中外模板布在水电工程大直径引水洞衬砌中的应用研究

王述诚，郝春游

(1.中国水利水电第十一工程局，河南 郑州 450001；2.中国电建集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065)

1 项目概况

赞比亚下凯富峡水电站枢纽建筑物主要由左右岸挡水坝、河床溢流表孔、生态放水孔、右岸引水系统及厂房组成。总装机容量750MW，库容0.83亿m3。

引水系统由进水塔、引水洞、调压井、发电洞组成。其中引水洞断面为圆形，有压引水隧洞与进水塔衔接，长度约为4495.35 m，采用钢筋混凝土衬砌。断面为圆形，洞径为11.4 m，底坡为5.63‰，引用流量为479.45 m3/s，其中在Ⅱ、Ⅲ类围岩洞壁段设有排水孔，引水发电系统纵向示意图见图1。

图1 引水发电系统示意图

2 施工问题

本项目引水洞比较长、直径大，大部分洞段衬砌较薄。施工单位采用4套全圆针梁台车(简称“台车”，长12 m)进行隧洞衬砌施工。其中1号、2号台车布置在2号施工支洞上游，以CH0+741桩号分界，相向衬砌施工。3号、4号布置在2号施工支洞下游，以CH3+489桩号分界，相向衬砌施工。自2019年1月各台车陆续投入使用以来，发现所有衬砌后的底部混凝土表面存在大量气泡等混凝土缺陷(见图2)，此质量通病在本项目质量管控中尤为突出，咨询及业主明确不接受全部缺陷处理的方案。因此，现场对此外观缺陷进行了深入研究及分析，以寻求解决办法。

图2 混凝土表面气泡缺陷

3 解决方案探讨

对于台车钢模板这种结构致密性的结构无法有效排除混凝土中的“水”和“气”。因此，急需一种可以直接解决此台车缺陷的材料应用于引水洞浇筑施工中。

混凝土透水模板布是一种应用于建筑工程的新型建筑材料，通过模板布可以解决混凝土中的“水”和“气”问题，消除混凝土表面的气泡、砂线、砂斑等混凝土质量通病，从而使混凝土形成致密表面，提高混凝土表观质量；而且能进一步提高混凝土性能，改善混凝土耐久性(防止碳化、减少氯离子渗透)，提高混凝土耐磨性、抗冻性和表面抗拉强度。因此，施工方先后采购了国内及国外的模板布进行了洞内浇筑试验研究。

4 国内外模板布特性

4.1 国内模板布特性

本项目采购的国内模板布主要以改性高分子聚合纤维为主要原料，经过特殊技术加工工艺生产而成，其主要原理为：模板布表层(称过滤层)与混凝土面接触，具有光洁、致密具有微细小孔，平均孔径为30 μm～35 μm，能透过水和空气而阻止水泥颗粒通过；毛面层(称垫料层)与模板接触，厚度约2 mm，具有保水透气的性能，保水能力大于0.45 L/m2，排水能力大于3 L/m2，多余的水分渗出，气体也透出，只保留适当的水分，使混凝土处于潮湿的环境当中。此模板布能够把刚刚浇好的混凝土表面多余的空气和水排出，降低混凝土表面水灰比，提高了混凝土的强度和耐磨性，该模板布实测技术参数值见表1，工作原理图见图3。

图3 模板布工作原理图

表1 模板布技术参数实测值

混凝土透水模板布主要应用于码头、防波堤、沉箱、船坞、滑道等海工混凝土结构；跨海桥梁、隧道、道路、沉井等交通工程混凝土结构；堤坝、输水涵洞、溢流堰等小利混凝土结构，以及核电站、铁路等重要混凝土结构。

4.2 国外模板布特性

本项目采用的国外模板布是德国马克斯·弗兰克公司生产的自粘式模板布。其结构为：表层(称过滤层)与混凝土面接触，具有光洁、致密具有微细小孔，能透过水和空气而阻止水泥颗粒通过；中间层结构为类似蜂窝的网格状，具有存水、排水、透气的性能，其一侧与过滤层结合，另外一侧含胶水，表面用塑料薄膜保护。适用范围亦非常广泛。

5 使用模板布浇筑对比

根据现场观察，引水洞衬砌后比较严重的气泡缺陷仅出现在衬砌混凝土底部100°范围的表面，腰线下部存在少量微小气泡，腰线以上基本无气泡，表面光滑。因此，重点对台车底部100°范围弧面钢模板安装模板布浇筑试验。

