馬 軍

(新疆水利廳頭屯河流域管理處，新疆昌吉 831100)

高寒環(huán)境下涵洞邊頂拱高性能混凝土襯砌加固技術(shù)

馬 軍

(新疆水利廳頭屯河流域管理處，新疆昌吉 831100)

以新疆頭屯河水庫為例，介紹高寒環(huán)境下涵洞壓力段結(jié)構(gòu)加固過程中邊頂拱高性能混凝土的襯砌加固技術(shù)。在頭屯河水庫除險(xiǎn)加固施工過程中，經(jīng)歷了新疆60年一遇嚴(yán)寒的極端氣候，為保證混凝土襯砌加固質(zhì)量和工期要求，在混凝土拌制、輸送及澆筑過程中采取了多項(xiàng)溫控措施，并采用鋼模臺(tái)車對(duì)邊頂拱用30 cm厚的二級(jí)配C40F200W8高性能混凝土(摻粉煤灰及礦粉)進(jìn)行襯砌加固。該工程經(jīng)質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定，工程質(zhì)量等級(jí)達(dá)到優(yōu)良，表明在高寒環(huán)境下，涵洞邊頂拱高性能混凝土襯砌加固技術(shù)對(duì)提高施工功效、保證施工質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用。

高寒環(huán)境;涵洞壓力段;高性能混凝土;襯砌加固;頭屯河水庫

1 頭屯河水庫涵洞壓力段基本情況

在頭屯河水庫除險(xiǎn)加固前，涵洞進(jìn)口無事故檢修門，涵洞壓力段洞內(nèi)和洞外水壓力處于平衡狀態(tài)。該水庫于2007年1月被列入第二批全國病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工程專項(xiàng)規(guī)劃［1］，在涵洞進(jìn)口增加了事故檢修門，改變了原涵洞壓力段的運(yùn)行狀態(tài)，即在事故檢修門關(guān)閉時(shí)，洞內(nèi)無水，洞外有水壓力，涵洞壓力段原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再滿足要求，需進(jìn)行加固，襯砌加固厚度為30cm。涵洞全長300.2 m，其中洞身段長213.7 m，中間設(shè)工作閘門井，工作弧門以上為有壓洞段，以下為明流段。涵洞壓力段長93.2 m，包括進(jìn)口漸變段、6個(gè)壓力段管節(jié)及出口漸變段，斷面為城門洞形(圖1)，凈寬4.0m，側(cè)墻高2.0m，圓拱內(nèi)半徑2.0 m，底板縱向坡比1∶100［2］。此次混凝土襯砌加固部位主要在6個(gè)壓力段管節(jié)的邊頂拱處，在底板澆筑完成并形成工作面的基礎(chǔ)上進(jìn)行襯砌加固［2］。

圖1 涵洞壓力段斷面示意圖(單位:cm)

2 高寒環(huán)境下主要施工保溫措施

頭屯河水庫位于新疆寒冷地區(qū)，屬大陸性氣候。每年11月下旬至來年3月上旬有110d日平均氣溫在－3℃以下，元月氣溫最低，月平均氣溫為－17.5℃，極端最低氣溫為 －38℃［3］。水庫除險(xiǎn)加固工程于2009年11月10日進(jìn)入冬季施工，根據(jù)總工期安排，2009年11月16日至2010年3月30日為涵洞施工期，期間經(jīng)歷了新疆60年一遇嚴(yán)寒，氣溫在－20℃以下有49 d，氣溫在－25℃以下有11 d，氣溫在－30℃以下有7 d，最低氣溫達(dá)－38℃。因此施工過程中采取冬季施工保溫措施至關(guān)重要。

第1道保溫層(作業(yè)區(qū)外):涵洞進(jìn)口檢修閘門井緊鄰涵洞壓力段，在空間上屬上下游關(guān)系，在施工安排上，檢修閘門井基礎(chǔ)緊前施工，涵洞壓力段緊后施工。使用8號(hào)和16號(hào)鋼絲繩縱橫交叉做骨架，在順?biāo)鞣较蚧油馍嫌?49 m高程處和下游957 m高程處用16號(hào)鋼絲繩(間隔1m)縱跨80m地錨錨固好，在垂直水流方向順基坑外地勢用8號(hào)鋼絲繩(間隔1 m，搭在16號(hào)鋼絲繩上面)橫跨60 m地錨錨固好。骨架搭設(shè)好后，用復(fù)合土工膜鋪蓋做保溫層，再用帆布覆蓋，復(fù)合土工膜和帆布周邊均錨固好以防風(fēng)吹掀起。檢修閘門井基礎(chǔ)面積為20 m×16 m。暖棚搭設(shè)面積約5000m2，棚內(nèi)空間最高16m，最低8m，平均高度約為12 m，總空間為3900 m3，棚內(nèi)有80cm口徑的火爐及煙管40套，保證棚內(nèi)溫度在5℃以上。為防止煤煙中毒和防火，在棚內(nèi)設(shè)6套干粉消防滅火器，暖棚在火爐處開有通風(fēng)和通氣孔，暖棚進(jìn)口處設(shè)有棉被門簾，每隔1h由專人開簾通風(fēng)、通氣。

