龙滩水电站隧洞混凝土施工技术浅析

谭冬明

(大唐观音岩水电开发有限公司,云南昆明 650000)

1 概 述

广西红水河龙滩水电站装机 9×70万千瓦。左岸地下引水发电系统由引水系统、厂房系统、尾水系统三大系统组成,大小洞室共 119条,工程规模巨大,设计结构混凝土方量为 68.8万 m3,钢筋为 4.4万 t。其中引水隧洞采用单机单管的引水方式,包含有上平段、上弯段、斜井段(⑦～⑨引水洞为竖井段)、下弯段及下平段。引水隧洞开挖直径 11.40 m的圆形断面,衬砌厚度为 60 c m,衬砌后净断面直径为 10.0 m。尾水系统由 9条尾水支洞、3个长廊阻抗式调压井、2个“三合一”的“卜”行岔洞、三条圆型尾水隧洞和尾水出口等建筑物组成,其中三条圆型尾水隧洞典型开挖断面尺寸为 φ 22.8 m,衬砌厚度为 80 c m,衬砌后净空尺寸为 φ 21 m,尾水支洞为底圆城门洞型,衬砌厚度为 100 c m,净空断面尺寸 12 m×18 m(长 ×宽)。

针对龙滩水电站隧洞混凝土结构及布置特点,在混凝土施工中针对不同部位采用了不同的施工方案。对于形式单一,结构规则的斜竖井混凝土采用了全断面滑模技术,对于形式多样、结构复杂的电缆竖井混凝土采用组合定型模板,人工平仓分层浇筑;平洞混凝土根据不同部位采用相应的施工方案,底拱 120°范围内为解决水汽泡问题,采用人工翻模施工技术;边顶拱混凝土衬砌采用定型拱架、定型模板,满堂钢管脚手架管支撑,人工分段浇筑;尾水隧洞和尾水支洞直段边顶拱则采用移动式钢模台车衬砌施工技术。

2 斜、竖井滑模施工方法

2.1 斜井滑模施工

龙滩地下厂房引水系统④～⑥引水隧洞斜井,与水平交角为 50°,衬砌后直径为 10.0 m,是目前国内断面最大的地下引水隧洞斜井。其衬砌厚度仅为 60 c m,每条斜井长度约 80～100 m,斜井进口布置在进水口边坡上,犹如悬在半空。其主要特点是断面大、衬砌厚度小、施工难度大、长度适中,且引水隧洞斜井混凝土衬砌完后才能进行进口段压力钢管的安装,从而直接影响进水口坝段混凝土浇筑。如何实现引水隧洞斜井快速安全施工,提前或按期向相邻标段进口交面是该部位混凝土衬砌需要解决的技术问题。经分析论证,在④～⑥引水斜井混凝土衬砌中采用全断面滑模施工技术,有效地解决了大断面斜井混凝土施工的技术难题,确保了斜井混凝土施工过程中的安全及进度要求。

2.1.1 滑模结构及工作原理

图 1 斜井滑模布置图

斜井全断面滑模主要由以下几部分组成:行走系统(包括轨道和行走轮组)、牵引系统、模板组、中梁、上平台、主平台、悬挂平台、尾部平台等,整个滑模系统总重量(包含中梁)为 36.7 t。滑模牵引系统主要由牵引支架梁、钢绞线、液压爬升千斤顶(型号为 T S D 40)和油泵组成。牵引支架梁采用 4根Ⅰ63a工字钢(2根为一组)加工而成,工字钢两端固定在井壁的钢筋混凝土基础上(工字钢两端与钢筋混凝土基础上的预埋钢板进行焊接连接)。整个系统共布置 4组(每组 4根)直径15.3 m m的 1 860级高强度低松弛无粘结钢绞线,两端分别与工字钢和滑模中梁进行联接(钢绞线与两端的联接均采用预应力锚具进行斜井滑模的滑升,主要是利用液压滑升系统进行。液压滑升系统一端固定于布置在上弯段的牵引钢支架上,钢支架布置在钢筋混凝土支墩上;另一端(含有液压爬升千斤顶)固定在中梁上,中间通过钢绞线连接,当混凝土的强度具备滑升条件时,启动液压系统,利用液压千斤顶在钢绞线上的爬行从而带动滑模一起向上运动来完成模板的滑升。

