关于引水隧洞底拱衬砌刮模施工技术

　　摘要：锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，是雅砻江干流上的重要梯级电站。引水隧洞底拱衬砌施工，存在混凝土气泡排放困难、外观质量差的问题，特别对半径10m以上的大断面，尤为严重。通过对锦屏二级水电站引水隧洞底拱衬砌的研究、咨询和现场实验，从方案比选、模板设计、配合比优化、混凝土实体浇注等方面进行完善，总结出锦屏引水隧洞底拱衬砌刮模施工技术，能够克服混凝土表面气泡问题，满足施工质量及工期进度要求，取得了较好的经济效益。

　　关键词：锦屏电站；引水隧洞；底拱衬砌；刮模施工

　　1.工程概况

　　1.1 工程简介

　　锦屏二级水电站利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约16.67km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m。电站总装机容量4800MW，单机容量600MW。工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。首部拦河闸坝位于雅砻江锦屏大河弯西端的猫猫滩，电站进水口位于闸址上游2.9km处的景峰桥，地下发电厂房位于雅砻江锦屏大河弯东端的大水沟，四条引水隧洞穿过锦屏山连接闸坝与厂区枢纽。

　　东端1#、2#引水隧洞采用钻爆法和TBM法相结合的施工方案，其中1#引水隧洞主要采用TBM（全断面隧道掘进机）施工，2#引水隧洞主要采用钻爆法施工。采用钻爆法施工的引水隧洞段为马蹄形断面，开挖直径13m，混凝土衬砌后洞径11.8m，衬砌厚度40～60cm，流速4.11m/s；采用TBM施工的引水隧洞段，开挖直径为12.4m，混凝土衬砌厚度60cm，衬后洞径为11.2m，流速4.72m/s。衬砌施工采用先底拱后边顶拱方案，一则保证衬砌整体施工质量，避免施工反缝的处理；二则及时为后续灌浆施工提供工作面。

　　1.2 工程特点和难点

　　东端引水隧洞由于采取TBM法和钻爆法交叉布置方案，有轨和无轨运输各自独立，使开挖出渣、材料运输与衬砌工序施工交叉，施工通道问题是本工程最大难点。

　　衬砌断面大，底拱结构相对平缓，圆心半径为10.02m，定型全覆盖模板气泡排放困难；同时多单位协调作业，原材料供应、混凝土生产、成品砼浇注分别隶属于不同的施工单位，造成工程质量影响因素增多，风险加大。

　　3.模板方案比选

　　根据设计图纸要求和后期固结灌浆进度安排，隧洞衬砌分底拱和边顶拱两部分施工，首先施工底拱混凝土，和边顶拱衬砌正缝连结。结合我单位在类似工程中的施工经验，模板方案有：滑模设计、针梁式模板和定型刮模设计施工。具体方案比选如下：

　　3.1 滑模设计方案

　　3.1.1 滑模设计

　　滑模方案是整体衬砌模板设计，底拱衬砌采用全断面一次性成型，滑模长度确定为1.5m。滑模移动通过液压行走油缸实现，尾部设有工作平台，便于人工收浆抹面。滑模设计主要结构包括：上部台架总成、水平和垂直调整机构、模板上部台架、滑模模板、牵引系统和液压系统等部分。

　　3.1.1.1 上部台架总成

　　台架总成主要由台架横梁、台架立柱、上下纵梁、台架斜撑组成，各部分通过螺栓连接，各横梁及立柱之间通过连接梁和斜拉杆连接。台架支承于边墙钢轨上，台架用螺栓连接在下纵梁上，下纵梁底面装有支撑千斤。台架主要作用是通过其把整个滑模置于钢轨上，同时通过自身的重量起到抗浮作用。

　　3.1.1.2 滑模模板

　　滑模模板为整体模板，通过螺栓将数块模板连接成一整体。垂直调节油缸将模板支架伸至设计高程，通过调节侧向斜拉杆调整模板水平方向，滑模完成一个单元滑移后，通过调节油缸伸缩完成脱模工序。

