地下工程 浅谈水工隧洞混凝土钢衬施工技术应用 赵素刚 武 斌 偷 红／中国水利水电第十三工程局有限公司 ｃ （）ｏｃ婚（砷ｃ时ｏ－ｃ ｏ０（砖（ ＜）Ｃ ００＜ （）０＜＞ｏｏ０ｏｏｃ．ｏｏｏｏ０Ｃ ｏｏｏ００ｃ＇。＜＞＜＞ｏ＜＞Ｃ时Ｃ岭（ ◇ｏ＜心Ｃ ｏｏ（ ｃ 【摘 要】水工隧溺混凝土钢衬施工，采用合理的钢管运输 焊接、定位方案，合理的浇捣顺序，采保证钢 衬施工质量， 以迭到隧洞钢衬施工连贯、安全的璃的。 —鼍一 － －蔓纛 量 攀 簟焉 誊 ｊ 【关键词】钢对安装 钢衬焊接 ０混凝土浇捣 一 。瑟 煮誉冀∞麓 黪 奠曩麓 篓一一磐 曩曩ｌｌ一¨¨纛。 一 １ 前言 Ｉ．ＸＢ供水工 施 二标包含４条隧洞，令长４０６０ｍ。 ４条隧洲均为彳丁 隧洞。有压引水隧洞在隧洞进出【ｌ】以及 围岩稳定性差的地段衬砌设置为钢衬结构形式。该标段隧 洞围岩类型以Ⅳ类 为毫，Ⅳ类围岩初期支护半径为 ３．５０ｍ．钢衬外壁半径为２．９２ｍ。由于隧洞施工空问小，人 ２主要施工方案 ２．１ ｒ＝艺流 确定混凝 配合比一钢衬段钢筋绑扎一洞内运输一一 洞内钢衬安装就位一焊缝打磨除锈一洞内钢衬焊接一质 垃检查一钢衬防腐施工一混凝ｆ：浇捣一回填灌浆一接触 灌浆一榆查验收。 Ｌ１径钢衬施１ 成为隧洞衬砌施工的难点。钢衬施一Ｔ 包含钢 衬安装及钢衬与初期支护表面之间混凝ｔ填充两部分。钢 衬安装的钢管直径较人（内径５．８ｍ，罐厚２０ｒａｍ，为加助 环钢管），重 较承（单 重量９．９ｔ），钢管就位需铺设轨 道进行运输 安装；钢符与初期支护表面之问衬砌混凝上 厚度根据围岩类 分为Ⅳ类围岩５８ｃｍ和Ｖ类 岩６８ｃｍ两 种，没单层钢筋。钢衬安装及钢衬混凝土施 】 时需注意钢 管的定化和混凝１：撤捣。如何定位和固定钢管，避免浇筑 混凝卜时发乍移动现象，振捣时保证钢管下部混凝 ｔ密实， 是施工中的关键点。钢僻衬砌断面见图１。 初期支护内 ２．２混凝Ｊ：配合比要求 选定的设计配合比心报峪 批准后执行，并经由业 Ｅ、设计、监理、承包人参加的现场施工配合比会议验 证。每立方米混凝土原材料ＬｌＪ的总碱含量应不大ｊ： ３．Ｏｋｇ，并满足以下要求： （１）宜选用中砂，混凝土胶砂率 为４Ｏ ～４５ 。 （２）混凝士水胶比控制在０．４５以Ｆ（含）。 （３）混凝土中的氯离子含量小人ｊ：０．０６ 。 （４）混凝土中不应采用碱活性骨料。 （５）泵送混凝土出机坍落度宦控制在１６０ｍｍ± ３０ｍｍ（仰拱）、１８０ｍｍ±３０ｍｍ（边顶拱）。混凝土拌和 物的坍落度经时损失不应影响混凝土的正常施工，泵送 混凝土拌和物的坍落度经时损失不人ｒ ３０ｍｍ／ｈ。 设计混凝ｆ 标号为Ｃ３５Ｗｌ２Ｆ２００，混凝土终凝时问 得超过２４ｈ，初凝时 （厚度大丁５００ｍｍ小于 １Ｏ００ｍｍ）要求在１２ｈ以ｌ二。针对此要求，承包人对该 ②中１ ６＠２００ 配合比进行了详细设计。经过细致严密的试验最终获得 ｒ满足要求的配合比。 ・图１钢管衬砌断面图 ２１ ・ 地下工程 ２．