万家寨引黄工程管片衬砌设计与施工

万家寨引黄工程管片衬砌设计与施工

万家寨引黄工程是山西省北部中部的一项大型引水工程。主要建筑包括水库、泵站、引水孔、埋地、污水通道、pcc管道等。其中输水隧洞最长,仅一期工程中隧洞总长度达到161.3km,最大单洞长度为43.5km,无论隧洞总长度还是单洞长度在国内外均属罕见。为了尽快完成隧洞的开挖工作,引黄工程采用六台全断面掘进机(TBM)同时施工,完成的隧洞总长度为121.8km,约占全部一期工程隧洞总长度的75.5%。在引黄工程中采用TBM法施工,不但要做到安全、快捷,而且要满足防渗要求,具有良好的水密封性。国外类似引水工程,如南非莱索托引水工程,73%的隧洞为TBM掘进现浇混凝土衬砌,其余27%采用TBM掘进,矩形管片衬砌。引黄工程工期紧迫,全部隧洞要求在2～3年完成,必须做到高速掘进,为满足工期要求TBM施工隧洞全部采用了六边形预制管片衬砌,这种衬砌方式简便、快捷,但也存在一系列的缺陷,即对不良地质条件的适应性差,对施工质量比较敏感,如施工工艺控制不严,可能出现安装误差,接缝、错台超标,导致防渗性能差等。引黄工程的TBM施工可先后分为三个阶段,每个阶段均不同程度地改进了衬砌设计和施工工艺,使六边形管片衬砌技术逐步趋于完善,实现了高速度与高质量的统一。本文将简要论述六边形管片衬砌在引黄工程中的应用、发展和完善过程,供其它采用TBM施工的隧洞工程,特别是大型跨流域调水工程参考。1引黄工程tbm施工特点全断面隧洞掘进机(TunnelBoringMachine简称TBM),是一种靠旋转并推进刀盘,通过盘形滚动刀破碎岩石,从而使隧洞全断面一次成型的隧洞工程施工机械,它是当今世界上公认的快速开挖隧洞的有效施工机具,它主要用于隧洞开挖,并具有许多优点。如:(1)作业人员少,掘进速度快;(2)无需考虑施工支洞,对深埋隧洞尤其有利;(3)成洞质量好,无超欠挖现象,可减少衬砌工程量;(4)施工安全,由于掘进机施工时围岩扰动小,与钻爆法比可使围岩类别相对提高一类,从而减少了塌方事故的发生;(5)掌子面附近粉尘少,有害气体含量低,改善了作业环境;(6)操作容易实现集中控制、远程控制、自动控制和无线电控制。由于掘进机具有以上优点,使得目前在隧洞施工中凡长度超800倍直径的隧洞优先考虑采用掘进机。引黄工程先后共采用了6台TBM对8条隧洞进行施工,施工隧洞总长121.8km。详细情况如表1。引黄工程的TBM施工从时间上可分为三个阶段:第一阶段:1993～1997年总干线6#、7#、8#隧洞施工,此阶段投入了1台TBM掘进机;第二阶段:1999～2001年南干线4#、5#、6#、7#隧洞施工,此阶段共投入了4台TBM掘进机;第三阶段:2000～2001年联接段7#隧洞施工,采用了1台TBM。引黄工程三个阶段的TBM施工中均采用了六边形预制管片衬砌。该类型衬砌包括:(1)六边形预制管片衬砌,即管片形状为六边形(实为拱形六边形预制混凝土构件),其宽一般为TBM的两个冲程(引黄工程总干管片宽1.6m,南干管片宽1.4m),管片安装在TBM的后护盾内进行,与开挖同步,管片结合形式为拼装咬合,4片拼为一环。由于管片为预制构件,洞外制作,掘进与安装同步进行,保证了隧洞的快速施工。(2)管片与围岩之间的回填灌浆加固圈,由于这种衬砌接缝量很大(引黄工程中每延米洞长的接缝长度为15～20m),为使山岩压力均匀传递和增加衬砌的整体性,在管片与围岩之间还充填了豆砾石,并进行水泥灌浆。尽管引黄工程的三个TBM施工阶段均采用了形状相同的六边形管片衬砌,但不同阶段均对其细部结构进行了改进和完善,加之制作和安装工艺的提高,使衬砌质量不断改进,特别是正在施工的联接段7#隧洞,主要指标满足设计要求。