南水北调中线穿黄工程二次衬砌预应力环形张拉施工技术

蒋元勇

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

环形张拉结构是一种实用的大跨度空间柔性结构体系，它是由连续的拉索和不连续的撑杆构成，其初始状态的确定与预应力分布是环形张拉结构设计的关键［1］，国外对这一问题的研究大多没有公开核心部分，国内学者的部分相关研究仍处于探索阶段。自Senlson在1948年制作了第一个张拉整体模型以来，在过去的60多年里，学者们对各种不同的张拉整体结构进行了广泛研究，如正圆柱形张拉整体结构和球形张拉整体结构［2－3］，但是作为另一种基本的几何拓扑形态——环形张拉整体结构却很少受到学者和工程师们的关注。文献［4－9］结合具体工程对预应力张拉技术进行了研究和探讨;文献［10－11］讨论了后张法预应力施工技术和质量控制措施。这些文献主要对预应力张拉技术和质量控制措施进行了分析和总结，环形张拉施工在国内应用较少，且主要应用于核电站;因此，针对盾构隧道的预应力环形张拉技术，可参考借鉴的文献很少。

南水北调中线穿黄工程是南水北调中线的咽喉工程，特别是穿黄隧道工程埋深大、施工难度大、地质条件复杂，且工程属薄壁结构环形预应力施工，厚度只有45 cm，又属于深层隧洞张拉施工，地下埋深50 m，与传统张拉施工不同。通过对环形张拉施工工艺进行总结，从隧道环形预应力施工的角度出发，对环形张拉技术在深层隧洞中的应用展开探讨，以期为隧道环形预应力施工积累经验。

1 工程概况

南水北调中线穿黄工程位于郑州市以西、黄河上游约30 km的河段上，南起荥阳市李村村西，北至焦作市温县陈沟村西。穿黄工程是南水北调中线总干渠穿越黄河的控制性工程，工程的目标是使汉江丹江口水库中的水顺利下穿黄河，通过输水工程将汉江水输送到北京、天津、河北和河南等省市，解决城市的生活和工业用水，改善生态和农业用水。

穿黄隧洞由盾构法施工，由7块管片拼装成型，再进行二次混凝土衬砌施工。内衬采用混凝土现浇法施工(二次衬砌)，为后张法预应力钢筋混凝土整体结构，采用C40.W12.F200预应力混凝土，直径7 m，厚45 cm，标准分段长度为9.6 m。在混凝土结构内部预埋直径为90 mm的波纹管，在边顶拱施工完毕后，进行钢绞线穿索。预应力锚索间距为45 cm，每束由12根预应力钢绞线集束而成，钢绞线强度为1 860 MPa，公称直径为15.24 mm，公称面积为140 mm2。

由于穿黄隧洞埋深达50 m，属于有压力承水隧洞，采用普通混凝土达不到结构的安全性要求，因此，采用预应力混凝土保证通水过程的结构安全。

2 环形预应力施工方法

环形预应力施工主要有孔道清理、穿索、锚板安装、预紧和张拉。施工前先对锚具槽进行凿毛处理，张拉完毕后对锚具槽进行回填，再进行孔道灌浆。内衬钢绞线张拉施工工艺如图1所示，预应力张拉顺序如图2所示。

图1 张拉施工工艺Fig.1 Technical flowchart of pre-stress tensioning

2.1 波纹管清理、检验

首先，在孔道内注入清水，封闭喇叭口后采用空压机对孔道内打压，利用孔内压力对波纹管内杂物进行吹扫和清洗，清洗后再用真空泵抽干积水;然后，采用视频探头检查孔道内的清洗状况，检验合格后进行穿束工作。

2.2 钢绞线制作、编束、穿束

1)钢绞线制作。按设计图纸中的下料长度(L=26 m)进行下料，用切割机将钢绞线定长下料，然后沿长度方向放在方木(或跳板)上，每下好1束，将下好的12根钢绞线两端逐根用胶布或油漆编号，编号要明确清晰，并将钢绞线一端对齐放好。下料过程中钢绞线要轻拿轻放，严禁撞击，不宜放在地上或潮湿处。

2)编束。按设计图纸在编束架上进行编束，编束顺序为:将6#、5#钢绞线用铁丝扎牢—将 2#、1#、9#扎牢—将 10#、4#、3#、11#扎牢—将 12#、8#、7#扎牢。分层捆扎完毕后，依次按图2所示的顺序再整束采用细铁丝绑扎。编帘时将钢绞线铺设平直，编帘扎束中钢绞线不得相互交叉，且每根钢绞线的两端要相互对应。整束绑扎时，中间每隔1 000～2 000 mm用细铁丝绑扎，防止运输时穿索松散。

图2 隧洞预应力张拉顺序示意图(单位:mm)Fig.2 Pre-stress tensioning sequence(mm)

3)穿束。采用卷扬机牵引、人工辅助的形式进行锚索的穿索作业。用先穿入孔道内的扫孔钢绞线将卷扬机的钢丝绳通过导向轮由下行方向引进孔道，并从上行端穿出，引出的钢丝绳与锚索端部的导向帽利用卸扣连接，即可开始穿索。启动卷扬机，人工配合将导向帽一端送入孔口，在卷扬机的牵引下，锚索徐徐进入孔道，直至从另一端穿出并达到要求的长度为止(设计要求被动端(下端)外露长度为800 mm，主动端(上端)外露长度为2 080 mm左右)。编束、穿束示意如图3所示。

