小斷面水工隧洞全環(huán)襯砌施工工法研究

劉孝東

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 概 述

隧洞種類按斷面積及等效直徑劃分，可分為小斷面隧洞、中斷面隧洞、大斷面隧洞、特大斷面隧洞。小斷面隧洞的斷面積低于20m2，等效直徑在5m以下；中斷面隧洞的斷面積在20-35m2之間，其等效直徑則在5-6.5m之間；大斷面隧洞的斷面積在35-120m2之間，等效直徑在6.5-12m之間；特大斷面隧洞的斷面積>120m2，等效直徑>12m。

由于鐵路隧道、公路隧道均需滿足車輛通行條件，均設(shè)計(jì)成大斷面、特大斷面，襯砌均采用鋼模襯砌臺(tái)車邊頂拱和仰拱分序襯砌。大型輸水工程大斷面也多采用鋼模臺(tái)車進(jìn)行分序襯砌。但小斷面由于其斷面面積低于20m2，這種“小”的特征對(duì)于施工帶來的主要問題就是大型高效率的施工設(shè)施無法進(jìn)行工作區(qū)，而在施工過程中還要面臨多種工程工序的交叉進(jìn)行，造成彼此之間的工作受到干擾，降低施工的效率。由于小斷面的空間小，許多工程施工的具體工作只能進(jìn)行周期性的調(diào)配安排，然后輪流進(jìn)行?；炷烈r砌的過程中，其相關(guān)的工序也因?yàn)槭艿搅丝臻g限制，無形中增加了其工作難度。另外，大型的運(yùn)輸設(shè)備、機(jī)械設(shè)備無法進(jìn)入，同時(shí)也對(duì)工程內(nèi)的各個(gè)相關(guān)管線的鋪設(shè)造成了麻煩，整體上說，小斷面隧洞的工程施工難度較大，整體施工質(zhì)量和進(jìn)度都會(huì)造成影響。

國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)表明，小斷面襯砌多采用以下幾種方法：①底板先行100m左右、邊頂拱緊跟；②仰拱全部澆筑完成后再進(jìn)行邊頂拱襯砌；③采用拼裝組合模板的方式；④采用頂管瓦片襯砌技術(shù)的方式進(jìn)行襯砌施工。這幾種施工方法已積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)。但小斷面隧洞混凝土襯砌的全斷面襯砌方案的研究目前仍處于起步階段，而文章通過對(duì)小斷面隧洞全斷面混凝土襯砌方案的研究，既提高了襯砌結(jié)構(gòu)的完整性，減少內(nèi)水外滲造成圍巖遇水軟化的危害；又會(huì)提高混凝土襯砌施工進(jìn)度，降低施工成本，提高襯砌混凝土的外觀質(zhì)量。

2 全環(huán)襯砌施工工法研究

全環(huán)襯砌施工工法要解決的技術(shù)問題是，提供一種小斷面隧洞混凝土運(yùn)輸及襯砌施工方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的混凝土運(yùn)輸設(shè)備費(fèi)用高、混凝土供應(yīng)不連續(xù)、混凝土澆筑質(zhì)量差、工效低、襯砌成型尺寸較難控制等問題。

混凝土襯砌采用全圓針梁式鋼模臺(tái)車一次襯砌成型(每倉9m)，從隧洞中間部位向隧洞洞口位置逐倉襯砌，隧洞襯砌鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)總長(zhǎng)9.2m，每段搭接長(zhǎng)度20cm，每一循環(huán)臺(tái)車襯砌有效長(zhǎng)度為9m。襯砌混凝土在洞外拌合站統(tǒng)一集中拌制，混凝土運(yùn)輸方式為利用拖拉機(jī)頭牽引混凝土罐、U型車軸等設(shè)計(jì)組裝，并進(jìn)行創(chuàng)造后的3輛2m3混凝土罐車，將混凝土從拌合站運(yùn)輸至洞內(nèi)作業(yè)面，使用HBT40型混凝土泵泵送入倉，混凝土使用鋼模臺(tái)車附著式振搗器振搗密實(shí)。

全圓針梁式鋼模臺(tái)車?yán)米詭Ц郊有凶邫C(jī)構(gòu)及卷揚(yáng)系統(tǒng)行走到襯砌位置，利用簡(jiǎn)易臺(tái)架人工進(jìn)行鋼筋安扎。鋼筋安扎完成后，利用臺(tái)車卷揚(yáng)系統(tǒng)將鋼模部分水平位移至待澆倉面。通過操作豎向油缸、側(cè)向油缸、頂模油缸，將臺(tái)車前后底座及鋼模板就位并支撐牢固，采用木模散板立模封堵。隨后，使用3輛2m3混凝土罐車輪流運(yùn)輸混凝土至作業(yè)面，以保證混凝土供應(yīng)不中斷，通過HBT40拖式混凝土輸送泵泵送入倉。

