提升流道衬砌混凝土外观质量的工艺研究与实践

王 战 新，石 强，刘 向 荣

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鹤滩水电站位于川滇交界的金沙江下游河段，属大(1)型工程，电站左右岸各并排布置8条引水隧洞。其中左岸8条引水隧洞中的单条隧道长389.146～408.246 m。引水流道由上平段、上弯段、竖井段、下弯段及下平段组成；上平段混凝土衬砌尺寸为(159.444～169.544)×8.8×11(m)(长×宽×高)渐变为直径11 m的圆形与竖井压力钢管相连接。

鉴于流道混凝土衬砌外观质量缺陷是影响水电工程安全稳定运行的重要因素之一，必须综合考虑影响混凝土浇筑外观质量的各种情况，掌握施工中可能出现各种问题的解决方法与对策，以保障衬砌混凝土浇筑内实外光及外表面少缺无缺，提高其耐冲磨性能[1]。为了保证流道混凝土衬砌施工的外观质量，迫切需要研究一套操作简便、技术可行、经济合理、安全可靠的流道混凝土衬砌施工工艺与工法。笔者以白鹤滩水电站为例，介绍了提升流道衬砌混凝土外观质量的工艺研究与实践过程。

2 原衬砌施工工艺存在的缺陷及其产生原因分析

2.1 原施工工艺及其实施效果

引水流道底板采用拼装钢模、翻模抹面工艺施工，混凝土浇筑表面光洁、体型较好，满足要求。边顶拱采用Φ48钢管承重排架支撑、拉杆紧固、自制双Φ32×9 m圆弧钢筋围檩控制圆度、P3015钢模双面胶贴缝、“U”形扣拼装；预埋灌浆管采用编织物封孔、紧贴模板、油漆标记。

(1)原衬砌工艺存在的问题与处理。①模板拼缝、拉杆孔隙封闭不严导致漏浆而形成麻面。采用双面胶贴缝、原子灰勾缝过渡、打磨平整。②边顶拱模板与底板老混凝土面之间存在缝隙，导致漏浆、烂根的产生。对底板施工缝侧表面进行拉线打磨处理，贴双面胶后使其拼缝严密。③环向围檩与模板未紧贴，导致浇筑时模板下沉、混凝土浇筑成型偏差大。在围檩与模板未紧贴部位采用木楔楔紧。④对预埋灌浆管孔口采用编织物封堵，拆模后不易找到且因编织物封堵易漏浆，拆除后管口质量差、易破损。采用编织物包裹管口后用透明胶带缠裹。

(2)浇筑后的外观效果。拆模后，混凝土浇筑密实、外观整体较好，但仍存在以下问题：①模板拼缝处错台、砂线、麻面集中凸显；②拉杆孔周边麻面集中；③预埋灌浆孔口混凝土不密实、破损；④流道环向体型超标较多。

2.2 原工艺造成的缺陷原因分析

针对原衬砌工艺造成的混凝土外观缺陷的产生，施工局组织技术与质量骨干人员进行了深入分析研究，得到了以下认识：

(1)施工人员质量意识不足、技能欠缺。混凝土衬砌施工前期的准备工作不充分，对现场一线质量技术骨干人员质量意识教育不到位，在施工过程中不能及时、准确地发现与解决问题；对施工人员的专业分工不明确、工序专业培训与交底的针对性模糊。

(2)施工机具使用不规范。如在模板上需要开拉杆孔、钢模板背楞变形等，施工人员直接采用电焊割孔、锤击进行修复而导致缺陷的产生。

(3)材料选择不当。①模板的选择、拉杆孔间隙封闭不当。对于方形渐变为圆形隧道衬砌，重点应解决“四角”由平面向曲面转换的问题，而采用平面钢模面板拼缝所产生的拼装缝隙、错台不可避免；对于拉杆孔隙简单地采用原子灰勾缝，在浇筑振捣过程中极易开裂、脱落而失效，从而产生漏浆甚至涨模。②模板拼装“U”形扣易松动。对于周转性模板，当其经过多次安拆后模板楞板均会产生不同程度地变形，加之 “U”形扣安拆过程的敲击甚至暴力拆卸导致“U”形扣变形，在混凝土浇筑振捣过程中易松动甚至脱落。

(4)施工方法不严谨。①模板缝补材料未达到强度即开仓浇筑。②预埋灌浆管孔口封闭方式选择不当。施工人员因快捷施工而采取简易编织物封口且不规范，导致拆模后埋管管口难以准确找到，四处敲击或撕扯编织物又导致管口混凝土破损。③环向围檩支撑系统稳定性不足。采用双根Φ32钢筋作为环向围檩，混凝土浇筑时混凝土的侧压力传递至钢筋围檩再至排架顶托过程中，由于钢筋围檩加工弧度的偏差与排架和顶托支撑之间间隙的双重误差作用导致混凝土局部体型超标。

