水工隧洞開挖與襯砌同步施工技術(shù)研究

汪良軍，王松茂，劉光星

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340）

0 引言

傳統(tǒng)水工隧洞施工常采用開挖貫通后再進(jìn)行混凝土襯砌的施工方法，對(duì)于圍巖穩(wěn)定性差的長(zhǎng)隧洞來說，臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)使用時(shí)間長(zhǎng)，有變形失穩(wěn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此設(shè)計(jì)往往要求襯砌緊跟開挖同步施工，但同步施工受斷面結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備等因素影響，施工難度大，工序交叉施工相互干擾導(dǎo)致工效低、成本高等問題。

對(duì)于隧洞開挖與襯砌同步施工技術(shù)，國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者開展了相關(guān)研究，吳高明等[1]提出了有效跨度12 m的底拱棧橋和軌行式模板臺(tái)車襯砌方案；盛重權(quán)等[2]總結(jié)了隧道仰拱機(jī)械設(shè)備配套快速施工技術(shù)；陳俊超[3]對(duì)開挖與襯砌平行施工問題進(jìn)行了探討；李曉華[4]總結(jié)了隧洞襯砌先邊頂拱后仰拱的施工方案；雷鳴[5]、吳志勇[6]研究了隧洞開挖及襯砌施工技術(shù)和工藝；張民慶[7]研究了鐵路隧道襯砌施工自動(dòng)澆筑振搗新技術(shù)；李校珂[8]研究了新型智能化隧道襯砌臺(tái)車施工技術(shù)。

本文結(jié)合環(huán)北部灣廣東水資源配置工程合江支洞工程，針對(duì)復(fù)雜圍巖條件、復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)、洞身縱坡大、工期緊的特點(diǎn)，開展隧洞開挖與襯砌同步施工技術(shù)研究，配置自動(dòng)化仰拱施工棧橋和高效襯砌臺(tái)車設(shè)備，解決交叉施工相互干擾的問題，確保工程安全、質(zhì)量和進(jìn)度，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

環(huán)北部灣廣東水資源配置工程是解決粵西地區(qū)水資源短缺問題的重大水利工程，合江支洞作為前期試驗(yàn)段項(xiàng)目，建成后主要作為輸水干線隧洞盾構(gòu)設(shè)備步進(jìn)、出渣及進(jìn)料通道，同時(shí)兼顧作為處理主洞斷層破碎帶的備用通道。支洞長(zhǎng)約1100 m，縱坡約6.54%，結(jié)構(gòu)斷面為圓拱直墻反弧底形，Ⅲ類圍巖邊頂拱采用錨噴支護(hù)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖初支后及時(shí)施工鋼筋混凝土襯砌[9]，仰拱回填素混凝土，凈斷面尺寸為8.0 m×8.0 m（寬×高），工期要求18個(gè)月。

隧洞沿線主要為低山丘陵，洞身地層為泥盆系下統(tǒng)蓮花山組（D1l），薄～中厚層狀變質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖、含礫不等粒石英雜砂巖，產(chǎn)狀較亂，全風(fēng)化巖破碎，強(qiáng)風(fēng)化巖較破碎，弱風(fēng)化巖完整性差，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占32.3%、38.3%、29.6%。隧洞穿越F1、F2兩條斷層破碎帶，寬度20～40 m，圍巖極不穩(wěn)定，洞室處于地下水位以下，隧洞東側(cè)地表有魚塘通過F1斷層與洞線相通，滲水和圍巖穩(wěn)定是主要的工程地質(zhì)問題。

2 總體思路

（1）隧洞施工的關(guān)鍵工作是開挖，按照以“隧洞開挖”為主的原則，襯砌作業(yè)盡量減少對(duì)開挖作業(yè)的影響，當(dāng)開挖與襯砌作業(yè)相互干擾時(shí)，襯砌作業(yè)給開挖作業(yè)讓路。

（2）襯砌結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)度為12 m，按先仰拱、后邊頂拱的順序澆筑，仰拱施工采用棧橋解決洞內(nèi)運(yùn)輸問題，橋下進(jìn)行襯砌作業(yè)；邊頂拱襯砌采用步履式液壓襯砌臺(tái)車一次澆筑成型，利用多功能作業(yè)平臺(tái)提前鋪設(shè)防水板、安裝鋼筋。