使用該施工工法，混凝土運(yùn)輸設(shè)備費(fèi)用低、混凝土供應(yīng)不中斷，在保證混凝土襯砌內(nèi)在質(zhì)量的同時(shí)，提高了隧洞混凝土襯砌施工工效，降低了施工成本，全環(huán)襯砌一次成型，提高了混凝土襯砌外觀質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度[1]。

2.1 關(guān)鍵性技術(shù)

全環(huán)襯砌施工工法關(guān)鍵性技術(shù)包括下述步驟：臺(tái)車就位，利用自帶附加行走機(jī)構(gòu)及卷揚(yáng)系統(tǒng)將臺(tái)車行走到襯砌位置。利用簡(jiǎn)易臺(tái)架人工進(jìn)行鋼筋安扎，鋼筋安扎完成后利用臺(tái)車卷揚(yáng)系統(tǒng)將鋼模部分水平位移就位，通過豎向、側(cè)向、頂模油缸，將臺(tái)車前后底座及鋼模板支承牢固。借助測(cè)量?jī)x器，使模板斷面與隧洞斷面中心重合一致。安裝橡膠止水帶并立模封堵，隨后使用3輛設(shè)計(jì)組裝的2m3混凝土罐車輪流運(yùn)輸混凝土至作業(yè)面，使用改裝后的HBT40型混凝土泵泵送入倉。混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定要求，臺(tái)車進(jìn)行脫模。開始進(jìn)行下一倉隧洞混凝土襯砌施工。隧洞混凝土襯砌采用全圓針梁式鋼模臺(tái)車支模，一次澆筑成型，提高工效，降低成本，加快進(jìn)度。

2.2 全環(huán)襯砌施工工法內(nèi)容

1)全環(huán)襯砌施工工法特點(diǎn)：

①全環(huán)襯砌施工工法與傳統(tǒng)小斷面隧洞襯砌施工方法相比，采用全圓針梁式鋼模臺(tái)車，隧洞混凝土襯砌一次成型，克服了以往小斷面隧洞采用組合模板邊頂拱與底板分開澆筑、外觀質(zhì)量較差、成型尺寸較難控制等弊端，提高了施工工效，保證了施工質(zhì)量。

②全環(huán)襯砌施工工法利用拖拉機(jī)頭、混凝土罐、U型車軸等設(shè)計(jì)組裝，自行創(chuàng)造研制了3輛2m3混凝土罐車，將混凝土從拌合站運(yùn)輸至洞內(nèi)作業(yè)面，保證混凝土在澆筑過程中供應(yīng)不中斷，提升了混凝土的內(nèi)在質(zhì)量，降低了施工成本。

2)全環(huán)襯砌施工工法適用范圍：

全環(huán)襯砌施工工法適用于單掌子面距離較長(zhǎng)、斷面<20m2的大型機(jī)械設(shè)備由于受斷面限制無法進(jìn)入的小斷面隧洞襯砌施工。可廣泛應(yīng)用于跨流域引水工程、城市污水管線工程、廊道工程等。

3) 全環(huán)襯砌施工工法工藝原理：

全環(huán)襯砌施工工法的工藝原理是：在小斷面隧洞襯砌施工中，采用全圓針梁式鋼模臺(tái)車使一次襯砌成型，襯砌混凝土在洞外拌合站統(tǒng)一集中拌制，混凝土運(yùn)輸方式為利用創(chuàng)造后的混凝土罐車，將混凝土從拌合站運(yùn)輸至洞內(nèi)作業(yè)面，保證混凝土供應(yīng)不中斷。實(shí)現(xiàn)了提升混凝土質(zhì)量、提高施工工效、降低施工成本的效果[2]。

4)全環(huán)襯砌施工工法操作要點(diǎn)：

①測(cè)量放線

首先，檢查隧洞基礎(chǔ)斷面結(jié)構(gòu)尺寸，檢查是否滿足隧洞襯砌凈空和鋼模臺(tái)車就位尺寸。如開挖斷面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)侵入襯砌混凝土凈空，應(yīng)進(jìn)行修鑿處理。凈空滿足要求后，使用水準(zhǔn)儀在隧洞兩側(cè)拱基礎(chǔ)上用紅色油漆標(biāo)出鋼模臺(tái)車就位標(biāo)高，使用全站儀標(biāo)出隧洞中心線及鋼模臺(tái)車就位的法線。中心線必須放在拱墻襯砌的兩個(gè)端頭，放線長(zhǎng)度以9m(9.2m長(zhǎng)鋼模臺(tái)車)的每倉段長(zhǎng)控制，預(yù)留20cm的模板搭接長(zhǎng)度，中心線和就位高程點(diǎn)精確放在兩個(gè)里程斷面，且便于施工過程中點(diǎn)位的可使用性。

