摘要：嶺南高速公路穿越南陽(yáng)回龍抽水蓄能電站尾水洞，兩條隧道底部分別距離尾水隧洞頂3.59m和3.67m，采用“內(nèi)襯鋼板灌膠”加固處理方法，解決了尾水洞結(jié)構(gòu)開裂和滲漏問題，應(yīng)用多項(xiàng)新技術(shù)和新方法，具有推廣前景。

　　關(guān)鍵詞：尾水洞 內(nèi)襯鋼板加固 灌注結(jié)構(gòu)膠

　　1 概述

　　回龍抽水蓄能電站位于河南省南陽(yáng)市南召縣的岳莊村附近，包括上庫(kù)主、付壩、下庫(kù)大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、地下廠房、輔助開關(guān)站等主要建筑物，電站裝機(jī)容量2×60MW。該工程2005年建成發(fā)電。

　　回龍電站所處位置的分水嶺埡口是“交通天然走廊”的必經(jīng)之地，電站尾水洞橫穿該區(qū)域，嶺南段高速公路也規(guī)劃在此通過，與電站尾水洞的相交不可避免。高速公路在設(shè)計(jì)時(shí)曾比較了“低線方案”和“高線方案”，“低線方案”從電站尾水洞下方約20m處通過，公路隧道單洞長(zhǎng)5.904km，運(yùn)營(yíng)管理難度較大且費(fèi)用較高；“高線方案”從電站尾水洞上方通過，公路隧道單洞長(zhǎng)度可縮短為1.685km，兩條隧道底部分別距離尾水隧洞頂3.59m和3.67m。經(jīng)綜合分析比較，采用“高線方案”。公路隧道與電站尾水洞的相互關(guān)系見圖1。

　　經(jīng)分析表明，公路隧道開挖減小了尾水洞上覆巖體厚度及圍巖抗力作用，尾水洞襯砌會(huì)出現(xiàn)開裂，開裂寬度大于規(guī)范允許開裂寬度的要求，且滲漏量增加，需對(duì)尾水洞結(jié)構(gòu)影響范圍進(jìn)行加固，加固處理面積為440m2。

　　2 加固方案比選

　　結(jié)構(gòu)加固作為一個(gè)行業(yè)，從上世紀(jì)70年代興起，80年代傳入我國(guó)，我國(guó)已有建筑物應(yīng)用的加固方法很多，如增大截面法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、改變結(jié)構(gòu)受力體系的加固法、化學(xué)灌漿法、外部粘鋼法等10多種，分別適用于不同情況，目前國(guó)內(nèi)、國(guó)際上隧洞中鋼筋混凝土襯砌主要加固方法有內(nèi)部涂抹環(huán)氧砂漿、粘貼鋼板條帶、粘貼碳纖維布、噴射高強(qiáng)混凝土，以及裂縫封閉灌漿補(bǔ)強(qiáng)等。

　　由于本工程為圍巖及襯砌抗力不足引起的結(jié)構(gòu)性裂縫，用涂抹環(huán)氧砂漿、噴射高強(qiáng)混凝土、裂縫封閉灌漿等可處理表面裂縫，不能解決根本問題；粘貼碳纖維布可明顯提高尾水洞抗內(nèi)壓能力，但由于其粘貼時(shí)要求按一個(gè)方向順層鋪設(shè)，順?biāo)鞣较驎r(shí)抗沖刷能力較強(qiáng)，反方向抗沖刷能力較弱，而本工程尾水洞在電站抽水和發(fā)電時(shí)水流方向不同，如碳纖維布被掀起或粘結(jié)材料隨水流進(jìn)入機(jī)組，會(huì)對(duì)機(jī)組造成損壞，另外，碳纖維布的使用壽命較短；粘貼鋼板條帶法單塊鋼板條不可能很大，否則粘貼定位很困難，粘貼后對(duì)空鼓部位補(bǔ)灌也不容易密實(shí)，本工程需加固處理面積為440m2，如采用此法需要的工期較長(zhǎng)，而本工程加固施工時(shí)必須要求電站停機(jī)，鑒于電站在電網(wǎng)中的特殊地位，對(duì)工期要求極為嚴(yán)格，此法也不適用。

　　通過對(duì)以上加固方法的綜合比較，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，提出了“內(nèi)襯鋼板灌膠”加固處理方法，即先將鋼板（單塊面積4.2m2）吊裝定位后用錨栓固定，安裝完畢后在鋼板與襯砌混凝土接觸的縫隙中灌膠結(jié)構(gòu)膠，使鋼板與混凝土緊密結(jié)合共同受力，既可加固結(jié)構(gòu)又可改善抗?jié)B性能。

　　3 主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

　　選定加固方案后，考慮到尾水隧洞運(yùn)行、檢修及加固施工的不同工況，主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括內(nèi)襯鋼板厚度、錨栓間距、灌膠材料、灌膠壓力等。

