隧洞內(nèi)洞穿鋼管及自密實(shí)混凝土填充澆筑的施工方法研究

季國慶

（北京市水務(wù)建設(shè)管理事務(wù)中心， 北京 100036）

輸水隧洞是引水調(diào)水工程中的一個(gè)重要組成部分， 目前常采用多層襯砌， 一般來說， 包括外襯的混凝土管、 內(nèi)襯的洞穿鋼管以及填充于外襯和內(nèi)襯之間的環(huán)空層內(nèi)的自密實(shí)混凝土等。

目前， 現(xiàn)有技術(shù)在環(huán)空層內(nèi)回填混凝土的方案包括隧洞洞身和安裝在隧洞洞身內(nèi)的鋼管， 其隧洞洞身與鋼管之間留有夾層， 所述夾層兩端封閉設(shè)置， 預(yù)留有排氣口， 鋼管內(nèi)間隔設(shè)有澆筑管， 所述澆筑管與所述夾層相連通， 所述澆筑管的輸入端設(shè)有閘板； 所述澆筑管之間均勻分布有注漿管。 回填自密實(shí)混凝土?xí)r， 先通過澆筑管填充在夾層中， 當(dāng)澆筑管一側(cè)的注漿管有混凝土漏出時(shí)， 停止?jié)仓?，通過閘板將該澆筑管封閉， 然后移至下一澆筑管進(jìn)行澆筑； 當(dāng)混凝土回填完成后， 再通過注漿管進(jìn)行灌漿填充。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足， 本文提出并公布了一種洞穿鋼管后混凝土澆筑的施工方法， 其優(yōu)點(diǎn)是使得澆筑的自密實(shí)混凝土更加飽滿， 減少補(bǔ)漿量，保證環(huán)空層回填混凝土的強(qiáng)度。

1 工程概況

南水北調(diào)配套工程大興支線工程位于北京市大興區(qū)及河北省廊坊市固安縣， 分別與南干渠及河北廊涿干渠連通。 建設(shè)北京段管道長約33.4 km， 主管道采用DN2400 球墨鑄鐵管， 局部區(qū)域采用DN2400 鋼管， 過橋、 過路區(qū)域采用頂管， 主要連通南干渠與河北廊涿干渠， 使北京與河北的南水北調(diào)水互聯(lián)互通， 同時(shí)為北京新機(jī)場水廠供水， 也為北京市增加一條南水北調(diào)中線水進(jìn)京通道。

頂管施工過南六環(huán)區(qū)域采用機(jī)械頂進(jìn)直徑3.2 m的鋼筋混凝土管， 混凝土管內(nèi)部洞穿2.4 m 直徑鋼管， 兩管道之間空隙填充自密實(shí)混凝土， 施工難度較大。

本文針對頂管施工完成后， 其洞穿鋼管、 自密實(shí)混凝土澆筑施工進(jìn)行研究。 洞穿施工采用牽引方式， 將組裝焊接完成的鋼管通過預(yù)制導(dǎo)軌、 鋼導(dǎo)輪拖入頂管洞內(nèi)。 自密實(shí)混凝土采用預(yù)留灌灰孔二期澆筑方法。

2 總體施工方案

洞穿管施工： 結(jié)合頂管接收坑施工進(jìn)行， 在頂管接收坑的基礎(chǔ)上， 開挖設(shè)置1 座洞穿管焊接平臺， 焊接平臺長13 m， 寬4.6 m。 采用200 mm 厚混凝土封底， 設(shè)置5 道焊接導(dǎo)向墻， 導(dǎo)向墻上設(shè)置型鋼導(dǎo)軌帶導(dǎo)輪， 頂面高程砼洞穿管內(nèi)導(dǎo)軌高程一致。 在豎井側(cè)設(shè)置卷揚(yáng)機(jī)配鋼絲繩， 在首節(jié)洞穿管設(shè)置牽引掛鉤， 牽引洞穿管行進(jìn)。

自密實(shí)混凝土澆筑施工： 結(jié)合頂管及洞穿管施工， 在洞穿管穿洞施工之前， 在混凝土管道上方及左右側(cè)設(shè)置限位裝置， 以防止管道上浮。 在洞穿管鋼就位之后， 在其上方間隔8 m 設(shè)置灌灰裝置（灌灰孔、 連接件等） ， 同時(shí)布設(shè)泵管、 澆筑設(shè)施， 采用地泵車澆筑。

