浅析多级泵送技术在长距离小断面水工隧洞衬砌施工中的应用

浅析多级泵送技术在长距离小断面水工隧洞衬砌施工中的应用

郑晶晶

云南建投第一水利水电建设有限公司，云南昆明650000

摘要：中小型水库引水隧洞断面普遍较小，加之云贵高原地形陡峻，场地受限，交通困难，为加快施工进度，控制施工成本，保证施工质量，需要采取特定的施工工艺，特别是长距离小断面水工隧洞，衬砌量小，通风困难，混凝土运输难度大，选择合理的混凝土运输及入仓方式对于加快工程进度保证施工质量尤为重要。黑石罗水库灌区工程共计16条引水隧洞，隧洞全长11.75km，衬砌断面为城门洞型，为加快隧洞衬砌施工进度及改进施工工艺，同时提高混凝土施工质量，特以标水岩隧洞为代表，研究创新多级泵送技术在小型水工隧洞衬砌施工中的应用。

关键词：水库；多级泵送技术；小断面隧洞；衬砌

Analysis of the application of multistage pumping technology in the construction of long distance small section hydraulic tunnel lining

Abstract:Small and medium-sized reservoir persion tunnel section is generally small, combined with Yunnan-gui plateau steep terrain, limited site, traffic difficulties, in order to speed up the construction progress, control the construction cost, ensure the construction quality, need to take specific construction technology, especially the long distance small section hydraulic tunnel,small lining,ventilation,concrete transportation difficulty, choose reasonable concrete transportation and way into the warehouse to speed up the project progress to ensure construction quality is particularly important.Black stone reservoir engineering irrigation project a total of 16 persion tunnel, tunnel length 11.75km, lining section for the gate type, in order to speed up the tunnel lining construction progress and improve the construction technology, and improve the quality of concrete construction, represented by standard water rock tunnel, research innovation multistage pumping technology in the application of small hydraulic tunnel lining construction.

Key words: Reservoir; multi-stage pumping technology; small-section tunnel; lining

引言

标水岩隧洞全长3010m，衬砌断面1.6×2.15m，针对小洞径水工隧洞混凝土衬砌施工特点，实践确定采用多级泵送技术+跳仓结合连仓浇筑的方法完成隧洞衬砌施工，此方法从施工进度、安全、质量等方面综合优化了洞内混凝土运输及入仓困难的施工难题，经过实践总结出应对小型水工隧洞衬砌的流水作业施工技术，实践证明该方案从混凝土施工安全、质量、进度方面均取得了良好的综合效益。

一、综合概况

1、工程概况

黑石罗水库工程位于昭通市昭阳区，主要由枢纽工程及渠系工程组成，渠系工程由总干渠、靖安分干渠与青岗岭分干渠组成，渠系工程共计16条隧洞，其中标水岩隧洞位于总干渠，长度3010m，无施工支洞，是渠系工程中最长的隧洞。标水岩隧洞位于洒鱼乡与靖安乡的边境处，隧洞全长3010m，隧洞坡降1/1000，进口底板高程1981.774m，出口底板高程1978.749m。隧洞断面形式为120°圆拱直墙。设计流量为2.9m³/s，设计流速为1.334m/s，设计水深1.358m。洞身衬砌断面分为两类，Ⅰ类衬砌厚度35cm，Ⅱ类衬砌厚度25cm，衬砌后断面为：宽度为2.3m，高度为2.6m。隧洞采用C25钢筋混凝土衬砌，隧洞每隔12m设一道施工缝。在顶拱120°范围内回填灌浆，灌浆压力采用0.2～0.3MPa，回填灌浆深入基岩10cm，灌浆结束后沿灌浆孔钻孔深入围岩3m作为排水孔。

2、设计技术要求

根据《云南省昭通市黑石罗水库渠系工程标水岩隧洞设计施工技术要求》、《标水岩隧洞技施图（HSL-JS-GQ-SG-标修01~02）》，标水岩隧洞衬砌混凝土设计技术要求如下：

