预应力混凝土衬砌在引水隧洞工程中的应用

卫瑞岗

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概述

吉林省某引水工程采用隧洞引水。工程位于吉林市丰满水库至温德河左岸之间，总长度约为22.9km。引水隧洞主要采用敞开式TBM施工，局部采用钻爆法施工。钻爆段隧洞由于岩石围岩较为破碎，为Ⅴ类围岩，为了改善隧洞衬砌混凝土受力性能和提高隧洞的抗裂度，钻爆法施工段采用预应力混凝土衬砌。预应力衬砌段开挖断面R=4.10 m，衬砌厚度50 cm，单段衬砌长度12m。主要施工内容有：钢筋加工、制作与安装，预应力钢绞线制作、安装与张拉，模板安装与拆除，现浇混凝土的拌和、运输与浇筑等。图1为隧洞预应力衬砌断面图。

图1 隧洞预应力衬砌断面图

2 隧洞无粘结预应力混凝土施工程序

施工工艺流程如图2所示。

3 钢筋加工、制作

工程中所有的钢筋（主筋HRB335级φ20，箍筋及构造筋HPB235φ8、φ12）均从附近大型钢铁厂采购，要求厂家供货到工地现场钢筋加工厂。钢筋各项指标均应符合现行规范和设计要求。钢筋集中在洞口钢筋加工厂制作，为便于成型钢筋的运输和现场安装，将环形内、外层主钢筋加工成4节弧型段。加工制作好的成品钢筋，采用15t自卸汽车改装成的平板车运进洞内，现场人工绑扎安装。混凝土保护层厚度用带铅丝的强度不低于结构物设计强度的砂浆垫块控制。

4 预应力钢绞线制作

预应力钢绞线制作包括钢绞线制作和安装钢绞线托架制作。

4.1 钢绞线制作

图2 无粘结预应力混凝土施工工艺流程图

钢铰线采用7φj5,σb≥1470 N/mm2，在钢筋加工厂（包括钢绞线加工）集中加工制作。钢铰线加工区内设一条放样通道、一个与隧洞每一组张拉锚索实际缠绕轨迹相同的1：1加工制作平台和两个钢铰线转盘架（旋转平台），采用工地现场起吊设备（16t汽吊或50 t履带吊）将出厂的两盘钢铰线盘卷安放在转盘架上，按设计图线在放样通道上依照放样标志进行放样制作。钢铰线切断需采用砂轮切割机，不能采用电焊机或氧焊切割。钢铰线切割好后，每两根一组进行绑扎，绑线一般采用18#铅丝，绑扎点间距为0.5～0.6m。同时在钢铰线上用红油漆标注出引水洞底拱中心线和锚具槽中心线位置，以保证钢铰线现场安装精度。钢铰线加工好的，由于直径太大，无法直接运输进洞，故将其折成8字形，再拆成圆形，经过绑扎固定后，采用起吊设备将钢铰线吊放在自卸汽车改装成的平板车上，运输至洞内施工现场。

4.2 托架加工制作

钢绞线安装托架根据不同断面钢绞线的不同位置制作不同型式的托架，本工程共需制作六种型式托架（五种型式托架为特殊托架，特殊托架用于靠近锚具槽的地方）。由于特殊托架不完全对称，特殊托架制作好后应及时对托架进行标注（编号、安装方向等）。托架统一在洞外钢筋加工厂集中制作，将制作好的托架严格按要求焊接在钢铰线布置位置的分布筋上，以保证托架的安装精度。

