小转弯半径大断面引水隧洞上平段衬砌施工技术

邱 勇，余文飞

(1.南昌水利投资发展有限公司，江西 南昌 330000；2.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

引水隧洞是位于进(出)水口和厂房之间用于输送水流的隧洞，其断面需满足设计流量，一般采用圆形断面型，为混凝土过流区有压洞室；洞身段是由喷锚支护和现浇钢筋混凝土组成的复合式衬砌结构。引水隧洞分底拱和边顶拱2个升层浇筑完成：先浇筑底拱混凝土，利用浇筑完成的底拱铺设台车轨道；再将边顶拱混凝土利用钢模台车衬砌。引水隧洞上平段一般设计有直线段和圆弧段2种结构，且采用钢模台车衬砌，设计仓位较多。直线段圆形隧洞施工较为简单，而控制弯弧段圆形隧洞衬砌施工质量的难度较大。

本文依托乌东德水电站左岸引水隧洞上平段衬砌施工，总结小转弯半径大断面引水隧洞衬砌施工技术。

1 工程概况和施工难点

乌东德水电站左岸引水隧洞采用单机单洞布置，共6条，洞轴线间距37 m，1#～6#引水隧洞上平段平面上采用直线→弧线→直线布置，均为小转弯半径大段面引水隧洞，平面弧段轴线半径分别为235 m、198 m、161 m、124 m、87 m和50 m，是圆心角为69.25°的圆弧段。引水洞上平段开挖后直径16.1 m，衬砌混凝土厚度1.2 m，衬砌后直径13.5 m，中心高程923.25 m。引水隧洞上平段直径大，衬砌混凝土分上、下两层浇筑，先浇筑底拱100°范围混凝土，再浇筑边顶拱260°范围混凝土(钢模台车浇筑)。含渐变段，6条引水洞上平段混凝土总量约64 901 m3，其中，钢模台车浇筑区域混凝土总量约4.5万m3，混凝土强度等级C30；1#～2#隧洞采用4.5 m+4.5 m钢模台车；3#～6#隧洞采用3 m+3 m+3 m钢模台车浇筑。引水隧洞上平段标准洞身段特性详见表1所列。

表1 引水隧洞上平段标准洞身段特性表m

乌东德水电站左岸引水隧洞上平段衬砌施工存在3个方面的关键点：

1)引水隧洞混上平段凝土衬砌结构形式为圆形，平面设计为直线→弧形→直线布置，衬砌混凝土属混凝土过流面，难以控制施工质量，尤其在纵向和横向施工缝接缝平顺上尤为重要。

2)引水隧洞上平段布置为相同圆心、不同直径的弧形洞室，需要布置合适的台车数量完成工程任务，同时要保证衬砌轮廓质量。

3)引水隧洞上平段衬砌施工期长，台车需多次拆装，合理规划台车拆装位置是整个施工过程的关键控制要点，且台车安拆的质量和安全是后续衬砌施工的重要保障。

2 技术思路和施工工艺流程

2.1 技术思路

针对乌东德水电站左岸引水隧洞上平段衬砌施工关键点，提出以下技术思路：

1)为解决底拱及边顶拱接缝质量难点，在钢模台车底口使用翻模搭接技术，在底部翻模施工30 cm范围混凝土初凝前人工抹面并收光；为解决先浇块边顶拱与后浇块边顶拱之间搭接的环向施工缝平顺难点，在先浇块与后浇块接缝处设置柔性搭接模[1]。

2)为解决不同半径弯弧段、同一断面尺寸隧洞混凝土衬砌难点，在3个3 m标准节之间和2个4.5 m标准节钢模板台车之间增设不同型号凑合节，将凑合节拆卸后，标准段钢模台车拼装完成施工直线段混凝土衬砌。

3)为确保整个施工有序推进，规划1#～2#引水隧洞采用4.5 m+4.5 m钢模台车实施，3#～6#引水隧洞采用钢模台车实施，台车拆卸位置主要在直线段施工，确保台车拼装安全及质量。

