隧洞预应力混凝土施工技术研究与应用

　　摘要：文章结合吉林中部引水工程总干线五标段有压引水隧洞施工实例，详实阐述了隧洞预应力混凝土衬砌及后期钢绞线张拉的工艺流程、施工方法及施工工序，对今后类似工程施工具有参考和借鉴作用。

　　1　工程概况

　　吉林中部引水五标项目隧洞总长10100m，其中预应力混凝土衬砌长度7745.4m，其余为普通混凝土衬砌和洞口段钢衬混凝土。隧洞衬砌断面为圆形，成型后直径5.1m；预应力衬砌混凝土性能指标C40W12F150，Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩衬砌厚度均为45cm。每12m设一道变形缝，缝间止水采用651型橡胶止水带，变形缝宽度20mm，缝间充填20mm厚闭孔泡沫板。

　　2　主要设计指标

　　预应力筋采用高强无粘结低松弛1860级4×φ15.2mm钢绞线，公称截面面积Ap=4×2×140mm2；预应力筋束轴向中心间距为50cm，采用单层双圈无粘结预应力钢绞线环形游动锚支撑变角张拉技术，环锚锚板锚固端和张拉端各设4个锚孔，4根预应力钢绞线从锚固端起始至混凝土衬砌内部外侧，与衬砌外层受力筋绑扎在一起，沿外层圆周环绕两圈后进入混凝土衬砌内侧张拉端，钢绞线锚固端与张拉端包角为2×360°；锚具槽预留内槽口长度为1.2m，中心深度为20cm，宽度为20cm；锚具槽沿洞底左右45°间隔布置。锚具采用4孔环型锚具，使用专用偏转器变角，环锚专用张拉设备施加预应力。无粘结钢绞线采用PE套管内充专用油脂包裹，张拉完成后的槽内环形锚具和钢绞线采用无溶剂环氧改性高分子液体灌注涂料技术防护，锚具槽回填采用微膨胀混凝土。

　　3　施工方案

　　隧洞预应力混凝土衬砌采用全圆针梁台车一次浇筑成型，钢绞线在洞外专用场地下料，盘成圆盘后再用平板车运至洞内，人工利用组合式钢绞线安装台车进行安装固定；混凝土在拌合站集中拌制，10m3混凝土罐车运输至仓面，ZLJ5140THBJE车载混凝土泵泵送入仓，人工采用ZN50插入式振捣棒配合针梁台车附着式振捣器振捣。混凝土达到70%设计强度后进行回填灌浆，回填灌浆完成达到设计强度后进行预应力锚索张拉、锚索防腐和锚具槽混凝土施工，最后进行固结灌浆。

　　4　预应力混凝土施工方法

　　4.1　钢绞线加工与安装

　　4.1.1　钢绞线加工

　　无粘结钢绞线的下料在洞外设专用场地。无粘结钢绞线的下料长度在场地上做出显著标志，严禁弯折及锋利物品损坏表面的HDPE层。无粘结钢绞线宜采用砂轮或切断机切割，不得用电焊或氧乙炔焰切割。钢绞线下料完成后单根盘成直径约1.5m的圆盘，人工装于10t自卸汽车改装成的平板车上，运至洞内进行绑扎。

　　4.1.2　钢绞线安装

　　外层钢筋安装完成后安装钢绞线，为了加快进度，外层钢筋上半圆弧超前安装，便于材料运输和混凝土浇筑，内层钢筋及钢绞线安装超前一仓安装。由于钢绞线为双圈720°缠绕，安装必须采用上下组合式专用钢绞线安装台车。

　　钢筋安装前先测量放钢绞线架立筋和定位筋位置，并用红漆做好标记。架立筋和定位筋全部采用φ25mm的钢筋，纵向间距1.0m，环向间距0.8m，长度1.0m，深入初期支护及围岩的深度为60cm。 预应力筋每组为4根，单层双圈环绕绑扎，锚固端留在锚具槽内，张拉端伸出衬砌断面外。在同一束钢绞线绑扎过程中，为了区分对应锚具槽模板图中1、2、3、4号钢绞线，钢绞线采用红、绿、蓝、黑四种颜色的护套。每次2根同步从张拉端穿入，统一环向左右缠绕两圈回到锚固段，环向缠绕时预应力筋不可出现交叉、重叠现象，随后安装定位钢筋以控制预应力筋的位置。预应力筋安装完成后采用扎丝将预应力筋与主筋绑扎固定。

　　4.2　锚具槽模板安装

　　钢绞线安装完后，检查各序号锚索在定位筋上位置坐标准确无误，安装内层钢筋，然后将钢绞线逐一穿过锚具槽盒上下端的四个限位孔，锚具槽盒为定制的可拆卸组合钢模板，通过四个螺栓与台车直接固定，两侧端头采用竹胶板加工。锚具槽安装位置一定要准确，以确保台车就位时与台车预留锚具槽窗口重合，每套针梁台车配备两套锚具槽模板交替使用。

　　4.3　混凝土浇筑

　　待钢筋及钢绞线验收合格后，将涂完脱模剂的针梁台车就位后加固，并将锚具槽模板在台车预留孔位用螺栓固定，混凝土在拌和站集中拌制，采用10m3混凝土罐车运至洞内，车载式混凝土泵泵送入仓。入仓自下而上分层、对称浇筑，左右两侧高差≤50cm。

