小直徑長距離盾構(gòu)隧道全圓二次襯砌成套高效施工技術(shù)*

戴小松，劉開揚(yáng)，谷海華，陳 偉

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在礦山法隧道施工中，二次襯砌是一個極其重要的環(huán)節(jié)，公路、鐵路等非全圓隧道二次襯砌施工已經(jīng)形成了十分成熟的施工技術(shù)，在引水、排水等全圓隧道二次襯砌施工中，針梁式、穿行式模板臺車或散拼模板的應(yīng)用也有較為成熟的施工技術(shù)[1-10]。但這些技術(shù)在小直徑長距離盾構(gòu)隧道二次襯砌施工中，均存在較差的適應(yīng)性，無法保障物料運(yùn)輸通道也無法多點(diǎn)同步作業(yè)，可實(shí)施性差、施工效率極低。

以武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程(以下簡稱“武漢大東湖深隧工程”)主隧二次襯砌為例，從總體方案設(shè)計(jì)、成套設(shè)備設(shè)計(jì)及配置、施工組織及工藝方面，介紹該工程所開創(chuàng)的小直徑長距離盾構(gòu)隧道全圓二次襯砌成套高效施工技術(shù)。

1 工程概況

武漢大東湖深隧工程位于武漢市，全長17.5km，建設(shè)內(nèi)容包括污水深隧系統(tǒng)和地表完善系統(tǒng)兩大部分，其中污水深隧系統(tǒng)包含主隧工程及支隧工程兩部分。

1.1 隧道區(qū)間

主隧工程包括9個豎井，9個區(qū)間隧道，隧道埋深30～56m，最長區(qū)間3.6km，最小轉(zhuǎn)彎半徑250m。隧道斷面設(shè)計(jì)為預(yù)制管片+現(xiàn)澆鋼筋混凝土二次襯砌的疊合式襯砌，成型內(nèi)徑3.0～3.4m。隧道區(qū)間如表1所示。

表1 隧道區(qū)間概況

1.2 二次襯砌

現(xiàn)澆鋼筋混凝土二次襯砌厚200mm，采用C40 P12高性能自密實(shí)早強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土+雙層鋼筋結(jié)構(gòu)，鋼筋外側(cè)保護(hù)層厚25mm，內(nèi)側(cè)保護(hù)層厚45mm(見圖1)。

圖1 二次襯砌配筋

1.3 施工重難點(diǎn)

1)隧道二次襯砌厚度薄(20cm)，且后期需承受內(nèi)水壓，對耐久性、防水、防腐質(zhì)量要求高，混凝土澆筑質(zhì)量控制難度大。

2)區(qū)間長，斷面小，工期緊，物料運(yùn)輸困難，現(xiàn)場施工及組織難度大。

3)小斷面長距離隧道混凝土輸送難度大。

4)小半徑薄壁二次襯砌施工精度要求高，臺車設(shè)計(jì)難度大。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)原則

1)具備多點(diǎn)、大面積組織施工的條件，可滿足工期進(jìn)度要求。

2)可形成流水施工，多工序穿插同步作業(yè)，縮短總體工期。

3)滿足小直徑、長距離隧道澆筑自密實(shí)混凝土要求。

4)鋼筋在盾構(gòu)配套設(shè)施拆除及隧道清理的同時(shí)運(yùn)入隧道，避免后期運(yùn)輸交叉作業(yè)。

5)模板體系施工方法簡單、穩(wěn)定可靠，無復(fù)雜流程，對工人技術(shù)能力要求低。

2.2 方案設(shè)計(jì)

基于方案設(shè)計(jì)原則，結(jié)合常規(guī)工法優(yōu)缺點(diǎn)及現(xiàn)場實(shí)施條件，方案設(shè)計(jì)如下。

1)盾構(gòu)隧道貫通后，從隧道一端向另一端進(jìn)行清理，同時(shí)將二次襯砌鋼筋運(yùn)入隧道進(jìn)行擺放，然后根據(jù)鋼筋擺放情況分別從兩端向中間平行流水施工二次襯砌。

