高压输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化及免拆模板成槽技术研究
时间：2023-06-04 21:25:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李晓克, 曹国鲁,, 姚广亮, 严振瑞, 丁新新,3, 赵顺波
(1.华北水利水电大学 黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心,河南 郑州 450046;2.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510635; 3.华北水利水电大学土木与交通学院,河南 郑州 450045)
输水隧洞预应力混凝土衬砌施工依据内槽口环锚预应力技术体系[1-2]。内槽口在衬砌混凝土浇筑时预留,为预应力钢绞线张拉和锚固以及环锚安放提供作业空间。预应力施工完成后,内槽口回填的混凝土成为环锚和槽口内钢绞线的保护体。因此,内槽口在衬砌施工阶段历经预留成型和混凝土回填工序,在衬砌运行阶段则须与衬砌主体结构共同承受外部荷载作用。内槽口施工质量与预应力结构体系的耐久性密切相关,也关系到衬砌结构的安全运行,是衬砌施工质量控制的关键部位之一。
目前,我国已在多个水工隧洞工程中采用环锚预应力混凝土衬砌结构,但在锚具槽成型与混凝土浇筑回填方面尚未形成统一技术方法[3]。在清江隔河岩水电站引水隧洞、天生桥一级水电站引水隧洞、南水北调中线工程穿黄隧洞、辽宁省大伙房水库输水隧洞和吉林省中部城市引松供水工程隧洞的衬砌工程中,均采用组合模板方式预留并成型锚具槽,施工过程中，还须在预应力张拉施工前，对槽口内壁混凝土进行人工凿毛处理并清除槽内残渣[1-5]。黄河小浪底水利枢纽工程排沙洞衬砌,采用装配式钢板锚具盒外贴泡沫塑料板成型锚具槽,具体方法为:当浇筑的衬砌混凝土达到一定强度后,移除钢板锚具盒、清除泡沫塑料板、人工凿毛槽口内壁混凝土并清除槽内残渣[1]。内槽口回填混凝土一般采用与衬砌混凝土相同强度等级的无收缩或微膨胀混凝土。天生桥一级水电站引水隧洞衬砌锚具槽回填混凝土采用了钢纤维混凝土。目前，既有工程多采用矩形口常规锚具槽,成型方式虽有所不同,但成型后均需模板拆除、槽壁凿毛和残渣清理等工序。由于锚具槽内已安装钢绞线,槽内作业空间狭小,因此人工操作困难，致使质量难以保证。同时,因拆除模板产生废弃聚苯乙烯泡沫板、槽壁凿毛产生混凝土垃圾,造成了资源浪费和施工环境污染。
此外,由于衬砌结构的槽口区域处于复杂应力状态,在钢绞线张拉过程中,槽口角部易因应力集中产生裂缝[6]。由于槽口内需进行环锚安装和定位、钢绞线张拉和锚固等作业,槽内回填混凝土施工难度加大,易造成混凝土不密实、与衬砌混凝土界面黏结强度不足等缺陷,致使在运行时混凝土出现裂缝而产生无黏结预应力钢绞线保护油脂外渗现象,严重影响衬砌预应力混凝土结构的耐久性[7]。
珠江三角洲水资源配置工程穿越该区域核心城市群,在平均埋深40.00～60.00 m的地下空间建造[8]。干线工程单线盾构隧洞内径为6.40 m,无黏结预应力混凝土衬砌厚度为0.55 m,混凝土强度等级为C50,为内槽口环锚锚固体系。隧洞衬砌设计最大内水压力为1.30 MPa。由于隧洞内水压力高,已突破现有工程设置锚具槽的实践经验值。本文在既有锚具槽设计与成型技术的基础上,开展了高压输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化与成型技术研究,成果为工程建设提供了重要技术支撑。
1.1 基本形状和尺寸