1）混凝土强度等级C25；

2）混凝土级配：二级配；

3）混凝土厚度：Ⅰ类35cm、Ⅱ类25cm。

4）施工缝布置：每隔12m设置1条施工缝，缝间采用BW-II型止水条止水，填充两毡三油。

图1

二、混凝土配合比设计

混凝土配合比采取委托试验的方式进行，根据工程配合比试验的成果及实际情况进行配合比的试配工作，进行C25泵送混凝土的试配。

表1 混凝土设计要求统计表 

结合标水岩隧洞结构断面、钢筋间距、浇筑方法、运输距离和方式、振捣能力、气候环境等条件确定混凝土坍落度，混凝土坍落度根据《水工混凝土施工规范》SL677-2014中表6.0.5混凝土在浇筑时的坍落度选用，本工程泵送混凝土的坍落度选用140～220mm，在高、低温季节浇筑混凝土时，其坍落度可根据实际情况酌量增减。混凝土试块成型采用机械拌和、人工插捣、振动成型，养护采用标准养护。

根据施工技术要求粗骨料粒径为5mm～20mm和20mm～40mm二级配，为保证粗骨料在混凝土中的最小空隙率，保证混凝土的密实性，耐久性。通过试验确定粗骨料的最佳掺配比例，采用紧密堆积密度试验确定最大密度，达到最小的空隙率，即为粗骨料最佳级配。

混凝土配合比设计完成后模拟泵送施工状态进行了混凝土试拌制和长距离泵送试验，经试验在不影响混凝土性能和和易性的情况下，最大泵送距离为1200m，满足施工需求，选择该配合比作为施工配合比。该配合比所使用砂石料均为饱和面干状态，施工过程中要求施工人员加强骨料的跟踪检测，及时掌握骨料的变化情况，对施工配合比用量进行调整，重点控制细骨料的表面含水率及骨料的超逊径含量调整。

表2 混凝土推荐施工配合比

三、设备选择

标水岩隧洞长度3010m，因无施工支洞，为缩短混凝土泵送距离，采用进出口两个工作面施工，最大泵送距离1505m，设备选择需结合泵送距离设备功率、效率及用电负荷等因素，施工前期业主在隧洞进出口各设置有1台315KVA变压器，因工程位置远离村庄，搭设施工用电成本高，用电负荷不能超出变压器荷载，同时不考虑增加变压器，结合设备参数，最终选定采用240KW的柴油输送泵作为一级泵，110KW电动输送泵作为二级泵，一级泵最大泵送距离1000m，二级泵最大泵送距离505m。考虑隧洞排烟困难及混凝土输送泵尺寸问题，一级泵安装在隧洞出口位置，二级泵安装在隧洞内，施工需要的主要设备如表3。

表3 施工设备统计表

四、混凝土多级泵送施工工艺

1、混凝土施工总体工艺

根据以往施工经验结合实际情况，隧洞混凝土浇筑方式为：底板连仓浇筑，边墙流水跳仓浇筑，浇筑顺序自洞内往洞外进行；混凝土运输方式采用二级泵送方式，一级泵功率240kw，选择柴油泵机，最大工作泵送距离1000m，设置在隧洞口拌合站旁，拌制好的混凝土直接溜槽入泵机，二级泵功率110kw，选择电动泵机，最大工作泵送距离505m，设置在隧洞内距离洞口1000m处。混凝土按照12m为一仓进行分仓，先进行底板混凝土浇筑后进行边墙混凝土浇筑。根据混凝土浇筑效率（15m³/小时）、单仓混凝土方量（底板9.7m³，边墙15m³），经现场试验，选择出最优浇筑方式：混凝土底板以15仓为一流水段，采用连仓浇筑方式；边墙以10仓为一流水段，采用跳仓浇筑，首先进行基数仓浇筑，其次进行偶数仓浇筑，钢筋制安结合混凝土浇筑情况适时进行，隧洞开挖隐蔽工程验收通过后，进行垫层混凝土浇筑，随后进行钢筋安装，每一混凝土浇筑仓长度为12m，从洞内向洞外以15仓为一流水施工段单向连续进行。

混凝土浇筑工艺流程为：施工准备→清理基面→基面验收→混凝土垫层施工→二次基面清理及验收→钢筋制安→模板安装→堵头模板和止水安装→仓面验收→混凝土浇筑→等强→拆模→养护→下一循环。

