珠江三角洲水资源配置工程预应力复合衬砌足尺模型试验关键施工工艺研究

罗 晶，唐欣薇，莫键豪

(1.广东水电二局股份有限公司，广州 511300；2.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640)

1 研究背景

珠江三角洲水资源配置工程为实现“少征地、少拆迁、少扰民”的目标，打造新时代生态智慧水利工程，该工程采用深埋盾构隧洞的方式，将隧洞建设在地下40～60 m，最大设计内压高达1.30 MPa，是目前世界上盾构输水隧洞压力最大的调水工程。为满足工程的高内压需求，设计人员提出采用预应力复合衬砌，即以管片为外衬，以预应力混凝土为内衬(如图1所示)，其工作原理为张拉预埋在内衬混凝土中的钢绞线，使内衬受压，进而增强其抗裂性能，以抵抗高内水压力[1-2]。预应力复合衬砌在我国南水北调中线穿黄隧洞工程、引松供水工程等大型水利工程均有所应用，推动了此类衬砌设计方法和施工工艺的发展[3-6]。

图1 预应力复合衬砌示意(单位：mm)

然而，相比于现有的预应力复合衬砌工程案例，珠江三角洲水资源配置工程的内压更大，结构型式更复杂，对施工工艺的要求更高，现有工程案例无法作为直接参考。为确保工程建设质量及运行安全，有必要针对该衬砌结构型式的施工工艺开展专门的试验研究。预应力复合衬砌的施工难点在于内衬钢筋安装、钢绞线的安装张拉、混凝土的整体浇筑与振捣。为此，工程开展了预应力复合衬砌的洞外足尺模型试验，针对上述施工难点展开专门研究，为后期洞内开展预应力复合衬砌施工提供重要技术支撑。

2 洞外试验模型设计

为模拟真实的施工条件，工程技术人员对预应力复合衬砌开展立式足尺模型试验研究，试验模型主要由基座、外衬管片和内衬预应力混凝土组成(如图2a所示)。其中，基座是实现洞外立式加载的关键，为衬砌结构提供稳定支撑。外衬管片由1块封顶块(F)、2块邻接块(L1、L2)和4块标准块(B1～B4)通过螺栓连接成环，外径为8.3 m，厚度为0.4 m，宽度为1.6 m(如图2b所示)，混凝土等级为C55，试验模型共包括7环管片，长度为11.2 m。

a 足尺模型

由于该模型尚需作为预应力复合衬砌承载机理的研究对象，为对比不同受力体系、钢绞线布置、钢绞线防腐方式及内衬混凝土等级对衬砌结构受力变形特性的影响，试验将内衬分为3个节段，具体尺寸及结构形式见表1，节段之间设置宽度为30 mm的止水缝。

表1 预应力内衬各节段特性

3 足尺模型的施工工艺流程及作业台车研制

3.1 施工内容

根据试验模型设计，本次原型试验的施工内容主要包括模型基座施作、管片拼装、内衬钢筋安装、钢绞线安装张拉和内衬混凝土整体浇筑等(工艺流程见图3)。

图3 施工工艺流程示意

3.2 作业台车研制

内衬预应力混凝土施工需完成全周安装钢筋、钢绞线和止水铜片以及整体浇筑混凝土等工序，考虑内衬断面较大，施工团队专门设计了钢筋台车和钢模台车辅助完成上述工序。为优化作业台车的设计，本文针对作业台车应用过程中存在的问题提出改进对策。本次试验的钢筋台车初步考虑拟采用“步进式+自落式轨道”行进系统(如图4a所示)，其单步行程仅有4.0 m，且行进、就位步骤繁琐，而模型内衬长度为9.9 m，即至少行进3次才能完成试验模型内衬钢筋及钢绞线的安装。同时，该台车的轨道需采用枕木等作为支撑体系(如图4b所示)，导致施工作业面被占用，影响钢筋及钢绞线的安装。为此，经综合比较后，钢筋台车改用“支墩轨行式”行进系统(如图4c～图4d所示)，采用多点分散式的液压钢柱作为台车行进轨道的支撑，将钢柱的尺寸控制在钢筋间距以内，保证了钢筋及钢绞线的施工作业面。同时，改进后的行进系统无步长限制，可极大提高施工效率。

a “针梁式”钢模台车

由于常规木模板安全性能差、材料周转率低、成本投入大，需结合工程的特点研制专门的钢模台车，以实现内衬混凝土全断面整体浇筑[7]。本试验模型的钢模台车采用了“针梁式”行进系统，并在台车表面预留窗口以便振捣混凝土(见图5a)。由于该台车预留的窗口较大(见图5b)，难以在狭窄的操作空间中打开或关闭。同时，常规的混凝土振捣棒难以准确控制振捣位置，且拱顶区域的混凝土难以振捣密实，为此，本文建议将预留窗口面积减小，增加开窗数量，并通过在拱顶120°范围采用气动附着式振捣器，其余范围采用插入式高频振捣器，且窗口范围增加气动式附着式振捣器，以保证混凝土振捣效果，改进后的钢模如图5c所示。

a “步进式+自落式轨道”行进系统

c 改进后的钢模展开

4 足尺模型试验关键施工工艺

与常规的隧洞施工不同，本文的预应力复合衬砌足尺模型缺乏周边围岩的约束，造成外衬管片的拼装面临较大难度。同时，内衬混凝土的钢筋及钢绞线布置较密集，对混凝土的工作性能及预应力的实施都提出了更高要求。