（3）由于圍巖穩(wěn)定性較差，需盡快完成襯砌，結(jié)合爆破振動(dòng)對(duì)新澆襯砌結(jié)構(gòu)的影響和開挖作業(yè)所需最小距離，開挖與仰拱、邊拱頂襯砌施工步距初步控制在60 m、120 m左右，施工過程中根據(jù)初支變形監(jiān)測(cè)結(jié)果優(yōu)化調(diào)整，同步施工布置如圖1所示。

圖1 隧洞開挖與襯砌同步施工布置圖

3 同步施工技術(shù)

3.1 洞身開挖施工方法

洞身開挖采用鉆爆法，根據(jù)圍巖條件、隧洞坡度，結(jié)合后續(xù)仰拱棧橋架設(shè)需預(yù)留的臺(tái)階高度，按照參考文獻(xiàn)[10]開挖施工要求，采取如下施工方法：

（1）Ⅲ類圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好，采用全斷面開挖，循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5～3.0 m，每掘進(jìn)2～3個(gè)循環(huán)做一次錨噴支護(hù)，出渣時(shí)底部預(yù)留1.2 m 厚堆渣高度，待仰拱施工時(shí)再進(jìn)行清理。

（2）Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用臺(tái)階法開挖，分上、中、下3個(gè)臺(tái)階，上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在15～20 m，Ⅴ類圍巖上臺(tái)階預(yù)留核心土，臺(tái)階高度和開挖順序如圖2所示，下臺(tái)階待仰拱施工時(shí)再進(jìn)行開挖。

圖2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖臺(tái)階法開挖示意圖

（3）Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖每循環(huán)進(jìn)尺分別控制在1.0 m 和2.0 m 左右，上、中臺(tái)階同時(shí)爆破掘進(jìn)，每循環(huán)爆破后立即噴混凝土封閉巖面，出渣后，再架立鋼拱架，打錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土；Ⅴ類圍巖在開挖前按設(shè)計(jì)要求拱頂120°打設(shè)超前注漿小導(dǎo)管。

3.2 仰拱開挖襯砌施工技術(shù)

3.2.1 仰拱棧橋的選定

仰拱棧橋是解決隧洞開挖與仰拱施工相互干擾的關(guān)鍵設(shè)備，棧橋正常通行時(shí)，棧橋下可同時(shí)進(jìn)行仰拱清基、襯砌等工序的施工。采用全液壓移動(dòng)式仰拱棧橋，由大型鋼結(jié)構(gòu)件制作，主要由主橋、長(zhǎng)引橋、短引橋、桁架體系、縱移滑座、橫移滑座、仰拱模板、液壓系統(tǒng)組成（如圖3、圖4所示），特點(diǎn)如下：

圖3 全自動(dòng)液壓仰拱棧橋縱剖面示意圖

圖4 全自動(dòng)液壓仰拱棧橋橫剖面示意圖

（1）棧橋有效襯砌長(zhǎng)度24 m，有效行車寬度3.6 m，前后坡腳坡度9.1°，升降油缸行程500 mm，前坡腳起升行程800 mm，額定承載能力50 t，棧橋前后移動(dòng)及左右調(diào)整采用無軌式液壓行走，1 人即可操控，自動(dòng)化程度及安全性高；

（2）考慮隧洞坡度較大，棧橋前后引橋坡度可以調(diào)節(jié)，確保運(yùn)輸車輛上棧橋最大坡度不超過10%。棧橋跨度大，凈高1.7 m，橋下有足夠的空間方便作業(yè)，仰拱襯砌可按12.0 m 段長(zhǎng)流水作業(yè)，保證了班組連續(xù)作業(yè)和混凝土等強(qiáng)時(shí)間；

（3）仰拱棧橋配整體式仰拱混凝土施工模板、澆筑溜槽、仰拱填充攤鋪機(jī)、堵頭模板等附屬配套設(shè)施，實(shí)現(xiàn)仰拱高效施工。

3.2.2 仰拱開挖

隧洞開挖預(yù)留仰拱開挖高度約1.2 m，Ⅲ類圍巖段已經(jīng)爆破開挖完成，僅需清渣即可，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段仰拱開挖采用預(yù)裂爆破和液壓破碎錘聯(lián)合開挖，開挖完成后移動(dòng)仰拱棧橋就位，橋下進(jìn)行仰拱初期支護(hù)和襯砌施工。

