大型双向预应力倒虹吸施工技术六.doc

大型双向预应力倒虹吸施工技术
中铁十三局集团第六工程公司 刘战辉 刘恬夫
内容提纲： 结合工程实例，介绍了大型双向预应力砼倒虹吸的施工方案、施工工艺及综合配套技术。对以后同类倒虹吸的施工具有一定的借鉴作用。
关 键 词：预应力 倒虹吸 混凝土 布料机 内衬台车 防水螺栓
1.工程概况
南水北调中线直管项目八标界河倒虹吸工程位于河北省满城县尉公村东北1.0km的界河上，界河渠道倒虹吸工程由倒虹吸管身段、出口闸室段以及出口渐变段三部分组成，建筑物总长度420m。重要工程量混凝土28105m3，钢筋混凝土661m3，钢绞线584t。
倒虹吸管身为两孔一联的预应力钢筋混凝土箱涵，单孔过水断面尺寸为6.5m×6.5m(宽×高)，顶板、中墙、边墙厚度均为1.0m，底板厚度为1.1m。预应力钢筋为双向布置，底板、顶板横向布置，边墙、中墙竖向布置。预应力钢筋为钢绞线，底板、顶板、边墙及中墙均为双排预应力钢绞线布置，距混凝土面层为200mm，钢绞线间距450mm。预应力钢绞线均为单相张拉，底板、顶板为间隔反向张拉，边墙、中墙同向向上张拉。倒虹吸管身段总长度315m，共分23个管节，管身段混凝土工程量共计17100m3，钢筋工程量共计1150t，预应力钢绞线584t。
出口闸室段20m，两孔一联钢筋混凝土结构，单孔过水断面尺寸6.5m×13.089m(宽×高)，底板、边墙厚度1.8m，中墙厚度1.2m。设有检修闸2扇、工作闸门2扇，闸门工作时，均由启闭机控制。混凝土2503m3，钢筋工程量208t，金属结构设备总重量160.8t。
出口直线扭曲渐变段5节共计长85m，每节长17m，节与节之间采用橡胶止水带止水。由高度10.191m渐变到17.475m，表面为渐变双曲拱面。混凝土8502m3，钢筋工程量303t。
2.施工技术特点分析
⑴ 界河倒虹吸设计为双向预应力混凝土箱涵结构，施工工序复杂，规定施工组织严密。
⑵ 混凝土塌落度小，入仓难度大，混凝土浇筑振捣难。
⑶ 管身结构型式大而宽，每仓混凝土浇筑方量大，连续时间长，施工措施可靠度规定高。
⑷ 闸室各部断面、尺寸变化繁复，模板及支撑复杂多变。
⑸ 扭曲渐变段为不规则渐变双曲面，放线、固定模板不易，线型控制难度大。
⑹ 基于结构防渗、使用寿命及自流对糙度的需要，对模板及其固定支撑系统的规定不同于其它工程项目。模板要有足够的刚度、强度、稳定性外，还要保证表面平顺以减少砼糙率，施工中模板间的拉杆需要特殊加工，既不能使砼通透又不能出露表面。
3.施工方案拟定
3.1 混凝土入仓方式选择
倒虹吸基坑开挖深度大，基底比地面低16m。混凝土浇筑方量大，正常施工可以采用混凝土输送泵泵送混凝土入仓，但由于管身混凝土塌落度（4～8cm）小，满足不了泵送混凝土塌落度的规定。另一方面还可以采用汽车吊吊装混凝土入仓，根据吊重和距离至少需投入两台25t汽车吊。而吊车站位，还须加宽倒虹吸两侧的开挖宽度，增长倒虹吸基础的土石方开挖与回填工程量，不仅浇筑速度慢、工效低，也无法满足分层施工的技术规定。第三种方案是采用龙门吊式皮带布料机输送混凝土入仓，通过布料机上的皮带进行水平运送，经串筒将混凝土的垂直运送到仓面。依靠布料机的行走系统与混凝土分料器的选择可进行混凝土任意仓位的浇筑施工。