4.1 管片拼装

为了使衬砌模型能稳定立于地面，在管片拼装前，需施作一个弧形基座作为衬砌模型的支撑，再将管片逐块吊装至基座上，按照“仰拱-拱腰-拱顶”的顺序进行拼装。拼装过程中，为避免拱腰上部的管片块受自重作用发生收敛变形而影响后续管片拼装，应使其保持吊起状态，直至其与相邻管片块拼接完毕。

4.2 混凝土制备与浇筑

完成内衬钢筋和钢绞线的布置与安装后，将钢模台车推入模型内部以整体浇筑内衬混凝土。由于内衬中布置了密集的钢筋和钢绞线，影响了骨料的通过性，增加了混凝土整体浇筑和振捣的难度，容易出现浇筑不密实、脱空等现象。结合实际施工需求，应在保证内衬施工质量的情况下，尽可能避免在泵送混凝土的过程中发生离析、堵管等现象[8]。为此，需设计专门的混凝土配合比以提高混凝土的流动性和抗离析性。

本工程预应力复合衬砌结构的内衬混凝土设计标号为C50、W12，通过对试验的浇筑情况分析总结，认为混凝土的骨料级配选用一级配为优，其坍落度控制在200～230 mm，且坍落度损失需控制在4 h内10 mm，具体配合比见表2所示。

表2 内衬混凝土配合比

借助图5a所示的钢模台车对内衬混凝土进行浇筑，应确保钢模台车两侧的混凝土平行灌注，并利用气动附着式振捣器与插入式高频振捣器相结合的振捣系统，对内衬混凝土进行充分振捣，进一步保障内衬施工质量。

4.3 预应力钢绞线张拉

在完成内衬钢筋布置后，进行钢绞线下料和安装，将钢绞线按照双层双圈的型式布置，单个锚具槽需布置8根钢绞线，建议对钢绞线粘贴标签或进行颜色区分，以便后续开展穿索定位、张拉等工序。本试验采用了韧性纤维混凝土预制免拆模锚具槽[9](如图6所示)，避免了后期凿毛等表面处理工艺，提高施工效率。

图6 免拆锚具槽三维示意[9]

待内衬混凝土强度达到设计强度后，可开展预应力张拉工序，预应力复合衬砌通常采用后张法。对于厚度较大的衬砌，若一次张拉至控制应力，容易导致应力集中而诱发开裂[10-11]。同时，预应力张拉的顺序直接影响衬砌结构在施工期的力学性能，对结构后期的运营产生重要影响[12]。因此，需制定合理的荷载分级和张拉顺序。根据以往的预应力内衬施工经验，对内衬混凝土进行预应力张拉时，应保证任意相邻的锚具槽所受荷载偏差不得超过50%[5]。将各锚具槽按照顺水流方向进行编号，并以张拉控制应力σcon=0.75fptk=1 395 MPa(fptk为预应力锚索强度标准值，即1 860 MPa)为基准，按照图7a所示的顺序和荷载分级进行预应力张拉。钢绞线预应力张拉采用一体化智能张拉设备(YCW2500C/54-SPT)，如图7b所示，该设备可按要求进行分级设置，能精准控制张拉应力。

a 张拉顺序及荷载分级

5 结语

本文基于对预应力复合衬砌足尺模型试验，对此类衬砌的关键施工工艺开展研究，为改进施工工艺提供可靠支撑，得到以下结论：

1)结合衬砌足尺模型的施工经验，本文建议钢筋台车采用“支墩轨行式”行进系统，能充分保证钢筋和钢绞线作业面，且无行进步长限制，极大地提高施工效率。

2)为应对狭窄空间中混凝土难以振捣、浇筑密实等难题，本文提出了专门的混凝土配合比，并建议采用优化后的钢模台车配合气动附着式振捣器与插入式高频振捣器相结合的振捣系统，以保证内衬混凝土的浇筑质量。

3)为避免预应力张拉导致内衬混凝土开裂，在满足任意相邻的锚具槽所受荷载偏差不得超过50%的张拉原则下，提出了合理的张拉顺序。