襯砌混凝土全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)在特大斷面導(dǎo)流洞中的應(yīng)用

侯 樹 芃， 龔 澤 鵬， 李 召 杰， 王 國(guó) 陽(yáng)

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

拉哇水電站位于金沙江上游河段四川省和西藏自治區(qū)的界河上，是金沙江上游河段十三級(jí)開發(fā)的第八級(jí)電站，屬一等大(Ⅰ)型工程，電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下廠房等建筑物組成，總裝機(jī)容量2 000 MW。大壩施工采用隧洞導(dǎo)流方式，2條導(dǎo)流洞布置于右岸，洞軸線中心距35m。導(dǎo)流洞布置平面呈微S型。①導(dǎo)流洞標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸17 m×19 m(寬×高)，其中洞身結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)2 126.75 m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.7～3 m；②導(dǎo)流洞標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為7.5 m×8 m(寬×高)，其中洞身結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)2 208.95 m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5～2 m。工程規(guī)模大，其中①導(dǎo)流洞屬特大型襯砌斷面，且過(guò)流期長(zhǎng)，過(guò)流流速高。

2 傳統(tǒng)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)方式存在的問(wèn)題

在特大斷面導(dǎo)流洞混凝土襯砌施工過(guò)程中，傳統(tǒng)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)方式存在諸多不足：

(1)灑水覆蓋不均勻，導(dǎo)流洞斷面過(guò)大，頂拱較高，無(wú)法全面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；

(2)人工操作效率低，無(wú)法控制灑水量，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)大，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中形成的污水橫流，文明施工形象差；

(3)溫度無(wú)法控制，水溫與養(yǎng)護(hù)面溫差大，易導(dǎo)致襯砌混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響襯砌混凝土質(zhì)量；

(4)噴淋管路布置需要打插筋，影響隧洞外觀形象，且補(bǔ)水困難，需要灑水車時(shí)刻補(bǔ)水。

養(yǎng)護(hù)灑水系統(tǒng)需運(yùn)行簡(jiǎn)便、自動(dòng)進(jìn)行，以降低操作難度，減少人工參與，節(jié)約施工資源，因此，為提高隧道襯砌施工質(zhì)量，避免混凝土由于養(yǎng)護(hù)不及時(shí)發(fā)生裂縫，又能有效控制灑水速度，研究出養(yǎng)護(hù)專用設(shè)備尤為關(guān)鍵。

3 全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

通過(guò)多次在施工現(xiàn)場(chǎng)組織勘察，提出了將養(yǎng)護(hù)設(shè)施做成如同鋼模臺(tái)車覆蓋整個(gè)養(yǎng)護(hù)斷面的想法。參建各方迅速成立“全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)”專項(xiàng)研發(fā)小組，根據(jù)導(dǎo)流洞襯砌臺(tái)車確定出養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)的尺寸。行走系統(tǒng)利用兩側(cè)排水溝，極大限度保護(hù)了已襯砌底板的混凝土，臺(tái)車骨架采用鍍鋅鋼管來(lái)提升養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的使用壽命。2021年2月，全自動(dòng)灑水養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)已具雛形，首次在導(dǎo)流洞得到成功應(yīng)用。

全自動(dòng)灑水養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)具體方案為：通過(guò)兩臺(tái)動(dòng)力馬達(dá)帶動(dòng)滾輪移動(dòng)，兩側(cè)共四臺(tái)馬達(dá)將行走系統(tǒng)串聯(lián)在一起，并在行走系統(tǒng)平臺(tái)上各焊接一個(gè)2 m3水箱，水箱底部接一根水管(帶控制閥)連接增壓泵，沿著導(dǎo)流洞襯砌面30 cm處設(shè)置兩條直徑30 mm、長(zhǎng)60 m的焊接鋼管，兩條鋼管通過(guò)交錯(cuò)鋼筋焊接加固，鋼管沿混凝土面一側(cè)每50 cm設(shè)一個(gè)噴水孔，通過(guò)增壓泵將水箱里的水壓送至鋼管，達(dá)到噴水養(yǎng)護(hù)的目的，以保證噴淋灑水均勻，使水能全覆蓋噴灑在混凝土面上。

襯砌混凝土全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)貼近襯砌面，不占用通道，通過(guò)PLC控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)行走平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走[2]。通過(guò)控制增壓泵，實(shí)現(xiàn)灑水自動(dòng)化，當(dāng)水箱里的水低到一定程度時(shí)，通過(guò)浮球控制增壓泵停止工作，關(guān)閉閥門，水箱加水，同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)水箱工作，保證了自動(dòng)灑水工作的連續(xù)性。此裝置避免了由于養(yǎng)護(hù)不到位出現(xiàn)混凝土裂縫，又減少人工的投入，改善工作面文明施工形象，有效地保障了混凝土養(yǎng)護(hù)期的質(zhì)量。

養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，得到多方面指導(dǎo)，不斷改進(jìn)。2021年3月，提出了在全自動(dòng)灑水養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)上增加補(bǔ)水系統(tǒng)和溫控裝置系統(tǒng)的方案。補(bǔ)水方式由原來(lái)灑水車給水箱供水優(yōu)化為導(dǎo)流洞供水系統(tǒng)補(bǔ)水。2019年12月，承包人根據(jù)導(dǎo)流洞工程各部位施工用水需求及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，充分考慮泵站選址、水池布置、管道敷設(shè)等實(shí)際情況，擬定導(dǎo)流洞工程總體供水布置方案，并于2020年2月建設(shè)完工。采用導(dǎo)流洞供水系統(tǒng)補(bǔ)水，解決了原水箱容量小、單次噴淋結(jié)束后補(bǔ)水困難的問(wèn)題，補(bǔ)水優(yōu)化后單次補(bǔ)滿水箱僅需30 s，可供襯砌面全面養(yǎng)護(hù)500 m，保障了混凝土養(yǎng)護(hù)連續(xù)不間斷。在養(yǎng)護(hù)臺(tái)車抽水泵后安裝溫控裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)流洞洞內(nèi)溫度和水溫溫差，實(shí)時(shí)控制溫差在15 ℃以內(nèi)[3]，保障了導(dǎo)流洞襯砌混凝土質(zhì)量。