2)二次襯砌施工縱向分倉、分段，豎向分層(見圖2)，仰拱與拱墻分開施工，避免澆筑過程中承受過大浮力及側(cè)壓力，簡化模板體系。

圖2 豎向分層示意

3)先行施工的仰拱可為后續(xù)大范圍施工組織提供底部通行條件，拱墻臺車設(shè)計(jì)為滿足通行要求的門架結(jié)構(gòu)，解決物料運(yùn)輸、通行問題，為工人作業(yè)提供較大的操作空間。

4)拱墻跟進(jìn)仰拱施工，同步澆筑混凝土，減少混凝土澆筑次數(shù)，增加單次澆筑量，降低組織難度。

2.3 總體施工流程

1)盾構(gòu)洞通之前，鋼筋采用基于BIM的集約數(shù)控技術(shù)加工成半成品。

2)由隧道一端向另一端拆除盾構(gòu)配套材料(走道板、軌道、風(fēng)管等)，同步將二次襯砌鋼筋下井運(yùn)至洞內(nèi)擺放。

3)根據(jù)鋼筋擺放情況進(jìn)行鋼筋綁扎，鋼筋整圓綁扎，一次成型。

4)仰拱施工至一定長度后開始采用多臺模板臺車跳倉跟進(jìn)施工拱墻。

5)跟進(jìn)流水施工至仰拱合龍后運(yùn)出仰拱施工模板，施工完成剩余拱墻并退出拱墻臺車。

6)拆除洞內(nèi)設(shè)施，清理隧道并在二次襯砌表面涂刷水泥結(jié)晶型防腐涂料，完成二次襯砌施工。

3 成套設(shè)備及配置

3.1 配套設(shè)備

1)洞內(nèi)鋼筋卸車擺放設(shè)備

洞內(nèi)鋼筋卸車擺放設(shè)備設(shè)計(jì)為斜向支撐行走輪式懸臂起重機(jī)，支撐行走輪為橡膠輪，與管片弧面垂直。橫向支撐門架內(nèi)部預(yù)留足夠?qū)挾燃案叨?，可供電瓶車進(jìn)入進(jìn)行鋼筋吊運(yùn)卸車。縱向主梁上2個吊裝葫蘆可縱向移動，根據(jù)吊物尺寸調(diào)整，主梁可橫向移動，調(diào)整弧形鋼筋擺放位置(見圖3)。

圖3 輪式懸臂起重機(jī)

2)仰拱模板體系

仰拱施工需解決抗浮及模板轉(zhuǎn)運(yùn)問題，設(shè)置抗浮支撐。結(jié)合盾構(gòu)隧道特點(diǎn)，抗浮支撐一端支撐固定在管片手孔內(nèi)，一端支撐在模板上，但考慮后期混凝土澆筑空間，抗浮支撐間距應(yīng)較大，且數(shù)量較少，因此仰拱模板設(shè)計(jì)為整體鋼模，模板環(huán)寬1.2m，環(huán)向?yàn)檎w，通過法蘭連接，無縱向拼縫，剛度、強(qiáng)度較大，僅需在兩側(cè)設(shè)置抗浮支撐即可。模板轉(zhuǎn)運(yùn)根據(jù)上海某隧道預(yù)制車道板安裝方法，結(jié)合現(xiàn)場模板大量投入的情況，通過前后2臺小型門式起重機(jī)及1臺電動平板車實(shí)施。小型門式起重機(jī)負(fù)責(zé)模板吊裝安拆，電動平板車用于模板運(yùn)輸，小型門式起重機(jī)及電動平板車均通過模板上集成縱向軌道行進(jìn)；同時(shí)在兩側(cè)設(shè)置斜向支撐，模板安裝時(shí)頂在管片上支撐模板及設(shè)備自重，避免擠壓鋼筋骨架，混凝土澆筑完成后可拔出，與模板表面平齊，避免形成孔洞(見圖4)。

