張世強
云南省滇中引水工程有限公司 云南大理 671000
在國內以往引水隧洞的施工中,通常采取“先挖后襯”施工方案,待開挖貫通后再進行二襯施工,雖然不用對底板混凝土進行保護,但遇到特殊不良地質施工時存在軟弱圍巖變形甚至坍塌的安全隱患,施工安全風險較大。為此,海東隧洞在初步設計時,引入了施工安全步距控制的理念,即支洞進入主洞交匯地段和限排洞段必須按照設計“邊挖邊襯”要求進行施工組織,以確保施工安全。
海東隧洞前段布置4 條施工支洞配合主洞施工,在隧洞巖溶富水地段可能存在A、B 級涌水風險,需按照設計限排洞段“邊挖邊襯”要求組織施工。邊挖邊襯施工方案在國內以往水工隧洞施工中使用不多,為確保開挖與二襯同步作業(yè),底板混凝土澆筑后需要過施工車輛,因此需要對底?;炷敛扇〈胧┻M行保護。以往常采取鋼板加橡膠帶、澆筑混凝土保護層加橡膠墊層、墊設土工織物后澆筑混凝土等方式來保護成品混凝土,但其施工工序較多、施工方法比較繁瑣,同時投入的施工成本比較大,因此需要我們研究一種工序更簡單、成本更低廉、效果更好的混凝土成品保護技術。
云南省滇中引水工程海東隧洞全長25.285km,過水隧洞底板縱坡i 為0.238‰,隧洞斷面采用馬蹄型斷面形式,襯砌后斷面尺寸9.46m×9.46m,現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌,Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段襯砌厚度分別為0.5m、0.6m 和0.7m,斷層破碎帶及活動斷裂帶襯砌厚度0.8m。
為加快海東隧洞工程進度,在保證工程質量的前提下,施工單位研究底板混凝土成品保護措施,主要有以下幾種方案:
(1)在澆筑成型的底板上鋪筑4m 寬8mm 厚鋼板;
(2)在澆筑成型的底板上鋪筑4m 寬草墊,再鋪筑5mm 厚鋼板;
(3)在底板混凝土中間澆筑4m 寬10cm 厚混凝土保護層,在底板與保護層間鋪筑塑料隔膜,方便后期拆卸。
三個方案的優(yōu)缺點分析如下:
第一種方案,全洞需要鋪設10.1 萬平米鋼板約375 萬元,后期拆除時考慮鋼板折舊回收約117 萬成本,即需投入總成本258萬元,但施工過程中鋼板吊裝麻煩,并且比較容易撞擊混凝土破壞。
第二種方案,全洞需要鋪設10.1 萬平米草墊約101 萬元,由于運行過程中草墊容易損毀,考慮1.3 損耗率后成本為131 萬元,鋼板只存在容重差費用約176 萬元,即需投入總成本307 萬元。
第三種方案,全洞需要澆筑10114m3墊層C20 混凝土,總成本約320 萬元。由于墊層澆筑后需要一定的等強時間,施工速度相對較慢,但底板成品混凝土的保護效果好,洞內文明施工形象好。隧洞二襯典型斷面圖和底板保護措施示意圖如下:
為實現(xiàn)工程目標,需要對方案再進行優(yōu)化,分別展開兩種工況下的試驗,通過試驗段來驗證保護效果。工況一:無水洞段底板混凝土脫模后,在底板上鋪設塑料隔膜,中間鋪設20cm 粉土或細砂,上面再鋪設細粒徑洞碴。工況二:有水洞段底板混凝土脫模后,在底板上鋪設塑料隔膜,中間澆筑低標號混凝土,上面再鋪設細粒徑洞碴。通過現(xiàn)場試驗來確定:①塑料隔膜材質、厚度等質量要求,方便后期拆除時減少影響;②保護層混凝土配合比、合適的厚度、混凝土等強后通車時間;③底板混凝土上施工設備通行及會車要求。
V 類圍巖二襯斷面結構示意圖
底板保護示意圖
(1)塑料薄膜材質以及后續(xù)拆除的影響。試驗方案:為了模擬隧道內的水濕環(huán)境,在20-30cm 混凝土澆筑后12h 分別鋪設14mm、8mm 和12mm 混凝土。模擬程序如下圖所示。
現(xiàn)場養(yǎng)護混凝土強度增長實測曲線(單位:MPa)
施工保護層混凝土時環(huán)境溫度變化曲線
