蔣元勇

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

環(huán)形張拉結構是一種實用的大跨度空間柔性結構體系，它是由連續(xù)的拉索和不連續(xù)的撐桿構成，其初始狀態(tài)的確定與預應力分布是環(huán)形張拉結構設計的關鍵［1］，國外對這一問題的研究大多沒有公開核心部分，國內學者的部分相關研究仍處于探索階段。自Senlson在1948年制作了第一個張拉整體模型以來，在過去的60多年里，學者們對各種不同的張拉整體結構進行了廣泛研究，如正圓柱形張拉整體結構和球形張拉整體結構［2－3］，但是作為另一種基本的幾何拓撲形態(tài)——環(huán)形張拉整體結構卻很少受到學者和工程師們的關注。文獻［4－9］結合具體工程對預應力張拉技術進行了研究和探討;文獻［10－11］討論了后張法預應力施工技術和質量控制措施。這些文獻主要對預應力張拉技術和質量控制措施進行了分析和總結，環(huán)形張拉施工在國內應用較少，且主要應用于核電站;因此，針對盾構隧道的預應力環(huán)形張拉技術，可參考借鑒的文獻很少。

南水北調中線穿黃工程是南水北調中線的咽喉工程，特別是穿黃隧道工程埋深大、施工難度大、地質條件復雜，且工程屬薄壁結構環(huán)形預應力施工，厚度只有45 cm，又屬于深層隧洞張拉施工，地下埋深50 m，與傳統(tǒng)張拉施工不同。通過對環(huán)形張拉施工工藝進行總結，從隧道環(huán)形預應力施工的角度出發(fā)，對環(huán)形張拉技術在深層隧洞中的應用展開探討，以期為隧道環(huán)形預應力施工積累經驗。

1 工程概況

南水北調中線穿黃工程位于鄭州市以西、黃河上游約30 km的河段上，南起滎陽市李村村西，北至焦作市溫縣陳溝村西。穿黃工程是南水北調中線總干渠穿越黃河的控制性工程，工程的目標是使?jié)h江丹江口水庫中的水順利下穿黃河，通過輸水工程將漢江水輸送到北京、天津、河北和河南等省市，解決城市的生活和工業(yè)用水，改善生態(tài)和農業(yè)用水。

穿黃隧洞由盾構法施工，由7塊管片拼裝成型，再進行二次混凝土襯砌施工。內襯采用混凝土現(xiàn)澆法施工(二次襯砌)，為后張法預應力鋼筋混凝土整體結構，采用C40.W12.F200預應力混凝土，直徑7 m，厚45 cm，標準分段長度為9.6 m。在混凝土結構內部預埋直徑為90 mm的波紋管，在邊頂拱施工完畢后，進行鋼絞線穿索。預應力錨索間距為45 cm，每束由12根預應力鋼絞線集束而成，鋼絞線強度為1 860 MPa，公稱直徑為15.24 mm，公稱面積為140 mm2。

由于穿黃隧洞埋深達50 m，屬于有壓力承水隧洞，采用普通混凝土達不到結構的安全性要求，因此，采用預應力混凝土保證通水過程的結構安全。

2 環(huán)形預應力施工方法

環(huán)形預應力施工主要有孔道清理、穿索、錨板安裝、預緊和張拉。施工前先對錨具槽進行鑿毛處理，張拉完畢后對錨具槽進行回填，再進行孔道灌漿。內襯鋼絞線張拉施工工藝如圖1所示，預應力張拉順序如圖2所示。

圖1 張拉施工工藝Fig.1 Technical flowchart of pre-stress tensioning

2.1 波紋管清理、檢驗

首先，在孔道內注入清水，封閉喇叭口后采用空壓機對孔道內打壓，利用孔內壓力對波紋管內雜物進行吹掃和清洗，清洗后再用真空泵抽干積水;然后，采用視頻探頭檢查孔道內的清洗狀況，檢驗合格后進行穿束工作。

