隧洞渐变段混凝土衬砌方案研究

隧洞渐变段混凝土衬砌方案研究

吴见黄

中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司 湖北 宜昌 443000

摘要：乌东德水电站隧洞渐变段施工质量要求高，工期紧，地质条件变化较大等特点，需要大仓位浇筑，为解决施工进度及质量要求，根据施工情况对施工方案做了多次调整，提出最优施工方案，保证了渐变段施工质量及施工进度，减少了工人的劳动强度，提高了生产效率，节约施工费用。

关键词隧洞；渐变段；混凝土；衬砌方案

1工程概况

乌东德水电站在左岸地下电站布置了6条引水隧洞，进口位置设计有进口渐变段，渐变段紧接进水塔下游布置，顺流向轴线长度为20.12m，由城门洞型渐变为圆形断面，上游结构衬砌后净断面尺寸为9.6×15.3m，下游结构衬砌后净断面为直径13.5m的圆。渐变段底板及边墙衬砌厚度为2m，顶拱衬砌厚度为2m～4.1m。

左岸泄洪洞工程布置了3条泄洪洞，泄洪洞有压段进口位置设计有渐变段，渐变段紧接进水塔下游布置，顺流向轴线长度为25.88m，由城门洞型渐变为圆形断面，上游结构衬砌后净断面尺寸为10.0×17.0m，下游结构衬砌后净断面为直径14.0m的圆。渐变段底板及边墙衬砌厚度为2.5m，顶拱衬砌厚度为2.5m～4.4m。泄洪洞有压段尾端位置设计有出口渐变段，紧接工作闸室上游布置，顺流向轴线长度为36.5m，由圆形渐变成为矩型，上游结构衬砌后净断面尺寸为半径14m的圆，下游结构衬砌后净断面尺寸为14×10.35m的矩形，衬砌厚度均为2.5m，泄洪洞无压段起始位置设计有渐变段，紧接工作闸室下游布置。由矩形渐变成为城门洞型，上游结构衬砌后净断面尺寸为14m×16.5m，下游结构衬砌后净断面尺寸为14×18m，衬砌厚度为2m～3m，沿洞轴线坡比为3%。

2、主要施工方案

2.1、钢管排架支撑体系

顶部支撑体系主要采用满堂钢管排架作支撑，上部铺设型钢主次梁及型钢拱架，最后铺设定制钢模板。排架间排距按照0.5m×0.75m（双立杆）进行控制，步距为1.2m，间隔5-6跨设置剪刀撑，剪刀撑宽度按照5跨左右设置，按照≯6m间距设置水平剪刀撑，剪刀撑宽度为5m。钢管排架与圆弧底板相交处设置垫块垫平。主、次梁均为I16工字钢，工字钢主梁根据钢管排架位置进行布置，主梁上部按照70cm（具体见附图所示）左右布置I16工字钢次梁，次梁上部按照排架间距布设由[8槽钢加工成型的型钢拱架。所有支撑体系材料配置一套进行周转使用。

2.2、四管柱支撑体系

四管柱安装在隧洞进口渐变段底板上，局部不平整的地方采用钢垫片垫平，两侧圆弧段底板四管柱安装前，先利用底板C25插筋对底座进行加固，同侧四管柱底座采用钢筋连成整体。四管柱由下至上逐节安装，逐节加固，采用25t吊车进行吊装，搭设过程中需保证垂直度允许偏差控制在L/350以内且最大偏差不得＞5cm。四管柱整体搭设最大高度13.63m，采用“3根3m+2根2m+1根0.63m”的组合型式，为保证四管柱的整体稳定性，四管柱每2m高设置顺水流向和垂直水流向连接撑，每4m～5m间排距设置顺水流向和垂直水流向剪刀撑，每6m设置一道水平剪刀撑，剪刀撑及连接件采用A48钢管施工，上下四管柱采用钢管扣件连接，部分四管柱需与边墙采用连墙件固定牢固，连墙件采用“M30定位锥+A30丝杆+A48钢管”与四管柱连接，钢管与丝杆和四管柱之间采用扣件连接。四管柱的安装，应注意检查连接板螺栓数量以及紧固情况，且必须连接4个螺栓。

2.3、十字盘支撑体系

Φ70十字盘搭设间排距为0.9m（横向）*1.2m（纵向）*1.5m（高度），主要操作步骤：十字盘支撑架基础验收→施工测量定位→安装可调底座调至设计高度→安装立杆、横杆→安装扫地杆→安装斜杆、水平斜杆→水平尺校正水平和垂直→安装立杆连接件→安装上一步立杆、横杆→安装斜杆、水平斜杆→安装可调顶托、调至设计高度→安装梁底主龙骨→安装梁底次龙骨→铺设顶板操作平台→安装顶板十字盘支撑架→架体与结构支顶安装→十字盘支撑架验收。

2.4、钢桁架、十字盘支撑体系

渐变段混凝土施工的顶板支撑体系设计为“钢桁架+十字盘排架”施工方案。

（1）钢牛腿

每个钢牛腿采用2个M42定位锥进行加固，采用一台自带吊篮的25t吊车作为安装设备，人工配合进行安装，钢牛腿安装后应紧贴墙面。

（2）帽梁

①钢牛腿与钢桁架间设置帽梁，帽梁型式为2根16工字钢，工字钢上翼板间隔焊接，焊缝长度10cm，焊缝高度5mm，间距50cm。帽梁安装后与钢牛腿之间的缝隙用钢板垫实。

