萬(wàn)家寨引黃工程管片襯砌設(shè)計(jì)與施工

萬(wàn)家寨引黃工程是山西省北部中部的一項(xiàng)大型引水工程。主要建筑包括水庫(kù)、泵站、引水孔、埋地、污水通道、pcc管道等。其中輸水隧洞最長(zhǎng),僅一期工程中隧洞總長(zhǎng)度達(dá)到161.3km,最大單洞長(zhǎng)度為43.5km,無(wú)論隧洞總長(zhǎng)度還是單洞長(zhǎng)度在國(guó)內(nèi)外均屬罕見(jiàn)。為了盡快完成隧洞的開(kāi)挖工作,引黃工程采用六臺(tái)全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)同時(shí)施工,完成的隧洞總長(zhǎng)度為121.8km,約占全部一期工程隧洞總長(zhǎng)度的75.5%。在引黃工程中采用TBM法施工,不但要做到安全、快捷,而且要滿(mǎn)足防滲要求,具有良好的水密封性。國(guó)外類(lèi)似引水工程,如南非萊索托引水工程,73%的隧洞為T(mén)BM掘進(jìn)現(xiàn)澆混凝土襯砌,其余27%采用TBM掘進(jìn),矩形管片襯砌。引黃工程工期緊迫,全部隧洞要求在2～3年完成,必須做到高速掘進(jìn),為滿(mǎn)足工期要求TBM施工隧洞全部采用了六邊形預(yù)制管片襯砌,這種襯砌方式簡(jiǎn)便、快捷,但也存在一系列的缺陷,即對(duì)不良地質(zhì)條件的適應(yīng)性差,對(duì)施工質(zhì)量比較敏感,如施工工藝控制不嚴(yán),可能出現(xiàn)安裝誤差,接縫、錯(cuò)臺(tái)超標(biāo),導(dǎo)致防滲性能差等。引黃工程的TBM施工可先后分為三個(gè)階段,每個(gè)階段均不同程度地改進(jìn)了襯砌設(shè)計(jì)和施工工藝,使六邊形管片襯砌技術(shù)逐步趨于完善,實(shí)現(xiàn)了高速度與高質(zhì)量的統(tǒng)一。本文將簡(jiǎn)要論述六邊形管片襯砌在引黃工程中的應(yīng)用、發(fā)展和完善過(guò)程,供其它采用TBM施工的隧洞工程,特別是大型跨流域調(diào)水工程參考。1引黃工程tbm施工特點(diǎn)全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)(TunnelBoringMachine簡(jiǎn)稱(chēng)TBM),是一種靠旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤(pán),通過(guò)盤(pán)形滾動(dòng)刀破碎巖石,從而使隧洞全斷面一次成型的隧洞工程施工機(jī)械,它是當(dāng)今世界上公認(rèn)的快速開(kāi)挖隧洞的有效施工機(jī)具,它主要用于隧洞開(kāi)挖,并具有許多優(yōu)點(diǎn)。如:(1)作業(yè)人員少,掘進(jìn)速度快;(2)無(wú)需考慮施工支洞,對(duì)深埋隧洞尤其有利;(3)成洞質(zhì)量好,無(wú)超欠挖現(xiàn)象,可減少襯砌工程量;(4)施工安全,由于掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)圍巖擾動(dòng)小,與鉆爆法比可使圍巖類(lèi)別相對(duì)提高一類(lèi),從而減少了塌方事故的發(fā)生;(5)掌子面附近粉塵少,有害氣體含量低,改善了作業(yè)環(huán)境;(6)操作容易實(shí)現(xiàn)集中控制、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制和無(wú)線電控制。由于掘進(jìn)機(jī)具有以上優(yōu)點(diǎn),使得目前在隧洞施工中凡長(zhǎng)度超800倍直徑的隧洞優(yōu)先考慮采用掘進(jìn)機(jī)。引黃工程先后共采用了6臺(tái)TBM對(duì)8條隧洞進(jìn)行施工,施工隧洞總長(zhǎng)121.8km。詳細(xì)情況如表1。