３ 安装准备 （１）轨道安装：隧洞内铺设钢衬运输轨道，根据钢 衬直径５８００ｍｍ确定轨距为２．８ｍ，轨道材料采用１５ｋｇ／ｍ 的轻轨，两轨道之间用角钢连接，连接角钢间距按３ｍ 布置，以加固轨道，保证轨道稳定不变形，不影响洞内 钢衬运输车运行的稳定性。运输车为根据实际施工需要 自己制作的设备，沿轨道运行，四角有千斤顶，可控制 钢衬就位、调整钢衬安装高度。 由于管节较重（单节钢衬９．９ｔ，每个安装单元近 ２０ｔ），为保证运输中轨道不发生变形与断裂，轨道底部 浇筑１５ｃｍ厚混凝土垫层；为防轨道发生位移，间隔用 膨胀螺栓固定轨道。 （２）洞内主动力线路、照明线路在距离地面１．５ｍ 的洞壁上布置妥当，卷扬机、电焊机、通风及空压机设 备等布设就位。 （３）洞内钢衬运输车试运行完毕。 （４）该标段隧洞为浅埋隧洞，洞内几乎无渗水，如 局部出现裂隙渗水，采用灌浆防水处理。 （５）钢衬始装节测量完毕。测量数据（包括始装节 的安装起始桩号、中心轴线及高程）已经标记完成。 ２．４吊装就位及洞内运输 卷扬机选择：每节钢衬与台车总重量约１０ｔ，台车 与轨道之间为滚动摩擦。该标段隧洞坡度为４％０～１２％。， 轨道和运输车轮子均为刚性材料，运输车在轨道上移动 需要克服最大静摩擦力和滚动摩擦力。根据最大静摩擦 力计算公式，一ｕＦＮ（ｆ为最大静摩擦力，“为摩擦系 数，ＦＮ为正压力，由于纵坡非常小，纵坡对运输车移 动影响忽略不计，运输车轨道为低碳钢，车轮为低碳 钢，低碳钢与低碳钢之间摩擦系数为０．１５，运输车轮子 半径为３０ｃｍ），滚动摩擦力计算公式Ｆ—Ｎｕ／Ｒ（Ｆ为滚 动摩擦力，Ｎ为物体重力，“为摩擦系数，Ｒ为运输车 轮子半径），可以计算出运输小车沿轨道运动需要克服 的摩擦力为Ｘ—ｆ＋Ｆ一０．１５×１０×１０００×１０＋（１０× １０００×１０×０．１５）／３０—１５５００（Ｎ）。考虑轮子和轴之间也 存在摩擦，以及隧洞小坡度的影响，综合考虑采用５ｔ 卷扬机，可以满足钢衬运输需要。钢衬在洞外固定在运 输车上，采用卷扬机经钢丝绳牵引在轨道上行进至安装 位置。 ２．５洞内钢衬安装就位 钢衬始装节经台车托运至起始安装位置后，根据已 标记的测量数据利用台车四角上的４台千斤顶将钢衬顶 离台车进行细微调整，测量调整其管口垂直度、中心轴 线及高程，直至精确就位（始装节就位后，其各项检测 指标必须达到规范要求，而且应使误差降低到最小值）。 检查合格后用工字钢和角钢支撑连接牢固，其底部台车 ・２２・ 可以抽出以便运送下一节钢衬。 始装节安装完毕，在其底部外壁焊接定位块（便于 下一节钢衬就位），第二节钢衬用台车运至安装位置， 用千斤顶、手拉葫芦和楔铁对缝后，检查其垂直度和管 口位置，合格后用加固材料支撑牢固，其他管节依次安 装。应特别注意的是，每一节钢衬安装就位后，在加固 之前要检查前一节的管口平面度，以防该节钢衬因重力 作用对前一节造成沿轴线方向的倾斜，一旦发现有倾斜 现象，要及时调整。 