　　滑模的立模、脱模、滑动、定位对中等工序都是靠液压油缸的伸缩来完成。滑模液压系统由液压站、液压油缸和控制油路组成，通过油缸的伸缩推动滑模移动。

　　3.1.2 滑模方案优缺点

　　3.1.2.1 模板设计优点

　　（1）建基面清理、钢筋安装和混凝土浇注可以形成流水作业，每次浇注可完成45~50m。

　　（2）混凝土质量可控，摊铺、振捣、收面全部在质检人员和监理工程师的可视监控中实施。

　　3.1.2.2 模板设计缺点

　　（1）滑模设计需在两侧边墙布置滑道，设置混凝土锚墩，加大施工成本。

　　（2）对混凝土拌和连续性、稳定性质量要求较高，特别是两侧边墙处混凝土坍落度控制，否则容易坍塌，无法与底部位置混凝土保持同步浇注。

　　（3）混凝土外观质量较差，特别是平整度控制，容易产生表面波浪。

　　（4）根据锦屏东端引水洞TBM施工和钻爆法施工布置情况，有轨运输和无轨运输各自独立，利用两条隧道之间的横通道无法解决衬砌和开挖的出渣运输问题。

　　3.2 针梁模板方案

　　3.2.1 针梁模板设计

　　针梁模板方案采取整体衬砌模板设计，模板长度12~15m，通过上部针梁框架上下、前后移动模板。主要结构包括：针梁框架、模板结构、垂直水平调整机构、行走系统、液压系统等部分。

　　3.2.1.1 针梁框架设计

　　针梁框架是模板设计的主体结构，采用“口字型”钢梁设计，立柱和斜支撑全部通过螺栓连接，长度28~32m，垂直支撑采用液压千斤，前后移动通过卷扬机滑轮组设计。主要作用是衬砌模板提升和前后移动的导梁作用，同时靠自重解决部分模板上浮问题。

　　3.2.1.2 模板结构

　　采用整体组合钢模板，长度一般为12~15m左右，纵向分块，长度1.5m，环向为整体结构，通过斜支撑液压油缸和针梁框架连接。

　　针梁行走通过安装在框架上的卷扬机设计的滑轮作前后行走，衬砌模板采取液压系统提升后通过主框架导梁完成仓号移动。

　　3.2.2 针梁方案优缺点

　　3.2.2.1 模板设计优点

　　（1）工艺成熟，建基面清理、钢筋安装和混凝土浇注能够形成流水作业。

　　（2）混凝土施工质量可控，结构线形尺寸控制较好，棱角分明。

　　3.2.2.2模板设计缺点

　　（1）混凝土表面气泡、水泡较多，表观效果较差，由于采用整个定型模板浇注，气泡排放相当困难。

　　（2）混凝土浇注过程控制较难，无法判断内部施工质量，因为摊铺、振捣等工序无法看到，基本取决于施工人员的经验。

　　（3）根据锦屏东端引水洞TBM施工和钻爆法施工布置情况，有轨运输和无轨运输各自独立，利用两条隧道之间的横通道无法解决衬砌和开挖的出渣运输问题。

　　3.3 刮模方案

　　3.3.1 刮模方案设计

　　刮模方案是在总结滑模和针梁衬砌模板的施工基础上，结合2#引水隧洞栈桥通道设计，采用刮模+钢栈桥方案。总体设计为：钢栈桥解决施工通道问题，模板采用整体定型钢模，两侧边墙及滑轨作模板主体框架，底拱中间部位环向采用刮模施工工艺。

　　3.3.1.1 栈桥结构

　　栈桥设计主要解决掌子面开挖施工通道问题，包括栈桥主体、引桥、行走系统和衬砌模板滑轨等部分，主体结构采用桁架结构，全部采用型钢加工螺栓连接。

　　3.3.1.2 模板设计

　　模板设计为整体定型钢模，长度10~12m，边墙部分采用封闭结构，底拱中间部位采用开仓设计，两端环向设计型钢滑轨，主要作用解决刮模轨道问题。模板提升和移动通过钢栈桥底部吊机或滑轨移动。

