明挖隧道襯砌多點(diǎn)對稱布料混凝土澆筑施工方法研究

張國浩，吳曉龍

(中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

明挖隧道主要適用于淺埋隧道施工，通過基坑開挖為隧道襯砌提供作業(yè)空間，在襯砌施工完成后再進(jìn)行回填成型。對于明挖法施工隧道而言，襯砌施工是隧道施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是明挖隧道質(zhì)量較難管控的環(huán)節(jié)和質(zhì)量控制的要點(diǎn)。如何提高明挖隧道襯砌混凝土的施工質(zhì)量，是明挖隧道需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

明挖隧道混凝土襯砌施工采用由下到上的施工方法，先進(jìn)行仰拱與填充施工，后進(jìn)行側(cè)墻與頂板施工。側(cè)墻與頂板施工均采用傳統(tǒng)的混凝土澆筑工藝——單點(diǎn)澆筑工藝，即單側(cè)混凝土通過一臺混凝土泵送車通過反復(fù)移動布料點(diǎn)的方式完成混凝土澆筑。這種澆筑方法需要在澆筑過程中反復(fù)移動澆筑點(diǎn)，施工效率較低，且在施工過程中混凝土澆筑不連續(xù)，要求混凝土塌落度較高，工作時間久。故在施工過程中易造成襯砌混凝土出現(xiàn)人字坡、施工冷縫等常見質(zhì)量缺陷，甚至影響其局部強(qiáng)度。

如何提高襯砌混凝土的澆筑質(zhì)量是明挖隧道施工研究的主要問題之一。針對這一技術(shù)難題，該文提出一種多點(diǎn)布料對稱澆筑施工方法，以提高隧道襯砌混凝土的施工質(zhì)量和施工效率，實現(xiàn)明挖隧道襯砌施工的技術(shù)進(jìn)步。

1 依托工程概況

以京雄鐵路機(jī)場2號線隧道工程為依托，研究一種多點(diǎn)對稱布料分層澆筑施工方法。機(jī)場2號隧道是京雄城際鐵路的重要組成部分，北接北京大興機(jī)場地下站，南穿永定河南大堤后露出地面，路線全長8.34 km。隧道最大埋深28.64 m，隧道設(shè)計為單洞雙線形式，雙線之間間距為5 m，洞門采用柱式洞門。路線大部分區(qū)段主體結(jié)構(gòu)斷面形式為拱形明洞結(jié)構(gòu)，明挖隧道的標(biāo)準(zhǔn)斷面形式如圖1所示，襯砌隧道總高度為12.83 m，洞趾隧道總寬度為19.90 m，兩側(cè)洞趾寬度各2 m。

圖1 京雄鐵路2號線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

機(jī)場2號隧道主要采用放坡明挖法施工，基坑深度為12.6～32.3 m，地質(zhì)主要為砂層、粉土、粉質(zhì)黏土互層，最深處地下水位為拱頂以上4～5 m。襯砌混凝土主要采用襯砌臺車法施工，部分區(qū)段采用移動支架法施工。臺車法施工時，首先進(jìn)行仰拱施工，待仰拱填充施作完成后，利用多功能作業(yè)臺架人工鋪設(shè)防水板、綁扎鋼筋。拱部襯砌采用液壓整體式襯砌臺車進(jìn)行一次性整體灌注施工。襯砌臺車長度為9.1 m，采用定型鋼支撐液壓臺車結(jié)構(gòu)?；炷敛捎冒韬驼炯邪韬停炷吝\(yùn)輸車運(yùn)至現(xiàn)場，泵送入模。在混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度并完成防水施工后再進(jìn)行對稱回填。

2 多點(diǎn)對稱布料澆筑施工方法

2.1 施工方法

多點(diǎn)對稱布料施工的工作原理如圖2所示，利用布置在襯砌頂部的中央集料槽作為混凝土布料的自動分配系統(tǒng)，實現(xiàn)混凝土澆筑的多點(diǎn)同步布料。