一般情况下,锚具槽以矩形断面为主。锚具槽长度需满足衬砌混凝土浇筑时钢绞线能顺利交叠放置于锚具盒内,还需满足环锚锚块定位后的钢绞线穿过锚具限位板、偏转器、千斤顶和进行张拉锚固所需的最小空间。锚具槽最小宽度与高度需保证环锚在槽内顺利安放,并在锚块两侧和底部与锚具槽内壁间预留一定空间浇筑回填混凝土,且锚块与衬砌内表面的最小距离要满足规范要求的最小混凝土保护层厚度[1-2]。锚具槽尺寸的确定以满足预应力张拉施工为前提,不宜加大,尽量减小内槽口对其周围衬砌混凝土受力状态的不利影响。
1.2 形状和尺寸优化
锚具槽形状优化的基本原则:①满足张拉需求的最小尺寸,以有利于减少槽口附近局部应力集中现象为目标。为此,锚具槽为沿环向进行变宽度设计,宽面长度以保证张拉千斤顶不接触衬砌混凝土为基本条件，宽度满足环锚锚块安放需求。锚具槽窄面长度和宽度以满足张拉端钢绞线安放需求为基本条件，宽面至窄面采用45°角过渡。②回填混凝土与槽口内壁为可靠嵌固黏结。槽口侧壁向槽口内倾斜形成缩口,以利于对回填膨胀性混凝土形成约束。对槽口侧壁进行凿毛处理,以利于提升黏结界面的嵌固质量[9-10]。按此原则设计的锚具槽如图1所示,其环向展开图和径向剖面图如图2所示。
图1 锚具槽布设(单位:mm)
图2 锚具槽的尺寸
锚具槽尺寸计算公式为:
lc=lc1+lc2，
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
bc2=bmk+25，
(6)
dc=hm+c+hg。
(7)
式中:lc、lc1和lc2分别为锚具槽的长度、环锚锚板厚度中心到锚固端锚具槽内表面的距离和环锚锚板厚度中心到张拉端锚具槽内表面的距离；
tm和Δlp分别为环锚锚板的厚度和钢绞线在锚固端的张拉伸长量；
hd、lz和ld分别为张拉钢绞线时锚夹片限位板的厚度、偏转器的弧线长度和张拉千斤顶需要夹持的钢绞线长度；
lg、lzt和ly分别为锚具槽侧模板宽面端直线长度、张拉钢绞线时偏转器在锚具槽的投影长度和延长筒在锚具槽的投影长度；
bc1、bc2分别为锚具槽的宽端面宽度、窄面端宽度；
bm、bmk分别为环锚锚板的宽度、最外侧两孔间的宽度；
hm、hg分别为环锚锚板的高度和环锚锚板到锚具槽底部的垂直距离；
α为模板侧面与底面的夹角；
dc为锚具槽的高度；
c为混凝土保护层厚度。
2.1 锚具槽预制装配式免拆模板设计
2.1.1 装配式免拆模板组装方案
装配式免拆模板采用混凝土分片预制,厚度为20 mm,通过内大外小的榫形卡口相互咬合形成锚具槽。装配成型后的锚具槽是一个上宽240 mm、下宽185 mm的弧形槽体,如图3所示。
2.1.2 装配预制部件
锚具槽装配预制部件包括:①沿衬砌环向的侧模板。其为直线形下边、下凹弧线形上边、水平折线形长边的等厚度预制板,其两端和下边设置榫形卡口,如图4(a)所示。②沿衬砌环向的底模板,为变截面等厚度平板,沿四周设置榫形卡口,如图4(b)所示。③宽面端模板。其按照张拉端钢绞线位置布设穿线孔,两侧和底边设置榫形卡口,顶边设置水平沿,如图4(c)所示。④窄面端模板。其按照固定端钢绞线位置布设穿线孔,两侧和底边设置榫形卡口,顶边设置水平沿,如图4(d)所示。
图4 槽口模板预制件(单位:mm)
预制模板连接采取楔口插入连接方式,不需要其他辅助件即可实现可靠连接。待预制模板通过榫形卡口连接完成锚具组装后,采用衬砌构造用钢筋固定其设计位置,待穿入钢绞线后,采用如图5所示的变宽度等厚弧形顶面钢模板嵌入封口。待衬砌混凝土浇筑成型后,拆除顶面钢模板,即可得锚具槽。待衬砌混凝土达到强度要求，按工序开展后续的钢绞线张拉及锚固施工。
图5 预制弧形顶面钢模板(单位:mm)
2.2 模板制作
2.2.1 模板材料的选用