2类型和效果的组合2.1大合秦岩石洞段衬砌及管片安装总干6#、7#、8#隧洞的开挖直径为594cm,衬砌后内径为546cm。管片宽160cm,厚25cm,混凝土特征强度为C30。按不同围岩类别分为A、B、C型管片。管片与围岩之间充填豆砾石,再灌注水泥砂浆,间隙厚度为3～12.5cm。该洞段衬砌由意大利CMC公司沿用引大入秦隧洞设计,特点为:(1)管片纵向接缝(沿洞轴方向的接缝)采用球面接触,未设定位销或联接螺栓等定位结构。(2)采用开口护盾,底拱管片设有4个50cm×50cm×3cm的方形凸块坐落在坚实的围岩上。与此相应,衬砌圆环与开挖圆形断面之间采用非同心圆布置,底部最小空隙为3.0cm,顶拱最大间隙12.5cm。(3)土洞段设二道止水,暗止水为BW遇水膨胀止水条,明止水采用双组份聚硫胶;岩石洞段只采用Sika砂浆勾缝。(见图1)2.2管片衬砌结构南干线4#～7#隧洞开挖直径为492～482cm,衬砌后的内径为420～430cm,管片宽140cm,厚22～25cm,混凝土特征强度为C55,按不同围岩类别分为A、B、C、D型管片,管片与围岩之间先充填豆砾石,再灌注水泥砂浆,层厚9cm。与总干线相比,该洞段的衬砌结构做了如下改变:(1)管片纵缝改为平面接触,但设置了直径3.8cm的导向杆;环向缝不做导向杆,但设置直径3.3～6.0cm,长度20cm,抗拔力40kN的定位销,其目的为消除管片安装误差,提高接缝与错台的安装精度。(2)采用闭口护盾,取消了底拱管片的4个混凝土凸块,管片衬砌圆环与围岩开挖断面为同心圆,其间隙为均匀的9cm。(3)所有洞段的纵向与环向接缝均设止水条,止水条宽度分为2.2cm、2.6cm、3.3cm三种规格,采用遇水膨胀橡胶与弹性橡胶,止水条放在管片外侧(靠近围岩侧)。(见图2)2.3管片结构设计联接段7#隧洞开挖直径为481.9cm,衬砌后的内径为414cm。管片宽140cm,厚25cm。混凝土特征强度为C45,按围岩类别分为B1、B2、B3型管片。管片与围岩之间先充填豆砾石,再灌注水泥砂浆。联接段7#隧洞衬砌设计是在总结总干线与南干线衬砌经验的基础上进行的,加之施工工艺逐步提高,工程质量取得了明显改进。(1)保留了纵向接缝上的导向杆与环向接缝上的连接销。定位销直径为3.76～4.12～60cm,长度20cm,要求抗拔力不小于60kN,抗拉强度和抗剪强度不小于40N/m⒝和20N/m⒝。(2)恢复为开口护盾,底座管片上设有4个40cm×40cm×3.5cm方形凸块,使底管片座落于坚实的围岩上,管片与围岩之间最小间隙为3.5cm,顶部最大间隙为14.4cm。(3)将止水条位置从管片外侧移至内侧(靠近过水侧),并增加了止水条的压缩量,使管片间紧密接触。(见图3)以上三种衬砌结构安装的有关质量指标如表2、表3。由表2、表3不难看出:从总干线(Ⅰ)到南干线(Ⅱ)再到联接段(Ⅲ),安装质量逐步提高。总干线6#、7#、8#洞的错台多大于0.5cm,最大处错台达10cm,占管片厚度的40%,已严重影响结构的安全。接缝合格率也较低,施工结束后发现9877处渗水,主要是接缝处渗水。为了克服这些缺陷,工程完工后又不得不投入了大量资金进行了缺陷修复。而到南干线,安装质量有了一定改善,以南干4#洞为例,错台合格率达99.46%,最大错台高度小于4cm,纵向和环向接缝合格率也明显提高。现在正在施工的联接段7#隧洞,错台合格率100%,接缝合格率也接近90%～99.7%,不合格缝大部分集中在侧管片顶部纵缝,而顶纵缝处于设计水面以上,对运行无实际影响。