(5)施工环境受限。引水隧洞混凝土衬砌采用承重排架施工，操作空间狭小，对围檩、模板安装位置的精准性难以准确判断。

(6)检测手段不足。由于事前未系统布设混凝土形体监测设施，在承重排架密集的仓号，测量仪器无法跟踪观测混凝土的变形偏差。

总之，边顶拱混凝土外观存在较多缺陷的根本原因是由于仓号准备工作不足、套用老施工工艺、方法、与实际施工工况不符所致。

3 工艺改进研究

结合之前对仓号衬砌外观缺陷产生原因进行的分析，施工局组织质量、技术系统的精干力量采用“PDCA”“头脑风暴法”联合攻关，提出了一套技术可行、保证质量、又符合现场施工实际的施工工艺。

3.1 质量意识、责任感同步强化提升

通过组织技术与质量集中培训、专项措施与工序检验标准现场局部交底培训、现场仓内指导施工、仓号浇筑事前联合交底、浇筑过程专项培训、拆模完成后的总结分析等管理手段促进施工人员质量意识、技能及责任心的提升。

同时，通过对施工工序定人定岗、责任到人、经济激励、处罚，确保了责任明确、奖惩分明。同时，对质量缺陷采取 “四不放过”原则进行追究与改进。

3.2 模板方案的优化

(1)定型无拉杆模板的设计。流道衬砌模板的设计决定了混凝土浇筑外观质量的优劣、缺陷产生的多少，亦影响到后期缺陷处理的投入。该项目拟在边顶拱采用钢模台车和承重排架+无拉杆定型钢模两种方案中进行比较选择。

在引水上平洞设置了一条贯穿8条引水隧洞的施工支洞兼顾压力钢管运输，故将引水上平洞衬砌分前后两段，上平洞前半段总衬砌施工长度为96.154～103.847 m，进口20 m段为方形渐变圆形洞段，距进口42.216～57.447 m段分布半径为30 m、长9.179～15.231 m的转弯段。引水上平洞前半段中便于钢模台车施工的直线段总长度约为67 m，按台车12 m长计算可浇筑6仓。由于单洞施工仓数极少，故导致钢模台车倒运安拆频繁，摊销成本高。因此，对钢模台车方案不予考虑。

引水流道方变圆段的体型随流道深入不断变化，承重施工排架密集架设不利于大模板的运转与安装施工。选用主体为P6015的定型组合钢模已成为必选，且拼装组合钢模安装速度快、移动方便、兼具模板台车的优点。该项目最终选择了边顶拱衬砌定型组合钢模+端头采用木模封堵方案。

针对引水隧洞进口20 m渐变段“四角”弧度变化分布，将模板分为8个区域进行设计，平面部分采用P6015定型钢模、弧形部分采用P3015弧形定型模板设计,平面与弧面相交的相贯线部位采用异形曲面定型钢模[2]补缝；标准段均采用P6015弧形定型模板设计；所有弧形模板围楞均按模板拼缝切合设计，渐变段异形曲面模板均编区编号顺序使用。

鉴于边顶拱模板拉杆孔数量巨大、极易产生漏浆而导致混凝土外观产生缺陷，经对边顶拱混凝土浇筑速度及承重排架系统的承重力进行核算：渐变段(最大浇筑高度12.8 m，顶拱最大浇筑厚度3.8 m，分1.5 m、2.3 m两层分时浇筑)，浇筑速度为0.5 m/h、混凝土初凝时间为6 h，采用Φ48×3.6 mm钢管按横距0.6 m、纵距0.6 m、步距1.2 m搭设承重排架，且在距地面20 cm部位纵横设扫地杆。标准段(浇筑高度10.4 m，浇筑厚度1 m)浇筑速度为0.5 m/h、混凝土初凝时间为6 h，采用Φ48×3.6 mm钢管按横距0.75 m、纵距0.75 m、步距1 m搭设承重排架，且在距地面20 cm部位纵横设扫地杆。经对承重排架立杆、斜撑受力及水平杆侧压力等进行计算得知：在渐变段、标准段边顶拱仓号模板不设拉杆情况下，承重排架的承载力满足浇筑受力的要求。

(2)模板拼装。①标准段P6015定型模板、渐变段P3015异形曲面定型模板均采用双面胶贴缝、双螺母螺栓连接加固，防止渐变部位在浇筑过程中变形、移位。②对底板及环向施工缝老混凝土边墙面10 cm范围拉线局部打磨，整体清理、消除凸点，使模板与混凝土缝面无缝紧贴，并在底板施工缝第一层模板上设置一排定位拉杆，确保模板根部稳定。③因渐变段弧形模板形状、尺寸复杂多变，在制造过程中即编区编号，在安拆过程中应对号安装与堆存；同时，拆除过程中不得暴力拆卸，严防异形模板变形、损坏。④由于渐变段顶拱混凝土最大浇筑厚度为3.8 m，考虑到浇筑承重系统的安全实行了分层浇筑，分层浇筑时间间隔不小于7 d。

