某海外隧道二次襯砌帶牛腿施工技術(shù)

徐子振

摘要：二次襯砌施工作為隧道工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，對隧道工程整體質(zhì)量起著關(guān)鍵性的決定作用。同時隨著經(jīng)濟(jì)及科技不斷進(jìn)步，隧道工程不僅規(guī)模及數(shù)量不斷增大，而且相關(guān)施工技術(shù)也在不斷進(jìn)步和更新，二次襯砌帶牛腿施工技術(shù)在隧道工程中應(yīng)用得越來越廣泛?；诖?，結(jié)合本單位海外某隧道工程的施工實(shí)例對二次襯砌帶牛腿施工技術(shù)展開了相關(guān)論述。因?yàn)楸舅淼蓝我r砌帶牛腿施工中對牛腿的受力要求很高，所以，為保證牛腿施工質(zhì)量及安全，先是進(jìn)行了相關(guān)的荷載計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬定牛腿施工方案，再對比優(yōu)選方案，最后確定實(shí)施方案。此次隧道二次襯砌帶牛腿施工中，牛腿上承載了可移動軌道式行走橋式吊車，對常規(guī)襯砌臺車進(jìn)行加裝牛腿模板，襯砌帶牛腿采取一次性澆筑混凝土，保證了工期和質(zhì)量要求，并得到推廣使用，以期對類似隧道工程施工提供幫助。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌，牛腿，一次性整體澆筑，混凝土

中圖分類號：U455.91?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383（2020）01-0045-08

Abstract：Secondary lining construction plays an important role in the overall quality of tunnel project as an important part of tunnel construction. At the same time，under the background of continuous economic and technological progress，tunnel engineering is not only increasing in scale and quantity，but also related construction technology is constantly improving and updating. The application of construction technology of secondary lining with corbel in tunnel project is becoming more and more extensively. Based on the construction example of an overseas tunnel project of the unit，the related secondary lining with corbel construction technology was discussed. Because of the high force requirements on the corbel in the construction of the lining of the tunnel. Therefore，in order to ensure the quality and safety of the construction of the corbel，the relevant load calculation was first carried out，and the construction scheme of the corbel was prepared according to the calculation result，and then the preferred scheme was compared，and the implementation scheme was finally determined. In the construction of the secondary lining with corbel of the tunnel，the movable rail type walking bridge crane was carried on the corble，the shank formwork was added to the conventional lining trolley，and the lining with corbel adopted one-time pouring concrete to guarantee the construction period and quality requirements. And they have been promoted and used in order to provide assistance to similar tunnel construction.

Keywords：tunnel lining，beef legs，one-time integral pouring，concrete

1?工程概況

海外某隧道項(xiàng)目，建筑結(jié)構(gòu)安全等級一級，耐火等級設(shè)計(jì)為Ⅰ級，使用年限設(shè)計(jì)為50年，設(shè)計(jì)斷面尺寸是12 m×14.1 m馬蹄形斷面直墻圓拱、直墻上部帶牛腿。隧道全長3 432 m，其中，帶牛腿隧道長度為1 780 m，牛腿為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，牛腿上部承載可移動軌道式行走橋式吊車。該隧道工程牛腿施工中對整個結(jié)構(gòu)的受力有著很高的要求。因此，確保牛腿施工質(zhì)量非常關(guān)鍵。若直接采取常規(guī)襯砌臺車方式開展施工難以達(dá)到現(xiàn)實(shí)施工要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此，現(xiàn)實(shí)施工中對常規(guī)二次襯砌施工采取了必要的優(yōu)化措施。牛腿設(shè)置及結(jié)構(gòu)形式見圖1、圖2。

2?地質(zhì)概況

該項(xiàng)目圍巖級別為Ⅳ、Ⅴ級，地質(zhì)情況為表層上覆褐黃色崩塌堆積碎、塊石，碎、塊石成分為強(qiáng)、中風(fēng)化灰?guī)r，塊石粒徑最大值是6 m，堆積體為松散狀，且沒有膠結(jié)現(xiàn)象，厚度在0～10.5 m范圍內(nèi)。隧道周圍巖石以泥巖夾灰?guī)r為主，顏色呈灰綠色，中度風(fēng)化，薄～中厚層狀，巖層產(chǎn)出狀態(tài)為：135° ∠3° ，呈水平狀。節(jié)理裂隙較不發(fā)育，巖石整體比較完整，含有生物化石，屬于軟巖，在失水之后很容易破碎成碎塊狀，而且暴露在外界環(huán)境后很容易被風(fēng)化。巖體主要結(jié)構(gòu)面（節(jié)理）包括a、b兩組產(chǎn)出狀態(tài)，a組產(chǎn)出狀態(tài)是：342° ∠85° ，0.5～5 條/m，與隧道近于平行，b組產(chǎn)狀為：245° ∠80° ，1～2 條/m，與隧道呈大夾角相交。成洞過程中偶有掉塊。