3一些体验的经验引水工程如采用TBM法施工、六边形管片衬砌,要着重把好以下几个环节:3.1管片衬砌结构采用TBM法掘进,六边形管片衬砌的引水隧洞,由于接缝多,如做不好止水,不能有效防止渗漏,不但造成水量损失,而且会恶化围岩地质条件,影响结构安全。国内外TBM与盾构法施工隧洞的经验证明,只要止水设计得好,可以做到基本不漏。国外采用TBM或盾构施工的隧洞多用于交通,止水目的是防止贮存于围岩中的地下水渗入洞内(外水内渗),溶蚀围岩,影响衬砌结构稳定,习惯把止水条放在管片外侧(近围岩侧)。引黄隧洞用于输水,除特殊的高外水洞段外,止水目的是防止洞水渗向四周围岩(内水外渗),因此止水应放在上游面即管片内侧。南干线4#～7#隧洞的国外咨询机构套用交通洞的惯用做法,也把止水条放在外侧是不合理的。另一方面,六边形管片衬砌是利用管片自重自锁的嵌坎结构,而仅靠管片自重,部分接缝特别是纵向接缝完全做到紧密结合比较困难,如果止水在内侧,止水条以外的接缝面可以在灌浆过程中由水泥砂浆充填保证衬砌的整体性。而把止水条放在外侧,水泥浆无法进入止水条以里的接缝面,形成事实上的不稳定结构。联接段7#洞把止水条移到内侧,效果十分明显。除此,为防止由于接缝超差导致止水条接触不紧,止水条凸出部分的高度宜适当大一些,可压缩性能要再好一些。3.2管片加固圈的确定管片与围岩间隙的灌浆是管片衬砌设计的重要组成部分,其作用至少有以下三方面:(1)通过灌浆及时填充管片与围岩之间的空隙,可以控制围岩变形的发展,减少山岩压力,有利管片结构稳定;(2)管片衬砌属于拼装结构,通过灌浆在其周围形成稳定的加固圈有利于增加管片的整体稳定性;(3)可以作为对衬砌的结构安全储备和防止内水外渗的第二道防线。注浆所使用的材料与工艺要与TBM的掘进速度相适应。盾构采用闭口护盾,按同心圆设计,在管片与围岩之间形成等厚的注浆结石层,其关键是掘进速度慢(10m/d左右),灌入浆液能及时凝固。引黄采用的硬岩掘进机平均月进度在1km以上,最高日进度曾达113m,注浆严重滞后掘进,采用先回填豆砾石再灌水泥浆的二步法是必然选择。南干线施工后期和联接段7#洞的实践证明,只要严格控制施工工艺,必要时采用重复灌浆,二步法也可以做到“满填漫灌”,所形成的结石层强度可以达到C10以上,渗透系数均大于10-6～10-7cm/s,从而在管片周围形成了一个稳定的,具有一定强度和抗渗能力的加固圈。3.3底管片下沉严重影响整体安装质量如果采用闭口护盾,底管片放在未经灌浆固结的砂砾石上,掘进机通过后会由于底管片下沉导致侧管片和顶管片的位移,影响整体安装质量。除此,采用开口护盾能及时清理沉积在底管片下的石粉,还有利于提高灌浆质量。3.4tbm施工中管片存在的问题由于高速掘进的要求,六边形管片无法用盾构工程中常用的螺栓连接,给管片准确定位和连接带来困难,在纵向接缝上采用定向杆和在环向接缝上采用连接销,可以替代螺栓加固,取得比较好的效果。经过大量工程实践,万家寨引黄工程在TBM法施工,六边形管片衬砌上取得了一些经验,但至今也还有不少问题有待解决。比如:(1)目前对TBM施工中管片可能产生的山岩压力与外水压力认识不足,在管片结构设计方面还存在一定任意性,由于山岩压力大小与施工方法和施工速度密切相关,采用TBM法这一特定工法施工,围岩变形与山岩压力的释放规律还需要进一步深入研究。现在各洞段上已经埋设了观测设备,希望经过资料的分析整理以后能找到一些规律。管片为拼装式结构,对于高外水洞段作用在衬砌上的外水压力,也需要经过观测,进一步积累资料;(2)经过几次改进,安