3 洞穿管施工

3.1 清理套管內(nèi)雜物

洞穿管施工之前， 進(jìn)行混凝土套管清理。

3.2 確定鋼管安裝軸線

測量人員對管道行進(jìn)軸線進(jìn)行復(fù)測， 確定鋼管軸線位置。

3.3 確定鋼管行進(jìn)高程

在復(fù)測鋼管行進(jìn)軸線后， 對設(shè)計(jì)高程進(jìn)行復(fù)核， 包括混凝土平臺以及軌道安裝位置。

3.4 鋼管焊接平臺施工

鋼管焊接平臺施工結(jié)合頂管接收坑施作。 圖1為鋼管焊接平臺施工。

圖1 鋼管焊接平臺施工

3.5 頂管內(nèi)限位設(shè)施施工

為防止自密實(shí)混凝土澆筑過程導(dǎo)致洞穿管上浮， 在洞穿管入洞前安裝限位裝置， 在每根混凝土套管中間設(shè)置一道防漂裝置。

3.6 導(dǎo)軌施工

管內(nèi)導(dǎo)軌現(xiàn)場焊接， 采用槽鋼角鋼結(jié)合φ150 mm鋼導(dǎo)輪加工而成， 與鋼筋混凝土管內(nèi)植筋焊接， 根據(jù)鋼管中心高程推算導(dǎo)軌頂高程， 安裝設(shè)計(jì)高程下調(diào)2 cm， 預(yù)留鋼管上浮空間。 圖2 為導(dǎo)軌施工。

圖2 導(dǎo)軌施工

3.7 預(yù)埋管施工

洞穿管之前， 需要將頂管內(nèi)預(yù)留管件施工完畢。 主要包括硅芯管、 頂管兩側(cè)硅芯管SC80DF 保護(hù)鋼管、 排氣管、 注漿管。 排氣管、 注漿管施工結(jié)合頂部限位裝置安裝， 注漿管與排氣管每根長238 m，通過與混凝土套管管頂?shù)南尬谎b置配合安裝， 從頂管兩側(cè)豎井分別向管內(nèi)安裝一根注漿管與排氣管。

3.8 安裝牽引設(shè)備

牽引設(shè)備采用3t 卷揚(yáng)機(jī)結(jié)合動滑輪， 配合22mm鋼絲繩進(jìn)行。

3.9 洞穿管進(jìn)場、 吊裝、 焊接施工

洞穿管： DN2420， Q235C， 壁厚18 mm， 工作壓力0.5 MPa， 設(shè)計(jì)壓力0.9 MPa， 試驗(yàn)壓力1.0 MPa。

吊裝： 采用130 t 吊車下管。

焊接： 根據(jù)鋼管焊接工藝性試驗(yàn)成果， 現(xiàn)場焊接采用氬弧焊打底， 手工電弧焊填充并照面。 X 坡口， 雙面焊， 外3 遍， 內(nèi)3 遍， 共6 遍， 兩面同時(shí)施焊。

3.10 鋼管焊縫檢測及防腐處理

選擇專業(yè)試驗(yàn)室， 每天現(xiàn)場檢測焊口（每日焊接一道口， 進(jìn)洞一根管） ， 焊縫檢測采用100%超聲波檢測， 20%采用射線檢測。 要求焊縫達(dá)到1 類焊縫標(biāo)準(zhǔn)。 管道焊接完畢并檢測合格后， 先進(jìn)行外防腐修補(bǔ)， 然后再啟動卷揚(yáng)機(jī)將鋼管拖入洞內(nèi)。

3.11 穿拉鋼管、 就位

在豎井內(nèi)設(shè)置卷揚(yáng)機(jī)， 下設(shè)型鋼基礎(chǔ)， 通過鋼絲繩與鋼管內(nèi)連接， 穿拉鋼管。 直至鋼管洞穿完成時(shí)結(jié)束。

4 自密實(shí)混凝土施工

4.1 灌灰孔開設(shè)

鋼管就位后每隔8 m 設(shè)置一個(gè)灌灰孔， 灌灰孔直徑15 cm， 灌灰孔提前要求廠家加工完成， 設(shè)置成絲扣形式， 混凝土澆筑時(shí)將混凝土泵管插入到灌灰孔中進(jìn)行灌注， 灌注完成后拔出泵管， 并且封上灌漿孔。

4.2 頂管兩側(cè)封堵

頂管與鋼管間縫隙封堵， 采用磚砌、 中配鋼筋形式。 待強(qiáng)度符合要求， 進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆筑。

4.3 澆筑系統(tǒng)安裝

澆筑系統(tǒng)安裝， 包括地泵+泵管+灌灰孔連接裝置。

4.4 自密實(shí)混凝土澆筑施工

1） 為保證澆筑質(zhì)量， 要求自密實(shí)砼生產(chǎn)廠家出機(jī)砼塌落擴(kuò)展度不小于720 mm， 并保證砼的運(yùn)輸能力。