2.2 施工工艺流程

底拱混凝土施工工艺流程为：基岩清理、验收→测量放样→插筋安装→钢筋绑扎→模板安装→预埋件安装、冲仓→仓位验收→立模板→浇筑混凝土→拆模→抹面、养护。

边顶拱衬砌混凝土施工工艺流程如图1所示。

图1 边顶拱衬砌混凝土施工流程图

3 主要施工技术

底拱混凝土浇筑采用定制弧形散装模板施工，初凝前拆模抹面，底拱混凝土浇筑完成，达到龄期后，安装台车轨道及组装钢模台车，并采取垫砂硬化对底拱混凝土面进行保护，同时将保护措施作为交通通道一并考虑。钢模台车采用增加楔形模板衬砌圆弧段区域，拆除楔形模板衬砌直线段区域，这样实现台车在圆弧与直线段衬砌的实用性。同时，钢模台车底口设置翻模以更加适应圆弧线性，横缝搭接采用柔性搭接模板[1]，更能满足混凝土水流区域质量要求，整个仓位浇筑完成后正常养护。

3.1 分仓规则

结合设计技术要求及围岩类型，确保以直代曲结构体型要求，引水洞标准洞身段平面上由直线段→弯段→直线段组成，其中上、下游直线段分段长度7 m，中间弯段内侧平均分段长度为9 m，一共分为133仓，具体规则如下：

1) 1#段总长312.73 m，其中上、下游直线段(14.37 m)均分为2仓浇筑，中间弯段分30仓浇筑，总共34仓；

2) 2#段总长268.04 m，其中上、下游直线段(14.37 m)均分为2仓浇筑，中间弯段分26仓浇筑，总共30仓；

3) 3#段总长223.82 m，其中上、下游直线段(14.37 m)均分为2仓浇筑，中间弯段分20仓浇筑，总共24仓；

4) 4#段总长178.60 m，其中上、下游直线段(14.37 m)均分为2仓浇筑，中间弯段分16仓浇筑，总共20仓；

5) 5#段总长133.89 m，其中上、下游直线段(14.37 m)均分为2仓浇筑，中间弯段分11仓浇筑，总共15仓；

6) 6#段总长89.17 m，其中上、下游直线段(14.37 m)均分为2仓浇筑，中间弯段分6仓浇筑，总共10仓。

3.2 底拱混凝土施工

底拱混凝土浇筑范围为底部100°范围[2]，底拱混凝土先进行基础面清理后设置样架，样架根据台车楔行模板位置定点放样，然后进行钢筋绑扎及模板安装，底拱模板为翻模，底拱翻模区域与台车底口翻模[3]尺寸逐一对应，模板一次安装完成，分序拆除后进行抹面施工，在模板背面设置下料口及振捣口，混凝土浇筑完成后先进行试拆模，试拆模达到条件后再进行大面积拆模作业。

根据混凝土初凝时间确定拆模时间，拆模时间应按照混凝土初凝前2～3 h控制，主要按照已浇混凝土强度为准，既要有足够的抹面操作时间，又要确保混凝土不变形、不流淌。拆模后及时进行样架钢管和节安螺杆的拆除，并用原浆填补坑槽，最后进行3次抹光收面施工，满足过流面不平整度和成型偏差要求。底拱混凝土采用保温被及覆盖砂进行保护，上面设置20 cm混凝土硬化层作为车辆通行的通道。底拱混凝土主要施工关键是将圆弧段楔形模板位置定位准确，其次是保证混凝土过流面质量内实外光。

3.3 轨道铺设

钢模台车轨道的铺设在已浇筑底拱混凝土面的轨道基座上，基座利用底拱预埋定位锥进行加固，基座顺水流向布置间距100 cm，满足弧段结构体型需求。基座安装加固完成后，采用全站仪对轨道轴线进行测量，并采用红油漆进行标识，在基座上方铺设型钢轨道，轨道与基座之间采用高强螺栓连接加固，轨道上设置夹轨器以固定钢模台车。具体轨道埋设及加固如图2所示。

图2 钢模台车轨道铺设示意图

3.4 钢筋制作和安装

3.4.1 钢筋加工制作

专业技术人员根据施工图和技术文件进行加工配料设计，并编制加工配料单下发到钢筋加工厂。钢筋加工厂按照配料单的要求进行加工制作、堆放、标识，由质量人员进行检查、验收，符合质量要求出厂安装。