通过度析比选，拟定倒虹吸主体混凝土浇筑采用自设龙门吊式皮带布料机输送混凝土入仓。根据分仓情况，考虑分层施工不至出现冷缝的需要，按25～30m3/h的浇筑速度进行龙门吊式皮带布料机的设计和制作。
3.2管身段内模形式选择
倒虹吸管身长、节数多、断面大，按通常情况采用支架法施工，需要搭设和支拆脚手架及模板的工作量巨大，并且劳动强度大、速度慢、损耗大、施工质量不易控制。采用内模简易台车进行施工，不仅简便易行，并且对保证工程质量、提高施工速度、节省材料消耗、减少劳动强度和工程造价，有着明显的优势。
3.3扭曲渐变段模板选择
由于直线扭曲渐变段表面为渐变双曲拱面，每个断面的曲面曲率不同，按设计尺寸制作一套定型钢模费用大约95万元。为减少成本，选用定型组合钢模拼装曲面，钢脚手固定。
3.4墙体模板支撑拉杆选择
固定墙体的内外模板通常采用圆钢筋车丝或焊接短丝杆做拉杆、模板间加设木支撑的方法，而本项目为过水构筑物，考虑防水的需要，不允许使用普通钢拉杆及穿墙套管。选用特制的止水螺杆。
4.特殊施工设计
4.1龙门吊式皮带布料机设计
龙门吊式皮带布料机重要由龙门桁架结构、行走系统、皮带输送系统、跨越基坑的栈桥下料与串桶五部分组成。见图1龙门吊式皮带布料机立面图。
4.1.1 龙门吊式皮带布料机的原理
布料机布料通过行走系统进行前后定位，混凝土水平运送由皮带传送，通过布料机不同位置的分料器选择入仓的位置，再经串筒到达仓面，以此解决了倒虹吸基坑中的混凝土水平运送与垂直运送。布料机右岸的栈桥在布料施工时靠岸端平放在岸坡罐车道边供罐车卸料，行走时通过卷扬机吊起以便于行走方便。
4.1.2 龙门吊式皮带布料机的设计及改善
龙门吊式皮带布料机在实际施工中改善了5个皮带分料器，分料器原设计在皮带两侧卸料，改善后分料器采用单侧卸料，避免了皮带上的混凝土对分料器刮板的冲击，从而解决分料器刮板刮料不干净，导致的皮带到处漏浆，保证了混凝土质量。此外，在分料器改善中，把分料器皮带下部托起皮带与刮板的铁板改善成并排的滚轴，减小皮带的摩擦阻力，减少电动机的负荷，延长了皮带的使用寿命。

图1 龙门吊式皮带布料机立面图
4.2 简易内模衬砌台车的设计
简易内模衬砌台车是由支撑系统、行走系统、液压高度调节系统、侧模收分装置及模板组成；为了保证内外模板的刚度与稳定性。
4.2.1 简易内模台车结构设计
台车每节管身设计2台为一组，考虑台车在倒虹吸斜管段能继续使用，台车设计长度比正常的长2.5m，即台车设计长度为17.5m。见下图2简易内模台车立面图、图3钢模台车侧面图。

图2 简易内模台车立面图

图3 钢模台车侧面图
4.2.2 台车支撑与行走系统
台车支撑结构采用槽钢加工的桁架结构，考虑台车循环作业的特点，在距下横梁两端部2.3 m的位置各安装一副行走轮，沿轴线方向在两侧下横梁底部各安装5个支撑丝杆千斤顶。台车行走时丝杆千斤顶向上收缩，就位后丝杆千斤顶伸出支撑到轨道上进行支架下横梁的支撑，台车的行走动力是在台车行走轮上安装了电动控制装置。
4.2.3台车中心线调整
为保证台车中心线与管身中心线相吻合，在台车车架两端头横梁安装中线定位装置，台车就位时通过吊线锤校正偏移量，保证施工精度。
4.2.4台车钢模的安装与调整