第2道保溫層(作業(yè)區(qū)內(nèi)):在涵洞壓力段進(jìn)口、工作閘室、明流段出口三處搭設(shè)帆布和加厚棉氈以形成門簾封閉洞身，門簾頂部預(yù)留排煙口，澆筑倉面前后封閉，采用爐火和電暖氣加溫，溫度保證在5～14℃之間。為防煤煙中毒和防火，倉內(nèi)設(shè)2套干粉消防滅火器，由專人24h隨時(shí)開簾通風(fēng)、通氣。

3 施工流程

混凝土襯砌施工工序如下［4］:鑿毛→鉆孔→插筋→澆筑面清理→涂刷水泥凈漿→鋼筋制作安裝→預(yù)埋灌漿管→止水安裝→測量放樣→鋼模臺(tái)車安裝→涂刷脫模劑→模板安裝及校核→堵頭模板封堵→混凝土澆筑(泵送)→脫?！克B(yǎng)護(hù)劑。施工時(shí)，自下游往上游進(jìn)行，即從第6管節(jié)壓力段開始到第1管節(jié)壓力段結(jié)束。

4 主要施工方法及技術(shù)措施

4.1 鋼筋制作安裝

插筋制作安裝:插筋縱、橫向間距均為1 m，均勻布置于涵洞壓力段內(nèi)，插入原混凝土50 cm深，采用手風(fēng)鉆鉆孔，插筋采用直徑為18 mm的螺紋鋼筋［5］。插筋孔注漿前要進(jìn)行清洗，其直徑大于插筋直徑。水泥砂漿采用高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)不低于20 MPa，并摻入U(xiǎn)EA型膨脹劑，摻量為水泥質(zhì)量的10%，砂漿配合比為1∶1.5，水灰比為0.45，砂子采用最大粒徑不超過2.5 mm的細(xì)沙。初凝前將插筋插入到設(shè)計(jì)深度，并振動(dòng)或輕敲，以確保砂漿密實(shí)。邊頂拱鋼筋按 DL/T 5169—2002《水工混凝土鋼筋施工規(guī)范》［6］要求進(jìn)行制作安裝。

4.2 鋼模臺(tái)車安裝

根據(jù)本工程特點(diǎn)，選用14 m長的邊頂拱鋼模臺(tái)車。鋼模臺(tái)車由鋼模板、臺(tái)車、軌道、支承四部分組成。鋼模包括頂模和側(cè)模;臺(tái)車及軌道為鋼模安裝、拆卸及行走工具;支承為鋼模的定位支承。臺(tái)車為半自行式，臺(tái)車行走需要鋪設(shè)軌道，軌道鋪設(shè)好后由2臺(tái)5t電動(dòng)葫蘆作為牽引動(dòng)力。涵洞壓力段底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，由廠家鋪設(shè)行走軌道并組裝臺(tái)車。臺(tái)車安裝流程為:鋪設(shè)軌道→安裝行走輪架總成→安裝底部兩側(cè)縱梁→安裝門形架→安裝頂部上縱梁→安裝上立桿、頂?！惭b側(cè)模板→安裝側(cè)?？v梁和支撐系統(tǒng)→安裝液壓及電器系統(tǒng)→安裝附件及其他設(shè)備→驗(yàn)收、使用。

4.3 模板安裝及校核

臺(tái)車安裝好后，進(jìn)行模板校驗(yàn)，模板合格后進(jìn)行側(cè)模板安裝和堵頭模板封堵。堵頭模板采用3 cm厚木板、10 cm×40 cm方木作為背枋及背擋。在臺(tái)車模板端部焊制鋼筋套環(huán)，將10 cm×10 cm背枋穿入鋼筋套環(huán)并固定在鋼模臺(tái)車上，另一端用直徑為12 mm的拉筋固定，使整個(gè)堵頭模板穩(wěn)固。拉筋沿邊頂拱布置2排，排距約為50 cm，拉筋焊接在牢固插筋或鋼筋上。為防止漏漿，堵頭模板應(yīng)拼接嚴(yán)密，靠模板邊的縫隙環(huán)向襯1圈10 cm寬的3層板。