安装过程每节钢衬均要做好支撑加固措施，底部支 撑材料可采用Ｉ ２Ｏ工字钢，钢衬腰线位置及顶部支撑材 料可选用Ｅｌ４槽钢。支撑材料可以一端与加劲环焊接， 另一端与岩壁相抵。与岩壁相抵一端，工字钢与３０ｃｍ ×３０ｃｍ、厚度为２ｃｍ钢板焊接为一体，钢板通过膨胀 螺栓固定在岩壁上。钢衬标准节长度为２．８ｍ，每节钢 衬有２个加劲环，加劲环间距为１．４ｍ，加劲环距钢管 端头距离为０．７ｍ。底部支撑为２个支撑点，支撑点水 平距离为３．４ｍ，与隧洞轴线左、右偏距均为１．７ｍ。底 部支撑沿隧洞轴线方向间距为４．２ｍ。左、右两侧抗倾 支撑在腰线高度左、右两侧各设置１个，纵向间距与底 部支撑相同，顶部支撑在拱顶设置１个即可。因此钢衬 安装每个支撑断面有５个支撑点，５个支撑点均焊接在 钢管同一个加劲环上。 ２．６洞内钢衬焊接 该工程钢衬壁厚 一２０ｍｍ，材质为Ｑ３４５ｂ，焊接工 艺方面无特殊要求，所以钢衬安装环缝坡口形式采用内 壁坡口。焊接作业时首先在环缝内壁坡口填充５Ｏ ～ ６Ｏ ，然后反面进行碳弧气刨清根、焊接，最后将内壁 环缝剩余部分焊接完毕。 每条环缝张开长度约１８ｍ，焊接作业时拟定６名电 焊工对称同步焊接。焊工１～６分区及每名焊工的焊接 顺序（用数字１、２表示）见图２。 、／ 工 １ ｌ ｌ 图２安装环缝焊接作业人员布置及焊接顺序 钢衬内环缝焊接需制作可移动的焊接台车，供电焊 工焊接操作时使用。 焊接工艺：焊接前必须严格按照焊条供应单位要求 的烘焙制度进行烘干，并保存在１００～１５０￣Ｃ的恒温箱 浅谈水工隧洞混凝土钢衬施工技术应用 内，随用随取。现场使用的焊条应装入保温桶，焊条在 保温桶内的时间不得超过４ｈ，超过后，应重新烘焙，重 复烘焙次数不得超过２次。 清除焊接坡口及两侧大于２０ｍｍ范围内的水分、油 污、铁锈等。焊缝背面采用碳弧气刨清根后，应用砂轮 清除表面氧化层。 内壁坡口填充时采用短弧窄道焊方法进行多层多道 焊，一般情况下不需预热和后热处理。但遇雨天，相对 湿度大于８５ 、环境温度低于０￣Ｃ时，或在结构刚性特 别大的部位，应考虑适当预热（大于５Ｏ℃），去除钢板 表面吸附的水分。 所有安装环缝拟采用内壁坡口，定位焊引弧、收弧 均在坡口内完成。每条焊缝应尽量一次连续焊接完毕， 焊接时应注意保证多层多道焊，正式施焊时首先焊接坡 口侧约５０％，然后将反面用碳弧气刨清根打磨后全部焊 接完毕，再转到坡口侧将剩余部分焊完。采用分区对称 焊接以减少残余应力，各分区用模板分隔互不影响，对 称的分区采用同一型号的逆变焊机，选用相近的焊接参 数，同时电焊工应尽量保持一致的焊接速度，施焊时要 注意焊接电流的调整。 钢衬凑合节合拢环缝为一类焊缝，其他环缝为二类 焊缝，不属于一、二类焊缝的其他焊缝为三类焊缝。焊 接完毕后，按ＤＬ／Ｔ ５０１７—２Ｏ０７《水利水电工程压力钢 管制造安装及验收规范》进行焊缝检测（超声波检测）。 若发生缺陷，查明原因，报返修措施，经监理审批后执 行。同一部位返修次数不得超过两次。 