钢模板型式选择了3m×1.5m的定型钢模板。顶模铺设在桁架上，采用螺丝进行联接成整体，边模安装均采用销钩与台车挂耳联接。联接后形成以台车挂耳为中心的旋转面，重要目的为了便于内侧模的支模与脱模。
顶部模板上下高度调整由安装在台车车架上横梁上的14个螺旋千斤来完毕，达成内模模板支模与脱模的目的。
边墙模板通过边模模板背楞与台车车架支撑梁相接的 14个“双头螺旋丝杆”进行调整，调整丝杆可以使背楞连同模板外伸或收缩，浇筑时还用于支撑边墙模板。
4.3止水螺栓的设计
水利工程混凝土墙体内外模板对拉时，为了防水严禁使用普通螺杆及穿墙套管。界河倒虹吸工程采用特制的止水螺栓。螺杆采用A3钢，直径为20mm，长度比墙体厚短60mm，螺杆两头个套50mm的粗丝。双头螺杆两端为铸铁的锥形连接器，内丝直径20mm，在锥形联接器内丝扣中间部位设立了一个小挡块，此小挡块目的是为了保证双头螺杆联接在锥形联接器中部，并且在模板内起到外撑作用。模板外部拉接由长300mm直径20mm的全丝螺杆的一端与锥形连接器连接，全丝螺杆另一端分别穿过模板背楞与120mm×80mm×12mm钢垫片，并用山型螺帽固定。止水螺栓间距为1.2m，排距为1.3m，梅花型布置。混凝土浇筑时，940mm长的双头螺丝及锥形联结器浇筑到混凝土内。混凝土拆模后，立即取出锥形连接器。锥形连接器留下的空洞用干硬性膨胀水泥砂浆堵塞（膨胀剂2.5％），抹平。300mm的全丝螺杆、锥形连接器、钢垫片、山型螺帽均为反复使用。施工时为了便于在混凝土中取出锥形连接器，浇筑混凝土前在锥形联接器上包上一层胶布，这样锥形联接器取出时就轻松多了。止水螺栓见图4。

图4 止水螺栓分解图
5.明渠导流施工
界河渠道倒虹吸工程处在河道上，施工期运用枯水期时段（9月1日～次年6月30日），全断面断流围堰挡水、明渠泄水的导流方式施工。
5.1 导流时段选择
管身段选择在枯水期施工，即选择在2023年6月30日汛期前完毕管身段14～20节（7节105m）施工项目；2023年9月1日后完毕剩余管身段的施工。汛期停止施工，恢复河道，保证汛期施工和渡汛安全。
5.2 导流标准
总干渠与界河交叉断面控制流域面积287km2，主河道长度63.8km，主河道纵坡7.5‰，界河流速（2023一遇）Q=796m/s，流量W＝4520万m3。
5.3导流明渠及围堰施工
14～20节倒虹吸管身段，在6月30日前完毕预应力张拉，土方回填，修建导流明渠，回填标高为主河床高程（63m）。上下游围堰采用土围堰型式进行施工，即运用就近开挖基坑的壤土填筑压实形成围堰。围堰横断面为梯形，迎水面边坡系数为1：2.5，背水面边坡系数为1：2.0，堰顶宽度5.0m，围堰最大高度5.25m。为防止水流、风浪淘刷，设计围堰迎水面用编织袋装粘土护砌，编织袋后用500mm厚粘土夯实作心墙，防止渗漏。
上游围堰，长度513m，堰顶高程70.005m；下游围堰，长度340m，堰顶高程66.09m。纵向围堰长为522m。详见图5界河导流明渠断面图。

图5 界河导流明渠断面图
6.大断面管身施工
减小混凝土浇筑后收缩变形的影响及增长施工工作面，管身混凝土施工采用跳仓浇筑的顺序施工。为减少混凝土对侧模的压力，防止混凝土表面不平，每节倒虹吸管身混凝土分三次浇筑完毕，第一次浇筑底板混凝土至下“八”字以上20cm处，第二次浇筑侧墙混凝土至上“八”字以下20cm处，第三次浇筑顶板混凝土。