3.2.3 仰拱混凝土襯砌

仰拱模板采用整體式移動(dòng)模架，與液壓棧橋設(shè)計(jì)成整體，腋角模板采用弧形鋼模板，單側(cè)模板分為4件，模板之間采用螺栓連接成整體，模板與桁架體系采用可調(diào)絲桿連接，模板通過手拉葫蘆懸掛在橫梁體系的行走小車上，端頭采用木模板（如圖4所示）。這種模板設(shè)計(jì)，定位更容易、準(zhǔn)確，能有效控制模板在施工過程中的變形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，大大節(jié)省周轉(zhuǎn)材料和輔助材料，施工質(zhì)量穩(wěn)定，且省時(shí)、省力、工效快?；炷镣ㄟ^輸送泵和布料機(jī)輸送入倉(cāng)，在腋角模板弧段中心每隔2.0 m 布置一個(gè)附著式振動(dòng)器，解決腋角混凝土振搗不密實(shí)易產(chǎn)生氣泡、蜂窩等質(zhì)量通病。

3.3 邊頂拱襯砌施工技術(shù)

3.3.1 多功能高效襯砌鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)

考慮隧洞坡度較大，襯砌施工選用抗滑性能強(qiáng)的步履式液壓行走鋼模板臺(tái)車，無需鋪設(shè)軌枕，總長(zhǎng)12.1 m，有效長(zhǎng)度為12 m，最大通過能力3.98 m×4.90 m（寬×高），行走速度8 m/min（如圖5 所示）。臺(tái)車配置有先進(jìn)的混凝土自動(dòng)化分倉(cāng)澆筑系統(tǒng)、附著式振搗系統(tǒng)及防止空洞系統(tǒng)、新型端頭模板，并具有防泄露、防堵管、快速清洗功能，配有廢料回收和處理裝置，滿足環(huán)保要求，邊墻底部模板與仰拱混凝土采用軟搭接，確保接縫平順和密封性。

圖5 多功能高效襯砌臺(tái)車布置示意圖

3.3.2 自動(dòng)逐倉(cāng)澆筑技術(shù)

模板臺(tái)車自動(dòng)澆注系統(tǒng)主要由自動(dòng)澆注主機(jī)裝置、自動(dòng)澆注控制系統(tǒng)、布料分管裝置、廢料回收和處理裝置、快速清洗裝置、各分層逐窗澆筑管路系統(tǒng)等組成。左、右側(cè)模板各對(duì)稱布置14個(gè)澆注窗口（50 cm×50 cm），分4 層梅花型布置，頂部布置3個(gè)Φ125 mm 灌注口，布料分管共計(jì)15 根，左、右側(cè)模板每層窗口布置2 根，正拱部3根，自動(dòng)澆注系統(tǒng)各管路之間可自動(dòng)切換，滿足混凝土分層逐窗澆筑和拱頂分孔澆筑?；炷翝仓r(shí)按照“分層、由低到高、左右對(duì)稱、先前端再后端”的施工順序，分層厚度控制在30～50 cm，邊墻振搗以插入式為主、附著式為輔，頂拱振搗采用附著式。

3.3.3 新型端頭封堵模板

襯砌結(jié)構(gòu)縫質(zhì)量控制是施工的薄弱環(huán)節(jié)，常發(fā)生滲漏等問題，對(duì)臺(tái)車端頭鋼模結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，按設(shè)計(jì)襯砌厚度為50 cm/60 cm，端頭鋼模與臺(tái)車搭接50 mm，止水銅片位置為臺(tái)車面板以上250 mm處，端頭模板結(jié)構(gòu)為下部鋼堵頭+上部高分子復(fù)合擋板裝置（如圖6 所示），具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、安拆迅速、密封性好的特點(diǎn)。

圖6 端頭模板結(jié)構(gòu)布置示意圖

3.3.4 智能混凝土澆筑預(yù)警技術(shù)