5.1 国内模板布浇筑试验

2019年2月22日，首先使用国内采购的模板布在洞外进行模拟隧洞底部100°范围衬砌混凝土块试验以便积累施工经验，当拆模检查发现：大部分混凝土表面光滑、基本无气泡，存在少量混凝土表面乳皮脱落，局部模板布脱落，试验基本成功解决了气泡问题。因此，施工方在国内大量采购此模板布。于2019年4月3日～4月7日在4号台车第31仓及32仓(桩号：CH3+839～CH3+851及CH3+851～CH3+863)浇筑试验，模板布使用一次就报废。试验仓浇筑效果照片见图4～图5。

图4 4号台车第10仓

图5 4号台车第11仓

在使用国内模板布浇筑过程发现台车上排出大量水，且在浇筑完检查发现：底部混凝土表面整体较未使用前有所改观，气泡数量减少。但使用后发现以下问题：

(1)模板布不易安装，台车底部模板下方空间狭小。

(2)模板布易粘连混凝土，导致模板布残留在混凝土表面或局部混凝土表面乳皮脱落。

(3)模板布表面没钢模板光滑，即增加与混凝土之间的摩阻力，导致局部空间不能浇筑满或易出现蜂窝麻面。

(4)模板布不能有效重复使用，模板布使用一次后混凝土浆液堵塞其透水层以及台车脱模过程易造成模板布破坏、粘接不牢固等现象。

5.2 国外模板布浇筑试验

2019年5月15日～7月10日期间，施工方采购德国自粘式模板布在洞内进行浇筑试验。先后分别在1号台车第5仓(桩号：CH0+726～CH0+729)；2号台车第31仓(桩号：CH1+101～CH1+113)、第42～43仓(桩号：CH1+223～CH1+245、CH1+245～CH1+257)；4号台车第31～32仓(桩号：CH3+849～CH3+861、CH3+861～CH3+873)及第36～37仓(桩号：CH3+909～CH3+921、CH3+921～CH3+933)等仓号进行多次浇筑试验研究，其中2号台车第43仓及4号台车第37仓均使用其上一仓模板布进行二次利用验证试验，研究模板布反复使用的次数，其余均为每仓混凝土使用一次，浇筑效果照片见图6～图7。

图6 4号台车第36仓

图7 4号台车第37仓

在使用德国模板布浇筑过程明显发现台车底部排出大量水，浇筑后检查发现：混凝土表面整体较国内模板布浇筑效果较好，基本无气泡，尤其第一仓浇筑混凝土表面明显得到改善，且表面较光滑。但使用后发现存在以下问题：

(1)模板布不易安装，台车底部模板下方空间狭小。

(2)模板布自粘式胶水遇水粘结不牢固，塑料螺钉固定不牢固，台车脱模过程易掉落。

(3)模板布与混凝土接触的面不光滑，增加与混凝土之间的摩阻力，导致局部不易浇筑满或易出现蜂窝麻面，局部混凝土表面出现“空蛋壳”的现象。

(4)模板布重复使用第二次后，模板布透水表面被混凝土浆液堵塞，排气、排水效果降低，混凝土表面明显变差。

6 对比分析

本项目引水洞衬砌施工分别按台车正常浇筑、使用国内模板布浇筑、使用国外模板布浇筑进行，模板布在多个仓号浇筑试验，虽然气泡问题有一定改观，但容易造成新问题，现对以上三种情况浇筑情况分别从成本、效率及质量进行对比分析，见表2。

由表2可知：本项目引水洞衬砌时，使用模板布施工成本明显增加，平均每仓混凝土成本增加5500元～7000元；施工效率明显降低，降低约45%～50%；质量方面带来新问题及隐患，因此对本项目大直径隧洞衬砌使用模板布不是最佳的方案。

表2 使用模板布分析对比

7 结论

本文对中外不同的模板布进行分析研究后发现：模板布在用于隧洞衬砌混凝土中效果不理想，未能彻底解决混凝土表观问题，而且易产生新施工质量问题。该项目在应用模板布不成功的情况下，施工方根据传统的修补工艺方法，采用国际著名的西卡公司生产的SIKA系列化学修补材料对隧洞混凝土表观缺陷进行了修补。

此外，通过查阅大量的文献资料发现，国内对隧洞衬砌气泡问题的解决方法提出了很多种，对于小于10 m直径的隧洞，采用模板布可以有效解决气泡问题。但产生气泡的本质原因为全圆针梁台车钢模板结构致密，不能有效排除混凝土中的泌水及气体，尤其对大直径隧洞衬砌，此气泡问题尤为突出。因此本项目试验其他减少气泡的措施，如模板增加窗口，模板增加通气孔等方法发现效果均不理想。但若要彻底解决气泡问题，需要采用滑模人工收面方式进行，比如锦屏二级水电站的大直径隧洞使用“侧滑式针梁底模台车”浇筑，从根本上消除气泡等质量通病。因此，对于大直径隧洞衬砌采用先进的台车技术才能保证混凝土外观质量。