　?。?）鋼板厚度、錨栓間距、灌膠壓力

　　對(duì)尾水洞粘鋼厚度進(jìn)行有限元計(jì)算結(jié)果表明，在內(nèi)水壓力作用下，考慮鋼板與鋼筋混凝土襯砌共同作用，鋼板計(jì)算厚度取2mm時(shí)，在充水運(yùn)行工況，計(jì)算得到的尾水洞襯砌最大裂縫寬度為0.22mm，小于規(guī)范規(guī)定的0.25mm；表明在內(nèi)水壓力作用下采用2mm粘鋼板可滿足要求。

　　考慮到尾水洞檢修工況及灌注結(jié)構(gòu)膠施工工況下的鋼板抗外壓屈曲穩(wěn)定，鋼板厚度、錨栓直徑及間距、灌膠壓力等需綜合考慮，計(jì)算采用半解析有限元法，鋼板厚度分別取4mm、6mm、8mm，錨桿間距分別取0.4m、0.5m、0.6m，計(jì)算結(jié)果見表1。

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　　經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)比較，考慮施工因素，采用鋼板厚度6mm、錨桿間距0.5m、灌膠壓力控制為0.6MPa。

　?。?）灌膠材料

　　灌膠材料采用武漢長(zhǎng)江加固有限公司生產(chǎn)的YZJ－3包鋼灌注型結(jié)構(gòu)膠，該灌注型結(jié)構(gòu)膠對(duì)于金屬材料、混凝土、巖石、玻璃、陶瓷、木材等有良好的粘結(jié)性能，主要適用于濕式包鋼灌注。經(jīng)武漢理工大學(xué)工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)中心對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

　　4 施工工藝

　?。?）施工流程

　　準(zhǔn)備工作→尾水洞襯砌混凝土面和鋼板表面處理→裝配及焊接→灌注施工→固化→質(zhì)量檢查→交工驗(yàn)收。

　　（2）施工工序

　?、贉?zhǔn)備工作：將鋼板裁剪分成3.35m×1.25m的小片，在鋼板上打孔，其中Ф20圓孔為植化學(xué)錨栓孔，用以固定鋼板；Ф10圓孔為調(diào)位兼注漿孔，打孔完成后進(jìn)行攻絲，以便于螺桿和灌膠嘴安裝；在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行卷板，將鋼板卷成直徑3.2m的弧形；噴砂除銹，涂防腐涂料。

　　②襯砌混凝土表面處理：對(duì)混凝土表面采用混凝土平整機(jī)具（金剛石磨輪）打磨、鑿毛，直到完全暴露新面，再連接壓縮空氣吹除粉塵。

　　③鋼板裝配及焊接：將鋼板用小車運(yùn)至施工作業(yè)面；將鋼板放在頂升設(shè)備（采用手動(dòng)或電動(dòng)葫蘆）上，調(diào)整鋼板位置使鋼板軸線與尾水洞軸線平行，用自制螺桿將鋼板頂緊在洞壁上，并再次調(diào)整鋼板位置；采用植化學(xué)錨栓工藝，在鋼板植化學(xué)錨栓孔位處套打植化學(xué)錨栓孔，植入Ф14高強(qiáng)錨栓，錨栓植入后約10～15min可以擰緊螺母，同時(shí)拆除支撐裝置，在錨固劑固化后可滿足單根錨栓抗拔力不小于20kN的技術(shù)要求，利用高強(qiáng)錨栓的錨固力起到臨時(shí)固定鋼板的作用。鋼板位置調(diào)整固定完畢后即可進(jìn)行焊接工作，將錨栓頭與鋼板焊接并進(jìn)行鋼板間分縫焊接。[Page]

　?、芄嘧⑹┕ぃ汗嘧⑹┕し謧}(cāng)進(jìn)行，每?jī)啥武摪宸譃橐粋}(cāng)，分倉(cāng)長(zhǎng)度為2.5m，分倉(cāng)面積25m2；對(duì)分倉(cāng)間縫隙采用結(jié)構(gòu)密封膠進(jìn)行封堵，封堵后進(jìn)行壓氣試驗(yàn)檢查密封情況；

　　采用灌注型親水環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠，灌漿壓力為0.6MPa。對(duì)灌注膠液后的鋼板，馬上用小錘輕輕進(jìn)行擊打檢查，對(duì)有空洞的部位進(jìn)行壓力灌注補(bǔ)膠，直到灌注密實(shí)為止。