图3 编束、穿束示意图Fig.3 Tying and installing of steel strands

2.3 预应力HM15环锚安装

见图4。在安装HM15环锚时，对已编号的钢绞线对准锚板上设计的孔号进行穿索，对钢绞线预紧后，依图4所示的顺序进行安装，安装应严格按照钢绞线的设计孔道进行。

图4 HM15环锚安装示意图Fig.4 Installation of HM15 anchor

3 预应力张拉技术要求

穿黄隧洞预应力锚索张拉采用“双控”，以应力控制为主，同时进行变形控制。锚索张拉过程中，按单根钢绞线预紧、整束张拉分序和同序荷载分级要求进行。

第1 序按 1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#、19#、21#锚索顺序，自小到大按序张拉，第 2 序按 2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#锚索顺序，自小到大按序张拉。张拉工序为:1)对单根钢绞线预紧，预紧力为42 kN;2)锚索整束张拉分2阶段，第1阶段为kNkN，第2阶段为kNkN，每阶段张拉完成后持荷10 min。张拉过程中及时对张拉数据进行测量、记录。

4 模型计算及数据建立

4.1 钢绞线伸长值及摩阻因数计算

根据设计要求，对张拉数据进行伸长量核算。本工程根据2种不同半径的环型孔道和1种直线孔道来计算钢绞线伸长量，计算简图如图5所示。

图5 环锚张拉计算示意图(单位:mm)Fig.5 Calculation of anchor tensioning(mm)

设计文件要求伸长值不得小于104 mm，假定摩阻因数为一个定值，在直线段不考虑摩阻因数，则换算简化后直线段AB伸长量

式中:K为每m偏转摩阻因数，一般取0.001 5，或按规范进行取值;P0为设计最终张拉力;μ为摩阻因数，可在0.17～0.30之间依次进行取值，以便更好地对伸长值(104 mm)进行核算。

CD，DA段也采用式(2)进行计算。

4.2 数据建立

通过上述计算可以建立数据表格。在现场进行张拉后，钢绞线的伸长值就可以直接算出来，再对照表格中的摩阻因数就可以将钢绞线的摩阻因数求出。伸长值与摩阻因数的关系如表1所示。

表1 伸长值与摩阻因数的关系Table 1 Relationship between extended length and friction coefficient

4.3 张拉效果

通过预应力张拉施工，在“双控”条件下达到设计要求，使隧洞内衬提前进行预受力，为后期有压力通水提供保障。

5 环形预应力施工难点、重点及处理

1)环形张拉预应力施工在穿索过程中有波纹管堵塞现象，由于波纹管环形布置，环形波纹的疏通存在很大难度，一般的工具无法操作，达不到规定要求的穿索效果。因此，应采用软轴疏通装置，最长达12 m，以磨为主，对波纹管进行疏通，从而达到较好的疏通效果。

2)在前期进行试验段张拉施工时，在张拉力达到设计要求时，伸长值达不到设计要求，不能满足“双控”要求。采用在穿钢绞线时，在钢绞线上涂石墨粉的方法减小摩擦，保证张拉时钢绞线的伸长值，每束涂石墨粉 0.75 kg。

6 环形张拉与普通直线张拉的主要区别

1)环形张拉在锚板锁定时，只用一个锚板双向进行锁定，一头张拉;直线张拉是两头进行锁定，一头张拉或两头同时张拉。

2)环形张拉过程中除了受钢绞线的拉力外，还受环形结构对钢绞线的作用力;直线张拉过程中只受钢绞线的张拉力和结构对钢绞线的作用力。

3)环形张拉钢绞线全长范围内是弯曲的，普通张拉钢绞线全长范围内为直线，无竖弯及平弯角度。

7 环形张拉注意事项

1)波纹管安装应平顺，单孔线型应在同一投影面上，锚具槽两端的小半径波纹管应严格加固控制，增设轨道筋加固波纹管，保证波纹的设计线型。对于波纹管堵塞问题，现场要给予高度重视，避免波纹管堵塞。

2)穿束前对波纹管进行清理和清洗，保证穿束时的畅通。

3)在张拉前期伸长量达不到设计要求的情况下，采用加石墨粉的方法减小摩阻，在钢绞线上加石墨粉要适量，不能过多，要以施工现场的张拉伸长量为参考。

4)张拉前对锚具槽喇叭口进行打磨处理，避免钢绞线在张拉过程中与喇叭口摩擦，影响张拉效果。

5)施工前要加强作业层的培训，严格按照技术要求进行施工，保证张拉施工按照技术要求有序进行。

6)每21束张拉完成2 d后进行锚具槽回填，在回填7 d后进行孔道灌浆，完成张拉施工工序。

8 讨论

穿黄隧洞内衬预应力施工先后经过多次1∶1仿真试验和地面模拟试验，获得了施工的各项参数。在正式环形张拉施工后，又进行了3个月的生产性试验，同时对各阶段的生产性试验情况进行总结，并采取了一系列措施对施工工艺进行改进和优化。施工过程中对张拉施工数据进行及时核算，保证了张拉施工质量的有效控制，同时对数据进行分析，现场调研，减少对张拉施工的影响，节约投资，该方法有利于环形张拉施工的广泛应用。

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