2.1.2 滑模混凝土施工

(1)模板滑升

当混凝土强度达到0.1～0.3 M P a时,模板即可进行滑升,滑升时靠布置在模板上的 4组T S D 40型液压千斤顶进行牵引滑升。每次滑升时间间隔控制在 45～60分钟左右,每次滑升距离以10～20 c m为宜,以减少每次滑升距离过大造成的混凝土面不光滑、漏浆及时间过长致使滑升阻力过大。在正常滑升后,每天滑升距离控制在4～5 m,这样有利于滑模混凝土的质量控制。

(2)模板滑升控制和纠正

a、滑模滑升按“多动多控”的原则进行。滑升过程中经常用水平仪检查模板高度方向是否外在同一水平面上,用吊重锤法检查模板中心是否偏离了底板轨道中心线,若发生偏离,应及时用手拉葫芦或液压千斤顶进行调整,并在混凝土浇筑过程中,滑模每滑升 5.0 m,由测量队系统的检查一次已成型混凝土的断面体型和轴线偏差,确保滑模成型尺寸。

b、在中梁不动的状态下始终用 2只 5 t手动葫芦将中梁与底板轨道及插筋相连,防止中梁前端向上翘起。

c、由于模板靠导向轨道进行滑升,因此,轨道安装时必须保证轨道的安装精度,浇筑混凝土梁来固定轨道,保证轨道不发生偏移、跳轨。

d、混凝土浇筑过程中必须保证下料均匀,两侧高差最大不得大于 30 c m,并及时进行分料,当因下料出现模板偏移时,应改变入仓顺序,并用手拉葫芦、丝杆或千斤顶进行调整校核。

(3)抹面与养护

a、模板滑升后应及时进行抹面,滑后拉裂、坍塌部位,要仔细处理,多压几遍,保证接触良好。

b、待初次滑升段混凝土达到一定强度后,采用洒水养护方式进行混凝土养护。距滑模底部 2 m以外的混凝土应随时进行洒水养护,每 2小时洒水 1次,该工作贯穿整个斜井滑模浇筑全过程,并在滑模混凝土浇筑结束后还应持续一段时间,确保混凝土表面不出现或少出现裂缝。

2.2 竖井滑模施工

龙滩水电站引水系统布置结构标准规则的 3条竖井,即⑦～⑨引水竖井和排烟竖井,为直径10 m圆形断面,衬砌厚度为 60 c m,长度为 36 m～51 m。由于竖井具有衬砌结构标准规则、混凝土方量大,材料运输困难、安全、质量问题突出,施工难度大等特点,为从根本上避免竖井混凝土施工中存在的上述难题,结合以往类似经验,施工中采用了爬杆埋入式滑模施工技术,设计并制作了特大型圆形竖井滑模。有效地解决了常规竖井混凝土施工中的存在的问题,确保了竖井混凝土的施工质量和施工安全。

2.2.1 滑模结构及工作原理

图 2 竖井滑模布图

2.2.2 竖井混凝土施工

竖井滑模混凝土的施工方法与斜井混凝土施工方法基本一致,混凝土入仓采用溜管 +M y b o x缓降器入仓方式,竖井滑模纠偏措施主要采用:每次滑升后用水平管量测滑模是否在同一水平面上,如不在同一平面则在下一次滑升中及时纠偏,每滑升 5 m利用井口设置的重吊锤进行量侧,确保滑模不出现整体偏离,控制模板在整个滑升过程中的衬砌体型满足设计技术要求。

3 平洞混凝土施工技术

龙滩水电站左岸地下引水发电系统流道部分隧洞设计有体型规格不一、长度不同的洞室结构,包括有引水上、下平段,尾水扩散段,尾支渐变段、尾水支(岔)洞等,其中引水上下平洞衬砌后为直径 10 m的圆形隧洞,尾水扩散段衬砌后为方型渐变为两条小底圆 R=2.5 m的城门洞型,尾水隧洞衬砌后为直径 21 m的圆形隧洞。根据流道隧洞部分平洞结构特点及相应的工期进度要求,平洞混凝土施工采用了多种技术综合施工,有效地解决了大断面平洞混凝土施工的技术难题,消除了平洞混凝土施工过程中的常见病。