2、模板安装工艺

为提高模板安装效率及提高混凝土外观质量，边墙模板安装采用移动支架配合定制模板方式进行，模板采用自制大块木模板，单块模板规格4m×1.78m，厚度5mm，洞两侧对称安装，每块模板设置挂钩和支撑方木，便于拆卸和与支架连接，模板采用定制移动支架支撑，移动支架采用方钢定制，每1.2m为一组，支架与模板间采用顶托支撑，每个支架底部设置4个滑轮，底板沿洞轴线设置两条轨道，轨道采用角钢铺设，模板与支架之间设置相应挂扣，利用顶托螺杆调节模板与钢筋的距离，拆模时，回旋螺杆使模板脱离混凝土面50cm（便于模板清理及涂刷脱模剂），最后将模板拆除后挂在支架上整体移动，用人工将每段模板分别转移至下一仓位置进行拼装，再进行加固处理。

两侧模板在中间部位设振捣口，振捣口每隔6m设一个，每侧2个，每仓共设4个，两侧振捣口尺寸：0.3m×0.3m。振捣采用插入式振捣器辅以附着式振捣器振捣。根据施工进度及施工分段安排，自制10套模板，便于混凝土浇筑循环施工，每套模板长度设计为12m。在厂临时加工厂制作完成校准后运输到洞内现场拼装。模板在使用拆模后，应及时清洗干净，清除固结的灰浆等脏物，安装前应在表面涂刷脱模剂，使模板光洁平整。

3、基面清理及垫层施工

对照设计图纸及施工技术要求，对设计开挖尺寸进行复核，着重检查超欠挖情况，存在欠挖的部位在基面清理时及时用人工风镐凿除。①底板的清理：底板清理时要求松渣全部清除，积水抽排干净，并将底板清洗干净。在钢筋安装之前，将垫层面上的杂物、泥土、清除，并将底板冲洗干净。②边顶拱的清理：将岩基面上的杂物、泥土及松散岩石清除并冲洗干净，保持基岩面清洁和湿润。如遇需要进一步处理的破碎带，则按监理工程师下达的指令完成。底板超挖部位混凝土垫层在基面清理干净后进行施工，采用衬砌同标号混凝土回填处理，做到振捣密实。

4、钢筋制安施工工艺

配筋采用在钢筋加工厂制作、现场安装。其种类、钢号、直径均按设计配筋图规定执行。采购、进货一定要经过复检试验合格后，方进入加工厂加工制作。

（1）钢筋安装程序：打孔安装插筋→测量放线→安装外层架立筋→安装外层主筋→安装内层架立筋→安装内层主筋→检查合格进入下一工序。

（2）钢筋安装的位置、间距、保护层及各部位尺寸的大小，符合施工图纸规定，其安装偏差不得超过施工规范规定。特别是保护层控制，拟采用在钢筋与模板之间设置强度不得低于结构设计强度的混凝土垫块。

（3）钢筋的塔接和焊接按照施工规范及设计要求执行。有接头的钢筋，其接头位置错开。搭接焊接搭接长度不小于10d。

（4）当金属埋件安装与钢筋发生矛盾和干扰时，合理协调好，并征得工程师同意，原则上是优先满足埋件安装位置，适当调整钢筋间排距，但设计根数不变。

5、止水及伸缩缝施工工艺

（1）BW型止水条施工

1）止水条连接采用搭接方式，搭接长度不小于20cm；

2）在混凝土上布置一个止水槽，将止水条用水泥钉固定的混凝土上，要示止水条平直无弯曲；

3）安装止水条前，混凝土面应干净平整，无松碴。

（2）、混凝土浇筑过程中的止水保护

1）浇筑混凝土时，安排专人看护止水带，防止人为践踏、下料或振捣等原因导致止水带折扭、偏移，如发现折扭、偏移，即时纠正。

2）混凝土下料时远离止水带，防止下料碰撞。采用振捣器或铲、锹等平仓；对竖向止水两侧同时进行，防止两侧高差过大；对水平止水平仓时先保证止水下面混凝土密实，再浇止水片上面的混凝土，防止止水片下部脱空。

3）采用φ50软轴振捣器在止水周围振捣，确保混凝土密实。

6、混凝土浇筑施工要求

6.1混凝土运输

做到连续、均衡、快速、及时地泵送至仓面。因故中途中断时，及时将导管中的混凝土清除干净。泵送混凝土过程中，经常使混凝土泵转动运行，以免导管堵塞。在正常温度下，如间歇时间过长（超过60分钟），将留在泵管中的混凝土排除，并加以清洗。