　　4.4　钢绞线张拉

　　衬砌混凝土浇筑完成且强度达到设计强度指标要求后，用集张拉端与固定端于一体的游动型锚具将锚索连接安装，锚具采用4孔环型锚具，用专用变角张拉装置对锚索进行张拉并锁定，按照施工技术要求，锚索的张拉力不能超过破断力的75%。

　　张拉系统由限位板、偏转器、延长筒、千斤顶及油泵组成，成套设备要求尺寸小、轻便，施工便利。

　　锚具及张拉设备安装流程分为：清理锚具槽内杂物；去除钢绞线两端套管及防腐油脂并将端部磨光；连接管安装；钢垫板及橡皮垫片安装；端部防腐盖帽及连接构件安装；穿入锚具；夹片、张拉设备安装；张拉、记录、锁定；防腐处理。

　　张拉前要全面检查各部件的安装正确性，在确保安装无误后进行后面的施工操作。张拉前在千斤顶前面设立安全防护板，防止夹片滑锚后伤人及伤设备，并确保混凝土有足够的承载力。张拉时，预应力的控制应做到：①相邻两束锚索的预应力差值不应超过设计值的50%；②千斤顶处张拉力不得超过钢绞线破断力的75%，且张拉力应施加于预留槽中的所有钢绞线；③锚具槽处的张拉力应维持5min后再锁定，张拉力锁定后不得低于设计张拉力；④为避免张拉时锚具槽附近出现应力集中导致混凝土出现贯穿性裂缝，张拉时可采取分级分布的措施进行。

　　4.5　锚索防腐、封锚

　　锚索防腐施工工艺为：工具、材料准备→钢绞线切割→清理锚具和钢绞线→套PE套→固定夹板→灌防腐油脂→检查并密封PE套管。 在钢绞线穿入锚具前，必须将张拉端和锚固端段的橡胶垫板和防腐密封钢板套于钢绞线上，张拉完成后用手提砂轮切割机切除在锚具槽内的无粘结钢绞线多余部分。锚固端外露钢绞线要短于防腐密封套长度，采用专用油脂枪将防腐密封套内注满防腐油脂，并安装至钢绞线外露端，用螺钉旋紧防腐密封钢板和橡胶垫。张拉端钢绞线剩余长度要短于防腐密封管长度，将防腐密封管内用专用油脂枪注满防腐油脂，并安装至钢绞线外露端，用螺钉旋紧防腐密封钢板和橡胶垫。锚具采用防腐锚具，外表涂环氧防腐层或者其他防腐涂层。

　　4.6　锚具槽微膨胀混凝土回填

　　（1）锚具槽回填采用微膨胀C40自密实混凝土，膨胀量控制在（1.0～2.0）×10-4。

　　（2）在锚具安装及钢绞线张拉前将槽内凿毛处理，用高压水清除表面污物、灰尘，锚具槽回填前应保持湿润，在槽壁周围涂刷混凝土粘结剂，以保证新老混凝土结合良好。

　　（3）回填混凝土过程中应仔细振捣，以保证新老混凝土粘结，外露的回填混凝土表面必须抹平，并进行28d养护。

　　5　预应力混凝土施工注意事项

　　无粘结预应力混凝土施工工艺要求较高，为保证工程施工质量，应注意以下事项。

　　（1）无粘结钢绞线张拉最大张拉力应为0.75倍的预应力筋强度标准值，即1395MPa，根据钢绞线截面面积计算千斤顶最大张拉力为781.2kN。张拉从0%～100%设计荷载共分5级进行，加载速度控制在无粘结钢绞线应力增加速度不超过100MPa/min，在加载速度满足的条件下尽量匀速加载，每级荷载下稳定2min以上，最后一级荷载稳定5min以上，在张拉实测伸长值达到设计要求后进行锁定。

　　（2）张拉过程中对实测伸长值进行量化控制，张拉过程中测试每级荷载下钢绞线的伸长值，钢绞线张拉至100%设计荷载时，实际伸长值与计算伸长值偏差不得超过±6%。

　　（3）无粘结预应力钢绞线张拉过程中应避免出现钢绞线滑脱或断丝。发生滑脱时，滑脱的钢绞线数量不应超过构件同一截面钢绞线总根数的3%；发生断丝时，断丝的数量不应超过构件同一截面钢绞线钢丝总数的3%，且每根钢绞线断丝不得超过一丝。

　　6　结语

　　当前，隧洞预应力混凝土技术不断发展和完善，特别是无粘结预应力体系具有不需预留套管、穿筋、灌浆等繁琐工艺，施工简便，预应力筋束和混凝土之间摩擦力小，混凝土管壁中建立的有效环向预应力较大等诸多优点。该项技术的研究和实施将预应力混凝土技术运用至水工隧洞施工领域，极大地改善和提高了结构性能和使用功能。

　　作者简介：张红亮（1973-）,男,陕西西安人, 中国水电建设集团十五工程局有限公司高级工程师,研究方向：水利水电工程施工技术。

　　参考文献

　　[1]刘峰春，晏军．隧洞预应力混凝土衬砌施工技术应用[J]．东北水利水电，2010（4）：28-30，72．

　　（责任编辑：刘振敏）