3?荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算

由于該隧道工程中對整個牛腿結(jié)構(gòu)的受力要求比較高，所以先針對二次襯砌進(jìn)行了荷載試驗(yàn)計(jì)算，再依據(jù)計(jì)算結(jié)果制定并優(yōu)選施工方案，以確保整體施工安全及質(zhì)量。

3.1?荷載計(jì)算

在依據(jù)隧道施工相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范要求及規(guī)定，對深埋荷載進(jìn)行計(jì)算的過程中，圍巖壓力按照松散體理論進(jìn)行具體計(jì)算，并分別在圍巖垂直和水平方向上布置壓力，具體壓力計(jì)算公式如下：

式（1）～（3）中：q為垂直均布壓力，γ為圍巖重度，s為圍巖級別，ω為寬度影響系數(shù)，B為隧道跨度，i是每當(dāng)B增加或減少1 m的時候的圍巖壓力增減率，當(dāng)B<5 m時，取i=0.2，當(dāng)B>5 m時，取i=0.1，代表地層側(cè)壓力系數(shù)，對V級圍巖取=0.3～0.5。

對該隧道工程，取γ=20 kN/m3，s=5，取B=14 m，故i=0.1，由式（2）可得：ω=1.9，由式（1）可得：q=273.6 kPa，取=0.5，由式（3）可得：p=136.8 kPa。

基于此，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求對本隧道工程二次襯砌荷載進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算荷載分布如圖3所示。

3.2?二次襯砌內(nèi)力計(jì)算與分析

3.2.1?計(jì)算工況

以荷載結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，選擇使用MIDAS-GTS有限元程序就二次襯砌的內(nèi)部受力情況實(shí)施了具體計(jì)算，且主要對計(jì)算荷載作用及實(shí)測荷載作用2種工程進(jìn)行計(jì)算分析。

在本次荷載計(jì)算過程中，選用梁單元來模擬二次襯砌，而針對地層反作用力則是選用在襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)布置全環(huán)徑向彈簧單元來進(jìn)行模擬，同時只計(jì)算彈簧的受壓情況，而不計(jì)算彈簧的受拉情況。徑向彈簧選擇單向彈簧單元來實(shí)施模擬，且此單向彈簧單元不僅有著非線性功能，而且也能對圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)之間的受力情況進(jìn)行有效模擬。在計(jì)算過程中，二次襯砌取0.5 m厚度值，彈性模量取值為30 GPa，泊松比取值0.2，圍巖（彈性）抗力系數(shù)取值K=200 MPa/m。

就現(xiàn)實(shí)情況而言，初期支護(hù)和二次襯砌二者間的接觸受力不僅包括荷載模型計(jì)算過程中作用在二次襯砌上的圍巖壓力，而且也包括彈性抗力。由此可知，通過在襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)布置徑向彈簧單元模擬地層抗力來對實(shí)測荷載情況下二次襯砌的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，還不夠完全合理。但是，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中很難對初期支護(hù)和二次襯砌二者間的整體環(huán)向斷面接觸壓力進(jìn)行精確監(jiān)測，同時為了提高實(shí)測荷載工況下和計(jì)算荷載工況下二次襯砌內(nèi)力計(jì)算分析的便利性，所以，在計(jì)算實(shí)測荷載工況下二次襯砌內(nèi)力的過程中，依然選用了全環(huán)徑向彈簧單元來對地層反作用力進(jìn)行模擬。

3.2.2?計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算荷載工況下二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示，實(shí)測荷載工況下二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖4、圖5可知：

計(jì)算荷載工況下，二次襯砌受到最大正彎矩在拱頂位置，值為260 kN·m，而最大負(fù)彎矩則出現(xiàn)在拱肩部位，值為229 kN·m，而且在拱底兩端和拱腳位置的正彎矩和負(fù)彎矩也比較大。二次襯砌受到的軸力即為壓力從拱頂向拱底呈增長趨勢。同時，相對在實(shí)測荷載工況下而言，計(jì)算荷載工況下的二次襯砌所受內(nèi)力分布更加均勻，且離散性更小。

利用相關(guān)規(guī)范計(jì)算方法對襯砌結(jié)構(gòu)每個截面安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出：計(jì)算荷載工況下，二次襯砌拱頂位置的截面彎矩比較大，而軸力相對比較小。由此可知，該截面受偏心作用壓力，安全性較差。