3.4.2 钢筋现场安装

现场作业人员凭钢筋配料单到钢筋加工厂办理该施工部位钢筋领料手续，平板汽车运到现场，使用汽车吊吊装到施工部位，施工人员利用钢筋台车进行钢筋安装。

1)底拱钢筋绑扎。先由测量放出中线、边线及高程控制点。利用底板锚筋和结构钢筋搭焊2 m×2 m网格钢筋样架，架立筋核对无误后，由人工按照设计要求进行钢筋绑扎、套接、电焊加固。

2)边顶拱钢筋绑扎。首先利用钢筋台车或承重排架上的施工平台在边、顶拱锚杆加焊的延长筋上测量，并用红油漆标示点，在顶拱锚杆上焊接18 mm钢筋，利用结构钢筋拉线、弯弧形成1.5 m×2 m网格钢筋样架，铺设钢筋的同时加密18 mm锚杆拉筋，以保证顶拱钢筋安装完成后的稳定。由人工按照设计要求进行绑扎、套接、焊接。

3)钢筋绑扎、套接、焊接。采用扎丝梅花形绑扎。当采取焊接时，双面焊焊缝长度为5倍钢筋直径，单面焊焊缝长度为10倍钢筋直径，焊缝高度为0.25倍钢筋直径，且不小于4 mm；焊缝宽度为0.7倍钢筋直径，且不小于10 mm，钢筋接头打弯焊接后在同一轴线上。为满足混凝土高强度施工需要，对于直径≥25 mm的钢筋连接，采用钢筋直螺纹或正反丝套筒连接工艺。

3.5 钢模台车结构及安装

引水隧洞典型断面边顶拱混凝土衬砌采用专业厂家设计制造的边顶拱液压钢模台车施工，钢模台车由顶升千斤、液压系统、主动行走机构、顶升油缸和模板总成等结构拼装而成，在钢模台车接缝拼装前，将凑合节和柔性搭接与钢模台车模板采用高强螺栓连接加固[1]，其中，钢模台车柔性搭接模板及凑合节施工平面图如图3所示，凑合节及柔性搭接模板拼装图如图4所示。钢模台车安装加固完成后，经相关单位联合验收通过后，方可投入施工。楔形模板须在直段进行安拆作业。钢模台车布置图如图5所示。

图3 钢模台车柔性搭接及凑合节施工平面图

图4 凑合节及柔性搭接模板拼装图

图5 钢模台车断面图

1)走车定位。待衬砌仓位利用钢筋台车对钢筋验收合格后，钢模台车行走至待衬砌仓位，通过限位器固定台车，先对钢模台车面板铲灰刷油，再调整边墙模板，最后根据测量校正点，用钢模台车门架上的液压千斤顶调整顶拱模板。

2)底口翻模和封头模板施工。钢模台车下口采用翻模施工，利用台车侧模及支撑杆件加固，紧密贴合混凝土面。封头模板采用弧形钢模板施工，靠近基岩以及钢筋过缝处采用木模补缺，封头模板两侧预留15 cm宽度以保证钢筋过缝，中间采用整块定型弧形钢模板，顶拱封头模板预留浇筑观察窗口，封头模板紧贴钢模台车顶拱面板端头，封头模板采用内拉内撑的方式加固，底口翻模[3]采用高强螺栓与台车侧模板面连接加固，如图6所示。

图6 底口翻模大样图

3.6 混凝土浇筑

引水隧洞边顶拱采用泵送混凝土浇筑，将泵管接引至钢模台车预留进料窗口或封拱器下料。泵管利用钢模台车进行反吊加固，混凝土经溜筒下料至仓面，浇筑坯层厚度按40～50 cm控制。通过分层下料分层振捣的方式，保证混凝土成型后内实外光。顶拱混凝土浇筑时，由封拱器进料，直到观察窗口溢浆，钢模台车顶模配有附着式振捣器进行振捣。

