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，解決了尾水洞結構開裂和滲漏問題，應用多項新技術和新方法，具有推廣前景。
關鍵詞：尾水洞 內(nèi)襯鋼板加固 灌注結構膠
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、輔助開關站等主要建筑物，電站裝機容量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。高速公路在設計時曾比較了“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5.904km，運營管理難度較大且費用較高；“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，需對尾水洞結構影響范圍進行加固，加固處理面積為440m2。
2 加固方案比選
結構加固作為一個行業(yè)，從上世紀70年代興起，80年代傳入我國，我國已有建筑物應用的加固方法很多，如增大截面法、外包鋼加固法、預應力加固法、改變結構受力體系的加固法、化學灌漿法、外部粘鋼法等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、噴射高強混凝土，以及裂縫封閉灌漿補強等。
由于本工程為圍巖及襯砌抗力不足引起的結構性裂縫，用涂抹環(huán)氧砂漿、噴射高強混凝土、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，但由于其粘貼時要求按一個方向順層鋪設，順水流方向時抗沖刷能力較強，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)電時水流方向不同，如碳纖維布被掀起或粘結材料隨水流進入機組，會對機組造成損壞，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灌也不容易密實，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必須要求電站停機，鑒于電站在電網(wǎng)中的特殊地位，對工期要求極為嚴格，此法也不適用。
通過對以上加固方法的綜合比較，結合本工程的特點，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構膠，使鋼板與混凝土緊密結合共同受力，既可加固結構又可改善抗?jié)B性能。
3 主要設計技術參數(shù)
選定加固方案后，考慮到尾水隧洞運行、檢修及加固施工的不同工況，主要設計參數(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
對尾水洞粘鋼厚度進行有限元計算結果表明，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，鋼板計算厚度取2mm時，在充水運行工況，計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構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，計算結果見表1。
經(jīng)綜合經(jīng)濟比較，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。
（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YZJ－3包鋼灌注型結構膠，該灌注型結構膠對于金屬材料、混凝土、巖石、玻璃、陶瓷、木材等有良好的粘結性能，主要適用于濕式包鋼灌注。經(jīng)武漢理工大學工程結構檢測中心對其力學性能進行檢驗，其技術指標見表2。
4 施工工藝
?。?）施工流程
準備工作→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→交工驗收。
?。?）施工工序
?、贉蕚涔ぷ鳎簩摪宀眉舴殖?.35m×1.25m的小片，在鋼板上打孔，其中Ф20圓孔為植化學錨栓孔，用以固定鋼板；Ф10圓孔為調(diào)位兼注漿孔，打孔完成后進行攻絲，以便于螺桿和灌膠嘴安裝；在現(xiàn)場進行卷板，將鋼板卷成直徑3.2m的弧形；噴砂除銹，涂防腐涂料。
?、谝r砌混凝土表面處理：對混凝土表面采用混凝土平整機具（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。
?、垆摪逖b配及焊接：將鋼板用小車運至施工作業(yè)面；將鋼板放在頂升設備（采用手動或電動葫蘆）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；采用植化學錨栓工藝，在鋼板植化學錨栓孔位處套打植化學錨栓孔，植入Ф14高強錨栓，錨栓植入后約10～15min可以擰緊螺母，同時拆除支撐裝置，在錨固劑固化后可滿足單根錨栓抗拔力不小于20kN的技術要求，利用高強錨栓的錨固力起到臨時固定鋼板的作用。鋼板位置調(diào)整固定完畢后即可進行焊接工作，將錨栓頭與鋼板焊接并進行鋼板間分縫焊接。
④灌注施工：灌注施工分倉進行，每兩段鋼板分為一倉，分倉長度為2.5m，分倉面積25m2；對分倉間縫隙采用結構密封膠進行封堵，封堵后進行壓氣試驗檢查密封情況；
采用灌注型親水環(huán)氧類結構膠，灌漿壓力為0.6MPa。對灌注膠液后的鋼板，馬上用小錘輕輕進行擊打檢查，對有空洞的部位進行壓力灌注補膠，直到灌注密實為止。
?、荽蚰デ謇怼⑼糠栏苛希捍Y構膠固化后，將化學錨栓螺栓頭割掉，并打磨清理焊縫，對焊接部位補涂防腐涂料。
5 采用的新技術及新工藝
?。?）提出鋼筋混凝土隧洞內(nèi)襯鋼板灌膠加固技術。
該加固技術是在借鑒國內(nèi)外先進加固技術，結合水工鋼襯鋼筋混凝土管的受力原理，經(jīng)過分析研究，理論計算并成功付諸實施的一項新的加固方法，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的進一步完善。
?。?）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灌注密實度的問題。
傳統(tǒng)的粘鋼加固技術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合無空洞的問題，是施工過程中的技術瓶頸，本項目通過試驗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合，為以后類似工程的開展提供了可借鑒的經(jīng)驗。
?。?）采用親水性灌注結構膠，成功解決了潮濕環(huán)境下結構膠粘結強度問題。
（4）本項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，并焊接成一個整圓是施工的技術難點，這次研究的成功為以后類似工程的開展提供了經(jīng)驗。
?。?）在計算鋼板抗外壓穩(wěn)定時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與有限元理論結合起來，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)揮有限元對復雜問題處理靈活方便的優(yōu)點。
?。?）固定鋼板時采用化學錨栓代替植膨脹螺栓，利用了化學錨栓的凝結速度快、可迅速提高抗拔力的特點，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，將對尾水洞的結構和滲漏造成影響。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，嚴重影響電站的安全運行，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，可滿足尾水洞結構受力要求，從而保證電站安全運行。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，使原管道過水斷面減小，施工周期長、造價高。如采用粘貼鋼板條帶法大部分需手工操作，機械化程度低，施工質(zhì)量不易控制，且不能有效改善防滲效果。
該加固技術具有施工周期短，施工質(zhì)量易于控制、處理費用較省的優(yōu)點，因此可以將該技術在更大的范圍內(nèi)推廣，如公路、鐵路等其它隧洞的加固處理工程中，應用前景十分廣泛，具有一定的社會效益。
