珠江三角洲水資源配置工程預應力復合襯砌足尺模型試驗關鍵施工工藝研究

羅 晶，唐欣薇，莫鍵豪

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣州 511300；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510640)

1 研究背景

珠江三角洲水資源配置工程為實現“少征地、少拆遷、少擾民”的目標，打造新時代生態智慧水利工程，該工程采用深埋盾構隧洞的方式，將隧洞建設在地下40～60 m，最大設計內壓高達1.30 MPa，是目前世界上盾構輸水隧洞壓力最大的調水工程。為滿足工程的高內壓需求，設計人員提出采用預應力復合襯砌，即以管片為外襯，以預應力混凝土為內襯(如圖1所示)，其工作原理為張拉預埋在內襯混凝土中的鋼絞線，使內襯受壓，進而增強其抗裂性能，以抵抗高內水壓力[1-2]。預應力復合襯砌在我國南水北調中線穿黃隧洞工程、引松供水工程等大型水利工程均有所應用，推動了此類襯砌設計方法和施工工藝的發展[3-6]。

圖1 預應力復合襯砌示意(單位：mm)

然而，相比于現有的預應力復合襯砌工程案例，珠江三角洲水資源配置工程的內壓更大，結構型式更復雜，對施工工藝的要求更高，現有工程案例無法作為直接參考。為確保工程建設質量及運行安全，有必要針對該襯砌結構型式的施工工藝開展專門的試驗研究。預應力復合襯砌的施工難點在于內襯鋼筋安裝、鋼絞線的安裝張拉、混凝土的整體澆筑與振搗。為此，工程開展了預應力復合襯砌的洞外足尺模型試驗，針對上述施工難點展開專門研究，為后期洞內開展預應力復合襯砌施工提供重要技術支撐。

2 洞外試驗模型設計

為模擬真實的施工條件，工程技術人員對預應力復合襯砌開展立式足尺模型試驗研究，試驗模型主要由基座、外襯管片和內襯預應力混凝土組成(如圖2a所示)。其中，基座是實現洞外立式加載的關鍵，為襯砌結構提供穩定支撐。外襯管片由1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)和4塊標準塊(B1～B4)通過螺栓連接成環，外徑為8.3 m，厚度為0.4 m，寬度為1.6 m(如圖2b所示)，混凝土等級為C55，試驗模型共包括7環管片，長度為11.2 m。

a 足尺模型

由于該模型尚需作為預應力復合襯砌承載機理的研究對象，為對比不同受力體系、鋼絞線布置、鋼絞線防腐方式及內襯混凝土等級對襯砌結構受力變形特性的影響，試驗將內襯分為3個節段，具體尺寸及結構形式見表1，節段之間設置寬度為30 mm的止水縫。

表1 預應力內襯各節段特性

3 足尺模型的施工工藝流程及作業臺車研制

3.1 施工內容

根據試驗模型設計，本次原型試驗的施工內容主要包括模型基座施作、管片拼裝、內襯鋼筋安裝、鋼絞線安裝張拉和內襯混凝土整體澆筑等(工藝流程見圖3)。

圖3 施工工藝流程示意

3.2 作業臺車研制

內襯預應力混凝土施工需完成全周安裝鋼筋、鋼絞線和止水銅片以及整體澆筑混凝土等工序，考慮內襯斷面較大，施工團隊專門設計了鋼筋臺車和鋼模臺車輔助完成上述工序。為優化作業臺車的設計，本文針對作業臺車應用過程中存在的問題提出改進對策。本次試驗的鋼筋臺車初步考慮擬采用“步進式+自落式軌道”行進系統(如圖4a所示)，其單步行程僅有4.0 m，且行進、就位步驟繁瑣，而模型內襯長度為9.9 m，即至少行進3次才能完成試驗模型內襯鋼筋及鋼絞線的安裝。同時，該臺車的軌道需采用枕木等作為支撐體系(如圖4b所示)，導致施工作業面被占用，影響鋼筋及鋼絞線的安裝。為此，經綜合比較后，鋼筋臺車改用“支墩軌行式”行進系統(如圖4c～圖4d所示)，采用多點分散式的液壓鋼柱作為臺車行進軌道的支撐，將鋼柱的尺寸控制在鋼筋間距以內，保證了鋼筋及鋼絞線的施工作業面。同時，改進后的行進系統無步長限制，可極大提高施工效率。

a “針梁式”鋼模臺車

由于常規木模板安全性能差、材料周轉率低、成本投入大，需結合工程的特點研制專門的鋼模臺車，以實現內襯混凝土全斷面整體澆筑[7]。本試驗模型的鋼模臺車采用了“針梁式”行進系統，并在臺車表面預留窗口以便振搗混凝土(見圖5a)。由于該臺車預留的窗口較大(見圖5b)，難以在狹窄的操作空間中打開或關閉。同時，常規的混凝土振搗棒難以準確控制振搗位置，且拱頂區域的混凝土難以振搗密實，為此，本文建議將預留窗口面積減小，增加開窗數量，并通過在拱頂120°范圍采用氣動附著式振搗器，其余范圍采用插入式高頻振搗器，且窗口范圍增加氣動式附著式振搗器，以保證混凝土振搗效果，改進后的鋼模如圖5c所示。