圖2 分層對稱多點(diǎn)澆筑側(cè)墻示意

該澆筑系統(tǒng)由中央集料槽與澆筑滑槽組成，中央集料槽設(shè)置在襯砌頂部模板上方，通過中央集料槽的布料分配，使得混凝土對稱流向兩側(cè)澆筑滑槽。實現(xiàn)襯砌兩側(cè)澆筑對稱性的控制，確保兩側(cè)澆筑對稱。在混凝土澆筑施工時，混凝土通過泵送設(shè)備泵送至頂部中央集料斗，后經(jīng)過集料斗，由滑槽、漏斗和串筒流入襯砌臺車各布料點(diǎn)，實現(xiàn)多點(diǎn)布料。澆筑過程中通過對中央集料槽出口位置澆筑閥門的控制可以靈活調(diào)整混凝土在各分配滑槽的布料速度。

混凝土澆筑滑槽下方與模板頂部預(yù)留的澆筑孔相連接，在混凝土澆筑到對應(yīng)澆筑孔高度時可將該澆筑孔以下的滑槽拆除，直接將澆筑滑槽與澆筑漏斗安裝在該位置的澆筑孔內(nèi)。采用這種方法完成襯砌頂板的混凝土對稱澆筑，如圖3所示。

圖3 分層對稱多點(diǎn)澆筑頂板示意

2.2 主要施工設(shè)備

多點(diǎn)分層對稱澆筑布料系統(tǒng)主要由中央集料槽、澆筑滑槽、澆筑漏斗及澆筑串筒組成。系統(tǒng)組件構(gòu)造均較為簡單，可現(xiàn)場加工制造組拼后使用。

中央集料槽由角鋼與鋼板焊接制造成型，見圖4，集料槽底部應(yīng)設(shè)置不小于45°的斜坡。兩側(cè)各設(shè)置4～6個混凝土出料口。底板與多個混凝土滑槽相連接，每個滑槽與集料斗連接處設(shè)置一控制閥板，可通過調(diào)節(jié)閥板控制各滑槽混凝土的布料速度。

圖4 中央集料槽示意圖

滑槽可用薄鋼板彎折成型，并在外側(cè)設(shè)置加勁肋以保證滑槽剛度，但需要控制滑槽的總重量，便于施工時移運(yùn)便利?；劭刹捎瞄L度為1.5、2.0 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拼接而成，滑槽布置時可根據(jù)布料口的位置，靈活調(diào)整長度。在兩端設(shè)置掛鉤式連接構(gòu)造，便于快速連接與拆除，制造完成后應(yīng)進(jìn)行試拼裝檢驗，拼接時按照頂層在上的原則進(jìn)行接頭連接。

每個滑槽下端與一個集料漏斗相連接，混凝土經(jīng)滑槽輸送到達(dá)集料漏斗，經(jīng)集料漏斗進(jìn)入混凝土串筒或澆筑布料點(diǎn)。兩側(cè)側(cè)墻混凝土澆筑應(yīng)及時調(diào)整串筒長度，控制混凝土自由下落的高度，避免混凝土下落過程中出現(xiàn)離析，影響混凝土質(zhì)量。

2.3 施工特點(diǎn)與優(yōu)勢

采用多點(diǎn)分層對稱布料澆筑工藝的特點(diǎn)是施工布料控制操作簡單，布料均勻可控。無需頻繁更換澆筑點(diǎn)，混凝土只需要集中泵送至中央集料槽，利用滑槽自動均勻分配混凝土，實現(xiàn)多點(diǎn)同步澆筑?；炷凛斔椭连F(xiàn)場，同一層混凝土兩側(cè)多點(diǎn)同時布料，每罐混凝土澆筑時間較短，坍落度損失較小，基本可實現(xiàn)混凝土的連續(xù)澆筑。

