支管，運距較長，加上尾水施工支洞、尾水隧洞段路況較差，混凝土運輸車輛行駛速度較慢、行駛時間較長，混凝土坍落度損失較大，在采用混凝土泵泵送入倉回填時，未及時倒換泵管，未按照要求均衡上升回填，存在一側(cè)混凝土回填高度大于另一側(cè)的情況，進一步增大了鋼管所受到的應力。

（3）在進行底板固結(jié)灌漿時，灌漿整體壓力未超出設計要求（設計要求不大于0.8 MPa），但檢查壓力曲線時發(fā)現(xiàn)存在瞬時壓力超出設計要求（最高接近1 MPa），且存在未卡塞進行灌漿，而是違規(guī)在鋼管預留孔部位直接接灌漿管進行灌漿，導致鋼板直接承受灌漿壓力。

4 處理措施

尾水施工支管作為機組發(fā)電的主要流道，流速較高，對流道形體及平整度要求較高，為不影響機組發(fā)電與長期運行，需要對鼓包位置進行處理。主要將鼓包部位的鋼板及加勁環(huán)割除，然后鑿除鋼板底部混凝土，在加勁環(huán)部位增設錨桿，在新老部位混凝土結(jié)合處增加插筋，將加勁環(huán)和鋼板割除的部位補起來，回填自密實混凝土，底板接觸灌漿施工，預留孔焊接封堵，新鋼襯部位進行防腐施工。具體處理措施如下。

在鋼板割除前首先鋼管施做內(nèi)支撐，確保漸變管整體的結(jié)構(gòu)強度后再進行鋼板切割，防止在處理鼓包時引起其他部位變形。鋼板切割分兩次進行，第一次割除距設計割除邊線預留不小于50 mm，再按照邊線進行割除，使用半自動火焰切割對刨除位置進行修口并開設坡口。將切割線范圍內(nèi)的舊加勁環(huán)采用火焰切割全部切除，并將鋼襯切割線外部170 mm舊加勁環(huán)同樣切除，將加勁環(huán)切割部位打磨干凈。

舊鋼襯刨除后，人工采用電鎬對鼓包部位底部混凝土進行鑿除，鑿除深度不小于60 cm。在加勁環(huán)底部采取手風鉆鉆孔，增設φ28 mm錨桿，間距為750 mm×800 mm布置，后續(xù)與加勁環(huán)雙面焊接，焊縫高度為20 mm，錨桿長4 m，入巖2.56 m。

在新舊混凝土結(jié)合面上布置連接插筋，插筋采用φ22 mm@1.0 mm×1.0 m布置，插筋總長度為0.9 m，新舊混凝土內(nèi)各長0.45 m。

采用厚度大于原鋼板厚度的同材質(zhì)鋼板對切除的鼓包位置鋼板進行更換，新鋼板與舊鋼板存在厚度差，使用火焰切割舊鋼板與新鋼板對接的接口位置，形成坡度為1∶3的斜坡，并將切割后的坡口打磨處理干凈。加勁環(huán)的尺寸根據(jù)現(xiàn)場實際割除的尺寸下料，并直接使用數(shù)控火焰切割機切割成形，再與新鋼板焊接連接。在新鋼襯上焊接加固扁鋼，在舊鋼襯開口一圈坡口位置設置墊板并留出不低于3 mm的對縫間隙，方便后期焊接，保證焊縫焊接內(nèi)部質(zhì)量。

新鋼襯與加勁環(huán)在廠內(nèi)制作完成后，運至施工現(xiàn)場。在安裝前，核對切口尺寸，清理焊道及兩側(cè)，并在鋼襯外壁適當位置布置定位塊。鋼襯吊裝到位后，用千斤頂和壓碼工裝進行壓縫，并進行定位焊。

鼓包處鋼板修復完成后，委托有相應資質(zhì)的單位對焊縫進行無損檢測。檢測合格后，采用比原混凝土高一個標號的自密實混凝土通過預留的灌注孔進行回填，再通過預留的觀察孔（兼灌漿孔）觀察灌注情況，直至自密實混凝土灌滿并溢出觀測孔。

在新安裝的鋼襯上預留1個φ150 mm孔，2個φ50 mm孔。中間1個用于自密實混凝土的灌注，剩余2個用于混凝土灌注時的排氣、灌注過程中密實度的觀察及后期灌漿使用。自密實混凝土回填時將所有排氣孔和灌漿孔打開，自密實混凝土回填結(jié)束后，采用錘擊的方式檢測是否存在脫空情況。

根據(jù)檢測結(jié)果，須在脫空部位采取接觸灌漿方式。灌漿壓力小于0.1 MPa，灌漿前將所有灌漿孔打開，如果2個加勁環(huán)之間無灌漿孔，應補設一個灌漿孔用于排氣，一序灌漿孔灌漿時，其他孔應出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。接觸灌漿結(jié)束后，再次委托有相應資質(zhì)的單位進行底板接觸灌漿質(zhì)量檢查，檢查合格后方可進行灌注孔、排氣檢查孔封焊并打平磨光。

待灌漿完成后，拆除臨時內(nèi)支撐。新鋼襯的除銹工作采用電動鋼絲輪打磨的人工除銹方式，內(nèi)壁噴涂采用人工磨光機打磨。經(jīng)除銹后的鋼材表面宜在2 h內(nèi)涂裝防銹處理。

5 結(jié) 語

在水電水利行業(yè)中，隧洞往往采用鋼管襯砌，且采用鋼管襯砌的一般是流速較大、結(jié)構(gòu)要求較高的部位，因此，在施工質(zhì)量方面要求往往較高。鼓包是一種鋼管襯砌較為常見的質(zhì)量問題，其產(chǎn)生的原因較為復雜多樣，地質(zhì)、結(jié)構(gòu)及施工等均可能誘發(fā)鼓包現(xiàn)象出現(xiàn)，且鼓包發(fā)生后若處理不當，帶來的隱患往往較大。本文依托現(xiàn)場實例，通過查找、分析鼓包產(chǎn)生的原因，對鼓包部位進行了專項處理，對后續(xù)鋼管襯砌施工具有指導意義。