實(shí)測荷載工況下，二次襯砌在拱腰位置受到了最大正彎矩，值為159 kN·m，而在拱腳位置受到最大負(fù)彎矩，值為194 kN·m，而且也在拱肩位置存在比較大的負(fù)彎矩。同時，二次襯砌受到的軸力都是壓力，從拱頂位置往下呈增長趨勢，且在左拱腳處軸力最大，因?yàn)槠珘汉奢d影響，實(shí)測荷載工況下二次襯砌的內(nèi)部壓力分布比較離散，而且左側(cè)內(nèi)力明顯比右側(cè)內(nèi)力大。

和計(jì)算荷載工況對比可知，實(shí)測荷載工況下，因?yàn)楣绊敳课坏膶?shí)測荷載比較下，所以二次襯砌拱頂位置的截面彎矩比較小，而安全性比較高。由此可知，計(jì)算荷載工況下，二次襯砌拱頂位置的截面內(nèi)力和現(xiàn)實(shí)情況存在較大的偏差。

3.3?圍巖彈性抗力對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

現(xiàn)行的隧道施工相關(guān)規(guī)范內(nèi)規(guī)定了各級圍巖彈性抗力系數(shù)明確的建議取值范圍，而且這一圍巖彈性抗力系數(shù)取值會對二次襯砌內(nèi)力大小和內(nèi)力分布情況產(chǎn)生直接影響。計(jì)算荷載工況下二次襯砌內(nèi)力和圍巖彈性抗力系數(shù)關(guān)系如圖6所示。

經(jīng)過具體計(jì)算得出，二次襯砌每個截面受到的彎矩會隨圍巖彈性抗力系數(shù)減小而增大，同時軸力也會隨之減小，這就降低了截面的安全性。而且，若圍巖彈性抗力系數(shù)<50 MPa/m的情況下，二次襯砌拱頂和拱肩位置的截面彎矩會明顯變大，而軸力則會明顯降低，截面的安全性也會更低，同時拱底位置的正彎矩會明顯增強(qiáng)。由此可知，圍巖壓力作用一樣的情況下，圍巖越軟，襯砌結(jié)構(gòu)的受力性越差。但是，若圍巖彈性抗力系數(shù)達(dá)到100 MPa/m以上時，二次襯砌內(nèi)部的壓力變化就沒那么明顯了。

3.4?荷載計(jì)算結(jié)論分析

在各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)都趨于穩(wěn)定后，該隧道工程的初期支護(hù)和二次襯砌直接的接觸壓力都<0.2 MPa，這一數(shù)據(jù)比此V級圍巖深埋隧道設(shè)計(jì)垂直荷載值及素混凝土標(biāo)準(zhǔn)厚度的極限承載力小，說明此二次襯砌的安全設(shè)計(jì)理念具有很好的可行性。

隨著時間的變化，初支和二次襯砌之間的接觸壓力呈先增長再減少又增長，最后逐漸穩(wěn)定的發(fā)展趨勢。引起這種變化的主要原因有二次襯砌模板拆除前混凝土的強(qiáng)度及剛度變化、澆筑混凝土的密實(shí)情況、模板拆掉后釋放的應(yīng)力情況及混凝土的收縮變化等。

初支和二襯之間的接觸壓力分布不是對稱的，整體從拱頂至拱肩、拱腰、拱墻上部、拱墻下部呈增長趨勢，但是拱腳和拱底的壓力值比較小。

實(shí)測荷載工況相比較計(jì)算荷載工況來說，其二次襯砌的內(nèi)力（彎矩及軸力）比較小，同時這兩種工況下，二次襯砌的內(nèi)力分布在規(guī)律上有著一定不同。

在圍巖壓力作用相同的情況下，隨著圍巖彈性抗力系數(shù)的減?。磭鷰r越軟），二次襯砌每個截面受的彎矩就會增大，軸力會隨之減小，同時會降低截面的安全性和襯砌結(jié)構(gòu)的受力性。

4?牛腿施工方案的選定

結(jié)合荷載受力計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過對現(xiàn)場條件、施工作業(yè)環(huán)境（境外偏僻、缺少加工制造條件）、工期要求和工程質(zhì)量要求的分析比較，有3種施工方法：

4.1?方法一

牛腿與襯砌分開施工，先施工隧道襯砌部分，在牛腿位置預(yù)留契口，牛腿混凝土按照后澆帶進(jìn)行二次澆筑施工，施工示意見圖7。優(yōu)點(diǎn)：1）既有襯砌臺車不用改裝可直接按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行施工，2）襯砌施工簡單。缺點(diǎn)：1）對結(jié)構(gòu)受力不利，在主要的受力部位增加了施工縫，2）次牛腿混凝土施工難度大，3）施工工作量大、效率低，4）牛腿施工鋼筋與混凝土工序交叉次數(shù)多，5）質(zhì)量難以保證，結(jié)構(gòu)耐久性差。