在隧洞襯砌施工時(shí)，拱頂混凝土澆注是質(zhì)量控制的要點(diǎn)和難點(diǎn)，澆注不飽滿導(dǎo)致拱頂背后脫空，存在質(zhì)量隱患，增加后續(xù)處理難度和費(fèi)用。模板臺(tái)車配置DoLa?-360P智能混凝土灌注預(yù)警系統(tǒng)保證混凝土灌注飽滿，解決拱頂脫空問題，預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)注滿提示燈變亮（紅色），同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲，提示拱頂澆筑到位時(shí)；當(dāng)未滿提示燈一在亮狀態(tài)（綠色），提示可以繼續(xù)澆筑。

4 應(yīng)用效果

4.1 工效分析

（1）合江支洞按照以“開挖為主”的同步襯砌施工方案，洞身開挖施工進(jìn)度受襯砌施工的影響較少，開挖效率達(dá)到傳統(tǒng)施工方法的95%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的月均開挖進(jìn)度為153.0 m、76.5 m、38.3 m，見表1。

表1 隧洞開挖月均進(jìn)度表

（2）仰拱施工按棧橋有效長(zhǎng)度分A、B兩個(gè)流水施工段（每段為12 m），Ⅴ類圍巖仰拱施工循環(huán)時(shí)間為68 h（見圖7），根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]渣車行走對(duì)仰拱混凝土強(qiáng)度的要求，仰拱充填混凝土7 d 強(qiáng)度后采取加鋪鋼板的措施開放交通，9 d完成1個(gè)澆筑循環(huán)（24 m），連續(xù)施工情況下月均襯砌進(jìn)度為80 m，大于Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖施工進(jìn)度，不會(huì)影響開挖施工，仰拱實(shí)際襯砌進(jìn)度取決于隧洞開挖進(jìn)度。

圖7 仰拱施工循環(huán)作業(yè)時(shí)間（Ⅴ類圍巖）

（3）邊頂拱施工循環(huán)時(shí)間為68 h（見圖8），其中防水板、鋼筋安裝可提前平行作業(yè)，不影響臺(tái)車就位和混凝土澆筑，拱頂襯砌強(qiáng)度達(dá)到5 MPa[12]即可脫模，臺(tái)車完成12 m 襯砌混凝土澆筑消耗時(shí)間為38 h，連續(xù)施工情況下月均襯砌進(jìn)度為192 m，遠(yuǎn)大于隧洞開挖、仰拱施工進(jìn)度，實(shí)際襯砌速度取決于仰拱襯砌進(jìn)度。

圖8 邊頂拱施工循環(huán)作業(yè)時(shí)間（Ⅴ類圍巖）

4.2 安全效果

從圖9可以看出，IV、V類圍巖洞身收斂變形分別持續(xù)30 d、45 d左右趨于穩(wěn)定，開挖與邊頂拱襯砌施工步距控制在60 d開挖進(jìn)尺的距離（約80-150 m）是合適的，符合初期支護(hù)變形穩(wěn)定后及時(shí)進(jìn)行襯砌施工的設(shè)計(jì)要求，初支結(jié)構(gòu)在砌襯施工前的收斂變形量穩(wěn)定在4 mm左右，變形值較小，確保了隧洞安全。

圖9 洞身三角收斂變形曲線圖

4.3 工期效益

目前，合江支洞完成洞身開挖、襯砌共計(jì)600 m，其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖分別為348 m、252 m，實(shí)際工期11.5 個(gè)月，從圖10 中可以看出，與傳統(tǒng)施工方法比較，開挖進(jìn)度基本一致，襯砌施工時(shí)間較長(zhǎng)，人工、設(shè)備施工成本相對(duì)較高，但總工期縮短了1.5個(gè)月，工期節(jié)省11.5%，工期優(yōu)勢(shì)明顯，工期提前帶來的經(jīng)濟(jì)效益要遠(yuǎn)大于增加的施工成本。

圖10 兩種施工方法工期對(duì)比分析

5 結(jié)語(yǔ)

環(huán)北部灣廣東水資源配置工程合江支洞施工實(shí)踐證明，所采用的開挖與襯砌同步施工技術(shù)先進(jìn)、可行，取得較好的效果，保證了隧洞施工安全，縮短了工期，為后續(xù)輸水干線隧洞設(shè)計(jì)和施工提供了經(jīng)驗(yàn)，也值得類似工程借鑒。