引黃工程的TBM施工從時(shí)間上可分為三個(gè)階段:第一階段:1993～1997年總干線6#、7#、8#隧洞施工,此階段投入了1臺(tái)TBM掘進(jìn)機(jī);第二階段:1999～2001年南干線4#、5#、6#、7#隧洞施工,此階段共投入了4臺(tái)TBM掘進(jìn)機(jī);第三階段:2000～2001年聯(lián)接段7#隧洞施工,采用了1臺(tái)TBM。引黃工程三個(gè)階段的TBM施工中均采用了六邊形預(yù)制管片襯砌。該類(lèi)型襯砌包括:(1)六邊形預(yù)制管片襯砌,即管片形狀為六邊形(實(shí)為拱形六邊形預(yù)制混凝土構(gòu)件),其寬一般為T(mén)BM的兩個(gè)沖程(引黃工程總干管片寬1.6m,南干管片寬1.4m),管片安裝在TBM的后護(hù)盾內(nèi)進(jìn)行,與開(kāi)挖同步,管片結(jié)合形式為拼裝咬合,4片拼為一環(huán)。由于管片為預(yù)制構(gòu)件,洞外制作,掘進(jìn)與安裝同步進(jìn)行,保證了隧洞的快速施工。(2)管片與圍巖之間的回填灌漿加固圈,由于這種襯砌接縫量很大(引黃工程中每延米洞長(zhǎng)的接縫長(zhǎng)度為15～20m),為使山巖壓力均勻傳遞和增加襯砌的整體性,在管片與圍巖之間還充填了豆礫石,并進(jìn)行水泥灌漿。盡管引黃工程的三個(gè)TBM施工階段均采用了形狀相同的六邊形管片襯砌,但不同階段均對(duì)其細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和完善,加之制作和安裝工藝的提高,使襯砌質(zhì)量不斷改進(jìn),特別是正在施工的聯(lián)接段7#隧洞,主要指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2類(lèi)型和效果的組合2.1大合秦巖石洞段襯砌及管片安裝總干6#、7#、8#隧洞的開(kāi)挖直徑為594cm,襯砌后內(nèi)徑為546cm。管片寬160cm,厚25cm,混凝土特征強(qiáng)度為C30。按不同圍巖類(lèi)別分為A、B、C型管片。管片與圍巖之間充填豆礫石,再灌注水泥砂漿,間隙厚度為3～12.5cm。該洞段襯砌由意大利CMC公司沿用引大入秦隧洞設(shè)計(jì),特點(diǎn)為:(1)管片縱向接縫(沿洞軸方向的接縫)采用球面接觸,未設(shè)定位銷(xiāo)或聯(lián)接螺栓等定位結(jié)構(gòu)。(2)采用開(kāi)口護(hù)盾,底拱管片設(shè)有4個(gè)50cm×50cm×3cm的方形凸塊坐落在堅(jiān)實(shí)的圍巖上。與此相應(yīng),襯砌圓環(huán)與開(kāi)挖圓形斷面之間采用非同心圓布置,底部最小空隙為3.0cm,頂拱最大間隙12.5cm。(3)土洞段設(shè)二道止水,暗止水為BW遇水膨脹止水條,明止水采用雙組份聚硫膠;巖石洞段只采用Sika砂漿勾縫。(見(jiàn)圖1)2.2管片襯砌結(jié)構(gòu)南干線4#～7#隧洞開(kāi)挖直徑為492～482cm,襯砌后的內(nèi)徑為420～430cm,管片寬140cm,厚22～25cm,混凝土特征強(qiáng)度為C55,按不同圍巖類(lèi)別分為A、B、C、D型管片,管片與圍巖之間先充填豆礫石,再灌注水泥砂漿,層厚9cm。與總干線相比,該洞段的襯砌結(jié)構(gòu)做了如下改變:(1)管片縱縫改為平面接觸,但設(shè)置了直徑3.8cm的導(dǎo)向桿;環(huán)向縫不做導(dǎo)向桿,但設(shè)置直徑3.3～6.0cm,長(zhǎng)度20cm,抗拔力40kN的定位銷(xiāo),其目的為消除管片安裝誤差,提高接縫與錯(cuò)臺(tái)的安裝精度。(2)采用閉口護(hù)盾,取消了底拱管片的4個(gè)混凝土凸塊,管片襯砌圓環(huán)與圍巖開(kāi)挖斷面為同心圓,其間隙為均勻的9cm。(3)所有洞段的縱向與環(huán)向接縫均設(shè)止水條,止水條寬度分為2.2cm、2.6cm、3.3cm三種規(guī)格,采用遇水膨脹橡膠與彈性橡膠,止水條放在管片外側(cè)(靠近圍巖側(cè))。(見(jiàn)圖2)2.3管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)接段7#隧洞開(kāi)挖直徑為481.9cm,襯砌后的內(nèi)徑為414cm。