2） 鋼管每隔8 m 設(shè)置1 個(gè)灌灰孔。

3） 澆筑之前， 建立測量系統(tǒng)， 在每個(gè)灌灰孔下方設(shè)置測量控制點(diǎn)， 澆筑混凝土?xí)r， 每隔5 min觀測1 次。

4） 自密實(shí)混凝土采用地泵輸送， 澆筑時(shí)將泵管端頭裝好密封橡膠圈， 插入到灌灰孔中進(jìn)行灌注， 灌注完成后拔出泵管， 封上灌灰孔后進(jìn)行下一個(gè)灌灰孔的澆筑。

5） 混凝土分二期澆筑完成， 采用后退法澆筑，從鋼管中部位置向兩側(cè)后退澆筑。

6） 自密實(shí)一期混凝土澆筑至鋼管下方140°，每延米方量約1.33 m3， 一期隔孔澆筑， 每個(gè)有效澆筑孔總方量約21.28 m3， 每個(gè)罐車混凝土量為10 m3，每個(gè)澆筑孔以澆筑2 車20 m3混凝土為控制標(biāo)準(zhǔn)。

7） 自密實(shí)二期混凝土按照每個(gè)灌灰孔順序澆筑， 灌灰孔澆筑完成標(biāo)準(zhǔn)為下一個(gè)灌灰孔均勻穩(wěn)定冒漿為止， 封堵澆筑孔， 向下轉(zhuǎn)移。

4.5 注漿施工

當(dāng)完成灌灰孔部分的澆筑后， 分別在兩端用注漿管進(jìn)行注漿。

4.6 防腐處理

自密實(shí)混凝土澆筑完畢， 將灌灰口進(jìn)行封閉，然后進(jìn)行防腐處理。

5 施工技術(shù)措施

1） 澆筑混凝土前， 在混凝土管的拱頂處安裝防漂裝置， 防漂裝置的底端距離洞穿鋼管的頂端10 mm； 澆筑一期混凝土?xí)r， 在正在灌注的灌灰口的下一個(gè)灌灰口的下方進(jìn)行豎向位移監(jiān)測， 當(dāng)該處的洞穿鋼管上浮10 mm 時(shí)， 將澆筑管改移至下一個(gè)灌灰口。

通過上述技術(shù)方案， 防漂裝置組件的設(shè)置對洞穿鋼管起到了限位的作用， 將洞穿鋼管的漂浮限制在施工誤差允許的范圍內(nèi)； 又避免了洞穿鋼管在穿入混凝土管的過程中， 將防漂裝置組件觸碰掉落。作業(yè)人員可通過量取洞穿鋼管輕微的上浮量， 來判斷回填混凝土的程度。

2） 在洞穿鋼管的中部間隔開設(shè)多個(gè)與鋼管中心軸對稱設(shè)置的觀察孔， 一期混凝土澆筑過程中，從同一位置的兩個(gè)觀察孔對環(huán)空層內(nèi)混凝土進(jìn)行觀察， 保證洞穿鋼管兩側(cè)混凝土高度大致相同； 澆筑二期混凝土之前， 將觀察孔進(jìn)行永久封閉。

通過上述技術(shù)方案， 進(jìn)一步加強(qiáng)了作業(yè)人員對環(huán)空層內(nèi)一期混凝土回填程度的觀察和判斷， 使得作業(yè)人員可以及時(shí)根據(jù)一期混凝土的回填程度進(jìn)行作業(yè)調(diào)整。

3） 后退式澆筑過程中， 將洞穿管兩端砌墻進(jìn)行封堵， 在墻頂預(yù)留出端頭觀察口。

澆筑一期混凝土?xí)r的觀察： 利用手摸鋼管內(nèi)部溫度感應(yīng)、 觀察孔觀察、 手電配合手機(jī)錄視頻、 測量人員豎向位移監(jiān)測、 方量估算等多種方法， 確定更換灌灰口的時(shí)間； 一期混凝土澆筑完畢后， 封堵中部觀察孔。

澆筑二期混凝土： 在澆筑第二次混凝土之前，間隔一段時(shí)間， 待混凝土初凝后， 方可開始二期混凝土的澆筑。

通過上述技術(shù)方案， 進(jìn)一步加強(qiáng)了在一期回填混凝土?xí)r和二期回填混凝土?xí)r對環(huán)空層內(nèi)混凝土的觀察， 多種手段結(jié)合， 加強(qiáng)了作業(yè)人員對灌灰口回填混凝土?xí)r間的控制。