在混凝土入仓后，用人工配合振捣设备将堆积的混凝土振平，铺成规定的厚度，振捣器垂直插入混凝土并略有倾斜，倾斜方向应与模板弧线方向保持一致，便于气泡排除，振捣时插入下层混凝土5 cm左右，插入混凝土的间距不得超过振捣器有效半径的1.5倍，依次振捣直至密实，在钢筋密集部位、有预埋件部位、模板附近应细心振捣，不应触及钢筋或预埋件。混凝土的振捣时间以粗骨料不再显著下沉、表面开始泛浆为准，防止欠振或过振，侧拱混凝土需进行二次复振，减少混凝土表面气泡，复振时间控制在一次振捣作业完成20～30 min后进行，为了防止模板变形，应注意控制浇筑速度，一般情况下混凝土上升速度控制在1 m/h为宜，顶部1 m范围采用附着式振捣器辅助进行振捣[4]。

反拱区域气泡容易附着在模板表面较难排除，混凝土浇筑过程中需要注意反拱区域混凝土振捣质量，除按照上述措施外应严格监督振捣人员复振排气，在振捣完成后采用小直径软轴振捣棒在钢筋网与模板间引气，确保混凝土面光滑无气泡附着。

3.7 拆模养护

钢模台车底口搭接翻模在底部混凝土，在初凝前拆除，人工对接缝处进行抹面施工，保证施工缝平顺连接，上下游侧封头模板拆除时间以混凝土强度达到其表面及棱角不损伤为原则，平面模板拆除混凝土强度不低于2.5 MPa，钢模台车脱模时间则根据现场试验进行调整，应根据DL/T 5110—2013《水电水利工程模板施工规范》的要求，模板台车脱模按强度控制。拆模时不能用铁质硬具撬打混凝土，防止破坏混凝土棱角，只能用木质器具接触混凝土。拆卸下来的材料要妥善保存，不得损坏，以备后用，模板要及时清理、维修，将表面杂物清洗干净，表面刷脱模剂保护，堆放要整齐，不能随意乱放。

采用人工洒水方式养护边顶拱衬砌混凝土。在钢模台车脱模行走至下一仓位时，配备专人负责洒水养护，始终保持混凝土表面湿润，养护时间为28 d。

3.8 缝面处理

建基面将断层和泥化夹层按规范、技术要求以及图纸要求掏槽； 松动、空鼓岩块用人工清撬；冲洗干净、排除积水的基岩面，经监理人验收签字同意后，及时浇筑混凝土覆盖。混凝土施工缝人工凿毛，凿毛或冲毛成的毛面无积渣、乳皮和积水。环缝柔性搭接模板区域[1]及底口翻模搭接区域[3]合模前应进行拉线取直，人工采用角磨机进行打磨平顺，粘贴止浆条，通过验收后方可进行下一步工序。

4 应用效果

该施工技术在乌东德左岸地下电站引水隧洞上平段混凝土衬砌施工中得到了成功应用。改造设计的钢模台车很好地解决了不同半径弯弧段衬砌结构体型要求、多个大断面隧洞混凝土施工周转使用、混凝土过流面施工缝搭接质量等一系列难题，同时省去了后期修补投入，优质高效地完成了乌东德左岸地下电站引水隧洞上平段混凝土衬砌施工。该施工技术操作简单、方便快捷、兼容直线段和弯弧段混凝土施工、能够周转使用，有效提升了小半径弯弧段大断面隧洞混凝土施工缝搭接质量，实现了混凝土过流面混凝土结构体型技术要求。该施工技术减少了钢模台车数量，避免了木模补缝和底口修补，从而降低了工程量；与常规施工技术相比，应用该施工技术直接节约工程成本约258.69万元，见表2所列。

表2 隧洞衬砌施工工程量和成本比较情况

5 结语

针对乌东德水电站左岸引水隧洞衬砌施工关键点，本文通过在钢模台车底口增设翻模、在新老混凝土接缝处增设柔性搭接模、在多分段拼装式钢模板台车之间增设不同型号凑合节等方法优化常规施工技术，研究提出小转弯半径大断面引水隧洞衬砌施工技术。应用效果表明，乌东德水电站引水隧洞衬砌混凝土工程质量优良，检查合格率100%，优良率达96%以上，在质量要求高、安全风险较大、工期极其紧张的情况下，高效率高质量完成了混凝土衬砌施工，为第一批机组发电目标奠定了基础。