6.1 模板工程
内模所有采用简易内模衬砌台车。混凝土达成拆模强度时，借助台车上的千斤顶收回模板，台车与模板一起平移到下一个待浇段的位置上，反复进行上一个浇筑段的工序。
外模采用大块定型钢模板，单块模板大小为1.5m（宽）×3.0m（高）。
内外模板采用两条对称12的槽钢焊接成整体当作背楞，其排距为1.3m，内外模板拉接采用特制的止水螺栓拉杆固定，拉杆直径为Φ20mm，间距为1.2m，排距为1.3m，梅花型布置。拆模后，立即拆除锥形连接器。锥形连接器留下的空洞用与主体砼同配比的干硬性膨胀水泥砂浆（另掺膨胀剂2.5％）堵塞，抹平，压光。
6.2钢筋及预应力钢筋工程
6.2.1 钢筋工程
钢筋连接：钢筋直径最大为25mm，直径16～25mm钢筋采用闪光对焊连接，直径16mm以下采用绑扎搭接。加工完毕后由平板车水平运送、汽车吊配合龙门吊运至施工现场绑扎焊接。
6.2.2 预应力钢筋工程
管身段预应力为后张法施工，预应力钢筋为钢绞线，底板、顶板及墙体均采用双排布置。预留孔道为预埋直径φ50、φ70的塑料波纹管。重要施工顺序为：
施工准备→模板支立→绑扎钢筋→钢绞线下料→塑料波纹管内穿钢绞线→按设计预埋塑料波纹管(穿钢绞线)并固定位置→按设计安装固定端锚具及张拉端锚垫板→浇筑混凝土→混凝土养护→张拉→孔道压浆→张拉端锚头封锚。
6.2.2.1钢绞线下料
钢绞线下料采用切断机切断，成束预应力筋采用穿束网套穿束，穿束前逐根理顺，捆扎成束。
6.2.2.2孔道固位
孔道留设采用预埋直径φ50、φ70塑料波纹管成孔。安装前，精确计算波纹管的空间位置，据此加工波纹管定位网。定位网采用φ6mm钢筋焊成，定位网与钢筋骨架焊接固定，在定位网的定位孔内穿入已穿好钢绞线的波纹管，波纹管穿入后还需检查其位置以保证准确。按设计安装固定端锚具及张拉端锚垫板。
6.3 止水带施工
本工程采用带两道遇水膨胀线的适合变形缝的橡胶止水带。施工中将采用可靠措施对止水带进行保护，避免油污和长期曝晒，对于外露的部分止水带防止破坏和老化。止水带接头应采用热压硫化胶合，接头外观应平整光洁，抗拉强度不低于母材的75％。
止水安装固定采用模板挤压固定和设专用卡子固定两种方法。采用专用卡子重要是防止止水位置发生偏离，专用卡子与钢筋焊接固定。水平止水安装时，先立止水带底部模板，规定模板上口平直，标高准确，而后安装止水带，中心位置控制好以后，再安装上部模板。竖向止水一方面将止水带定位，伸缩段不得偏心。然后再进行相邻模板的拼装。这样，一方面可以保证止水带两侧不致出现板缝，同时也有助于止水带翼片的固定，防止止水在浇筑过程中变形走样和漏浆。
止水带安装施工详见图6、图7。
图6 止水带安装示意图1 图7 止水带安装示意图2
6.4 混凝土浇筑
倒虹吸管身混凝土根据设计规定分三次浇筑。
6.4.1 混凝土配合比方案
混凝土掺入缓凝高效减水剂以增长混凝土的和易性，改善混凝土的初凝、终凝时间并减少混凝土的收缩，避免浇筑时下层混凝土初凝产生施工冷缝，以适合大体积、大仓面混凝土浇筑。混凝土中掺入适量的引气剂以增长混凝土的抗冻性能。此外，混凝土中掺入一定量的一级粉煤灰以增长混凝土的密实度，提高抗渗能力，改善混凝土的工作度，减少最终收缩值，减少混凝土中的水泥用量，减少大体积混凝土的水化热，减少混凝土绝对温升，避免混凝土因内外温差过大而产生裂缝。