②巖面處理

基面處理主要對(duì)隧洞初期支護(hù)表面的滲漏水、外露的突出物及表面凸凹不平等進(jìn)行處理。處理基面滲漏水，采用灌漿止水或埋設(shè)排水管直接排水到邊溝，保持基面無明顯漏水(線流)，滿足混凝土澆筑要求；對(duì)初期支護(hù)混凝土表面外露的錨桿頭，鋼筋尖頭等硬物予以割除。

③鋼筋安裝

鋼筋在隧洞出口鋼筋加工場(chǎng)統(tǒng)一加工，運(yùn)輸車輛運(yùn)到洞內(nèi)工作面，人工卸車，利用簡(jiǎn)易臺(tái)架人工安裝綁扎。根據(jù)測(cè)量控制點(diǎn)先扎環(huán)向定位鋼筋，用縱向筋將定位鋼筋連接后，以縱向筋作為其他環(huán)向筋安扎依據(jù)，并及時(shí)將鋼筋用架立筋固定，電弧焊點(diǎn)焊，以加強(qiáng)整體剛度。

④臺(tái)車定位

臺(tái)車定位前應(yīng)先檢查油位情況及電路系統(tǒng)無異常后，在多人細(xì)心配合下方能操作啟動(dòng)，操作各油缸手柄時(shí)動(dòng)作要平穩(wěn)加力，伸縮針梁前后端油缸時(shí)，前后、左右的油缸伸縮量要基本一致，如單邊或某一端油缸伸縮量過大，易使模板整體重量偏移，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致針梁座滑下支撐底座；走模時(shí)如出現(xiàn)發(fā)卡、走不動(dòng)等現(xiàn)象，應(yīng)排除后再行走，不能利用慣性的方法拉動(dòng)模板；每澆筑完一倉混凝土后，要對(duì)整體模板所有聯(lián)接螺栓進(jìn)行檢查緊固，防止出現(xiàn)螺栓松動(dòng)，各機(jī)構(gòu)的螺栓是否牢固，以保證臺(tái)車行走和襯砌的安全有效。

⑤止水帶安裝

襯砌鋼模臺(tái)車各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒后，沿襯砌設(shè)計(jì)軸線每間隔0.45m在擋頭板上鉆一φ12鋼筋孔，然后將加工成形的φ8鋼筋卡由待模注混凝土一側(cè)向另一側(cè)穿入，鋼筋卡內(nèi)側(cè)卡緊一半止水帶，待模注混凝土凝固后拆除擋頭板，彎曲φ8鋼筋卡套上止水帶的另一半，模注下一循環(huán)混凝土。澆筑隧洞襯砌混凝土?xí)r，加強(qiáng)混凝土振搗，排除止水帶底部氣泡和空隙，使止水帶和混凝土緊密結(jié)合。止水帶的接頭，搭接寬度≥10cm，冷接或焊接的縫寬≥5cm。

⑥混凝土運(yùn)輸

混凝土運(yùn)輸采用對(duì)3臺(tái)創(chuàng)造的2m3混凝土罐，將混凝土水平運(yùn)輸至洞內(nèi)工作面。定制2m3混凝土罐，在罐體下方安裝前后兩套車軸，采用拖拉機(jī)進(jìn)行牽引。

⑦混凝土入倉

隧洞混凝土的澆筑采取泵送混凝土，模板采用定制的9.2m針梁式襯砌鋼模臺(tái)車，通過調(diào)整液壓元件，使模板正確對(duì)位?；炷凉嘀ㄟ^灌筑窗口，自下而上，從已灌段接頭處向未灌方向，水平分層對(duì)稱澆灌，邊澆邊搗，層厚不超過40cm，相鄰兩層澆筑時(shí)間不超過1.5h，確保上下層混凝土在初凝前結(jié)合好，不形成施工冷縫，垂直自由下落高度控制不超過2m，搗固采用附著式振搗器，安排專人負(fù)責(zé)，保證混凝土襯砌內(nèi)實(shí)外光。

由于洞內(nèi)空間狹小，不能將混凝土從混凝土罐出料口直接倒至混凝土泵內(nèi)，所以創(chuàng)造一臺(tái)皮帶輸送機(jī)，解決混凝土從罐車到混凝土泵的輸送問題。入倉時(shí)，先用混凝土罐車將混凝土運(yùn)至洞內(nèi)，混凝土從罐車出料口倒料至皮帶輸送機(jī)上，再用皮帶輸送機(jī)將混凝土送至混凝土泵，再泵送入倉。