這種施工方式可降低對混凝土塌落度的要求，有利于提高混凝土質(zhì)量，能夠避免混凝土離析，減少施工冷縫等質(zhì)量缺陷，也可提高混凝土的密實性。同時，這種施工工藝縮短了混凝土的泵送時間，提高施工效率，單罐混凝土的澆筑時間可縮短20%以上。此外，這種施工工藝可改善施工條件，將澆筑施工布料由模板內(nèi)調(diào)整到模板外側(cè)，人員無需長時間在模板內(nèi)實施混凝土澆筑工作。混凝土的澆筑實現(xiàn)半自動化，降低了勞動強(qiáng)度。相較于傳統(tǒng)兩側(cè)分別布料施工工藝而言，襯砌兩側(cè)澆筑的對稱，澆筑速度相同，混凝土施加在襯砌臺車上的側(cè)向壓力基本對稱。因此襯砌臺車的受力更加均勻，避免了由于不對稱荷載導(dǎo)致臺車受力過大甚至發(fā)生橫向移位的可能。

多點(diǎn)分層對稱澆筑施工方法除了在施工效率、施工質(zhì)量方面的優(yōu)勢外，尚有明顯的環(huán)保優(yōu)勢。該澆筑方式在施工過程中現(xiàn)場無混凝土掉落，施工作業(yè)面整潔，無澆筑廢料，對環(huán)境污染小，且能夠降低泵送車和運(yùn)輸罐車的工作時間，降低能耗。

3 標(biāo)準(zhǔn)化工藝與質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝

采用分層多點(diǎn)對稱布料施工的標(biāo)準(zhǔn)化工藝在原有襯砌混凝土澆筑工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合多點(diǎn)布料的要求，可按照如圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)化工藝進(jìn)行襯砌的側(cè)墻與頂板混凝土施工。主要分為準(zhǔn)備階段、澆筑階段和養(yǎng)護(hù)階段，具體可分為14個操作步驟。

仰拱施工完成后方可進(jìn)行襯砌施工。先在側(cè)墻外側(cè)完成側(cè)墻防水施工與側(cè)墻鋼筋安裝，后調(diào)整襯砌臺車就位，可以臺車作為頂板鋼筋綁扎平臺，完成頂板鋼筋安裝。在側(cè)墻鋼筋與頂板鋼筋綁扎完成，并檢驗合格后可進(jìn)行頂板蓋模安裝、調(diào)整與固定。蓋模安裝由側(cè)墻向拱頂?shù)捻樞虬惭b，安裝時應(yīng)重點(diǎn)控制模板外側(cè)的保護(hù)層厚度。

圖5 襯砌混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)工藝流程

頂板安裝就位后安裝分層多點(diǎn)布料系統(tǒng)，首先將中央集料槽安放于頂模板中央，再由頂板與側(cè)墻交界處向中央集料槽依次安放滑槽，安裝就位的滑槽通過強(qiáng)力磁鐵與頂模板臨時固定?；凵隙伺c中央集料槽的出料口利用掛鉤可靠連接，滑槽下方與側(cè)墻頂部安裝集料漏斗和串筒連接，形成多點(diǎn)、同步布料系統(tǒng)。布料系統(tǒng)安裝就位后需要對各連接位置的可靠性進(jìn)行檢查，確保混凝土澆筑過程中布料系統(tǒng)的穩(wěn)定。

在澆筑時，混凝土通過泵送車連續(xù)泵送至中央集料槽中，利用布料系統(tǒng)實現(xiàn)對混凝土分流。澆筑過程中可通過插板閥控制滑槽的開閉，達(dá)到混凝土兩側(cè)對稱分層澆筑的目的?；炷恋臐仓窂饺鐖D6所示。先澆筑側(cè)墻，后澆筑頂板，依次分層澆筑。澆筑過程中只需觀察人員對各布料槽布料速度的觀察與調(diào)整，實現(xiàn)各點(diǎn)均勻布料。在兩側(cè)側(cè)墻混凝土澆筑時應(yīng)及時調(diào)整串筒長度，控制混凝土自由下落的高度。在每層混凝土澆筑過程中，先采用插入式振搗器振搗，再啟動附著式振搗器振搗，鋼筋混凝土主要采用插入式振搗器振搗。