a “步進式+自落式軌道”行進系統

c 改進后的鋼模展開

4 足尺模型試驗關鍵施工工藝

與常規的隧洞施工不同，本文的預應力復合襯砌足尺模型缺乏周邊圍巖的約束，造成外襯管片的拼裝面臨較大難度。同時，內襯混凝土的鋼筋及鋼絞線布置較密集，對混凝土的工作性能及預應力的實施都提出了更高要求。

4.1 管片拼裝

為了使襯砌模型能穩定立于地面，在管片拼裝前，需施作一個弧形基座作為襯砌模型的支撐，再將管片逐塊吊裝至基座上，按照“仰拱-拱腰-拱頂”的順序進行拼裝。拼裝過程中，為避免拱腰上部的管片塊受自重作用發生收斂變形而影響后續管片拼裝，應使其保持吊起狀態，直至其與相鄰管片塊拼接完畢。

4.2 混凝土制備與澆筑

完成內襯鋼筋和鋼絞線的布置與安裝后，將鋼模臺車推入模型內部以整體澆筑內襯混凝土。由于內襯中布置了密集的鋼筋和鋼絞線，影響了骨料的通過性，增加了混凝土整體澆筑和振搗的難度，容易出現澆筑不密實、脫空等現象。結合實際施工需求，應在保證內襯施工質量的情況下，盡可能避免在泵送混凝土的過程中發生離析、堵管等現象[8]。為此，需設計專門的混凝土配合比以提高混凝土的流動性和抗離析性。

本工程預應力復合襯砌結構的內襯混凝土設計標號為C50、W12，通過對試驗的澆筑情況分析總結，認為混凝土的骨料級配選用一級配為優，其坍落度控制在200～230 mm，且坍落度損失需控制在4 h內10 mm，具體配合比見表2所示。

表2 內襯混凝土配合比

借助圖5a所示的鋼模臺車對內襯混凝土進行澆筑，應確保鋼模臺車兩側的混凝土平行灌注，并利用氣動附著式振搗器與插入式高頻振搗器相結合的振搗系統，對內襯混凝土進行充分振搗，進一步保障內襯施工質量。

4.3 預應力鋼絞線張拉

在完成內襯鋼筋布置后，進行鋼絞線下料和安裝，將鋼絞線按照雙層雙圈的型式布置，單個錨具槽需布置8根鋼絞線，建議對鋼絞線粘貼標簽或進行顏色區分，以便后續開展穿索定位、張拉等工序。本試驗采用了韌性纖維混凝土預制免拆模錨具槽[9](如圖6所示)，避免了后期鑿毛等表面處理工藝，提高施工效率。

圖6 免拆錨具槽三維示意[9]

待內襯混凝土強度達到設計強度后，可開展預應力張拉工序，預應力復合襯砌通常采用后張法。對于厚度較大的襯砌，若一次張拉至控制應力，容易導致應力集中而誘發開裂[10-11]。同時，預應力張拉的順序直接影響襯砌結構在施工期的力學性能，對結構后期的運營產生重要影響[12]。因此，需制定合理的荷載分級和張拉順序。根據以往的預應力內襯施工經驗，對內襯混凝土進行預應力張拉時，應保證任意相鄰的錨具槽所受荷載偏差不得超過50%[5]。將各錨具槽按照順水流方向進行編號，并以張拉控制應力σcon=0.75fptk=1 395 MPa(fptk為預應力錨索強度標準值，即1 860 MPa)為基準，按照圖7a所示的順序和荷載分級進行預應力張拉。鋼絞線預應力張拉采用一體化智能張拉設備(YCW2500C/54-SPT)，如圖7b所示，該設備可按要求進行分級設置，能精準控制張拉應力。

a 張拉順序及荷載分級

5 結語

本文基于對預應力復合襯砌足尺模型試驗，對此類襯砌的關鍵施工工藝開展研究，為改進施工工藝提供可靠支撐，得到以下結論：

1)結合襯砌足尺模型的施工經驗，本文建議鋼筋臺車采用“支墩軌行式”行進系統，能充分保證鋼筋和鋼絞線作業面，且無行進步長限制，極大地提高施工效率。

2)為應對狹窄空間中混凝土難以振搗、澆筑密實等難題，本文提出了專門的混凝土配合比，并建議采用優化后的鋼模臺車配合氣動附著式振搗器與插入式高頻振搗器相結合的振搗系統，以保證內襯混凝土的澆筑質量。

3)為避免預應力張拉導致內襯混凝土開裂，在滿足任意相鄰的錨具槽所受荷載偏差不得超過50%的張拉原則下，提出了合理的張拉順序。