4.4 施工窗口及下料口

臺(tái)車總長14 m，底板以上1.5 m的兩側(cè)模板上各開有3個(gè)窗口(窗口尺寸40 cm×40 cm，窗口間距5 m，窗口邊距2 m)，用于觀察及輔助振搗。沿頂拱中心線開3個(gè)孔(孔間距5 m，孔邊距2 m)，此3孔與混凝土泵送管末端軟管連接(設(shè)有卡鎖)，作為混凝土入倉口，當(dāng)一孔澆筑時(shí)，其他兩孔鎖閉防止漏漿。在堵頭模板頂拱最高處預(yù)埋一短制鋼管，作為倉面混凝土是否滿實(shí)的觀察孔，此孔同時(shí)也是排氣孔，保證混凝土澆筑時(shí)倉面空氣全部排出。澆筑過程末期，隨時(shí)觀察此孔，一旦出現(xiàn)漿液溢流，說明倉面混凝土已滿實(shí)，立即停泵澆筑。

4.5 混凝土澆筑

4.5.1 混凝土配合比

邊頂拱混凝土為摻粉煤灰及礦粉的二級(jí)配C40F200W8，混凝土配合比如下:水泥標(biāo)號(hào)為42.5，水灰比為0.32%，砂率為40%，坍落度為220 mm，含氣量為 5.7%，水泥、水、砂、小石(粒徑 5～20 mm)、中石(粒徑20～40 mm)、粉煤灰、礦粉的用量分別為217kg、129kg、720kg、432kg、648kg、73kg、73 kg。水泥采用新疆屯河水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的42.5R高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，粉煤灰采用新疆新華天粉煤灰技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，礦粉采用新疆西域水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的礦渣微粉，減水劑(DF-1)、引氣劑(DF-9)均由北京鑫源科建科技有限公司生產(chǎn)，膨脹劑(ZYH型)由新疆研科節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)。根據(jù)混凝土骨料的超遜徑及含水量指標(biāo)進(jìn)行施工配合比的調(diào)整。

4.5.2 混凝土拌制及溫控措施

根據(jù)現(xiàn)場布置，在拌和站15m處搭設(shè)600m2的砂石骨料場鋼架暖棚，暖棚內(nèi)設(shè)80 cm口徑火爐及煙管8套，保證棚內(nèi)溫度為10～18℃。根據(jù)混凝土澆筑總量，足量砂石骨料在上凍1個(gè)月前在室外攤曬堆放備料，入冬時(shí)，用復(fù)合土工膜和棉氈覆蓋料場，澆筑時(shí)提前1星期將砂石骨料(按每倉混凝土澆筑所用量的1.5倍考慮)裝運(yùn)至棚內(nèi)預(yù)熱。拌和用水采用5 m3鋼制水罐(用厚棉氈包裹)加熱至60～70℃(根據(jù)外界氣溫變化進(jìn)行調(diào)控)。

混凝土拌和站采用HZS-60型拌和設(shè)備，配料由磁鐵式自動(dòng)計(jì)量裝置配送(料斗為JS-1000型)，用JS-2000自動(dòng)計(jì)量強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制混凝土［5］。混凝土配料機(jī)與攪拌機(jī)配合使用，理論生產(chǎn)能力為25～30 m3/h。配料機(jī)除了主要工作外露部位，其他部位均用棉氈圍護(hù)，并在運(yùn)料皮帶下方設(shè)爐火加溫。為防止煙火，各工作點(diǎn)均設(shè)有干粉消防滅火器，由專人監(jiān)管使用。

混凝土拌制時(shí)，水溫控制在60～70℃，水泵從水罐中抽取熱水進(jìn)入攪拌機(jī)，投料順序?yàn)?先投入砂石骨料和熱水，再投入水泥、粉煤灰、礦粉及外加劑，攪拌時(shí)為防止水泥的假凝現(xiàn)象，先使水和砂石攪拌一定時(shí)間，然后再加入水泥［7］。水泥自動(dòng)計(jì)量上料，粉煤灰、礦粉及外加劑嚴(yán)格按照施工配合比采用質(zhì)量法配置并人工上料，砂石骨料使用ZL30裝載機(jī)上料至配料機(jī)?；炷翑嚢钑r(shí)間不少于3 min，在機(jī)口除正常的溫度監(jiān)測外，每4h檢測1次混凝土拌和物的坍落度，每2 h檢測1次含氣量。