圖6 布料過程示意圖

側(cè)墻澆筑完成后拆除側(cè)墻集料漏斗和串筒，移動集料漏斗直接插入頂板蓋模澆筑孔，并調(diào)整滑槽的角度逐層澆筑頂板混凝土。頂板混凝土澆筑至澆筑口后及時封堵該層澆筑口，改由上層澆注口澆筑。封堵后的澆筑孔采用浸水土工布覆蓋，以防表面局部失水影響混凝土質(zhì)量。

混凝土澆筑至頂板墩頂位置后，頂板最后一層澆筑可直接利用混凝土泵送車沿著縱向由一側(cè)向另一側(cè)緩慢澆筑。澆筑完成后封蓋最后一塊頂模?；炷翝仓瓿珊髴?yīng)將布料系統(tǒng)移運(yùn)至固定區(qū)域進(jìn)行清洗，對清洗廢水做好處理，避免造成環(huán)境污染。

3.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

在布料施工前，應(yīng)對每環(huán)隧道輪廓斷面進(jìn)行測量，并計算出混凝土數(shù)量，為混凝土澆筑提供數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)。施工過程中對實際施工數(shù)量進(jìn)行校核，以對其漲模、密實度提供總體參考，作為澆筑宏觀質(zhì)量的控制依據(jù)。

澆筑過程中應(yīng)根據(jù)澆筑進(jìn)度及時調(diào)整串筒和滑槽的總長度，確保混凝土澆注的自由下落高度不大于2 m，防止自由下落高度過大導(dǎo)致混凝土離析，影響混凝土質(zhì)量。

混凝土振搗可采用插入式振搗器配合附著式振搗器振搗施工。對于插入式振搗器應(yīng)控制振搗速度，以“快插慢拔”為原則，不得在混凝土澆筑倉內(nèi)平拖振搗棒。同時對主要埋件位置應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記，避免振搗棒接觸模板、防水板及重要埋件?；炷帘砻娣簼{、無顯著下沉、無冒泡現(xiàn)象時即可結(jié)束振搗。附著式振搗器的啟動順序應(yīng)從下至上，依次啟振。每次振搗時間為8～10 s，振搗3～4次為宜。

混凝土澆筑完成后及時做好養(yǎng)護(hù)，對于布料口位置、澆筑開口封堵位置，應(yīng)采用土工布覆蓋，并灑水養(yǎng)護(hù)，確?；炷帘砻鏉駶?。模板及胎車拆除后，應(yīng)做好拆模后混凝土的養(yǎng)護(hù)工作，避免混凝土由于失水開裂。如果屬于冬季施工，則需指定冬季施工專項方案做好防風(fēng)與保溫措施。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)明挖隧道襯砌施工混凝土易出現(xiàn)分層等質(zhì)量控制難題，通過對隧道襯砌分層對稱澆筑工藝的研究，提出了一種基于移動滑槽的分層對稱澆筑布料系統(tǒng)。該施工方法操作簡便，降低了作業(yè)工人的勞動強(qiáng)度，基本實現(xiàn)了連續(xù)澆筑，提高了混凝土的澆筑質(zhì)量，同時改善了明挖隧道澆筑施工作業(yè)環(huán)境。通過自動布料系統(tǒng)控制混凝土澆筑同步、對稱、連續(xù)，避免施工間斷形成施工冷縫，確?；炷翉?qiáng)度均勻可靠。兩側(cè)對稱施工，優(yōu)化了襯砌臺車的受力，避免了臺車變形或移位導(dǎo)致襯砌外形尺寸偏差過大。這種施工方法具有施工效率高、質(zhì)量易控制、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢，可在明挖隧道混凝土澆筑施工中推廣應(yīng)用。