焊接之前采用角磨机对焊缝坡口及焊缝两侧１Ｏ～ ２０ｍｍ范围进行打磨，打磨至露出金属光泽。 焊接完成后进行探伤检测，检测合格后方可进行钢 管防腐施工。钢管防腐首先对钢管表面进行预处理，将 铁锈、油污、积水、遗漏的焊渣和飞溅等附着污物清除 干净。钢管除锈后，用干燥压缩空气吹净或用吸尘器清 除灰尘，使防腐部位表面干净无灰尘。防腐涂装施工宜 在除锈后２ｈ内进行施工。 钢管内壁均涂装无毒环氧涂料，涂层厚度不小于 ４００ｔ￣ｍ。涂装时分为两道进行，第一道为ＧＺ一１２无毒 环氧树脂防腐涂料铁红底漆，干膜厚度为１００／￣ｍ；第二 道为ＧＺ一１２无毒环氧树脂防腐涂料灰色底漆，干膜厚度 为３００￣ｍ。总干膜厚度为４００ｂ￣ｍ。 钢管外壁涂装水泥浆，厚度不小于６００／￣ｍ。 ２．７质量检查 （１）焊接完后，焊工自检，自检合格后，在焊缝附 近用钢卯打上记号，做好记录。 （２）用超声波探伤仪检查，并拍片检查，环缝为二 类焊缝，无损探伤长度不小于焊缝长的３Ｏ ，拍片检查 长度不小于５ ，在电焊完２４ｈ后进行。 ２．８混凝土浇捣 ２．８．１拌和 混凝土拌和采用两台ＨＺＳ９０（额定生产率为９Ｏｎ１３／ｈ） 拌和站进行。由于衬砌混凝土配比要求各掺和量精确， 使用该拌和站自动计量可保证各配料的精准，严格控制 坍落度，不允许采用加水调整坍落度的做法。该拌和站 拌和能力为４０ｍ ／ｈ，衬砌混凝土一仓的方量为１４５ｍ。， 满足浇筑需求。 ２．８．２运输 运输采用３台１０ｍ。混凝土罐车，最大运距约７ｋｍ， 路上用时在１５ｍｉｍ以内，满足要求。 ２．８．３入仓与振捣 通过混凝土输送泵将混凝土泵送入仓，插入式振动 器振捣。钢管安装前，按设计详图做好钢筋绑扎。隧洞 钢衬段混凝土根据钢管安装进行施工，以内衬钢管为模 板；钢管两侧端头模板采用定型木模板，利用岩壁上埋 设的锚杆，采用 １２拉条斜拉支撑形式紧固。钢衬段混 凝土浇筑跟随钢管安装进行，钢管安装一段回填浇筑 一段。 （１）分段浇筑长度：按照设计要求进行混凝土浇筑 分段，每段１２ｍ。 （２）钢管周边混凝土要求振捣密实，下料和振捣时 避免碰撞钢管。另外，振捣棒头不与钢筋、钢管和支承 杆接触，并且在浇筑时注意观察钢管的变形情况，如果 出现异常，采取措施处理后再进行。 （３）混凝土入仓路线：在封堵模板上开临时输料 口，输料口共设置７个——钢衬腰线下左右两侧各２个 输料口，腰线上两侧各１个输料口，剩余１个输料口布 置在拱顶位置。浇筑混凝土时，入料管在输料口处插 入，随着混凝土的入仓，料管往外拔出，拔出速度和混 凝土浇筑相匹配，直至整个钢衬混凝土浇筑完成后拔出 入料管。入仓应均匀对称下料，防止钢管发生水平偏 移。振捣用￣８ｏ振捣器振捣，辅以声５Ｏ振捣器振捣，确 保混凝土密实。 （４）浇筑至顶拱时，用泵管由中间下料逐渐退至浇 筑段端口，最后在压力状态下封拱。 ２．９回填灌浆 混凝土浇筑完成后，根据钢衬上已预留的灌浆孔进 行钻孔，对钢衬顶部９０。