⑧拆模和養(yǎng)護(hù)

在混凝土澆筑完24h后，操作多路換向閥，操作橫向、豎向油缸，從而使整個(gè)臺(tái)車的外模模板與襯砌混凝土分離，達(dá)到整體全脫模的目的。脫模完成后立即進(jìn)行混凝土的氣泡、麻面等缺陷修補(bǔ)，對(duì)模板進(jìn)行清理，涂刷脫模劑，拆堵頭模板。待下一倉鋼筋驗(yàn)收合格滑移到下一個(gè)倉位。

在混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa后方可拆模，拆模后進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)作業(yè)，養(yǎng)護(hù)期齡為14d。

5)全環(huán)襯砌施工工法對(duì)材料與設(shè)備的要求

①材料要求

a、水泥：采用水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于P.O.42.5級(jí)，水泥28天齡期實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度不宜低于46MPa。

b、粗骨料：級(jí)配5-20mm、含泥量≤1.0%、泥塊含量≤0.5%、針片狀顆粒含量≤8%。

c、 細(xì)骨料：2級(jí)配區(qū)中砂，含泥量≤3.0%、泥塊含量≤1.0%。

d、 摻合料：選擇Ⅱ級(jí)以上，F(xiàn)類的粉煤灰；礦渣粉為S95級(jí)；摻加聚羧酸高性能減水劑，外摻引氣劑(含氣量不低于1.5%)。

②勞動(dòng)力配置

表1 混凝土襯砌勞動(dòng)力配置表人

③主要機(jī)械設(shè)備

3 應(yīng)用實(shí)例

桓仁供水引水洞工程位于遼寧省本溪市桓仁縣境內(nèi)，合同主體工程為引水隧洞工程，另有一條施工支洞、一個(gè)檢修井、一條檢修井進(jìn)場(chǎng)道路。

引水隧洞主洞全長(zhǎng)4394.971m，樁號(hào)S0+000-S4+394.971，隧洞為有壓隧洞，開挖斷面為圓拱斜墻形，圍巖以Ⅲ類為主，其Ⅲ類圍巖開挖尺寸為：2.39m(底寬)×2.58m(高)，隧洞襯砌成型斷面為圓形，全斷面襯砌，成洞洞徑D=2.0m，Ⅲ類圍巖襯砌厚度25cm，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度40cm，縱坡i=0.05%。

隧洞混凝土襯砌采用全圓針梁臺(tái)車一次襯砌成型，配備1套針梁臺(tái)車從隧洞中間向隧洞出口逐倉襯砌，隧洞襯砌鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)總長(zhǎng)9.2m，每段搭接長(zhǎng)度20cm，每一循環(huán)臺(tái)車襯砌有效長(zhǎng)度為9m。

襯砌混凝土在隧洞出口拌合站統(tǒng)一集中拌制，采用2臺(tái)JS500強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制，配備自動(dòng)稱量系統(tǒng)，混凝土配合比采用C35 W12 F200同標(biāo)號(hào)的自密實(shí)混凝土；混凝土運(yùn)輸采用定制的3臺(tái)2m3混凝土罐車，從拌合站運(yùn)輸混凝土至洞內(nèi)作業(yè)面；采取HBT40型混凝土泵泵送入倉，鋼模臺(tái)車附著式振搗器振搗密實(shí)。隧洞混凝土襯砌鋼筋主要在隧洞出口鋼筋加工廠集中加工，洞內(nèi)施工現(xiàn)場(chǎng)加工為輔，利用簡(jiǎn)易臺(tái)架人工進(jìn)行鋼筋安扎。

在隧洞襯砌施工中，采用本工法，工程質(zhì)量良好，提高了施工效率，節(jié)約了施工成本。

表2 混凝土施工主要機(jī)械設(shè)備配置表

4 結(jié) 論

該工法解決了小斷面隧洞襯砌施工難題，加快了隧洞襯砌速度，有效縮短施工工期，同時(shí)提高了混凝土襯砌質(zhì)量。對(duì)確保隧洞襯砌安全，保護(hù)周邊地下水流失破壞環(huán)境等有重要意義。

該工法采用全環(huán)襯砌技術(shù)，保證混凝土供應(yīng)不中斷，大大縮短了常規(guī)施工方法所需工期，自制混凝土運(yùn)輸車和全圓針梁式鋼模臺(tái)車，從而節(jié)約了機(jī)械設(shè)備和模板等周轉(zhuǎn)租賃費(fèi)以及項(xiàng)目管理費(fèi)用。