管片寬140cm,厚25cm?；炷撂卣鲝?qiáng)度為C45,按圍巖類(lèi)別分為B1、B2、B3型管片。管片與圍巖之間先充填豆礫石,再灌注水泥砂漿。聯(lián)接段7#隧洞襯砌設(shè)計(jì)是在總結(jié)總干線與南干線襯砌經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,加之施工工藝逐步提高,工程質(zhì)量取得了明顯改進(jìn)。(1)保留了縱向接縫上的導(dǎo)向桿與環(huán)向接縫上的連接銷(xiāo)。定位銷(xiāo)直徑為3.76～4.12～60cm,長(zhǎng)度20cm,要求抗拔力不小于60kN,抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度不小于40N/m?和20N/m?。(2)恢復(fù)為開(kāi)口護(hù)盾,底座管片上設(shè)有4個(gè)40cm×40cm×3.5cm方形凸塊,使底管片座落于堅(jiān)實(shí)的圍巖上,管片與圍巖之間最小間隙為3.5cm,頂部最大間隙為14.4cm。(3)將止水條位置從管片外側(cè)移至內(nèi)側(cè)(靠近過(guò)水側(cè)),并增加了止水條的壓縮量,使管片間緊密接觸。(見(jiàn)圖3)以上三種襯砌結(jié)構(gòu)安裝的有關(guān)質(zhì)量指標(biāo)如表2、表3。由表2、表3不難看出:從總干線(Ⅰ)到南干線(Ⅱ)再到聯(lián)接段(Ⅲ),安裝質(zhì)量逐步提高。總干線6#、7#、8#洞的錯(cuò)臺(tái)多大于0.5cm,最大處錯(cuò)臺(tái)達(dá)10cm,占管片厚度的40%,已嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全。接縫合格率也較低,施工結(jié)束后發(fā)現(xiàn)9877處滲水,主要是接縫處滲水。為了克服這些缺陷,工程完工后又不得不投入了大量資金進(jìn)行了缺陷修復(fù)。而到南干線,安裝質(zhì)量有了一定改善,以南干4#洞為例,錯(cuò)臺(tái)合格率達(dá)99.46%,最大錯(cuò)臺(tái)高度小于4cm,縱向和環(huán)向接縫合格率也明顯提高?，F(xiàn)在正在施工的聯(lián)接段7#隧洞,錯(cuò)臺(tái)合格率100%,接縫合格率也接近90%～99.7%,不合格縫大部分集中在側(cè)管片頂部縱縫,而頂縱縫處于設(shè)計(jì)水面以上,對(duì)運(yùn)行無(wú)實(shí)際影響。3一些體驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)引水工程如采用TBM法施工、六邊形管片襯砌,要著重把好以下幾個(gè)環(huán)節(jié):3.1管片襯砌結(jié)構(gòu)采用TBM法掘進(jìn),六邊形管片襯砌的引水隧洞,由于接縫多,如做不好止水,不能有效防止?jié)B漏,不但造成水量損失,而且會(huì)惡化圍巖地質(zhì)條件,影響結(jié)構(gòu)安全。國(guó)內(nèi)外TBM與盾構(gòu)法施工隧洞的經(jīng)驗(yàn)證明,只要止水設(shè)計(jì)得好,可以做到基本不漏。國(guó)外采用TBM或盾構(gòu)施工的隧洞多用于交通,止水目的是防止貯存于圍巖中的地下水滲入洞內(nèi)(外水內(nèi)滲),溶蝕圍巖,影響襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,習(xí)慣把止水條放在管片外側(cè)(近圍巖側(cè))。引黃隧洞用于輸水,除特殊的高外水洞段外,止水目的是防止洞水滲向四周?chē)鷰r(內(nèi)水外滲),因此止水應(yīng)放在上游面即管片內(nèi)側(cè)。南干線4#～7#隧洞的國(guó)外咨詢(xún)機(jī)構(gòu)套用交通洞的慣用做法,也把止水條放在外側(cè)是不合理的。另一方面,六邊形管片襯砌是利用管片自重自鎖的嵌坎結(jié)構(gòu),而僅靠管片自重,部分接縫特別是縱向接縫完全做到緊密結(jié)合比較困難,如果止水在內(nèi)側(cè),止水條以外的接縫面可以在灌漿過(guò)程中由水泥砂漿充填保證襯砌的整體性。