混凝土的设计技术规定：①混凝土的初凝时间在4h以上；②混凝土的塌落度为4～8cm，混凝土的强度与抗渗规定得到保证。
原材料的选择：水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥并掺入10％～20％的一级粉煤灰。碎石为两级配碎石且级配良好；细骨料为中粗砂,并且严格控制砂石骨料的含泥量。外加剂为缓凝高效减水剂与引气剂。
6.4.2浇筑程序
倒虹吸管身段浇筑顺序为：先浇筑底板，后边中墙，最后浇筑顶板。考虑箱涵倒角处的受力最大，浇筑底板时把底板倒角一次浇筑，并且浇筑边中墙30cm，底板与顶板浇筑均以纵向分段，水平分上下两层阶梯式连续浇筑。
6.4.3 混凝土温控
为了保证倒虹吸管身不出现裂缝，从原材料、配合比、施工工艺、温控和保温等各个环节进行控制。
根据气温变化，从工程开工开始进行混凝土的温控工作。一方面控制混凝土原材料质量、优化混凝土配合比，减少水化热，减少混凝土绝对温升，针对倒虹吸结构的温度应力场特点，将管身段施工合理分层，减少混凝土温度应力影响。对骨料堆高进行混凝土原材料降温，减少混凝土在运送过程的温升，在7、8月份的高温季节，采用夜间浇筑混凝土等措施尽量减少混凝土入仓温度；稳定混凝土拌和物质量，加强振捣以提高混凝土的均匀性，从而提高混凝土自身的抗裂能力；加强混凝土覆盖，洒水养护，即便在高温时段也要对混凝土进行保护，以减少混凝土内外温差，减少温度应力；在混凝土内部埋设温度计，观测混凝土内部温度变化情况，指导混凝土的温控工作，根据混凝土温度量测结果分析，混凝土浇筑完毕后的24h至48h中，混凝土内部的绝对温度是最大的，如不对混凝土采用保护措施，在任何季节施工，混凝土内外温差基本都超过设计允许24℃的范围，据此，我们将混凝土保温工作贯穿倒虹吸施工的始终。
6.5预应力施工
6.5.1 张拉前准备
混凝土强度达成设计强度的100％；千斤顶及油表已进行配套校验，其压力表的精度在±2％范围内；张拉前应清理承压面，并检查锚垫板后面及波纹管边沿的混凝土质量，如有空鼓现象，应及时修补，待修补混凝土强度达成设计强度的100％时，方允许张拉。
6.5.2 张拉工具
界河倒虹吸钢绞线最大张拉力为1305kN，最大伸长量为113.5mm。施工采用8台YCQ150Q轻型千斤顶，最大张拉力为1490kN，张拉行程200mm，穿心孔径105mm。钢绞线张拉单根预紧采用2台YC25型手提式千斤顶，最大张拉力为249kN，张拉行程300mm。液压站设立9台ZB4-500型电动油泵，额定油压为50Mpa。
6.5.3 钢束张拉
预应力钢束张拉控制应力:
σcon＝0.7׃ ptk=0.7×1860MPa ＝1302MPA
其中ƒptk为本工程选用的Фj15.2预应力钢绞线的标准强度，标准强度为1860 MPa。根据设计规定，张拉最大应力为控制应力 σcon的103％。
预应力钢绞线张拉时的控制应力，应以张拉时的实际伸长值与理论计算值进行校核。实际伸长值与理论伸长值相差须在6%以内，否则应暂停张拉，查明因素并采用措施加以调整后，再继续进行张拉。
6.5.4 钢束张拉环节
钢束张拉时应力增长速率控制在1MPa/min以下。