4.2?方法二

襯砌按照先墻后拱的順序施工，牛腿與邊墻襯砌同時施工。采用2個襯砌臺車，將襯砌臺車分為拱部和邊墻兩部分。即一個臺車只有邊墻部分并加裝牛腿模板，先澆筑襯砌邊墻至牛腿頂面以上，另一個臺車只留拱部模板，流水作業(yè)，緊隨邊墻襯砌施工拱部襯砌，完成襯砌施工。如圖8所示，優(yōu)點(diǎn)：1）牛腿與邊墻襯砌一體澆筑，不影響牛腿結(jié)構(gòu)受力，2）牛腿與邊墻襯砌一體澆筑，比方案一牛腿施工效率較高，質(zhì)量有保證，3）比方案一投入的人力資源少。缺點(diǎn)：1）襯砌臺車資源占用大，需2個臺車先后共同完成襯砌施工，2）襯砌施工進(jìn)度慢，施工周期長，不滿足工期要求，3）對原襯砌臺車需要改造，4）增加了2條二次襯砌縱向施工縫。

4.3?方法三

整體襯砌臺車分體一次性施工帶牛腿隧道二次襯砌，即將襯砌臺車進(jìn)行分解，分解為邊墻和拱部模板兩部分，同時加裝牛腿模板，然后由邊墻和拱部模板組合共同一次性施工襯砌，如圖9所示。優(yōu)點(diǎn)：1）牛腿與襯砌結(jié)構(gòu)整體性好，無施工縫薄弱部位，2）施工速度快，周期短，效率高，3）臺車占用少，人力資源配置要求少，4）施工工序少。缺點(diǎn)：1）襯砌臺車需進(jìn)行改造加工，現(xiàn)場加工設(shè)備機(jī)具簡單，加工誤差大，2）臺車需要分部定位，定位難度大，誤差不易控制，3）懸吊邊墻模板不易固定，臺車就位行走時晃動幅度大，臺車端頭錯位不易控制。

綜合結(jié)構(gòu)功能要求、安全控制、工程進(jìn)度、施工成本、資源配置、施工效率等方面的因素，最終確定采取方法三進(jìn)行組織實(shí)施，即“整體襯砌臺車分體一次性施工帶牛腿隧道二次襯砌”。

5?技術(shù)改進(jìn)實(shí)施

臺車改造以原襯砌臺車為基礎(chǔ)進(jìn)行局部改造，達(dá)到現(xiàn)場便于實(shí)施，滿足使用要求的條件。技術(shù)改進(jìn)包括：1）在原襯砌臺車主架上加裝邊墻模板懸吊支架系統(tǒng)，每側(cè)邊模兩端設(shè)置2個，共4個，邊墻模板通過4個5 t的導(dǎo)鏈懸吊。2）將臺車邊墻模板在牛腿頂面位置處分解為上、下兩部分，3）在邊墻模板與臺車主架梁之間增設(shè)水平定位調(diào)節(jié)絲杠。4）在邊墻模板與臺車前后末端主架梁之間增設(shè)邊模前后限位調(diào)節(jié)導(dǎo)鏈，每側(cè)設(shè)置2個2 t導(dǎo)鏈，共4個。5）在下部邊墻模板上，牛腿頂面處加裝牛腿蓋模板，保證拱部混凝土與邊墻混凝土一次性澆筑。模板臺車局部改造如圖10所示。

6?模板臺車就位方法

臺車就位步驟如下：1）精確定位拱部模板。2）通過邊墻模板懸吊導(dǎo)鏈調(diào)節(jié)邊墻模板的高度。3）通過前后限位調(diào)節(jié)導(dǎo)鏈調(diào)節(jié)模板前后端位于同一斷面。4）通過邊墻水平定位絲杠調(diào)節(jié)邊墻模板的平面位置。

7?模板臺車改造成果分析

襯砌臺車模板長度為6 m，本項(xiàng)目帶牛腿襯砌共計(jì)130模，通過襯砌臺車循環(huán)連續(xù)施工。對完成襯砌的各項(xiàng)主要資源配置與方法一和方法二模擬施工進(jìn)行對比，如表1所示。

8?總結(jié)

該項(xiàng)施工技術(shù)在隧道帶牛腿襯砌段的施工的成功應(yīng)用，確保了施工進(jìn)度，滿足工程質(zhì)量要求，未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量缺陷或隱患?！罢w襯砌臺車分體一次性施工帶牛腿隧道二次襯砌技術(shù)”在其他類似項(xiàng)目具有很大的推廣和應(yīng)用價值。

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