3.1 底板混凝土施工

流道部位平洞底板混凝土全部采用方便快捷的定型组合式翻转模板施工技术,圆型、方型和城门洞型底板混凝土全部采用小翻模施工,圆型洞室底板混凝土翻模为底拱 120°范围。方型、城门洞型底板混凝土翻模高度从 0.9～2.5 m范围,由于大断面平洞底板翻模施工技术在以往工程中实践不多,这里主要对特大断面圆型洞室(直径 21 m)的底拱翻模技术进行阐述。直径 21 m圆型洞室底拱 120°范围翻模分为三部份:左右各 32.74°为立模范围、中间剩余 54.52°范围为不立模。立模段模板为弧长 1.5 m、宽度为 1.0 m,同一断面左右两边各由 4块模板组合安装,底拱小翻模主要由模板、背肋、拉筋、样架、刮轨及支架等组成。模板面板厚 3 m m,高 55 m m,每块模板长 1.2 m,模板相互间用∪形卡相连。背肋紧贴模板内肋,以便通过拉筋把模板拉紧固定。背肋分为横向和纵向,横向为 1.5″钢管,纵向为 5×10 c m方钢,间距 60 c m。刮板导轨用 φ 25圆钢通过可调螺杆与底板钢筋固定,混凝土平整后把导轨取出,人工抹平。底拱翻模混凝土施工程序为施工程序主要是:扎筋→立模→校正→浇筑→平仓振捣→翻模→抹面→模板移装。

图 3 底拱翻模布置图

3.1.1 直径 21 m圆形洞室底板混凝土翻模主要控制措施

(1)塌落度控制混凝土浇筑采用泵送分层平铺入仓,浇筑层厚控制在 50 c m以内,混凝土塌落度严格控制在 10～14 c m之间。

(2)浇筑顺序先进行底部不立模段混凝土的浇筑,然后浇筑立模段混凝土,为防止立模段混凝土浇筑时大量混凝土从不立模处溢出,可以在第一层立模段混凝土具备翻模强度后才进行浇筑,两层不立模段混凝土的浇筑可以均匀同步上升(也可不对称上升)。

(3)平仓振捣混凝土入仓后,骨料有堆积的地方采用人工及时平仓分料及振捣;振捣棒作业时要求“快插慢退”,振捣以混凝土不再冒气泡且表面泛浆为宜。

(4)接缝部位处理收仓后,边墙混凝土的浇筑高度应达到设计高程,且翻模后需拉线修直,确保底板与边顶拱钢模台车之间的结合部位平整顺直。

(5)翻模抹面当混凝土强度达到 0.2～0.3 M P a时,按混凝土浇筑顺序把模板逐块翻起,然后用泥铲把残留于反弧段混凝土表面的水汽泡、麻面及错台等进行抹平、压光,消除表面缺陷,且抹面时要求用原浆进行抹面。

大断面底拱翻模技术改变了以往底拱混凝土施工的常规方法,虽然结构简单,机械化程度低,但由于适合地下洞室施工的特点,特别是在隧洞长度短、体形变化大、底拱与边顶同步作业时,具有较大的灵活性及优越性。

3.2 平洞边顶混凝土施工

平洞部分边顶拱混凝土衬砌主要采用穿行式钢模台车技术一次衬砌成型技术、简易台车配合移动式脚手架施工技术以及 12×18 m车架式钢模台车一次衬砌成型施工技术。由于特大断面(直径 21 m)穿行式钢模台车边顶拱一次衬砌成型混凝土施工技术在国内尚属空白,因此,这里主要针对尾水隧洞特大圆型洞室混凝土施工技术作重点阐述。

图 4 钢模台车剖面图

3.2.1 特大断面穿行式钢模台车结构及工作原理

直径 21 m穿行式钢模台车主要由:行走机构、台车架、横送装置、托架、模板组、手动撑杆、平台、液压系统等组成,台车总重为 250.0 t。台车结构通过托架、液压垂直千斤顶和横向移动装置承受钢模浇筑、脱模、拆除和运输荷载,钢模台车利用在底板已衬砌好的混凝土上安装的箱梁轨道作为行走支架,当钢模台车安装结束运行到位后,转动夹轨器丝杆,使夹轨器夹紧轨道;调节横送液压油缸,使模板的中心线与隧洞的断面轴心线重合。调节顶模油缸,使顶模达到隧洞的设计高度。伸侧模油缸,使模板达到洞子的设计宽度。顶紧上、下竖向撑杆及手动撑杆,保证每根撑杆在顶紧时应做到受力基本均匀一致。