2.2 鋼絞線制作、編束、穿束

1)鋼絞線制作。按設計圖紙中的下料長度(L=26 m)進行下料，用切割機將鋼絞線定長下料，然后沿長度方向放在方木(或跳板)上，每下好1束，將下好的12根鋼絞線兩端逐根用膠布或油漆編號，編號要明確清晰，并將鋼絞線一端對齊放好。下料過程中鋼絞線要輕拿輕放，嚴禁撞擊，不宜放在地上或潮濕處。

2)編束。按設計圖紙在編束架上進行編束，編束順序為:將6#、5#鋼絞線用鐵絲扎牢—將 2#、1#、9#扎牢—將 10#、4#、3#、11#扎牢—將 12#、8#、7#扎牢。分層捆扎完畢后，依次按圖2所示的順序再整束采用細鐵絲綁扎。編簾時將鋼絞線鋪設平直，編簾扎束中鋼絞線不得相互交叉，且每根鋼絞線的兩端要相互對應。整束綁扎時，中間每隔1 000～2 000 mm用細鐵絲綁扎，防止運輸時穿索松散。

圖2 隧洞預應力張拉順序示意圖(單位:mm)Fig.2 Pre-stress tensioning sequence(mm)

3)穿束。采用卷揚機牽引、人工輔助的形式進行錨索的穿索作業(yè)。用先穿入孔道內的掃孔鋼絞線將卷揚機的鋼絲繩通過導向輪由下行方向引進孔道，并從上行端穿出，引出的鋼絲繩與錨索端部的導向帽利用卸扣連接，即可開始穿索。啟動卷揚機，人工配合將導向帽一端送入孔口，在卷揚機的牽引下，錨索徐徐進入孔道，直至從另一端穿出并達到要求的長度為止(設計要求被動端(下端)外露長度為800 mm，主動端(上端)外露長度為2 080 mm左右)。編束、穿束示意如圖3所示。

圖3 編束、穿束示意圖Fig.3 Tying and installing of steel strands

2.3 預應力HM15環(huán)錨安裝

見圖4。在安裝HM15環(huán)錨時，對已編號的鋼絞線對準錨板上設計的孔號進行穿索，對鋼絞線預緊后，依圖4所示的順序進行安裝，安裝應嚴格按照鋼絞線的設計孔道進行。

圖4 HM15環(huán)錨安裝示意圖Fig.4 Installation of HM15 anchor

3 預應力張拉技術要求

穿黃隧洞預應力錨索張拉采用“雙控”，以應力控制為主，同時進行變形控制。錨索張拉過程中，按單根鋼絞線預緊、整束張拉分序和同序荷載分級要求進行。

第1 序按 1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#、19#、21#錨索順序，自小到大按序張拉，第 2 序按 2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#錨索順序，自小到大按序張拉。張拉工序為:1)對單根鋼絞線預緊，預緊力為42 kN;2)錨索整束張拉分2階段，第1階段為kNkN，第2階段為kNkN，每階段張拉完成后持荷10 min。張拉過程中及時對張拉數(shù)據(jù)進行測量、記錄。

4 模型計算及數(shù)據(jù)建立

4.1 鋼絞線伸長值及摩阻因數(shù)計算

根據(jù)設計要求，對張拉數(shù)據(jù)進行伸長量核算。本工程根據(jù)2種不同半徑的環(huán)型孔道和1種直線孔道來計算鋼絞線伸長量，計算簡圖如圖5所示。

圖5 環(huán)錨張拉計算示意圖(單位:mm)Fig.5 Calculation of anchor tensioning(mm)

設計文件要求伸長值不得小于104 mm，假定摩阻因數(shù)為一個定值，在直線段不考慮摩阻因數(shù)，則換算簡化后直線段AB伸長量

式中:K為每m偏轉摩阻因數(shù)，一般取0.001 5，或按規(guī)范進行取值;P0為設計最終張拉力;μ為摩阻因數(shù)，可在0.17～0.30之間依次進行取值，以便更好地對伸長值(104 mm)進行核算。