4） 注漿時(shí)采用高壓注漿， 同時(shí)注意注漿壓力變化， 在漿液從排氣管留出速度等于灌注速度時(shí)，停止注漿。

通過上述技術(shù)方案， 針對環(huán)空層的長度較長的問題， 采用高壓注漿， 實(shí)現(xiàn)了對環(huán)空層的補(bǔ)漿處理， 且保證了補(bǔ)漿的飽滿度； 相比背景技術(shù)中的注漿措施， 更加高效。

5） 在灌灰口處預(yù)先焊接套管， 套管設(shè)置內(nèi)螺紋， 澆筑混凝土?xí)r， 將設(shè)置有外螺紋的輸入管擰入套管內(nèi)， 輸入管的底部與地泵澆筑管用抱箍連接；用于封堵灌灰口的封蓋上也設(shè)置有螺紋， 封堵灌灰口時(shí)， 將封蓋擰入灌灰口即可。

通過上述技術(shù)方案， 實(shí)現(xiàn)了灌灰口與澆筑管的可拆卸連接， 方便了作業(yè)人員對環(huán)空層的澆筑。 圖3 為作業(yè)人員對環(huán)空層的澆筑。

圖3 作業(yè)人員對環(huán)空層的澆筑

6） 每個(gè)灌灰口自密實(shí)混凝土澆筑期間還需要完成以下工作： 下一個(gè)灌灰口澆筑前的準(zhǔn)備工作；前一個(gè)澆筑管改移后的外泄混凝土的清理工作。

通過上述技術(shù)方案， 實(shí)現(xiàn)了施工的連貫性， 提高了施工的效率， 且可以避免因連接灌灰管的時(shí)間太長， 而導(dǎo)致已澆筑完畢的灌灰口處的混凝土向未澆筑區(qū)域流動得太多， 使得混凝土頂部空層變大。

6 結(jié)束語

1） 本方案分兩期進(jìn)行混凝土的澆筑， 在一期混凝土澆筑完后， 使得回填的自密實(shí)混凝土具有一定的高度， 在進(jìn)行二期混凝土澆筑時(shí)， 向已經(jīng)二期混凝土澆筑完畢的灌灰口處回填混凝土， 向未進(jìn)行二期回填混凝土的區(qū)域流動時(shí)， 灌灰口與未灌灰處的高度差小于背景技術(shù)中的方案的高度差， 灌灰口處回填混凝土的高度降低的幅度變小， 使得回填混凝土頂部的空層減小， 從而減少了補(bǔ)漿量， 保證了環(huán)空層回填混凝土的強(qiáng)度。 分兩期進(jìn)行混凝土澆筑， 減小了灌灰口與未灌灰處的高度差， 使得作業(yè)人員能夠更好地把握灌灰的分寸， 方便作業(yè)人員對每個(gè)灌灰口的灌灰時(shí)間和灌灰量的控制。

2） 端頭觀察口和洞穿鋼管中部觀察孔的設(shè)置以及多種手段的結(jié)合， 進(jìn)一步加強(qiáng)了作業(yè)人員對環(huán)空層內(nèi)一期混凝土回填程度的觀察和判斷， 加強(qiáng)了作業(yè)人員對灌灰口回填混凝土?xí)r間的控制， 使得作業(yè)人員可以及時(shí)根據(jù)一期混凝土的回填程度進(jìn)行作業(yè)調(diào)整。

3） 灌灰口處設(shè)置的套管， 實(shí)現(xiàn)了灌灰口與澆筑管的可拆卸連接， 方便了作業(yè)人員對環(huán)空層的澆筑， 且為本方案的分兩期進(jìn)行回填混凝土進(jìn)行了有力的支撐。

4） 防漂裝置組件的設(shè)置對洞穿鋼管起到了限位的作用， 將洞穿鋼管的漂浮限制在施工誤差允許的范圍內(nèi)； 又避免了洞穿鋼管在穿入混凝土管的過程中， 將防漂裝置組件觸碰掉落。 作業(yè)人員可通過量取洞穿鋼管輕微的上浮量， 來判斷回填混凝土的程度。

綜上所述， 本文所述的隧洞（頂管） 內(nèi)洞穿鋼管及背后自密實(shí)混凝土澆筑的施工方法， 是基于南水北調(diào)配套工程大興支線工程項(xiàng)目的成功實(shí)踐， 為后續(xù)類似項(xiàng)目的施工提供了經(jīng)驗(yàn)及參考。