在海東隧洞0#支洞上游主洞DL Ⅱ0+752 樁號實施上述試驗?;炷帘Wo層澆注在底部混凝土上,保護層的混凝土強度在等強度36 小時后測定。用50t 混凝土罐車碾壓混凝土保護層20 次,觀察以下內容:①薄膜破損是否造成混凝土兩層擴散;②薄膜鋪裝是否會影響底板混凝土表面質量;③底板混凝土保護層上施工車輛交匯和調頭要求。
(2)混凝土保護層配合比、強度及厚度,等強后通車時間。先開展10cm 混凝土保護墊層的重車碾壓試驗,計算混凝土罐車通過時需要的混凝土最低強度。重車碾壓工況示意圖如下:
根據(jù)材料力學計算公式得出:δ=1.2G/(L×W)+1.2f/(W×w)。式中:δ 為保護層混凝土承受應力值,G 為罐車自重分配到單輪的重量;考慮12m3 罐車滿載時自重50t,一共10 個輪胎受力,考慮單輪受力為5t,所以G=50kN;f 為罐車驅動摩擦力,f=μ×G,μ 取0.2,則f=0.2×50kN=10kN;L 為輪胎壓地長度,根據(jù)實測L 取17cm;W 為輪胎寬度,根據(jù)實測W 為25cm;w 為保護層混凝土厚度,取10cm 計算。得出:
標號 配合比參數(shù) 單方材料用量用水量/Kg 水膠比 粉煤灰摻量% 砂率% 設計容重/Kg·m-3 水 水泥 粉煤灰 砂 小石 中石 減水劑C10 164 0.6 25 46 2410 164 205 68 907 1065 0 2.19 C20 159 0.5 25 45 2420 159 239 80 874 1069 0 2.54 C30 159 0.4 25 42 2420 159 298 99 783 1081 0 3.18
δ=1.2G/(L×W)+1.2f/(W×w)=(1.2×50kN)/(17cm×25cm)+(1.2×10kN)/(25cm×10cm)=1.89MPa??紤]2 倍安全系數(shù),即保護層厚度取10cm。
底板施工循環(huán)時間推算:移開仰拱棧橋后開挖底板并清底6h →鋼筋綁扎10h →模板及止水袋安裝4h →底板混凝土澆筑8h →底板混凝土等強22h →鋪薄膜及保護層混凝土澆筑4h →保護層混凝土等強36h,合計90h。即平均3.75d 澆筑一倉底板混凝土長度12m,按有效施工時間26 天計算,每月可施工底板二襯7環(huán)約84m,IV/V 類圍巖能夠跟上開挖進度要求(Ⅳ/Ⅴ類圍巖平均進度80m/月)。
經(jīng)過以上分析,擬定了C10、C20、C30 三種強度的配合比,如下表:
混凝土標號 水膠比 24h 抗壓強度/MPa C10 0.6 7.2 C20 0.5 10.7 C30 0.4 15.5
為了保證混凝土表面的平整度,通過配合比試驗,確定采用c10 混凝土作為保護層是可行的??紤]2 倍安全系數(shù),混凝土強度取C20。
(3)保護層混凝土對于已澆筑的底板混凝土質量的影響,試驗后待驗證的內容試驗結果如下表所示。
表1 保護層厚度變化對底板混凝土的質量影響
隧洞襯砌底板采用8mm 厚薄膜作為混凝土分隔層、10cm 厚C20 混凝土作為的過車保護層、填筑50cm 厚細粒徑洞渣,能夠滿足隧洞襯砌底板的施工質量要求;底板二襯施工理論循環(huán)時間3.75d,每月施工7 環(huán)約84m,能夠保證IV 類和V 類圍巖邊挖邊襯施工要求。其他技術要點有:
(1)隧洞過底板二襯的主要交通設備為10m3混凝土罐車、濕噴機械手、3m3斗容裝載機、25t 自卸汽車。
(2)底板保護用的各類原材料品質、等級對結果有一定的影響。
(3)底板開挖清底、立模、鋼筋安裝等工序循環(huán)時間還有提升空間。
(4)本方案僅考慮保護底板混凝土的材料鋪設及回填費用,未考慮臨時工程后期拆除費用。
本工程采用引水洞底板混凝土成品保護技術,滿足限排洞段“邊挖邊襯”的設計要求,實現(xiàn)了隧洞開挖與二襯同步作業(yè),壓縮了二襯及固結灌漿工期,降低了軟弱圍巖地段的施工安全風險,使工程能夠持續(xù)均衡平穩(wěn)推進。本方案所采取的底板混凝土成品保護技術,同類引水工程值得借鑒。