小浪底排沙洞后张无粘结预应力混凝土衬砌施工

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简介： 双圈环绕无粘结预应力锚索技术是当前世界上隧洞施工中最先进的技术，该技术成功地解决了薄覆盖层的地下洞室群密集分布与高水头压力对洞室承压要求的矛盾，最大限度地缩小了开挖洞径，减少了洞身衬砌的钢筋安装量与混凝土浇筑量，降低了成本。小浪底排沙洞无粘结预应力混凝土施工的施工程序和施工方法对类似工程有参考价值。
关键字：隧洞衬砌 预应力锚索 无粘结预应力 后张预应力 施工 小浪底水利枢纽

1. 工程概况
　　小浪底水利枢纽共设有3条排沙洞，洞长均为1100m左右，分别由进口闸室、弯段、洞身段、出口闸室、下游明流槽和挑流鼻坎组成。3条洞的布置轴线相互平行。洞身长分别为：1号洞850.74m、2号841.74m、3号洞831.74m。排沙洞以防渗帷幕线为界，分为上游洞段和下游洞段。混凝土衬砌均采用一次成型的方式浇筑。上游洞段，水击影响较弱，采用普通钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为70cm；下游洞段水击影响明显增强，采用双圈环绕无粘结后张法预应力混凝土衬砌，衬砌厚度为65cm，预应力段总长度为2169米。在1号排沙洞的上游洞段，设计了两块预应力混凝土的生产性试验段，一块锚具槽轴线与铅垂线的夹角为450，另一块为600，在这两个试验段内埋设了180多个观测仪器。排沙洞的布置如图1.

2. 双圈锚索的布置
　　锚索在衬砌块段内按12.05米长为一个单元进行布置，混凝土衬砌设计厚0.65米，衬砌内径为6.5米，每块衬砌安装24束锚索，锚索间距0.5米，施工所预留的24个锚具槽间隔布置于衬砌下半圆周的两侧，其几何尺寸为：长×宽×深=154cm×32cm×25cm，锚具槽中心线与洞的铅垂半径成
45°夹角，其布置如图2所示。

　　每束锚索由8根公称直径为φ15.7mm、标准强度为fPTK=1860Mpa的无粘结钢绞线构成，每两根钢绞线绕两圈形成7200包角后分成内外两层布置，两层钢绞线的间距为0.13米。钢绞线两端交汇于锚具槽内，每束锚索设计控制张拉荷载为1674KN。

3. 主要施工设备、材料及施工程序
3.1 主要施工设备和材料
　　根据工程施工需要和施工条件选用了以下施工设备和材料：外层钢筋安装台车；内层钢筋及锚索定位安装台车；C1FA全断面针梁钢模台车（意大利 CIFA公司设计制造）；混凝土泵（国产SANY60型）；混凝土罐车（国产6m3）；气动附着式振捣器（意大利CIFA公司制造）；软轴插入式振捣器；H0Z950/100型千斤顶（Dywidag公司生产）；DSI 77-159A型电动油泵；锚索张拉台车；天津市第一预应力钢丝有限公司生产的无粘结高强度低松驰钢绞线；柳州欧维姆（OVM）建筑机械有限公司生产的OVM·HM15－8型环锚锚具；DSI公司的防腐材料，包括PE防护套、防护帽、橡胶板及防腐油等。
3.2 施工程序
　　排沙洞的后张双圈无粘结环锚衬砌结构,在施工中没有更多的现成经验可以借鉴,经过探索，形成了一套渐趋成熟的施工工艺流程,如图3所示.

4. 主要施工方法
4.1 锚索的制作和运输
　　锚索加工采用在锚索加工厂集中加工制作。锚索加工厂内设一条放样通道、两个加工台和两个转盘，将锚索盘卷用16T吊车吊放于转盘上，然后将锚索顺着放样通道上的放样标志进行放样，用砂轮切割机切断。将切割好的锚索两根为一组用18号铅丝绑扎，每隔0.6m绑扎一个点，然后顺着加工绕台转两圈。加工台需预先用红油漆标注出底拱中心线和锚具槽中心线。加工好的锚索，直径太大，无法将其运进洞内，为此将其叠成8字形，再折叠成一个小圆圈，放于运输锚索的贮存支架内。采用16T吊车将锚索贮存架吊装于由15T三菱自卸汽车改装成的平板车上，并运进洞内。
4.2 锚索的安装.