为了保证免拆模板预制成型质量,选取钢纤维轻质混凝土、自密实钢纤维混凝土、混杂纤维细骨料混凝土和超高韧性细石混凝土进行了可行性研究。钢纤维轻质混凝土具有自重小、抗裂性好的优点,但模板成型过程中因原材料密度差异较大易出现轻骨料上浮和钢纤维下沉的问题[11-13]。自密实钢纤维混凝土具有无振捣自流平成型、高延性、高抗拉强度和强抗裂性能的优点,但钢纤维用量较高才能满足模板预制对抗拉强度和抗裂性能的要求[14-16]。混杂纤维细骨料混凝土具有良好的抗裂性能[17-19]。超高韧性细石混凝土具有高强度、高韧性的优点[20-22]。经过试验对比,超高韧性细石混凝土更适用于制作厚度仅为20 mm的锚具槽预制装配式免拆模板,以使锚具槽具备足够的强度、韧性和抗冲击性能。
2.2.2 模板表面处理
为了保证模板内表面与回填混凝土界面、外表面与衬砌混凝土的黏结性能,需要对模板表面进行粗糙化处理[10]。在超高韧性细石混凝土初凝前,采用钢丝刷对模板内表面进行毛化处理,使其形成粗糙面。模板外表面则采用在制作钢模上预留刻槽的方式形成凹形条带,增大锚具槽预制装配式免拆模板与衬砌混凝土的界面嵌固力和有效黏结界面面积[10,23],如图6所示。
图6 锚具槽模板外表面效果图
2.3 装配式免拆模板锚具槽的工程应用
装配式免拆模板锚具槽在珠三角水资源配置工程高水压输水隧洞预应力混凝土衬砌工程中得到了成功应用。如图7所示，通过在锚具槽两侧及端部的衬砌混凝土内布置15个应变计(编号如图7(b)所示)对锚具槽口周围混凝土的应力分布情况进行了监测。在预应力钢绞线张拉后和槽内回填混凝土后实测的混凝土应力值见表1。
图7 预制装配式锚具槽的工程应用实例
由表1可知,锚具槽的上端面(应变计2、3、4、13)和下端面(应变计10、11、12、15)的环向应力均为压应力,且在锚具槽四角的混凝土环向压应力大于相应端面中间点的应力。同时,在角部的应变计5和9测得沿隧道轴向的混凝土拉应力,说明锚具槽角部存在混凝土应力集中现象。在槽内回填混凝土后,槽端面混凝土环向压应力有所减小,但沿隧道轴向的拉应力有所增大。由于拉应力小于混凝土抗拉强度标准值2.64 MPa,满足施工阶段锚具槽区域衬砌混凝土拉应力设计控制要求。其他沿隧洞轴向布置在槽侧边的应变计均测得混凝土应力为拉应力,且在槽内回填混凝土后有增大趋势。在实测拉应力已超过混凝土抗拉强度标准值的位置,理论上将出现裂缝,但在检查衬砌混凝土后没有发现裂缝。在经过充水加压试验后,用裂缝探测仪检测这些位置处也未发现裂缝。这表明选用的混凝土强度具有一定的保证率,用于实际衬砌混凝土在抗裂性能方面是可靠的。
表1 衬砌混凝土实测应力值与计算应力值
将该技术与常规锚具槽成型技术进行对比,结果表明:衬砌混凝土浇筑装配式免拆模板锚具槽采取单片预制、外侧成槽的生产工艺,将其安装于衬砌部位,所需安装时间短、方便快捷,施工质量易于保证,且端模板兼具钢绞线精确定位功能;衬砌混凝土浇筑后,免拆模板锚具槽和衬砌混凝土形成整体,提高了槽壁因拉应力集中现象而沿角部开裂的抵抗能力。此外,因避免了模板拆除、槽壁凿毛、残渣清理等工序,切实提高了施工效率,降低了成本,为营造无废渣、无扬尘的清洁施工环境起到了积极作用。
1)针对高压输水隧洞预应力混凝土衬砌施工,在既有常规锚具槽周围衬砌混凝土局部应力、回填混凝土与衬砌混凝土整体性等问题研究的基础上,以满足预应力钢绞线张拉锚固为优化条件,设计了一种沿环向变截面、沿径向缩口形预制装配式免拆锚具槽。
2)明确了预制装配式免拆锚具槽的预制部件细部构造设计和组装成型工艺。采用超高韧性细石混凝土预制模板部件组装成型的锚具槽在工程原型试验中得到了成功应用。
3)装配式免拆模板锚具槽可抵抗槽口拉应力集中而降低衬砌混凝土开裂风险,有利于提高施工效率、降低工程成本,避免了由于槽壁凿毛处理而产生废弃混凝土,可显著改善施工环境。
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