隧洞钢管衬砌鼓包质量问题分析及处理措施

李 平（浙江华东工程咨询有限公司， 浙江 杭州 311122）

1 概 述

某抽水蓄能电站中工程总装机容量为1 200 MW，地下厂房内安装4台单机容量为300 MW的水轮发电机组，为大（1）型一等工程。电站由输水系统、上水库、下水库、地下厂房及地面开关站等建筑物组成。输水系统包括引水系统、尾水系统，其中尾水系统又包括尾水支管、尾水事故闸门室、尾水岔管、尾水调压室、尾水隧洞、尾水检修闸门井及下水库进/出水口。

尾水隧洞采用两机一洞的布置方式，2条尾水隧洞平行布置，其隧洞中心距为47.54 m。尾水隧洞内径7.6 m，1号尾水隧洞长1 606.5 m，隧洞底坡坡度为4.68%；2号尾水隧洞长1 668.96 m，隧洞底坡坡度为4.44%。采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.6 m～0.8 m。1条尾水隧洞对应两条尾水支管，4条尾水支管平行布置，中心间距23.96 m。1号～4号尾水支管内径5.0 m，长170.12 m～212.81 m，自尾水管出口至尾水事故闸门室下游30 m范围内的尾水支管采用钢板衬砌，钢衬外回填素混凝土厚0.6 m，其余部分尾水支管采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.6 m。

2 施工工艺简述

尾水支管钢板衬砌段由直管、尾水事故闸门钢闸室及渐变管组成，钢管制作采用500 MPa级Q345R钢材，其厚度直管为28 mm、尾水事故闸门钢闸室与渐变管为32 mm。钢管设置有加劲环、止推环和阻水环，加劲环、止推环环高150 mm、间距750 mm，阻水环环高300 mm、间距400 mm，厚度均为24 mm，材质与钢管母材相同。渐变管上设置有槽型扁钢，间距600 mm、长边400 mm、两条短边100 mm、厚20 mm。钢管均在钢管制造厂采用钢板卷制再拼接组成，按每节4 500 mm或6 000 mm长度制作，内部设置内支撑，完成后运至施工现场，采用吊车、桥机或者天锚吊装再辅助有轨台车、千斤顶安装就位，就位后采用工字钢、锚杆进行固定，最后进行对接环缝焊接、防腐。

钢管安装完成后，清理建基面、安装堵头模板，最后采用10 m³混凝土搅拌车水平运输、HBT60混凝土泵泵送入仓进行C20F50微膨胀混凝土回填。回填混凝土施工时从钢管一侧泵管进料，边进料边振捣，待另一侧出现混凝土后改由两侧同时进料，均匀上升至覆盖整个浇筑段钢管，保持两侧均衡上升防止引起钢管变位。

在回填混凝土强度达到70%后，进行钢管衬砌顶拱范围内的回填灌浆，灌浆孔采用在钢管制作时预留的孔再采用手风钻钻进成孔，分序灌浆，压力不超过0.5 MPa；在回填灌浆结束7 d后进行全管段固结灌浆施工，灌浆孔成孔方式与回填灌浆一致，入岩3 m，分序灌浆，压力不超过0.8 MPa；最后，在回填混凝土浇筑结束60 d后再进行钢管底部的接触灌浆，灌浆压力不超过0.1 MPa。

3 问题及原因分析

3.1 问题描述

2号尾水支管（含事故闸门钢闸室）已完成钢衬安装、混凝土回填及灌浆施工（包括回填、固结与接触），但后续检查发现2号尾水支管闸后渐变管底板存在鼓包情况。经现场量测，底板中心线最大鼓起为4.2 cm，鼓包面积为8.9 m2。

3.2 原因分析

从尾水支管开挖，钢管制作、安装与焊接，混凝土回填再到灌浆整个过程中，相关人员查阅了资料，并委托有资质的相关单位对鼓包后的钢管焊缝进行了无损检测，对鼓包部位是否存在脱空进行了物探检测，发现鼓包后两侧焊缝无异常，但鼓起部位有两处脱空，面积分别为0.45 m2与0.70 m2。同时，在鼓包最高处开60 cm×60 cm正方形孔，发现槽型扁钢被拉断，加劲环完好无损，但明显与混凝土脱离。由此分析，可能导致钢管鼓包的主要原因如下。

（1）尾水支管围岩主要为微新的片麻状闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩及斜长角闪岩。断层较为发育，多达7条，其中多条与洞轴线交角较小，不利于洞室围岩的稳定。因此，对应鼓包部位地质条件较复杂，周边地质条件对结构产生的应力较大，加上鼓包部位为尾水事故闸门钢闸室连接直管的渐变管，钢管本身局部应力较大。

（2）混凝土在拌和站拌制后经场内公路、进场交通洞、尾水施工支洞及尾水隧洞，再到尾水施工支管，运距较长，加上尾水施工支洞、尾水隧洞段路况较差，混凝土运输车辆行驶速度较慢、行驶时间较长，混凝土坍落度损失较大，在采用混凝土泵泵送入仓回填时，未及时倒换泵管，未按照要求均衡上升回填，存在一侧混凝土回填高度大于另一侧的情况，进一步增大了钢管所受到的应力。