通过对模板设计进行改进，模板安装紧密、无缝无错台，混凝土外观光洁、平顺、无缺。

3.3 预埋管孔口塞的创新

灌浆预埋管采用薄壁钢管，钢管管口成批加工，很难做到逐孔放样紧贴模板。因此，设计一种能紧贴模板且在混凝土浇筑过程中不被挤压变形、连接可靠、安装方便的装置十分必要。

灌浆预埋管孔口混凝土的浇筑质量同样是影响混凝土外观质量的重要部分。灌浆预埋管采用编织物封孔易造成预埋管孔口混凝土浇筑不密实，且拆除过程中极易使孔口混凝土产生破损，故不予考虑。螺丝扣式钢保护帽易于安装，也具备强度要求，但很难紧贴模板浇筑后埋于混凝土内、寻找困难，且拆模后其均包裹于混凝土内，须敲击寻找，在拆除过程中易损伤周边混凝土表面，亦不作考虑。硬质橡胶预埋管孔口塞采用橡胶保护帽的形式，利用橡胶的弹性变形紧贴模板；在橡胶塞中心设置孔洞，易于拆卸。橡胶孔塞具有一定的弹性，可紧贴模板、易于制作，成本低廉，采取铁钩状工具即可完成旋转及向外的拆除动作，操作熟练后不会伤及孔口周边的混凝土，适合于该工程使用。

通过灌浆预埋管孔口塞的应用，在混凝土浇筑过程灌浆埋管均未移位、拆模后更利于寻找、拆卸无损，很好地解决了灌浆埋管孔口堵塞问题。

注意事项：预埋管加固应牢固，浇筑过程中应避免振捣棒接触振捣，防止灌浆管移位。

3.4 环向围檩方案的优化

鉴于双根Φ32钢筋环向围檩在前期试验仓浇筑中混凝土体型超标，证明双根Φ32钢筋环向围檩在大型隧道混凝土衬砌施工中受动载荷影响导致其稳定性、刚度不足，技术人员借鉴钢模台车拱架原理对引水流道渐变段、标准段在原承重排架的基础上，将承重排架分为固定排架、定型拱架[3]两部分，定型拱架的排距与其承重排架一致，采用Φ48×3.6 mm钢管根据不同洞段弧度弯折成型，再根据弧形拱架受力计算布置定型拱架内支撑间距(内支撑采用△形)；该方案制作简单、成本低廉、易于安拆，对流道混凝土体型控制起到了决定性的作用。

采用定型拱架支撑方案后，衬砌混凝土体型偏差合格率达到了100%。

注意事项：同侧顶托、拱架系统采用钢管+扣件方式通长逐根加固，确保了支撑系统受力稳定。

3.5 流道直线段排架整体移动的优化

由于承重排架的安拆耗时长、劳动力消耗大。项目部借鉴台车移动原理，在流道直线洞段承重排架同排立杆底部设置水平Φ48钢管作为滑竿，采用20#槽钢作为轨道槽，通过同步卷扬系统进行牵引，达到了排架整体移动的目的。通过此项工艺改进后的应用，排架移动实现了操作简单、安全可靠的目标；同时也节约了排架及模板安拆的人力、物力、财力投入，规避了模板频繁安拆、周转产生变形的隐患，有效保障了施工质量的稳定。

注意事项：排架滑竿、槽钢轨道槽应加密并可靠固定，避免在排架移动过程中滑竿脱焊、轨道槽位移与变形。

3.6 测量与监测的立体设计

在高密排架衬砌部位仅靠测量仪器控制混凝土体型显然是不可靠、也无法实现的。

针对这种情况，现场测量技术人员采取对可视部位特征点测量全程监测+中心线与腰线部位线锤法相结合的过程检测法，在施工全过程安排专人盯守观测，确保了衬砌混凝土体型偏差受控。

4 结论与反思

通过在引水流道中的无拉杆模板设计、定型弧形围檩优化、灌浆埋管孔口塞创新、承重排架整体移动优化等措施的实施，引水流道衬砌混凝土质量得到了保障，多次得到监理、业主及政府质量监督站专家的高度肯定。目前该套施工工艺已被业主单位在左右岸尾水扩散段和尾水连接管等渐变流道洞段推广应用。

受施工条件及成本控制的制约，目前流道采取的异形钢模拼装衬砌工艺尚具一定的推广价值。但随着社会进步、科技发展，“机械化换人、自动化减人”已成为建筑行业的大趋势；一体化模块化台车[4]、可变式伸缩横移台车[5]等先进设计与制造理念也将成为下阶段渐变流道施工工艺的主流。