5 钢筋、钢铰线、锚具槽模板的安装

5.1 钢筋、钢铰线安装

钢铰线位于外层钢筋和内层钢筋之间，钢铰线的安装需通过各种托架附着在外层钢筋上。钢绞安装工序为：外层主筋安装→测量定位→分布筋安装（托架分布筋）→钢铰线安装。

（1）各段隧洞衬砌前验收合格后，在洞内沿洞轴线每1.5m测放8个安装钢筋的控制截（断）面。

（2）每个控制截面安装φ20以上钢筋点进行控制。钢筋长度为1m，采用手风钻钻孔，砂浆锚固，锚固长度0.5，外露0.5m，锚筋作为钢筋的绑扎安装控制点。

（3）钢筋运输至安装部位附近，人工搬运至安装部位后利用钢筋台车进行拼装外层4段环形主筋，采用电焊机现场焊接。

（4）在分布钢筋安装前，按隧洞衬砌钢筋图纸位置进行放线，采用墨线弹出单段（12m）隧洞钢筋边线，用粉笔画出每根分布钢筋的位置。人工用20#～22#铅丝绑扎带有托架的分布筋和一般分布筋。

（5）钢铰线同样采用钢筋安装台车进行安装。首先，按照钢铰线上用红漆标记的底拱中心线、锚具槽中心线标记与已安装好的底拱中心线和锚具槽中心线的标记钢筋一一对应，采用铅丝进行绑扎固定钢铰线。然后，将钢铰线由底向上依次对称绑扎在分布钢筋的托架上。最后，对钢铰线位置进行调整，将钢铰线头固定在锚具槽内。

（6）焊接内层4段已加工好的环形主筋。钢筋焊接时，为保证钢绞线安装质量、安装精度，需对锚具和钢绞线采取隔热保护措施。

5.2 锚具槽施工

钢铰线安装完后，对钢铰线安装进行检查验收。检查验收合格后，才能进行加工好的锚具模板（锚具槽盒）安装。锚具槽安装工序为：在锚具槽位置的钢筋上固定一个锚具槽盒钢筋托架，并定位→在托架上铺设一层的钢丝网和一层泡沫板→在泡沫板上安装锚具槽盒底模，然后固定钢铰线张拉端→立锚具槽盒边模→采用卡子拉杆将锚具槽模板固定→对锚具槽弧形顶模进行安装→采用泡沫板将锚具槽盒边模板包裹一层并用胶带密封→安装锚具槽两侧加力钢筋（防止钢铰线张拉时产生的径向拉应力对混凝土破坏）。

5.3 检验

钢铰线、锚具槽模板安装精度检验要求为：①钢铰线误差范围：钢铰线所在平面应与隧洞中心线垂直，其偏差范围为±0.15°。②锚具槽误差范围：锚具槽与钢铰线中心线应控制在设计范围内，其偏差范围为±10 mm，锚具槽中心承压板面与钢铰线中心线垂直。

6 隧洞衬砌模板安拆

隧洞衬砌模板采用国际上通用的穿行式钢模台车（见图3）。穿行式模板台车安装、移动、拆卸流程如下：

（1）采用平板汽车将钢模台车分节运至在隧洞衬砌起始段，采用倒链现场分节进行组装一段模板（14m），验收合格后浇筑第一段混凝土（12m）；

（2）第一段混凝土强度达到拆模条件后，开始进行拆、支模板。首先将侧模用液压油缸脱模，把顶模用架台上的液压油缸降下来脱模；

（3）移动架台，把顶模侧模往前移动；

（4）台车上的电动葫芦返回把底模吊起往前移动，一直移动到顶模和侧模的前方；

（5）顶模、侧模、底模一起往前移动，一直移至第一段混凝土前方；

（6）把底模先放下去，用支杆支起来；

（7）底模做为轨道，架台带着顶模和侧模继续往前移动；

（8）把顶模和侧模用液压油缸定位；

（9）把侧面螺杆和顶部螺杆固定好；

（10）反复把后面的模板移动到前方固定好,支撑完一段（12m）；

（11）开始衬砌第二段混凝土。

图3 穿行式钢模台车图

7 混凝土浇筑施工

混凝土采用洞外安设的HZS50型混凝土拌和站进行拌制。混凝土熟料采用8m3混凝土罐车运输至浇筑部位附近，卸料至HBT60型混凝土输送泵内，由混凝土输送泵泵送入仓。穿行式钢模台车每隔2m高度布置浇筑孔，通过台车预留的混凝土入仓孔浇筑入仓，混凝土振捣采用穿行式钢模台车自带的附着式振捣器振捣密实，每个施工段浇筑一次成型。