圖4 仰拱模板示意

3)拱墻臺車

根據(jù)總體施工方案要求，拱墻臺車設(shè)計(jì)為可通行門式臺車；結(jié)合隧道曲線半徑及施工經(jīng)驗(yàn)，單套模板臺車由3節(jié)組成，每節(jié)長4.8m，節(jié)之間采用鉸接連接，以適應(yīng)曲線段施工，模板采用企口搭接連接，單節(jié)臺車兩端分別設(shè)計(jì)為搭接小模板和承插小模板，保證曲線段施工時(shí)節(jié)與節(jié)之間模板搭接緊密。單套臺車端部設(shè)計(jì)為可拆卸搭接小模板，適應(yīng)跳倉法施工，施工奇數(shù)倉時(shí)可拆除安裝端模，施工偶數(shù)倉時(shí)可安裝搭接小模板與已施工完成的奇數(shù)倉搭接(見圖5)。

圖5 拱墻臺車

4)混凝土澆筑設(shè)備

本工程混凝土要求采用高性能自密實(shí)早強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土，經(jīng)試配和地面盤管試驗(yàn)，混凝土泵送距離保持在600m以內(nèi)混凝土出泵性方可滿足仰拱混凝土澆筑要求，無法采用超遠(yuǎn)距離水平泵送，混凝土需運(yùn)入洞內(nèi)泵送。

混凝土洞內(nèi)澆筑設(shè)備采用軌行式拖泵及軌行式小罐車(見圖6)。軌行式拖泵通過軌道行進(jìn)至拱墻臺車末端，動力采用電能，支腿設(shè)計(jì)為弧面與二次襯砌面形成支撐；軌行式小罐車行進(jìn)過程中，可通過輪對的轉(zhuǎn)動帶動罐體進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以保證混凝土性能，進(jìn)卸料后直接接入動力線進(jìn)行供電轉(zhuǎn)動。

圖6 混凝土澆筑設(shè)備

為提高混凝土澆筑效率，在豎井內(nèi)安裝軌道平移擺渡車或道岔，實(shí)現(xiàn)2臺小罐車快速切換(見圖7)，提高混凝土澆筑效率。

圖7 擺渡車示意

3.2 設(shè)備配置

1)單作業(yè)面設(shè)備配置如表2所示。

表2 設(shè)備配置

2)模板配置計(jì)算

由于混凝土泵送距離限制，考慮盡量減少混凝土澆筑次數(shù)，增大單次澆筑量，模板配置應(yīng)盡量增多，結(jié)合隧道曲線半徑、臺車設(shè)計(jì)長度、變形縫設(shè)置距離要求及拱墻跳倉法施工布置，仰拱或拱墻模板最大配置數(shù)量為最遠(yuǎn)泵送距離的1/4，即最多配置10套模板，共計(jì)144m(見圖8)。

圖8 拱墻施工澆筑示意

正常施工流水階段包括鋼筋運(yùn)輸及綁扎、仰拱模板安拆、拱墻模板安拆、泵管布設(shè)、仰拱澆筑、拱墻澆筑、仰拱養(yǎng)護(hù)、拱墻養(yǎng)護(hù)、軌道鋪設(shè)、隧道清理，共計(jì)10道工序，其中鋼筋運(yùn)輸及綁扎超前，可不占用關(guān)鍵工序。根據(jù)各工序作業(yè)位置及條件，當(dāng)現(xiàn)場各工序達(dá)到最大的穿插搭接時(shí)，且各工序均無自由時(shí)差時(shí)為最高效的施工組織，該階段的資源配置數(shù)量為最優(yōu)資源配置。

單個循環(huán)總施工時(shí)間：

T=T1+T2+T3

(1)

式中：T1為仰拱澆筑時(shí)間；T2為仰拱和拱墻施工時(shí)間的較大值，T2=max[(仰拱養(yǎng)護(hù)+仰拱模板安拆+軌道延伸)，(拱墻澆筑+隧道清理+拱墻模板拆模、移模、支模)]；T3為泵管連接時(shí)間。

由施工總時(shí)間可見，當(dāng)仰拱養(yǎng)護(hù)+仰拱模板安拆+軌道延伸所需時(shí)間=拱墻澆筑+隧道清理+拱墻模板拆模、移模、支模所需時(shí)間時(shí)，即為最優(yōu)模板配置。