3.2.2 混凝土施工

3.2.2 .1 分块长度

直径 21 m尾水隧洞标准段边顶拱混凝土每块衬砌长度为 10.0 m。

3.2.2 .2 混凝土施工控制措施

(1)钢模台车在混凝土浇筑之前应进行精炼油脱模剂的涂涮,以免拆模时混凝土表面发生掉皮。台车周边与已浇混凝土的柔性搭接处必须用钢楔(或木楔)撑紧,以保证新老混凝土平顺搭接,避免错台,先浇块混凝土搭接处为“软搭接”,即用台车“裙边”搭接在上一块混凝土施工缝处。为防止搭接处漏浆,必要时台车将高弹性塑料泡沫板顶紧先浇块混凝土面。

(2)混凝土浇筑应从低到高分层进行,先从左、右两侧挂溜筒下料,要求下料高度不超过 2 m。顶拱下料处用彩条布铺盖,以免混凝土散落在模板上。台车浇筑应左右两侧同时下料。180°线以下浇筑,应连续快速,顶拱部位应适当控制混凝土上升速度。

(3)根据尾水隧洞施工特点钢模台车顶拱部位混凝土采用“退管法”浇筑,导管从顶拱水平进入仓内,用 90°度弯管向两边分叉,仓内导管应采用 1m短管,以便拆接,最后利用预留排气管进行逐步退管浇筑封拱。两侧 180°以下模板要求加强振捣,直到模板底部翻出的混凝土几乎不含气泡为止。封拱时,根据施工实际情况在顶拱一侧预埋自制混凝土泵管,待下一仓浇筑时一并回填浇筑饱满。

3.2.2 .3 台车混凝土浇筑主要控制难点及改善措施

(1)为防止错台在台车就位时应保证与先浇块混凝土搭接处为“软搭接”,即用台车“裙边”搭接在上一块混凝土施工缝处,为防止搭接处漏浆必要时台车将高弹性塑料泡沫板顶紧先浇块混凝土面。

图 5 排气管布置图

(2)为了保证台车 180°线以下混凝土浇筑饱满、密实,防止水气泡、水波纹现象的发生,可采用的方案有:①、可在台车模板内侧面每隔 1.5～2.0 m安装一台附着式振捣器,并加强对该部位的插入式振动器振捣,为了避免附着式振捣器产生共振,应将附着式振捣器间隔设置同组启动开关;②、控制混凝土上升速度,尽可能降低混凝土塌落度,保证良好的和易性,避免泌水现象;③、180°腰线以下混凝土振捣时间不宜过长,出现过振而形成泛砂现象。

(3)为防止顶拱超挖部位“退管法”回填浇筑形成封闭气室,随着混凝土泵不断的输送混凝土而造成气室内压力过高发生台车破坏性的变形,应按附图原则在顶拱超挖最大的部位提前埋设排气管。

4 结 语

龙滩水电站洞室型式有世界级地下厂房、超深竖井、国内断面最大的斜井和尾水隧洞,也有直径约 12 m的一般隧洞和断面较小的廓道,几乎概括了地下引水发电系统洞室群的全部类型,具有较强的代表性。要确保隧洞混凝土施工质量和进度,部分经验可以供其它类似工程借鉴。其中隧洞斜竖井衬砌混凝土运用滑模施工技术具有速度快、成型好、安全性和总体效益高等特点,建议类似工程斜竖井混凝土施工优先考虑采用滑模技术。穿行式钢模台车技术适用于大断面、长洞室施工,移动式简易台车可广泛运用于大断面、短洞室的顶拱混凝土施工、钢筋绑扎,通过台车带动承重排架(平台)在轨道上的移动,可以避免混凝土承重排架重复搭拆,具有设计简单、可操作性强等特点。平洞翻模施工技术普遍运用于底拱混凝土施工,具有灵活性强、技术难度低、操作工艺简单有效、施工进度快、混凝土平整度高且能彻底解决了底板浇筑脱空现象和解决了底拱水气泡问题,既能降低施工成本又能提高底拱混凝土质量。在隧洞混凝土施工中要严格控制混凝土浇筑温度,采取必要措施控制混凝土最高温升,合理选择浇筑爬升速度、浇筑分块长度和浇筑层厚度,尽量避免混凝土裂缝产生。混凝土施工是一个系统工程,要严格控制每一道施工工序、工艺,做到精细化管理施工,这样混凝土才能达到内实外光,保证混凝土施工质量。