拌制時(shí)溫度監(jiān)測:室外及砂石骨料棚內(nèi)溫度每2 h測量1次;水溫及砂石骨料溫度每1 h測1次;混凝土機(jī)口溫度每1h監(jiān)測1次，溫度計(jì)插入深度不小于10cm。氣象信息每周提前收集，定時(shí)監(jiān)測當(dāng)天氣溫，以掌握現(xiàn)場氣溫、溫控和拌和規(guī)律。通過以上措施，機(jī)口出料溫度保證在7～12℃之間。

4.5.3 混凝土輸送及保溫措施

拌和站至涵洞進(jìn)口運(yùn)距為1 000 m，使用10 m3攪拌罐車運(yùn)至涵洞進(jìn)口。攪拌罐外包裹棉氈，在拌和站進(jìn)料前先用70℃熱水泵入5 m3鋼制罐車內(nèi)進(jìn)行洗罐和預(yù)熱，然后全部倒出再裝料，料罐溫度能維持在15～20℃之間。為減少沿程混凝土熱量散失，對(duì)運(yùn)距1000 m的施工路線進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化為800 m運(yùn)距，路面用黃土和碎石進(jìn)行碾壓硬化，局部低洼處填平并設(shè)排水溝，配置專用裝載機(jī)隨時(shí)推雪和平整路面，保證了道路的暢通和運(yùn)輸?shù)母咝А?/p>

涵洞進(jìn)口處采用HBT80A型混凝土地泵通過管徑150 mm泵管接入澆筑倉內(nèi)。泵管總長100 m，管徑150 mm，涵洞壓力段外泵管均包裹棉氈，為減少爆管和堵管，靠近泵車的導(dǎo)管采用4 m新管，為便于拆裝，倉面內(nèi)接近入料口處的導(dǎo)管采用1～2 m短導(dǎo)管，入料口接彎管和3 m鋼絲橡膠軟管。通過以上措施，罐車出料溫度保證在5～10℃之間，混凝土進(jìn)入倉面溫度保證在5～7℃之間。

4.5.4 混凝土澆筑及溫控措施

臺(tái)車頂拱有3個(gè)入倉口，采用先中間、后下游、再上游的順序入倉，保證倉面內(nèi)空氣全部被排除，倉內(nèi)混凝土填充滿實(shí)。混凝土澆筑時(shí)先鋪1層5 cm厚的同標(biāo)號(hào)水泥砂漿，混凝土澆筑層厚度控制在40 cm以內(nèi)，澆筑速度控制在1 m/h以內(nèi)，兩邊墻混凝土均勻上升，澆筑高差小于40 cm。隨著澆筑高度的增加，為便于排水，每層混凝土由中部向兩邊分坡(倉內(nèi)混凝土高差以不大于40 m為原則)。澆筑過程末期，隨時(shí)觀察堵頭模板頂拱最高處預(yù)埋的短制鋼管的溢漿情況，倉面由專人手持對(duì)講機(jī)與地泵操作員進(jìn)行通信聯(lián)系，一旦出現(xiàn)漿液溢流，立即停泵澆筑。

混凝土振搗采用固定在臺(tái)車上的9臺(tái)2.2 kW附著式振搗器，備置3臺(tái)ZX-50插入式振搗棒，輔助附著式振搗器進(jìn)行振搗。附著式振搗器由專人操作，根據(jù)振搗試驗(yàn)結(jié)果，振搗間隔時(shí)間選用20 s。

根據(jù)施工條件，在倉面內(nèi)上、中、下游分別放3個(gè)溫度計(jì)，由專人隨時(shí)監(jiān)測并記錄倉內(nèi)環(huán)境溫度變化情況，各工作點(diǎn)爐火加溫控制也由專人負(fù)責(zé)。現(xiàn)場倉內(nèi)環(huán)境溫度控制在5～14℃，混凝土進(jìn)倉溫度控制在5～7℃，澆筑后混凝土溫度變化不大。

4.6 脫模及養(yǎng)護(hù)

邊頂拱混凝土澆筑完成后，晝夜派專人看護(hù)，定時(shí)檢查倉內(nèi)溫度及倉外遮蓋保溫情況。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，36 h以上的臺(tái)車脫模時(shí)間效果較好。脫模后對(duì)邊頂拱混凝土表面涂刷2遍養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，用爐火及電暖氣加溫，為減少新老混凝土的溫度應(yīng)力，保證新老混凝土結(jié)合良好，倉面溫度維持在5～14℃。養(yǎng)護(hù)時(shí)每日早、午、晚各測一次室外、棚內(nèi)及倉內(nèi)溫度。涵洞壓力段于2009年12月14日至2010年3月24日進(jìn)行施工，2009年1月31日暫停施工，2010年2月22日復(fù)工。期間室外溫度變化范圍為－38～0℃;棚內(nèi)(第1道保溫層)溫度變化范圍為3～9℃;倉內(nèi)(第2道保溫層)溫度變化范圍為5～14℃。