（3）在进行底板固结灌浆时，灌浆整体压力未超出设计要求（设计要求不大于0.8 MPa），但检查压力曲线时发现存在瞬时压力超出设计要求（最高接近1 MPa），且存在未卡塞进行灌浆，而是违规在钢管预留孔部位直接接灌浆管进行灌浆，导致钢板直接承受灌浆压力。

4 处理措施

尾水施工支管作为机组发电的主要流道，流速较高，对流道形体及平整度要求较高，为不影响机组发电与长期运行，需要对鼓包位置进行处理。主要将鼓包部位的钢板及加劲环割除，然后凿除钢板底部混凝土，在加劲环部位增设锚杆，在新老部位混凝土结合处增加插筋，将加劲环和钢板割除的部位补起来，回填自密实混凝土，底板接触灌浆施工，预留孔焊接封堵，新钢衬部位进行防腐施工。具体处理措施如下。

在钢板割除前首先钢管施做内支撑，确保渐变管整体的结构强度后再进行钢板切割，防止在处理鼓包时引起其他部位变形。钢板切割分两次进行，第一次割除距设计割除边线预留不小于50 mm，再按照边线进行割除，使用半自动火焰切割对刨除位置进行修口并开设坡口。将切割线范围内的旧加劲环采用火焰切割全部切除，并将钢衬切割线外部170 mm旧加劲环同样切除，将加劲环切割部位打磨干净。

旧钢衬刨除后，人工采用电镐对鼓包部位底部混凝土进行凿除，凿除深度不小于60 cm。在加劲环底部采取手风钻钻孔，增设φ28 mm锚杆，间距为750 mm×800 mm布置，后续与加劲环双面焊接，焊缝高度为20 mm，锚杆长4 m，入岩2.56 m。

在新旧混凝土结合面上布置连接插筋，插筋采用φ22 mm@1.0 mm×1.0 m布置，插筋总长度为0.9 m，新旧混凝土内各长0.45 m。

采用厚度大于原钢板厚度的同材质钢板对切除的鼓包位置钢板进行更换，新钢板与旧钢板存在厚度差，使用火焰切割旧钢板与新钢板对接的接口位置，形成坡度为1∶3的斜坡，并将切割后的坡口打磨处理干净。加劲环的尺寸根据现场实际割除的尺寸下料，并直接使用数控火焰切割机切割成形，再与新钢板焊接连接。在新钢衬上焊接加固扁钢，在旧钢衬开口一圈坡口位置设置垫板并留出不低于3 mm的对缝间隙，方便后期焊接，保证焊缝焊接内部质量。

新钢衬与加劲环在厂内制作完成后，运至施工现场。在安装前，核对切口尺寸，清理焊道及两侧，并在钢衬外壁适当位置布置定位块。钢衬吊装到位后，用千斤顶和压码工装进行压缝，并进行定位焊。

鼓包处钢板修复完成后，委托有相应资质的单位对焊缝进行无损检测。检测合格后，采用比原混凝土高一个标号的自密实混凝土通过预留的灌注孔进行回填，再通过预留的观察孔（兼灌浆孔）观察灌注情况，直至自密实混凝土灌满并溢出观测孔。

在新安装的钢衬上预留1个φ150 mm孔，2个φ50 mm孔。中间1个用于自密实混凝土的灌注，剩余2个用于混凝土灌注时的排气、灌注过程中密实度的观察及后期灌浆使用。自密实混凝土回填时将所有排气孔和灌浆孔打开，自密实混凝土回填结束后，采用锤击的方式检测是否存在脱空情况。

根据检测结果，须在脱空部位采取接触灌浆方式。灌浆压力小于0.1 MPa，灌浆前将所有灌浆孔打开，如果2个加劲环之间无灌浆孔，应补设一个灌浆孔用于排气，一序灌浆孔灌浆时，其他孔应出现冒浆现象。接触灌浆结束后，再次委托有相应资质的单位进行底板接触灌浆质量检查，检查合格后方可进行灌注孔、排气检查孔封焊并打平磨光。

待灌浆完成后，拆除临时内支撑。新钢衬的除锈工作采用电动钢丝轮打磨的人工除锈方式，内壁喷涂采用人工磨光机打磨。经除锈后的钢材表面宜在2 h内涂装防锈处理。

5 结 语

在水电水利行业中，隧洞往往采用钢管衬砌，且采用钢管衬砌的一般是流速较大、结构要求较高的部位，因此，在施工质量方面要求往往较高。鼓包是一种钢管衬砌较为常见的质量问题，其产生的原因较为复杂多样，地质、结构及施工等均可能诱发鼓包现象出现，且鼓包发生后若处理不当，带来的隐患往往较大。本文依托现场实例，通过查找、分析鼓包产生的原因，对鼓包部位进行了专项处理，对后续钢管衬砌施工具有指导意义。