仰拱養(yǎng)護(hù)時(shí)間t1=12h；仰拱模板安拆時(shí)間t2=12N×(1.2×12N/V1)×2(N為模板套數(shù)；V1為電動平板車轉(zhuǎn)運(yùn)模板速度，為600m/h)；軌道延伸時(shí)間t3=1.2×12N/V2(V2為軌道延伸速度，為6m/h)；拱墻澆筑時(shí)間t4=4×N；隧道清理時(shí)間t5=12h；拱墻模板安拆時(shí)間t6=3×N。最優(yōu)模板配置時(shí)：12+12N×(1.2×12N/600)×2+1.2×12N/6=4×N+12+3×N，可求得N≈8。

4 施工組織及施工工藝

4.1 施工組織

根據(jù)工序穿插要求即現(xiàn)場實(shí)際組織情況，最終優(yōu)化后的施工組織如圖9所示。

圖9 施工組織

4.2 鋼筋運(yùn)輸及綁扎

鋼筋運(yùn)輸利用盾構(gòu)施工階段鋪設(shè)的軌道及電瓶車實(shí)施，在拆除軌道的同時(shí)采用“倒退法”將鋼筋運(yùn)入洞內(nèi)并卸車擺放至清理完成區(qū)域。鋼筋運(yùn)輸至對應(yīng)倉段后采用輪式懸臂起重機(jī)卸車擺放，本倉段的鋼筋擺放在下一倉段內(nèi)，擺放原則按照二次襯砌鋼筋綁扎先后順序?qū)嵤?。擺放過程中需注意不同類型鋼筋嚴(yán)禁互相堆壓，且做到下墊上蓋。

鋼筋綁扎一次成型，通過管片預(yù)埋接駁器安裝定位鋼筋，拱頂鋼筋綁扎過程中要求適當(dāng)提高1～2cm，預(yù)留鋼筋在自重作用下的下墜空間，水平施工縫位置預(yù)留2根縱向鋼筋在施工縫鑿毛完成后再綁扎，確保鑿毛、清理空間，保證鑿毛效果。

4.3 仰拱施工

第1節(jié)段仰拱鋼筋綁扎完成后，立即在井下鋪設(shè)軌道，安裝小型門式起重機(jī)進(jìn)行仰拱模板安裝。

模板安拆均采用小型門式起重機(jī)實(shí)施，利用吊裝葫蘆將模板吊起后進(jìn)行清理，清理完成即可利用電動平板車轉(zhuǎn)運(yùn)至安裝區(qū)域進(jìn)行安裝。

安裝時(shí)利用小型門式起重機(jī)將模板吊裝就位，并用水平尺進(jìn)行檢驗(yàn)，要求模板左右水平，模板拼縫與管片環(huán)縫對齊；選取左、中、右3個點(diǎn)位量測支模高度，根據(jù)量測數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整套筒外露段長度，確保支模高度滿足要求。

模板安裝完成后，將鋼管支撐安裝在模板兩側(cè)及對應(yīng)管片手孔位置進(jìn)行加固。

4.4 拱墻施工

臺車吊裝下井后，從高到低依次將各節(jié)小臺車頂升就位，并調(diào)節(jié)平移油缸，確保模板對中；然后安裝橫撐絲桿并將側(cè)模支設(shè)就位，支設(shè)側(cè)模時(shí)要求前后油缸同時(shí)動作，避免模板變形。

支模加固完成即可安裝RPC注漿管及變徑固定管，待混凝土澆筑完成后即可進(jìn)行帶模注漿。

奇數(shù)倉采用弧形鋼板封閉端部，上部抵緊止水帶，下端通過螺栓與臺車連接緊固；偶數(shù)倉采用搭接小模板與奇數(shù)倉已澆筑混凝土搭接。

混凝土終凝后即可拆除模板橫向絲桿提供通行空間；養(yǎng)護(hù)達(dá)到8MPa強(qiáng)度即可進(jìn)行拆模，拆模順序與支模順序相反，臺車拆模清理完成后，即可用電瓶車推行至下一倉或下一節(jié)段就位。