　　3.3.1.3 垂直水平调整机构

　　模板安装垂直水平位置调整通过液压油缸完成，垂直调整通过栈桥主梁与地面的支承，靠垂直油缸调整模板符合设计高程；水平位置通过与主梁的水平支承，通过液压油缸调整每仓模板的水平安装位置，模板垂直提升高度可达1.0~1.5m，水平位置调整20cm。

　　3.3.1.4 行走系统

　　栈桥行走包括驱动电机、链条、走行轨等结构，通过人工铺设钢轨行走；模板结构通过钢栈桥底部吊机提升到安全高度后，通过滑轨采取电机驱动解决纵向移动。

　　3.3.1.5 液压系统

　　模板的立模、脱模、对中调平和前后移动等工序都是靠液压油缸的伸缩来完成，液压系统由液压站、液压油缸和控制油路组成。

　　3.3.1.6 刮模系统

　　刮模系统安装在模板主体框架上，包括滑轨、驱动电机、振动刮板等部分，刮板对称的设置两个，分别从隧洞中心线向两侧边墙滑动，纵向为一个整体，环向沿两端滑轨通过驱动电机移动。刮板采用滚杠设计，可起到摊铺、振捣混凝土的作用。

　　3.3.2 模板设计优缺点

　　3.3.2.1 模板设计优点

　　（1）混凝土质量可控，浇注过程摊铺、振捣、收面压光等工序在质检人员和监理工程师的旁站下完成，表面平整度和结构线形控制较好，完全能够做到内实外美。

　　（2）由于底拱圆弧部位采用开仓刮模，混凝土表面气泡、水泡、灌注不饱满等缺陷能够完全解决，满足引水隧洞外观质量要求。

　　（3）模板结构质量较轻，利于下一步和施工通道栈桥配套设计和使用，解决东端引水洞钻爆法工作面开挖和衬砌交叉平行施工通道问题。

　　3.3.2.2 模板设计缺点

　　（1）混凝土的拌和质量要求较高，要保证供应的连续性和稳定性，特别是坍落度的控制，过大过小都将影响衬砌浇注质量和施工速度。

　　4.刮模施工技术

　　4.1 施工工艺流程

　　建基面清理→四方联合验收→测量放样→钢筋安装→预埋件安装→模板安装→开仓验收→混凝土浇注→脱模养生→进入下一个循环。

　　4.2 质量控制要点

　　4.2.1 建基面清理尽量采用人工，避免重型机械扰动围岩，同时对节理、裂隙等松动风化岩石必须清理彻底，并经过业主代表、设计地质、监理工程师和施工单位四方联合验收签字确认。

　　4.2.2 钢筋材质、型号、数量、加工安装必须满足设计图纸和施工技术规范要求，重点是钢筋保护层厚度控制在规范允许范围内。

　　4.2.3 预埋件的安装和验收。根据设计图纸要求，完成围岩原形观测、止水铜板、接地铜胶线和回填灌浆孔等预埋工作，防止工序遗漏。

　　4.2.4 模板安装精度，保证误差控制在设计图纸和规范标准之内，同时按照模板厂家设计和现场实际，检查模板加固情况，防止混凝土浇注过程中模板发生上浮和左右位移。

　　4.2.5 浇注过程中，要求实验室做好坍落度、入仓温度、灌注速度和混凝土初、终凝时间的检测控制，并安排专人做好施工记录，杜绝混凝土出现浇注冷缝。

　　4.2.6 脱模养生：必须通过试验段确定脱模时间，同时做好脱模过程和后期养生阶段的成品混凝土保护，并做好记录。

　　5.结论

　　通过以上三种模板设计的方案比选和现场生产性工艺试验，结果选用刮模与钢栈桥相结合的施工方案，克服了引水隧洞圆形底拱衬砌表面气泡排放困难，外观质量缺陷问题，同时解决了开挖、衬砌平行作业的施工通道，衬砌时间由原来7天一仓缩短到3天，保证了施工衬砌质量和工期进度要求，取得了较好的经济效益。

　　参考文献

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　　段永涛