4 全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制施工工藝

(1)在準(zhǔn)備工作中，要認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)圖紙，選取適用圖紙的自動(dòng)噴淋管道尺寸，噴淋管道應(yīng)盡量貼合二次襯砌內(nèi)輪廓[4]；根據(jù)隧道斷面尺寸合理采取增壓泵的功率，在施工現(xiàn)場(chǎng)合適位置安裝完成養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)各部件。

(2)當(dāng)洞室內(nèi)二次襯砌混凝土達(dá)到齡期后，將養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)移動(dòng)至待養(yǎng)護(hù)區(qū)域，布設(shè)好噴水管，主管道接入隧道施工供水管。檢查噴淋管道位置是否準(zhǔn)確，若存在偏差可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行微調(diào)。根據(jù)斷面大小，選擇操作模式(自動(dòng)模式/手動(dòng)模式)，確定二次襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)的時(shí)間需求，設(shè)定養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)行進(jìn)速率，確保養(yǎng)護(hù)工作的連續(xù)性。

(3)在不同模式下設(shè)置好養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)后，即可開始對(duì)二襯混凝土進(jìn)行噴淋養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)工作中，應(yīng)定時(shí)檢查噴淋系統(tǒng)是否能對(duì)二襯混凝土全覆蓋養(yǎng)護(hù)，若存在養(yǎng)護(hù)不到的地方，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

(4)定期將養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)各部件清洗干凈后放置于不受污染的干燥環(huán)境下存放保護(hù)，做好下一循環(huán)二襯混凝土養(yǎng)護(hù)的準(zhǔn)備工作。

4.1 自動(dòng)模式

系統(tǒng)啟動(dòng)前準(zhǔn)備工作，自動(dòng)模式適用于已襯砌完成，洞內(nèi)無(wú)交叉施工的狀態(tài)。根據(jù)養(yǎng)護(hù)混凝土面的長(zhǎng)度，設(shè)定行走速度、距離、往返次數(shù)，啟動(dòng)系統(tǒng)工作，當(dāng)水箱水位低于最低水位時(shí)，暫停行走，加完水后再繼續(xù)行走，直至設(shè)定程序工作完成。

4.2 手動(dòng)模式

系統(tǒng)啟動(dòng)前準(zhǔn)備工作，手動(dòng)模式適用于洞內(nèi)正在施工，利用遙控控制系統(tǒng)行走速度，避免出現(xiàn)安全事故，當(dāng)水箱水位低于最低水位時(shí)，暫停行走，加完水后再繼續(xù)行走，直至襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)工作完成。

5 自動(dòng)養(yǎng)護(hù)的成果

隧道中襯砌混凝土，由于環(huán)境中的CO2含量常年較高，碳化深度加大，降低了混凝土抗彎拉性能。通過(guò)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行隧道襯砌混凝土的養(yǎng)護(hù)，混凝土的表面強(qiáng)度有所提高，混凝土的碳化深度降低。隧道襯砌經(jīng)養(yǎng)護(hù)后，表面強(qiáng)度提高百分比達(dá)到預(yù)期，碳化深度明顯降低。采用隧道襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車進(jìn)行襯砌的初期養(yǎng)護(hù)能夠有效提高襯砌質(zhì)量和壽命[5]。

通過(guò)后期質(zhì)量驗(yàn)評(píng)數(shù)據(jù)表明：導(dǎo)流洞工程襯砌混凝土質(zhì)量?jī)?yōu)良，裂縫較少。①、②導(dǎo)流洞襯砌混凝土工程單元個(gè)數(shù)為366個(gè)，合格率100%，其中優(yōu)良單元工程342個(gè)，優(yōu)良率93.4%。圓滿通過(guò)質(zhì)量監(jiān)督、安全鑒定等專項(xiàng)驗(yàn)收，按期實(shí)現(xiàn)電站大江截流重大節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。

6 結(jié) 語(yǔ)

全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在簡(jiǎn)單、高效并經(jīng)濟(jì)地提高襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

(1)全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)采用工業(yè)化模塊PLC控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)均勻全覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)，且無(wú)需大量養(yǎng)護(hù)設(shè)備及人工頻繁進(jìn)出作業(yè)面，有效提高混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，又不防礙隧道內(nèi)其余施工機(jī)械施工。

(2)全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)供水管道由多節(jié)鍍鋅鋼管現(xiàn)場(chǎng)拼裝組成，成本低、易加工、方便更換、周轉(zhuǎn)次數(shù)多，有效降低了施工成本，提高了施工效益。

(3)自動(dòng)噴淋系統(tǒng)用水量少，節(jié)約施工用水，有利于節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)應(yīng)用后，形成強(qiáng)烈的經(jīng)濟(jì)反差：傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式需8臺(tái)灑水車，投入人工16人，智能化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)僅1人，可節(jié)約設(shè)備、人工成本80%；智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)較傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式節(jié)約養(yǎng)護(hù)用水約60%，使養(yǎng)護(hù)費(fèi)用減少約28.8萬(wàn)元。