CD，DA段也采用式(2)進行計算。

4.2 數(shù)據(jù)建立

通過上述計算可以建立數(shù)據(jù)表格。在現(xiàn)場進行張拉后，鋼絞線的伸長值就可以直接算出來，再對照表格中的摩阻因數(shù)就可以將鋼絞線的摩阻因數(shù)求出。伸長值與摩阻因數(shù)的關系如表1所示。

表1 伸長值與摩阻因數(shù)的關系Table 1 Relationship between extended length and friction coefficient

4.3 張拉效果

通過預應力張拉施工，在“雙控”條件下達到設計要求，使隧洞內襯提前進行預受力，為后期有壓力通水提供保障。

5 環(huán)形預應力施工難點、重點及處理

1)環(huán)形張拉預應力施工在穿索過程中有波紋管堵塞現(xiàn)象，由于波紋管環(huán)形布置，環(huán)形波紋的疏通存在很大難度，一般的工具無法操作，達不到規(guī)定要求的穿索效果。因此，應采用軟軸疏通裝置，最長達12 m，以磨為主，對波紋管進行疏通，從而達到較好的疏通效果。

2)在前期進行試驗段張拉施工時，在張拉力達到設計要求時，伸長值達不到設計要求，不能滿足“雙控”要求。采用在穿鋼絞線時，在鋼絞線上涂石墨粉的方法減小摩擦，保證張拉時鋼絞線的伸長值，每束涂石墨粉 0.75 kg。

6 環(huán)形張拉與普通直線張拉的主要區(qū)別

1)環(huán)形張拉在錨板鎖定時，只用一個錨板雙向進行鎖定，一頭張拉;直線張拉是兩頭進行鎖定，一頭張拉或兩頭同時張拉。

2)環(huán)形張拉過程中除了受鋼絞線的拉力外，還受環(huán)形結構對鋼絞線的作用力;直線張拉過程中只受鋼絞線的張拉力和結構對鋼絞線的作用力。

3)環(huán)形張拉鋼絞線全長范圍內是彎曲的，普通張拉鋼絞線全長范圍內為直線，無豎彎及平彎角度。

7 環(huán)形張拉注意事項

1)波紋管安裝應平順，單孔線型應在同一投影面上，錨具槽兩端的小半徑波紋管應嚴格加固控制，增設軌道筋加固波紋管，保證波紋的設計線型。對于波紋管堵塞問題，現(xiàn)場要給予高度重視，避免波紋管堵塞。

2)穿束前對波紋管進行清理和清洗，保證穿束時的暢通。

3)在張拉前期伸長量達不到設計要求的情況下，采用加石墨粉的方法減小摩阻，在鋼絞線上加石墨粉要適量，不能過多，要以施工現(xiàn)場的張拉伸長量為參考。

4)張拉前對錨具槽喇叭口進行打磨處理，避免鋼絞線在張拉過程中與喇叭口摩擦，影響張拉效果。

5)施工前要加強作業(yè)層的培訓，嚴格按照技術要求進行施工，保證張拉施工按照技術要求有序進行。

6)每21束張拉完成2 d后進行錨具槽回填，在回填7 d后進行孔道灌漿，完成張拉施工工序。

8 討論

穿黃隧洞內襯預應力施工先后經過多次1∶1仿真試驗和地面模擬試驗，獲得了施工的各項參數(shù)。在正式環(huán)形張拉施工后，又進行了3個月的生產性試驗，同時對各階段的生產性試驗情況進行總結，并采取了一系列措施對施工工藝進行改進和優(yōu)化。施工過程中對張拉施工數(shù)據(jù)進行及時核算，保證了張拉施工質量的有效控制，同時對數(shù)據(jù)進行分析，現(xiàn)場調研，減少對張拉施工的影響，節(jié)約投資，該方法有利于環(huán)形張拉施工的廣泛應用。

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