4.5 混凝土澆筑

泵管由仰拱最前端模板布置到拱墻臺車尾部，拱墻范圍布置在電瓶車軌道中部，拖泵通過電瓶車由洞口推至洞內(nèi)與泵管對接，拖泵出口設(shè)置變徑管及彎管?；炷两?jīng)檢測合格后，采用天泵輸送至井底小罐車入料口，通過2輛小罐車接力運(yùn)輸至洞內(nèi)拖泵處進(jìn)行泵送。

仰拱混凝土澆筑由靠近鋼筋施工區(qū)域澆筑至仰拱完成區(qū)域，澆筑時(shí)利用仰拱模板運(yùn)輸電動平板車配合分料溜槽實(shí)現(xiàn)仰拱混凝土快速對稱澆筑。

拱墻混凝土澆筑由遠(yuǎn)端至近端，每倉頂部設(shè)置3個澆筑口。澆筑時(shí)，從隧道中部依次利用各澆筑口進(jìn)行澆筑，澆筑完成后及時(shí)進(jìn)行帶模注漿。

4.6 洞內(nèi)布置

根據(jù)施工流水作業(yè)區(qū)域劃分，各區(qū)域洞內(nèi)布置如下：①鋼筋堆放及綁扎區(qū)域 洞內(nèi)布置包括照明線、動力線、通信線、鋼筋。②仰拱施工區(qū)域 洞內(nèi)布置包括照明線、動力線、通信線、已綁扎鋼筋、仰拱模板、小型門式起重機(jī)。③仰拱完成區(qū)域及拱墻施工區(qū)域 洞內(nèi)布置包括照明線、動力線、通信線、進(jìn)水管、污水管、拱墻臺車。④二次襯砌完成區(qū)域 洞內(nèi)布置包括照明線、動力線、通信線、進(jìn)水管、污水管，管線通過弧形支架進(jìn)行掛設(shè)，無需在結(jié)構(gòu)上打孔。

4.7 臨時(shí)用電

二次襯砌施工臨時(shí)用電分為2個階段，第1階段為地面變壓器低壓出線柜→一級箱→二級箱→設(shè)備開關(guān)箱→各用電設(shè)備；第2階段為地面變壓器低壓出線柜→一級箱→自動升壓穩(wěn)壓裝置→二級箱→各用電設(shè)備。

4.8 設(shè)備出洞

1)仰拱施工設(shè)備出洞 仰拱合龍后，將中軌延伸至最靠近洞口模板處，同步將仰拱模板集成軌道延伸至中軌范圍，然后利用電瓶車+平板車將模板運(yùn)出洞。

2)拱墻施工設(shè)備出洞 拱墻合龍后，在平板車上焊接支架，電瓶車駛?cè)牍皦ε_車內(nèi)部，然后將拱墻臺車收模落至平板車支架上，即可進(jìn)行外運(yùn)，外運(yùn)過程中要求緩慢低速，并在兩端設(shè)置橡膠墊，避免剮蹭已成型二次襯砌。

5 結(jié)語

大東湖深隧工程小直徑長距離全圓二次襯砌施工，創(chuàng)新研發(fā)了全圓二次襯砌施工成套設(shè)備及全圓二次襯砌高效施工技術(shù)。通過施工技術(shù)創(chuàng)新，克服了全圓二次襯砌施工難題，解決了二次襯砌工期緊、施工難度大的問題，最長區(qū)間3.6km二次襯砌施工用時(shí)不足3個月，全長17.5km二次襯砌施工僅用時(shí)不到5個月。成套設(shè)備研發(fā)成功可行，設(shè)備簡單實(shí)用，功能明確，簡單培訓(xùn)即可快速上手操作，大幅降低了勞動力的投入。現(xiàn)場施工效率表明，機(jī)械配置合理，工序銜接緊湊，實(shí)現(xiàn)了高效施工。應(yīng)用高性能自密實(shí)早強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土，結(jié)合整體性好、剛度大的定制鋼模和精細(xì)化現(xiàn)場管理，使二次襯砌成型密實(shí)性好，施工質(zhì)量優(yōu)。