鋼筋混凝土隧洞內(nèi)襯鋼板加固新技術(shù)(DOC5)

鋼筋混凝土隧洞襯鋼板加固新技摘要：嶺南高速公路穿越南陽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市南召縣的岳莊村附近，包括上庫主、付壩、下庫大壩、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。該工程2005年建成發(fā)電?；佚堧娬舅幬恢玫姆炙畮X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處通過，公路隧道單洞長5.904km，運(yùn)營管理難度較大且費(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。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)年代興起，80年代傳入我國，我國已有建筑物應(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10多種，分別適用于不同情況，目前國內(nèi)、國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，會對機(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，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，對工期要求極為嚴(yán)格，此法也不適用。通過對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。（1）鋼板厚度、錨栓間距、灌膠壓力對尾水洞粘鋼厚度進(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于規(guī)范規(guī)的0.25mm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、6mm、8mm，錨桿間距分別取0.4m、0.5m、0.6m計(jì)算結(jié)果見表1。經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)比較，考慮施工因素，采用鋼板厚度、錨桿間距0.5m、灌膠壓力控制為0.6MPa。（2）灌膠材料灌膠材料采用武漢長江加固有限公司生產(chǎn)的－3包鋼灌注型結(jié)構(gòu)膠灌注型結(jié)構(gòu)膠對于金屬材料、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)檢測中心對其力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，其技術(shù)指標(biāo)見表。4施工工藝（1）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）施工工序準(zhǔn)備工作：將鋼板裁剪分成3.35m×1.25m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；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)場進(jìn)行卷板，將鋼板卷成直徑的弧形；噴砂除銹，涂防腐涂料。襯砌混凝土表面處理：對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。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～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。灌注施工：灌注施工分倉進(jìn)行，每兩段鋼板分為一倉，分倉長度2.5m，分倉面積25m2；對分倉間縫隙采用結(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。對灌注膠液后的鋼板，馬上用小錘輕輕進(jìn)行擊打檢查，對有空洞的部位進(jìn)行壓力灌注補(bǔ)膠，直到灌注密實(shí)為止。⑤打磨清理、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，是對現(xiàn)有的粘鋼及灌膠加固技術(shù)的進(jìn)一步完善。（2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)目工程隧洞洞徑每環(huán)由3塊鋼板組成單塊鋼板質(zhì)量如何把鋼板在洞內(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，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化問題，提高精度，又可發(fā)揮有限元對復(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，從而對整個(gè)尾水洞的滲漏量將大大改善，可以保證水庫的庫容量，保證水庫的發(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