　　锚索通过托架附着在外层钢筋上，所以锚索的测量定位是在外层钢筋上完成的。其具体工序为：外层主筋安装→测量定位→托架分布筋及分布筋安装→锚索安装。 一束锚索在非锚具槽范围，锚索内、外层的距离是一致的。但在靠近锚具槽的地方，锚索按渐开线的形式进行分布。在该区域根据不同断面的坐标设置了一些不同型式的托架，对应特殊断面的特殊托架有5种型式。特殊托架不完全对称，施工时要严格按方向正确就位。为了保证托架的安装精度，托架采用在场外制作，然后一个接一个严格按精度要求把托架焊接在分布筋上。 锚索安装一般有两种方法：绳圈法和穿梭法，绳圈法适于一般锚索的安装，穿梭法用于钢模支腿位置锚索的补齐。
4.3 锚具槽施工
　　锚索安装完后，检查各序号锚索在特殊托架位置坐标准确无误后,开始锚具槽盒的安装与施工，其工序如下： 校核锚具槽盒与支撑钢筋 →在定位钢筋上铺设一层2.5mm的钢丝网，并用铅丝在钢丝网上铺设一层4mm厚的泡沫板 → 在泡沫板上放置锚索定位模板→分层安装锚索→ 安装外模边板、端板 → 安装边板连接杆 → 安装外模弧形顶模 → 整个外模边模、端模、顶板五个面设置2cm厚泡沫板并用封箱胶带密封。
在新浇混凝土脱模并拆除锚具槽模板和清除保护锚具槽的泡沫后，采用人工使用风镐配合錾子对锚具槽各个面进行凿毛。锚具槽回填c40级无收缩混凝土，c40级混凝土是在普通混凝土的配合中掺入水泥重量的13~15%的膨胀剂,，混凝土坍落度控制在9cm，最大骨料粒径控制在14mm之内，以便使Ⅱ期混凝土浇得更密实。模板采用5mm厚的开口弧形钢模板，混凝土浇完拆模后，清除超浇的三角体混凝土并打磨光滑。
4.4 张拉施工
　　衬砌混凝土浇筑完成且强度达设计要求后，用集张拉端与固定端于一体的游动型锚具将锚索连接安装，用专用变角张拉装置对锚索进行张拉并锁定。通过锚索张拉变形挤压PE套和混凝土，使混凝土衬砌环受到径向挤压力和切向拖曳力，从而使衬砌环截面形成预应力。技术规范规定，锚索的张拉力不能超过破断力的75％，即锚板处锚索的最小张拉力为：锁定前1473KN，锁定后1259KN。
　　当预应力衬砌块段的抗压强度超过混凝土设计强度（28天强度）后，即可进行锚索的后张拉施工。锚索张拉工艺流程为：钢绞线切割→PE套管的剥除→防腐附件安装→锚板与夹片安装→锚具安装检查→张拉设备的安装与台车就位→锚索张拉 。
　　锚索的张拉顺序：为了在张拉时避免相邻两束锚索间的张拉力差值过大导致衬砌混凝土产生局部过大的拉应力而破坏，锚索的后张拉施工按图4所示顺序进行。

　　在施工中，实际张拉力经过计算，锁定前锚板处锚索张拉力为：1541KN；锁定后因锚索回缩的影响,锚索张拉力为：1352.2KN，满足技术规范要求。
4.5 锚索防腐
　　锚具槽内的预应力锚头及锚索的混凝土覆盖层较薄，且为II期回填的素混凝土。而排沙洞在长年高水头、高含沙、高流速的状况下运行，所以锚具槽内锚头、锚索的防腐是整个预应力锚索防腐保护的一个关键的环节。锚索防腐施工的操作工艺为：工具、材料准备→钢绞线切割 →清理锚具和钢绞线 →套黄色PE套 → 固定夹板→ 灌防腐油脂→ 检查并密封PE套管。
4.6 质量控制
　　无粘结预应力混凝土施工工艺要求较高，为保证工程施工质量，主要采取了以下质量控制措施：(1) 按照技术规范的要求严格控制每道工序的施工。(2) 对使用的钢绞线分批量进行力学指标试验。(3) 严格控制锚索的加工精度和安装精度。(4) 张拉千斤顶定期进行率定，避免张拉应力偏差。(5) 张拉过程进行应力应变状态分析。(6) 按技术规范要求做好锚具槽内锚索的防腐。

5. 结语
　　在水工隧洞中采用无粘结预应力混凝土衬砌型式在国内尚属首次，国外也只有两个工程实例，采用双圈环绕无粘结锚索，在世界上则属于首次。排沙洞洞身混凝土的施工表明：(1)隧洞后张无粘结预应力混凝土衬砌结构的施工是一项工艺精细的、技术含量高的工作，与普通混凝土相比，预应力混凝土的施工对混凝土浇筑质量提出了更高的要求；(2)环型后张法无粘结预应力使衬砌混凝土原生的裂缝达到了一定程度的闭合，提高了衬砌混凝土的防渗效果。