范围内进行回填灌浆，灌浆达 到设计要求并经监理验收合格后进行下一步接触灌浆 施工。 ２．１０接触灌浆 混凝土浇筑完成后用敲击法检查钢衬底拱及周边， 如果发现有空鼓现象，用磁座钻开孔灌浆，或按设计、 ・２３ ・ 地下工程 监理要求预埋灌浆管灌浆。 ２．１１检查验收 接触灌浆施工完成并通过监理验收后，对钢衬预 留灌浆孔进行封孔。封孔采用与钢衬一起配送的钢制 ３质量控制 （１）钢管管节高程控制在±５ｍｍ，埋弧焊焊缝余高控 制在Ｏ￣４ｍｍ，手工焊焊缝余高控制在０～２．５ｍｍ。焊缝内 部进行１００ 超声波探伤，抽检５ 进行射线探伤。 （２）混凝土生产质量标准，原材料计量按国家有关 规定进行控制，实际出盘混凝土的坍落度控制在１８０～ 螺旋塞拧紧，然后用手工焊接的方法对螺旋塞拧紧后 的孔位处进行填充，使其与钢管内表面一致，最后进 行该部位的内防腐施工，施工要求满足钢衬内防腐规 范要求。 ２．１２工序分析 该工法中钢管安装为关键工序。为保证隧洞作业的 连贯性，分析其强度进行对工程进度有很大现实意义。 钢衬安装为平洞安装，单节长度拟定为２．８ｍ，每个工 作面进入安装状态后，环缝焊接作业占用主要节点工 期。各工序分析如下： （１）钢衬安装就位：钢衬安装基本上为平洞安装 （纵坡小于５ ），采用台车运输，千斤顶就位，压缝采 用自制压缝台车或人工楔铁压缝。 （２）人员配置：安装工人４人，辅助人员４人，电 工１人，测量１人，每个工作面一个工日完成２条环缝 的焊接任务。 （３）焊接作业：每条焊缝展开长度约１８ｍ，钢板 厚度 一２０ｒａｍ，材质为Ｑ３４５ｂ，环缝坡口形式全部采 用内壁坡口（２ｍｍ钝边）。根据前面焊接作业工艺计 划，坡口面布置６名电焊工和２名辅助人员同时作 业，背面清根焊接配置２名焊工和１名辅助人员。根 据实际焊接工作量以及以往施工经验，在如此人员配 置下，每个工作面一个工日可以完成１条环缝的焊接 任务。 （４）有效工作Ｅｌ：因洞内作业受天气影响小，考虑 停电等因素影响，每月有效工作日为２７ｄ。 ・２４・ ２２０ｍｍ，现场混凝土入模坍落度控制在１８０ｍｍ± ２０ｍｍ，搅拌时间不小于９０ｓ。 （３）由于有抗冻要求，每仓混凝土至少测定３次含 气量。 （４）混凝土供应必须满足施工需要，采用分层连续推 移方式进行，不得中断，混凝土接茬时间不宜超过９０ｍｉｎ。 ４效益分析 通过钢衬安装及衬砌混凝土各项措施的实施，合理 安排各项工序，有效解决了钢衬安装存在的效率较低问 题，采取该方法，钢衬月施工进度可达７８．４ｍ。既减小 了与其他工序的冲突，也保证了钢管安装和衬砌混凝土 的施工质量。 ５结语 由于施工空间狭小，为了加快施工进度，在隧洞口 搭设钢衬焊接平台，２～３节钢衬进行组队焊接，采用自 动埋弧焊焊接工艺施工，从而减少隧洞内手工焊接工作 量。钢衬混凝土施工需要严格控制混凝土人料位置，通 过观察口，及时观察浇筑情况，并及时振捣，确保混凝 土浇筑密实。通过以上方法，能很好地完成隧洞大管径 钢衬施工，保证钢衬施工质量。