而把止水條放在外側(cè),水泥漿無(wú)法進(jìn)入止水條以里的接縫面,形成事實(shí)上的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。聯(lián)接段7#洞把止水條移到內(nèi)側(cè),效果十分明顯。除此,為防止由于接縫超差導(dǎo)致止水條接觸不緊,止水條凸出部分的高度宜適當(dāng)大一些,可壓縮性能要再好一些。3.2管片加固圈的確定管片與圍巖間隙的灌漿是管片襯砌設(shè)計(jì)的重要組成部分,其作用至少有以下三方面:(1)通過(guò)灌漿及時(shí)填充管片與圍巖之間的空隙,可以控制圍巖變形的發(fā)展,減少山巖壓力,有利管片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;(2)管片襯砌屬于拼裝結(jié)構(gòu),通過(guò)灌漿在其周?chē)纬煞€(wěn)定的加固圈有利于增加管片的整體穩(wěn)定性;(3)可以作為對(duì)襯砌的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備和防止內(nèi)水外滲的第二道防線。注漿所使用的材料與工藝要與TBM的掘進(jìn)速度相適應(yīng)。盾構(gòu)采用閉口護(hù)盾,按同心圓設(shè)計(jì),在管片與圍巖之間形成等厚的注漿結(jié)石層,其關(guān)鍵是掘進(jìn)速度慢(10m/d左右),灌入漿液能及時(shí)凝固。引黃采用的硬巖掘進(jìn)機(jī)平均月進(jìn)度在1km以上,最高日進(jìn)度曾達(dá)113m,注漿嚴(yán)重滯后掘進(jìn),采用先回填豆礫石再灌水泥漿的二步法是必然選擇。南干線施工后期和聯(lián)接段7#洞的實(shí)踐證明,只要嚴(yán)格控制施工工藝,必要時(shí)采用重復(fù)灌漿,二步法也可以做到“滿(mǎn)填漫灌”,所形成的結(jié)石層強(qiáng)度可以達(dá)到C10以上,滲透系數(shù)均大于10-6～10-7cm/s,從而在管片周?chē)纬闪艘粋€(gè)穩(wěn)定的,具有一定強(qiáng)度和抗?jié)B能力的加固圈。3.3底管片下沉嚴(yán)重影響整體安裝質(zhì)量如果采用閉口護(hù)盾,底管片放在未經(jīng)灌漿固結(jié)的砂礫石上,掘進(jìn)機(jī)通過(guò)后會(huì)由于底管片下沉導(dǎo)致側(cè)管片和頂管片的位移,影響整體安裝質(zhì)量。除此,采用開(kāi)口護(hù)盾能及時(shí)清理沉積在底管片下的石粉,還有利于提高灌漿質(zhì)量。3.4tbm施工中管片存在的問(wèn)題由于高速掘進(jìn)的要求,六邊形管片無(wú)法用盾構(gòu)工程中常用的螺栓連接,給管片準(zhǔn)確定位和連接帶來(lái)困難,在縱向接縫上采用定向桿和在環(huán)向接縫上采用連接銷(xiāo),可以替代螺栓加固,取得比較好的效果。經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐,萬(wàn)家寨引黃工程在TBM法施工,六邊形管片襯砌上取得了一些經(jīng)驗(yàn),但至今也還有不少問(wèn)題有待解決。比如:(1)目前對(duì)TBM施工中管片可能產(chǎn)生的山巖壓力與外水壓力認(rèn)識(shí)不足,在管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還存在一定任意性,由于山巖壓力大小與施工方法和施工速度密切相關(guān),采用TBM法這一特定工法施工,圍巖變形與山巖壓力的釋放規(guī)律還需要進(jìn)一步深入研究?，F(xiàn)在各洞段上已經(jīng)埋設(shè)了觀測(cè)設(shè)備,希望經(jīng)過(guò)資料的分析整理以后能找到一些規(guī)律。管片為拼裝式結(jié)構(gòu),對(duì)于高外水洞段作用在襯砌上的外水壓力,也需要經(jīng)過(guò)觀測(cè),進(jìn)一步積累資料;(2)經(jīng)過(guò)幾次改進(jìn),安