张拉时，第一步由0→15％σcon，所有钢绞线依次单根张拉，分别记录其伸长值；第二步由15％→30％σcon，每管节钢绞线所有依次逐束张拉，记录本段伸长量并以此作为0→15％σcon，以及15％→30％σcon的伸长量，持荷5min后，可进行第三步张拉30％→60％σcon；每节所有张拉到60％后进行第四步张拉；第四步由60％σcon直至 103％σcon，钢绞线依次逐束张拉到位。规定每步均进行伸长值记录和校验。以上张拉环节有益于钢绞线受力一致，避免管身混凝土局部产生应力集中，以防产生混凝土裂缝，导致管身结构漏水。
6.5.5 管身张拉顺序
管身张拉时先顶底板、再两边墙、最后中墙分步总循环，钢束张拉按同步、对称、同时张拉的原则由两端向中间推动。
一方面张拉顶底板，8个孔道为一组同时张拉，由两端向中间推动。
另一方面张拉两边墙，8个孔道为一组同时张拉，有两端向中间推动。
最后张拉中墙，4个孔道为一组同时张拉，有两端向中间推动。
6.5.6 孔道灌浆
每管节预应力张拉完毕后，及时进行灌浆。灌浆水灰比不得大于0.4；水泥浆7d抗压强度不小于30MPa，水泥浆稠度为14～18s，灌浆时每孔道灌浆压力控制在0.5～0.6 MPa，并均需维持2min。
6.5.7 封锚
压浆后应将锚头及周边冲洗干净、相关混凝土接触面凿毛，然后设立钢筋网，浇筑封锚（二期）混凝土，倒虹吸预应力封锚混凝土强度等级为C40W6F200。
7.闸室及渐变段施工
7.1 模板及支撑
闸墩模板采用组合钢模板，墩头部位采用定型钢模板，钢模板厚度不小于4mm，在钢模连接缝中设立细薄胶条，以防止漏浆。异型部位采用竹胶合板，保证混凝土外观平整、光滑、美观。
渐变段挡墙段采用3060组合钢模板支立，护坡段采用钢模板支立侧面。
支模选用型钢跟方木结合方式进行背后加固支撑，内侧上端用钢筋对拉，下部则用锚筋或埋件予以拉结。
7.2 混凝土浇筑
7.2.1 闸室段混凝土浇筑
闸室段混凝土浇筑分4次进行，第1次浇筑底板混凝土，闸墩由于高度较大，分2次浇筑，第4次浇筑排架混凝土，然后安装机架桥T型梁。
7.2.2 直线扭曲渐变段混凝土浇筑
出口直线扭曲渐变段混凝土分3次浇筑：第1次浇筑底板；将扭曲面平均提成上、下两部分，第2次浇筑下部坡面混凝土，第3次浇筑上部坡面混凝土。
8.闸门及钢结构安装
闸门和启闭机在具有相应资质的厂家加工制作，运送至现场金属结构厂内预拼装和存放；闸门在门槽部位组装成型，闸门和启闭机现场拼装。
钢结构在现场加工，并进行防腐解决。
安装采用25t汽车吊吊装。
9.结语
从实践情况来看，选用龙门吊式皮带布料机进行混凝土入仓施工，保证了混凝土的入仓速度与技术规定；采用行走钢模台车的循环施工，节约了投资，缩短了工期，同时又保证了预应力混凝土的外观质量；而本预应力混凝土张拉施工方法，完全保证了混凝土结构的安全可靠，现已张拉完毕的12节管身，均未出现裂缝，混凝土工程达成了内实外美。该项目的成功实行，对以后同类大型倒虹吸工程的施工具有借鉴作用。

作者介绍：
刘战辉：第六工程公司南水北调中线京石段应急供水工程（石家庄至北拒马河段）直管项目第8标段总工程师，高级工程师，本科，毕业于石家庄铁道学院交通土建专业。
刘恬夫：第六工程公司南水北调中线京石段应急供水工程（石家庄至北拒马河段）直管项目第8标段工程管理部部长，工程师，专科，毕业于长春工程学院水利水电工程专业。