　?、荽蚰デ謇?、涂防腐涂料：待結(jié)構(gòu)膠固化后，將化學(xué)錨栓螺栓頭割掉，并打磨清理焊縫，對(duì)焊接部位補(bǔ)涂防腐涂料。

　　5 采用的新技術(shù)及新工藝

　　（1）提出鋼筋混凝土隧洞內(nèi)襯鋼板灌膠加固技術(shù)。

　　該加固技術(shù)是在借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)加固技術(shù)，結(jié)合水工鋼襯鋼筋混凝土管的受力原理，經(jīng)過分析研究，理論計(jì)算并成功付諸實(shí)施的一項(xiàng)新的加固方法，不同于以往的粘鋼加固、內(nèi)襯鋼環(huán)加固，也不同于傳統(tǒng)的鋼襯施工、灌漿加固等，是對(duì)現(xiàn)有的粘鋼及灌膠加固技術(shù)的進(jìn)一步完善。

　?。?）采用大面積灌注粘鋼加固的方法，成功解決了大面積灌注粘鋼時(shí)灌注密實(shí)度的問題。

　　傳統(tǒng)的粘鋼加固技術(shù)是先將小塊鋼板粘貼在需加固的部位，如有空鼓再對(duì)空鼓部位鉆孔灌膠，一般灌膠面積較小。本項(xiàng)目工程單元灌注粘鋼面積為25m2，加固處理總面積為440m2。如何保證鋼板與混凝土襯砌緊密結(jié)合無(wú)空洞的問題，是施工過程中的技術(shù)瓶頸，本項(xiàng)目通過試驗(yàn)研究確定了灌注工藝，保證了施工過程中鋼板與混凝土的緊密結(jié)合，為以后類似工程的開展提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

　?。?）采用親水性灌注結(jié)構(gòu)膠，成功解決了潮濕環(huán)境下結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)強(qiáng)度問題。

　?。?）本項(xiàng)目成功解決了在水工隧洞狹小空間內(nèi)內(nèi)襯鋼板安裝問題。

　　本項(xiàng)目工程隧洞洞徑3.2m，每環(huán)由3塊鋼板組成，單塊鋼板質(zhì)量197.23kg，如何把鋼板在洞內(nèi)安裝到位，并焊接成一個(gè)整圓是施工的技術(shù)難點(diǎn)，這次研究的成功為以后類似工程的開展提供了經(jīng)驗(yàn)。

　?。?）在計(jì)算鋼板抗外壓穩(wěn)定時(shí)采用半解析有限元法，把求解植筋鋼管穩(wěn)定性問題經(jīng)典方法中的基本假設(shè)與有限元理論結(jié)合起來(lái)，建立了由植筋約束的鋼管局部穩(wěn)定性問題的半解析有限元模型，既可利用解析法的成果簡(jiǎn)化問題，提高精度，又可發(fā)揮有限元對(duì)復(fù)雜問題處理靈活方便的優(yōu)點(diǎn)。

　?。?）固定鋼板時(shí)采用化學(xué)錨栓代替植膨脹螺栓，利用了化學(xué)錨栓的凝結(jié)速度快、可迅速提高抗拔力的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了施工工藝，大大提高了生產(chǎn)效率。

　　6 工程處理效果及推廣應(yīng)用前景

　　高速公路隧道近距離穿越回龍電站尾水洞，將對(duì)尾水洞的結(jié)構(gòu)和滲漏造成影響。在內(nèi)水壓力作用下，尾水洞襯砌開裂寬度大于規(guī)范要求，嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行，經(jīng)內(nèi)襯鋼板加固處理后，在基本不改變洞徑的情況下，內(nèi)襯鋼板與尾水洞混凝土襯砌共同受力，可滿足尾水洞結(jié)構(gòu)受力要求，從而保證電站安全運(yùn)行。經(jīng)內(nèi)襯鋼板加固處理后，處理段尾水洞的滲漏量接近于零，從而對(duì)整個(gè)尾水洞的滲漏量將大大改善，可以保證水庫(kù)的庫(kù)容量，保證水庫(kù)的發(fā)電保證率，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

　　傳統(tǒng)的在已建成的鋼筋混凝土隧洞內(nèi)襯鋼板，需要在鋼板與管壁之間預(yù)留澆注填充砂漿的空間，一般將使原管道斷面直徑減少10～20cm，使原管道過水?dāng)嗝鏈p小，施工周期長(zhǎng)、造價(jià)高。如采用粘貼鋼板條帶法大部分需手工操作，機(jī)械化程度低，施工質(zhì)量不易控制，且不能有效改善防滲效果。
　　該加固技術(shù)具有施工周期短，施工質(zhì)量易于控制、處理費(fèi)用較省的優(yōu)點(diǎn)，因此可以將該技術(shù)在更大的范圍內(nèi)推廣，如公路、鐵路等其它隧洞的加固處理工程中，應(yīng)用前景十分廣泛，具有一定的社會(huì)效益。

　 原作者： 宋修昌 邵力群  
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