6.2混凝土下料平仓振捣

1）主要为混凝土泵送入仓，因此要求仓面平仓振捣作业必须与泵送浇筑能力相匹配，其确保混凝土施工质量。

2）混凝土浇筑仓面面积较小，仓面振捣按下料顺序进行，以免造成漏振，确保混凝土浇筑质量。浇筑时，在钢模台车上布置入料口和振捣孔，确保混凝土不出现漏振，并及时封堵预留孔口。

根据混凝土浇筑能力、进度和质量的要求。浇筑采用平铺法施工，每个浇筑仓面配备3－4台φ50型手持式振捣棒进行振捣，在模板上安装附着式振动器进行混凝土的振捣。

浇筑混凝土时，严禁在仓内加水。当混凝土和易性较差时，采取加强振振捣等措施。仓内的泌水必须及时排除，应避免外来水进入仓内，模板、钢筋和预埋件表面粘附的砂浆应随时清除。

混凝土浇筑应保持连续性，因故超过混凝土间歇时间，但混凝土能重塑者，可继续浇筑；不能重塑者，按施工缝进行处理。

3）混凝土振捣时应按以下要求施工：

① 振捣器插入混凝土的间距，不超过振捣器作业半径的1.5倍；

② 振捣器应垂直按顺序插入混凝土，间距一致，防止漏振；

③ 振捣器应插入下层混凝土5cm左右；

④ 严禁振捣器直接碰撞模板，钢筋及预埋件；

⑤ 浇筑块第一层、卸料接触带和台阶边坡混凝土应加强振捣。

7、混凝土养护

（1）在混凝土浇筑完毕后6～18h及时对混凝土表面进行湿润养护，养护时间不少于28d。需要持续养护的要延长时间。

（2）养护方法：对于混凝土侧面可采用挂水管喷水等方法养护，确保混凝土表面经常湿润状态。

五、质量控制要点

小断面长距离隧洞混凝土施工中质量控制要点为混凝土的浇筑质量控制，由于隧洞较长采用机械运输方式时间长，混凝土质量不能保证，混凝土入仓前的质量保证是长距离隧洞混凝土浇筑的的控制重点。采用多级泵送工艺能缩短混凝土运输时间，同时优化施工配合比，通过添加外加剂达到提高混凝土和易性的目的，确保长距离泵送混凝土的入仓质量。混凝土输送泵的选型也是工程质量控制的要点之一，泵机功率、输送效率、混凝土损耗率等都制约着工程进度和效益，在设备选型时要综合考虑以上因素。同时小断面隧洞单仓浇筑量小，采用连仓或跳仓浇筑的方式施工时，需确保混凝土浇筑的连续性，这对泵送混凝土的拌制质量有更高的要求，施工过程中必须严格按照施工配合比进行混凝土拌制，需有专人负责进行监督拌制，同时重点控制原材料的质量，混凝土开盘前对砂石骨料含水率的检测必须严格进行。混凝土施工完成后，由于洞内通风条件差，空气循环率低，为减少水化热对混凝土的影响，避免开裂，在拆除模板后需对混凝土表面采取洒水降温养护措施。

六、结论

针对水工隧洞断面小、单仓浇筑方量小、混凝土运输困难的特点，通过多方案比较，最终选择本方案。结合工程实际特点，选择拌合站建在隧洞出口，采用两级泵泵送入仓方式，解决了洞内混凝土运输困难，成本高的困难；采用底板连仓、边墙跳仓浇筑的方式进行混凝土浇筑，解决了小断面隧洞当仓浇筑量小效率低、进度慢的问题。本方案在黑石罗水库工程标水岩隧洞洞内混凝土衬砌施工中得到验证及推广，其余隧洞混凝土浇筑均采用该方案，在实践过程中不断的优化方案，降低了施工成本，施工进度得到相应提高，本方案对相似小断面水工隧洞混凝土衬砌起到一定指导作用。

参考文献：

[1]水工混凝土施工规范SL677-2014 中国水利水电出版社.

[2]小直径长距离引流洞混凝土衬砌方案浅析 代辉，技术与市场，2016，第8期.

[3]钢模台车在小断面长距离隧洞混凝土衬砌中的应用 高艳海，四川水利，2015，第2期.