8 钢铰线张拉施工

本工程钢铰线张拉为后张法，钢铰线的张拉工作在衬砌混凝土达到28d设计强度后进行。钢铰线张拉方法为：①首先采用砂轮切割机将张拉端部多余的钢铰线切割掉；②将张拉端钢铰线上的塑料皮套管剥掉,采用棉纱布将钢铰线上的防腐油擦掉；③采用游动型锚具卡（张拉固定一体型）固定底拱中心线旁锚具槽一端的钢铰线；④将防腐件、夹片及偏转器安装在锚具槽的另一端；⑤安装千斤顶进行张拉。

张拉时，需采用两台千斤顶同时对相邻两束钢铰线进行张拉，以免相邻两束的张拉力差值大而导致混凝土衬砌产生不均匀的拉应力。在钢铰线的张拉过程中，相邻锚具槽的钢铰线的张拉力差值不得大于50%。锁定后锚具位置在洞轴线方向上的偏差不大于10 mm。

根据隧洞衬砌混凝土厚度的不同需采用不同的方法进行张拉。对于衬砌厚度大的衬砌段，先张拉左边一排钢铰线至设计张拉力的50%，再张位右边一排钢铰线至设计张拉力的100%，最后再张拉左边一排钢铰线至设计张拉力的100%；对于衬砌厚度小的衬砌段，则分三次进行张拉，每次张拉分别为设计张位力的50%，75%和100%。

9 钢铰线防腐及锚具槽混凝土回填

对于预应力衬砌混凝土引水洞，防腐、回填混凝土一定要做好。

钢铰线张拉端和锚具防腐及锚具槽混凝土回填应在钢铰线张拉锁定验收后进行。其施工方法为：①将钢铰线端头和锚具清理干净，②在张拉端钢铰线上重新安装上塑料防腐管，③给塑料防腐管内注入防腐油，钢铰线端加防护帽，并在锚具上涂上防腐油，④对防护罩进行密封，⑤对锚具槽进行加工（做成燕尾槽），⑥回填混凝土。

锚具槽回填混凝土采用引水隧洞同标号微膨胀混凝土。人工采用切割机将描具槽口切成深50～80 mm、宽50 mm的燕尾槽形式，并对混凝土进行打毛处理，然后在槽内刷一层进口SIKA丙乳胶，最后人工铲运混凝土熟料进行浇筑。混凝土达到拆模条件后拆除模板，人工采用打毛机进行表面修磨。

10 质量控制要求

无粘结预应力混凝土施工质量控制措施如下：

（1）预应力钢绞线的品种规格、长度和有关试验均符合设计要求和施工规范的规定。进场的钢铰线需分批量进行力学指标试验。

（2）施工期间，严格对钢铰线的加工精度和安装精度进行控制。

（3）定期对千斤顶进行率定。

（4）钢绞线张拉期间，需对应力应变状态进行分析。

（5）严格控制锚具槽内钢铰线的防腐和回填混凝土质量。

11 结束语

无粘结预应力混凝土在吉林省引水隧洞衬砌混凝土中的成功应用，改善隧洞衬砌混凝土的受力性能，提高了隧洞的抗裂度，进而提高隧洞的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。同时，由于采用了高强度混凝土和钢筋，从而节省材料和降低衬砌混凝土厚度。无粘结预应力混凝土在施工时需严格按照施工要求进行钢铰线安装、锚具槽模板安装、钢铰线张拉、钢铰线防腐及锚具槽混凝土回填，确保无粘结预应力混凝土施工质量。