②帽梁与钢牛腿的连接

钢牛腿顶部帽梁采用焊接方式与钢牛腿连接，焊缝长度3cm、焊缝高度5mm，帽梁与钢牛腿用φ14钢筋环加固。

③帽梁设置限位结构

帽梁顶部架设钢桁架位置两侧各焊接一根5cm长Φ22钢筋对钢桁架进行限位，钢筋与帽梁焊接3cm、焊缝高度5mm。

（3）钢桁架系统

①桁架采用25t吊车进行吊装，并在钢桁架一端设置缆风绳，保证吊装过程中钢桁架的稳定性。在安装钢桁架过程中，加固和防护设施及时跟进。

②钢桁架间加固：钢桁架间采用φ48水平钢管将所有根据连接成整体，上下游两侧的两榀钢桁架间增加4道十字剪刀撑进行加固，剪刀撑材料采用φ48钢管，焊接于桁架竖向杆件上即可，焊缝长度6cm，焊缝高度3mm。

③钢桁架上弦杆固定：钢桁架上弦杆两端用木楔子与墙面顶紧。

④钢桁架顶部设置封闭平台。钢桁架顶部满铺竹跳板或钢跳板形成封闭平台，所有跳板铺设后立即绑扎牢固。

3、方案比选

根据现有较为成熟的施工技术，隧洞渐变段顶拱支撑体系可采用扣件式满堂排架（φ48钢管）、四管柱、十字盘排架（φ70钢管）及钢桁架+十字盘排架四种方案。四种方案详细实施后对比如下：

（1）排架参数对比

根据渐变段段最大浇筑厚度（4.5m）可计算出支撑体系最大荷载为16.5t/m2，根据新版脚手架规范（《建筑施工扣件式脚手架安全技术规范（JGJ130-2011）》）要求，扣件式排架需设置双立杆才能满足承载能力要求。经计算，两种排架搭设参数如下表：

（2）受力情况对比

本次支撑体系施工最危险构件为立杆，对于四种方案，其受力情况如下表：

立杆受力分析

根据现场实验，传统扣件式排架单根立杆（A48钢管）可承受3.28t荷载，单根十字盘排架立杆可承受约15.4t荷载，由表可见十字盘排架和四管柱竖直承载能力安全系数较高。

（3）经济分析

根据相关设计方案，四种支撑体系分别如下表：

材料用量及机械人工投入

根据上表分析可知，对于单条渐变段段，十字盘排架价格稍贵。另外两种排架性能及施工难度比较如下表：

总结：传统扣件式排架搭设具有钢管密度大，占用材料多、人工多及时间长等特点，同时排架拆除也需要占用时间和人工，且排架多是分层组合的，对受力也有一定的限制。从而排架支撑顶模的方式对施工进度及质量有一定的影响，结构灵活，但可靠性差，承载力受节点影响大，架设工作量和劳动强度大，且施工工效低。十字盘排架在搭设施工快捷便利、缩短搭设时间，节点稳定性好，节点承载力小，整体可靠性高，损耗小，工作效率高，承载力大，可靠性高损耗小，架设灵活，无零配件、运输、储存方便，可重复使用，经济效益较高。立杆材质为Q345，强度大；整个体系标准化程度高，构配件少，安装拆除方便快捷，仅用一把锤子即可安装完成；可整体吊装转运，减少重复拆装的人工及产品的损坏；钢桁架+十字盘排架，除了上述所有优点外，可以满足机械、人员通行需求；四管柱搭设施工快捷便利、缩短搭设时间，整体可靠性高，安全系数高，工作效率高，承载力大，架设灵活，可利用旧的脚手架钢管现场加工。可重复使用，经济效益较高；可整体吊装转运，减少重复拆装的人工及产品的损坏；可以满足小型施工机具、人员通行需求。

（4）其他对比分析

传统排架搭设间排距较密，测量放样难度极大，且文明施工形象差。四管柱、十字盘排架搭设间排距较宽，测量放样难度相比较小，文明施工形象较为良好。

4、结论

上文中从受力分析、经济分析、施工进度、施工难度、施工文明形象等方面对传统扣件式排架、十字盘排架、四管柱、钢桁架+十字盘排架进行了分析，对于大厚度顶拱混凝土一次性浇筑情况，十字盘排架、钢桁架+十字盘排架价格稍贵。四管柱在其他各方面均优于扣件式排架、十字盘排架、钢桁架+十字盘排架。

参考文献：

[1]张开广；盛信平；刘待云；任崇峰；刘龙兵；商永红等发明专利：组合四管柱式顶模支撑系统的制作方法

[2]建筑施工手册编委会．建筑施工手册［S］. 5 版．北京：中国建筑工业出版社，2012．

[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室．理论力学：高等教育出版社，2009年

[4]《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）中国建筑工业出版社出版2017年；

[5]《混凝土结构工程施工规范》（GB50666-2011）北京中国建筑工业出版社，2011；

[6]《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术标准》（JGJ/T231-2021）北京中国建筑工业出版社，2021。