5 施工質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收評(píng)定

涵洞壓力段邊頂拱襯砌加固共分6個(gè)單元工程，邊頂拱混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢驗(yàn)6組，根據(jù)SL176—2007《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定規(guī)程》附錄C中普通混凝土試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法［8］，抗壓性能合格?？箖鲈囼?yàn)檢驗(yàn)1組，F(xiàn)200彈性模量為83.4%，大于60%，質(zhì)量損失率為1.5%，小于5%，抗凍性能合格。抗?jié)B試驗(yàn)檢驗(yàn)1組，加壓至0.8MPa，8h內(nèi)試件表面均未滲水，抗?jié)B性能合格。經(jīng)現(xiàn)場質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定，6個(gè)單元工程合格率及優(yōu)良率均為100%，外觀及工程質(zhì)量優(yōu)良［9］。

6 結(jié)語

在高寒環(huán)境下，通過對(duì)頭屯河水庫涵洞壓力段作業(yè)區(qū)內(nèi)外采取多重溫控措施，運(yùn)用邊頂拱鋼模臺(tái)車高性能混凝土襯砌加固技術(shù)，壓力段邊頂拱單循環(huán)每倉混凝土澆筑量19 m3，臺(tái)車單循環(huán)工作時(shí)間平均為4 d，有效地保證了壓力段襯砌加固的施工。該技術(shù)在提高涵洞壓力段襯砌質(zhì)量、表面光潔度和襯砌施工效率等方面的優(yōu)越性在實(shí)踐中得到了充分體現(xiàn)，為今后類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］馬軍.頭屯河水庫除險(xiǎn)加固工程施工導(dǎo)截流設(shè)計(jì)［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2012(1):21-22.(MA Jun.Design of construction diversion and river closure in Toutun River reservoir reinforcement project［J］.Water Science and Engineering Technology，2012(1):21-22.(in Chinese))

［2］馬軍.球墨鑄鐵襯護(hù)技術(shù)在頭屯河水庫涵洞底板抗沖磨加固中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2012，43(7):77-80.(MA Jun.Application nodular cast iron to abrasionresistant reinforcement of bottom slab of draw-off for Toutun River［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2012，43(7):77-80.(in Chinese))

［3］陳亞寧.新疆頭屯河流域山地侵蝕與減沙治理研究［M］.烏魯木齊:新疆人民出版社，1995.

［4］SL303—2004 水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］馬軍，艾克拜爾·買買提.高落差涵洞事故門井筒加固施工技術(shù)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2012，32(4):66-69.(MA Jun，MAIMAITI A.High performance concrete lining reinforcement technology of side and top arch of culvert in alpineenvironment［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(4):66-69.(in Chinese))

［6］DL/T5169—2002 水工混凝土鋼筋施工規(guī)范［S］.

［7］DLT5144—2001 水工混凝土施工規(guī)范［S］.

［8］SL176—2007 水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定規(guī)程［S］.

［9］SL223—2008 水利水電建設(shè)工程驗(yàn)收規(guī)程［S］.

High-performance concrete lining reinforcement technology forsideand top arch ofculvertin alpine environment

MA Jun(Toutun River Basin Management Office of Xinjiang Water Resources Bureau，Cangji831100，China)

Taking the Toutun River Reservoir in Xinjiang as an example，the high-performance concrete lining reinforcement technology for the side and top arch of a culvert during the structural reinforcement of the culvert pressure section in the alpine environment is introduced.During the construction process of the Toutun River Reservoir，extremely cold weather of 60-year return period occurred in Xinjiang.To ensure high quality of concrete lining reinforcement and timely completion，multiple measures were taken for temperature control during the processes of concrete stirring，transferring，and pouring，and the C40F200W8 second-grade high-performance concrete with a thickness of 30 cm，mixed with fly ash and slag，was selected for lining reinforcement using a steel form jumbo.According to the results of quality inspection and assessment，the project’s construction achieves excellent quality.Practice has proved that this technology plays an important role in enhancing the construction efficiency and guaranteeing the construction quality in the alpine environment.

alpine environment;culvert pressure section;high-performance concrete;lining reinforcement;Toutun River Reservoir

TV521;TU528.57

A

1006-7647(2013)06-0091-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.020

馬軍(1972—)，男，新疆昌吉人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。E-mail:mjwy.728210@163.com

2012-12-20 編輯:駱 超)